內蒙古電網復合絕緣子運行老化性能分析

趙建坤，車傳強，燕寶峰，趙建利，趙 雷，謝明佐

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區高電壓與絕緣技術企業重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

二十世紀80年代國內開始研制復合絕緣子，因其質量輕、憎水性和憎水遷移性強、防污閃性能優異等特點，在電網中得到了廣泛應用[1-2]。內蒙古電網從二十世紀90年代起，開始大批量應用復合絕緣子，是國內最早應用復合絕緣子的電網之一[3]。

復合絕緣子在長期戶外運行過程中受雷擊、污染、光照、高寒、電暈等影響不可避免地出現不同程度老化，機械、電氣性能下降，嚴重時引發閃絡、掉串等故障[4-7]。內蒙古電網復合絕緣子應用規模大，目前各單位主要依據運行年限、外觀情況對運行復合絕緣子進行更換，運行狀態評估工作有待深入開展。因此，對網內運行復合絕緣子進行抽樣檢測，研究其老化性能，對指導復合絕緣子運行維護工作具有重要意義。

本文選取一批內蒙古電網運行復合絕緣子，開展外觀、電氣、機械及材料性能試驗檢測，分析復合絕緣子運行老化性能，并提出運維建議。

1 復合絕緣子應用及抽檢情況

1.1 應用情況

內蒙古電網絕緣子應用規模大，且電壓等級越低，復合化率越高（見圖1）。截至2019年底，內蒙古電網110 kV及以上架空輸電線路在運復合絕緣子達40余萬支，110 kV、220 kV、500 kV線路絕緣子復合化率分別達79%、61%、40%。

圖1 內蒙古電網絕緣子應用情況

1.2 抽檢情況

復合絕緣子老化與運行環境密切相關。為研究內蒙古地區（內蒙古電網所轄供電范圍，下同）自然環境下復合絕緣子運行老化性能，在內蒙古電網不同地區抽取不同電壓等級、運行年限、生產廠家在運復合絕緣子77支（分布情況如圖2所示）。抽檢樣本覆蓋了110 kV、220 kV、500 kV 3個電壓等級（110 kV 13支，占比17%；220 kV 49支，占比64%；500 kV 15支，占比19%），運行年限6~21年，涵蓋了國內市場占有率較高的復合絕緣子生產廠家，抽檢樣本具有較好的覆蓋性、均布性。

圖2 抽檢復合絕緣子分布情況

2 檢測項目及方法

2.1 檢測項目

從預備項目、電氣性能、機械性能、材料性能四方面（見圖3），對抽檢復合絕緣子開展檢測，分析其運行老化性能。

圖3 檢測項目

為避免各項試驗之間相互影響，按照先非破壞性試驗后破壞性試驗、同支絕緣子不開展互相干擾試驗的原則進行。非破壞性試驗逐支進行，破壞性試驗每批次抽取1—3支。

2.2 檢測方法

2.2.1 外觀檢查

主要檢查端部金屬附件臟污、銹蝕情況，傘裙護套臟污、硬化、粉化、破損、燒灼等情況，傘裙與芯棒黏接密封情況。

2.2.2 護套厚度檢查

機械破壞負荷試驗后，從每支復合絕緣子的完好部分抽取3個剖面，測量剖面芯棒護套的最小厚度，以最小值表示抽檢絕緣子的護套最小厚度。最小護套厚度應滿足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》的規定[8]。

2.2.3 憎水性試驗

采用噴水分級法（HC法）和靜態接觸角法，對比兩種方法對運行復合絕緣子憎水性檢測的適用性[9-10]。

2.2.4 交流耐壓試驗

根據GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分：定義、原則和規則》確定需施加的試驗電壓[11]，對復合絕緣子施加75%規定電壓值，然后以每秒約2%的速率上升至規定的耐受電壓，保持1 min，不應發生閃絡或擊穿。

2.2.5 陡波前沖擊耐受電壓試驗

試樣水煮后，將電極固定在試樣傘裙間的護套上。試驗分段進行，在每支產品兩端和中間的1 m范圍內，取16 cm施加Upk/L≥30 kV/cm、Upk≥480 kV的沖擊電壓，沖擊次數為正負極性各25次。每次沖擊是電極間外部閃絡，不產生擊穿。

