110 kV復合絕緣子高壓側護套開裂故障原因分析

鄭建軍，賈 鵬，劉昊東，田 峰

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.烏海電業局，內蒙古 烏海 016000）

0 引言

與瓷質絕緣子和玻璃絕緣子相比，復合絕緣子具有更優秀的機械、絕緣及抗污閃性能，更便于安裝及維護[1-2]。復合絕緣子通常由三部分組成，分別為承受軸向載荷的高強度玻璃纖維芯棒、提供泄漏距離和電氣絕緣的硅橡膠傘裙、護套以及芯棒兩端用以承擔機械負荷的金具[3-4]。

作為戶外電氣絕緣設備，復合絕緣子在運行中受到環境因素（紫外線、臭氧、溫度、濕度、污穢）及電應力因素（電弧放電、電暈、泄漏電流）的影響，隨著運行年限的增加，會出現界面擊穿、傘裙粉化及芯棒斷裂等問題，導致絕緣性能不斷降低，進而發生閃絡故障[5-6]。

本文以某110 kV 復合絕緣子護套開裂問題為例，對該復合絕緣子護套的開裂原因、開裂過程及開裂機制進行分析，并提出相應建議，為復合絕緣子的運行和維護工作提供參考。

1 絕緣子護套開裂原因分析

1.1 宏觀形貌觀察

故障復合絕緣子型號為FXBW-110/100，長度為1.2 m，傘裙總數為24 個（大傘裙和小傘裙各12個），復合絕緣子結構組成如圖1所示。開裂護套位于高壓端金具與芯棒結合處，如圖2（a）所示。由圖2（b）可以觀察到，高壓端第一個傘裙根部明顯開裂，表明高壓端硅橡膠材料已經嚴重老化。近距離觀察后可以發現，裂紋呈環狀分布，幾乎貫穿整個護套，如圖2（c）所示。剝離開裂段護套后（剝離過程順暢），發現護套與高壓端金具間僅存在1/3的連接部位，護套與金具間的膠結層已基本失效，如圖2（d）所示。經測量，護套最薄處的厚度僅為2.4 mm。

圖1 復合絕緣子結構組成示意圖

圖2 護套開裂的復合絕緣子宏觀形貌

1.2 微觀形貌及斷口形態

1.2.1 絕緣子護套表面微觀形貌

采用Topcon S-3700型掃描電子顯微鏡對故障復合絕緣子護套的微觀形貌進行觀察，檢測前樣品先放在恒溫恒濕箱干燥，然后再進行噴金處理，開裂復合絕緣子護套表面微觀形貌如圖3所示。由圖3可以看出，低壓側護套的上表面較光滑致密，僅存在少量的孔洞及微裂紋，未見明顯的干帶電弧腐蝕痕跡；而高壓側護套由于長期受到電場放電的作用，硅橡膠材料嚴重老化，表面較為粗糙[7-8]。

圖3 開裂復合絕緣子護套表面微觀形貌

1.2.2 斷口表面微觀形貌

為了推斷護套的開裂過程及找出開裂原因，分析護套的開裂機制對斷口表面進行微觀形貌觀察。從圖4 可以看出，斷口表面形貌主要分為兩個區域（Ⅰ區和Ⅱ區）。Ⅰ區域內的斷口表面較光滑，Ⅱ區域內的斷口形貌中出現了很多二次裂紋，且二次裂紋數量由外向內逐漸增多，表明裂紋是在護套的外表面形成，并不斷向內部擴展。此外，在護套表面可以發現許多電蝕坑，表明復合絕緣子高壓側護套處存在較強的電場放電。

圖4 開裂復合絕緣子護套斷口微觀形貌

1.3 后退角測量

后退角比靜態接觸角能更精確地反映絕緣材料的憎水性能，本文利用DropMeterTMA-200型光學接觸角測量儀對復合絕緣子各部位表面的后退角進行測量。試驗時，每個樣品測量3 個點后取算術平均值，測量結果及憎水性評級[9]如表1所示。可以看出，低壓側護套的憎水性能明顯優于高壓側護套，表明復合絕緣子高壓側硅橡膠材料的老化程度更高，憎水性能下降更為明顯。其主要原因為：復合絕緣子高壓側更容易受到電場放電的作用，同時該絕緣子高壓側護套存在內部缺陷，導致電場分布更加不均勻，從而加劇了硅橡膠護套的老化。