2.2.6 帶護套芯棒水擴散試驗

用金剛石鋸片將芯棒沿與軸線成90°的方向切下6支試樣，并進行標記。每支試樣長度為30 mm±0.5 mm。試驗前將試樣放置于裝有質量濃度為0.1g/ml NaCl去離子水的玻璃容器內，加熱使溶液沸騰并持續100 h。水煮結束后，從容器中取出試樣，進行耐壓試驗。試驗電壓從0按1 kV/s速率升到12 kV，在此電壓下維持1 min，并記錄泄漏電流值。

2.2.7 耐應力腐蝕試驗

在絕緣子中間部位剝除至少150 mm的傘套以露出芯棒，芯棒裸露部分安裝一個盛酸容器，容器壁厚≥1 cm，高度≥4 cm，蒸發量<5%，施加67%額定機械負荷（SML）的拉伸負荷，耐受96 h。

2.2.8 密封性試驗

用清潔劑將表面預清理干凈，在清潔的表面用滲透劑（質量濃度為0.01 g/ml的品紅溶液）作用20 min，除去多余滲透劑，使表面清潔干燥，噴涂顯影劑檢查表面是否有裂紋；清洗端部附件與絕緣子傘套間界面，將清洗后的試驗部位外表面的傘裙割去，觀察是否有染色劑滲透。

2.2.9 護套黏接強度試驗

解剖樣品絕緣子的傘裙和護套，檢查護套和芯棒黏接情況。

2.2.10 機械破壞負荷試驗

先將機械負荷快速平穩升高至70%SML，然后在30~90 s將機械負荷升高至100%SML，保持1 min。額定機械負荷試驗通過后，繼續升高機械負荷直至樣品絕緣子被拉斷。

2.2.11 熱重分析

甲基乙烯基硅橡膠（PDMS）、白炭黑（SiO2）、氫氧化鋁（ATH）是復合絕緣子硅橡膠的3種主組分。復合絕緣子長期運行過程中3種主組分含量會發生變化。熱重分析可以測量硅橡膠主組分含量，通過測量不同深度位置硅橡膠主組分變化情況，表征復合絕緣子老化程度[10]。

2.2.12 紅外光譜分析

紅外光譜分析可用于研究分子的結構和化學鍵。硅橡膠老化的主要表現之一是硅橡膠中的Si-C鍵和C-H鍵發生斷裂，通過紅外光譜分析這些化學基團譜峰強度的變化，定性和定量分析絕緣子表面的老化狀態[12]。

3 結果分析

3.1 外觀檢查

對全部77支樣品絕緣子進行外觀檢查，如表1所示。

表1 外觀檢查結果 個

由表1可知，運行5年以上復合絕緣子受電場、日曬雨淋、污穢、紫外線等環境因素影響，都出現不同程度老化或劣化，主要表現為傘裙破損、臟污、硬化、粉化，金具銹蝕等。傘裙臟污比例達90%，傘裙硬化比例＞40%，傘裙破損、粉化比例接近20%，且隨著運行年限的增加，硬化、粉化比例基本呈上升趨勢。

3.2 護套厚度檢查

對26支樣品絕緣子護套厚度進行檢查，均滿足標準要求。但需要注意的是，如皋電力設備廠2002年生產的復合絕緣子護套厚度僅滿足標準最低要求，遠低于同時期其他廠家產品。

3.3 憎水性試驗

對全部77支復合絕緣子利用噴水分級法進行測試，測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 憎水性測試結果（HC法）

圖5 復合絕緣子憎水性分級典型狀態

由圖4可知，96%的樣品絕緣子憎水性為HC2—HC4等級，4%達到HC5等級，無HC6等級；同時復合絕緣子憎水性下降與運行年限無明顯正相關關系。結果表明，運行多年后復合絕緣子仍具有良好的憎水性，憎水性主要受原料配方、積污狀況等因素影響，與運行年限無明顯相關性。