1.4 傅里葉紅外光譜分析

采用德國Bruker TensorⅡ型傅立葉紅外光譜測量儀對復合絕緣子的幾個典型部位進行檢測，測試結果如圖5所示?？梢钥闯?，硅橡膠材料紅外光譜共存在3 個主要的吸收峰，分別為Si（CH3）2（790～830 cm-1）、Si-O-Si（1000～1100 cm-1）、Si-CH3（1255～1270 cm-1）。其中高壓側傘裙和護套中Si（CH3）2、Si-O-Si、Si-CH3三個峰的峰值強度均明顯低于低壓側和中部的傘裙或護套。研究表明，電暈放電或干帶電弧能夠破壞Si-O、Si-CH3等官能團的共價鍵，從而降低這些官能團的數量[10]。這也表明復合絕緣子高壓側護套確實存在較為頻繁的放電現象，從而解釋了高壓側護套憎水性能較弱的原因。

圖5 開裂復合絕緣子不同部位的FTIR吸收光譜

2 護套開裂機制分析

在發現護套開裂前，該復合絕緣子掛網運行時間不足1 年，遠低于其正常使用壽命。解剖高壓側金具和護套后，在金具表面發現明顯放電痕跡，表明該處護套與金具的膠結面存在原始缺陷。如圖6所示，潮濕環境下，當金具與護套之間存在氣隙時，液態水會通過擴散作用不斷滲入，導致該處金具周圍的電場發生畸變[7]。氣隙處因電場強度不均而不斷發生放電，使金具與護套間的膠結層發生融解，導致氣隙面積進一步增加。另外，放電產生的熱量會使金具的溫度升高，而熱傳導作用將導致與金具相連的護套溫度隨之升高，從而加速該處硅橡膠材料的老化。

圖6 復合絕緣子護套開裂機制示意圖

研究表明，硅橡膠材料的老化往往伴隨著降解與分子鏈主鏈的斷裂[10]。隨著復合絕緣子運行時間的不斷增加，硅橡膠表面會因分子鏈的不斷斷裂而形成微裂紋，導致硅橡膠材料的力學性能逐漸下降；同時，護套的變截面處本身存在一定程度的應力集中，會進一步促進裂紋源的形成。最終，復合絕緣子高壓側護套在硅橡膠材料老化和應力集中的共同作用下逐漸開裂，并形成宏觀裂紋[11-12]。此外，DL/T 1000.3—2015《標稱電壓高于1000 V 架空線路用絕緣子使用導則 第3 部分交流系統用棒形懸式復合絕緣子》中規定，電壓等級為110 kV的復合絕緣子護套厚度不應小于3 mm[13-15]，而該絕緣子高壓側護套厚度最小值為2.4 mm，低于標準要求，較薄的護套也會對裂紋形成起到一定的加劇作用。

3 結論及建議

本文對一起110 kV 在役復合絕緣子高壓側護套開裂原因進行了試驗研究和分析，得出如下結論。

（1）高壓側護套的開裂主要與復合絕緣子生產工藝質量有關，不合格的黏結工藝使金具和護套界面處形成氣隙，液態水的不斷滲入導致該處電場強度發生畸變，從而引發金具表面局部放電。

（2）長期放電產生的熱量導致金具與護套的膠結層進一步發生融解，氣隙面積繼續擴大；此外，放電產生的熱量將會引起護套溫度升高，進而加速硅橡膠材料的老化。

（3）復合絕緣子護套開裂部位為變截面臺階結構，應力集中程度較高，使裂紋加速擴展，導致高壓側護套在硅橡膠材料加速老化和應力集中的共同作用下發生開裂。

為了防止絕緣子護套開裂，建議復合絕緣子制造廠家加強對生產工藝質量的把控，在產品出廠前做好黏結質量的無損檢測工作；同時，建議各供電單位加強對輸電線路在役復合絕緣子的監督工作。