按照DL/T 1474—2015《標稱電壓高于1000 V交、直流系統用復合絕緣子憎水性測量方法》要求，對運行復合絕緣子保留傘裙表面的污穢層，采用HC法測量其憎水性。為了對比分析接觸角法對運行復合絕緣子憎水性的適用性，在HC2—HC5等級中各選取3支復合絕緣子，利用靜態接觸角法測量其憎水性。結果表明僅1支HC4等級絕緣子不滿足DL/T 376—2019《聚合物絕緣子傘裙和護套用絕緣材料通用技術條件》對絕緣子硅橡膠表面的憎水性要求（平均接觸角≥100°、最小接觸角≥90°）。靜態接觸角測試結果與噴水分級法憎水性判定結果不一致，反映出靜態接觸角法用于運行積污絕緣子傘裙憎水性評價具有一定的局限性，不能僅依靠靜態接觸角法判定運行復合絕緣子傘裙的憎水性能。

3.4 交流耐壓試驗

對13支樣品開展試驗，全部通過。

3.5 陡波前沖擊耐受電壓試驗

對26支樣品開展水煮后陡波前沖擊耐受電壓試驗，每次沖擊只引起電極間的外部閃絡，未產生內部擊穿現象，所有樣品均通過試驗。

3.6 帶護套芯棒水擴散試驗

對13支樣品開展試驗，4支發生擊穿，2支泄漏電流超過0.1 mA，試驗合格率為54%。

3.7 耐應力腐蝕試驗

對9支樣品開展試驗，1支樣品在96 h內出現斷裂現象，試驗合格率為89%。

3.8 密封性試驗

對13支樣品開展試驗，即進行端部金屬附件與傘套間界面的滲透試驗，對其兩端面用染色材料滲透檢查裂痕情況，試驗結果如圖6所示，所有樣品均未發現裂紋。

圖6 密封性試驗結果

3.9 護套黏接強度試驗

對13支樣品開展試驗，發現4支樣品芯棒與硅橡膠的界面存在不黏現象，1支樣品護套中有氣泡存在，試驗合格率為62%。典型試驗結果如圖7所示。

圖7 護套黏接強度試驗結果

3.10 機械破壞負荷試驗

對26支樣品開展試驗，額定機械負荷試驗全部通過，機械破壞負荷形式主要為帽窩抽出、球頭變形或斷裂、球頭抽出、芯棒酥斷等，如圖8所示。

圖8 機械破壞負荷形式

選取保定電力修造廠、廣州邁克林廠、淄博泰光廠、任丘新華廠等4家產品，計算機械破壞負荷與額定機械負荷比值，同型號同廠家樣品取均值，分析不同廠家產品端部壓接工藝控制情況，計算統計結果如表2所示。

由表2可知，機械破壞負荷與額定機械負荷比值均超過1，平均值為1.5左右，表明運行復合絕緣子機械性能良好，主流廠家端部壓接工藝控制良好。對內蒙古電網20世紀90年代掛網運行合成絕緣子的電氣及機械性能進行了試驗研究，發現早期掛網運行的合成絕緣子機械性能下降較為普遍[3]。本文試驗結果表明，內蒙古電網早期應用復合絕緣子出現的機械強度下降等問題已經基本解決。

表2 機械破壞負荷與額定機械負荷比值

3.11 熱重分析

對13支樣品絕緣子傘裙表層及內部分別取樣，內部作為新樣參照，進行熱重分析（TGA）。某典型樣品傘裙表層及內部試樣的TGA曲線如圖9所示，其中第一段主要為ATH的熱分解，第二段主要為PDMS的熱分解。

由圖9可知，表層及內部試樣在第一階段失重率分別為17.82%與14.32%，第二階段失重率分別為30.68%與35.00%。表層試樣第一階段失重率高、第二階段失重率低，表明相較于內部，表層ATH含量高，PDMS含量低，說明傘裙在長時間運行中發生老化，表層PDMS主側鏈發生不同程度損失，使得表面憎水性減弱，復合絕緣子壽命降低。

圖9 表層及內部試樣TGA曲線

3.12 紅外光譜分析

以某HC4、HC2等級樣品為例，分別對樣品絕緣子傘裙表層、內部（作為新樣參照）取樣測試，紅外光譜如圖10所示。光譜圖中兩條曲線分別代表傘裙表層、內部試樣的紅外光譜特征，788 cm-1附近為Si-C的伸縮振動峰，1009 cm-1附近為Si-O-Si的伸縮振動峰，1259 cm-1附近為Si-CH3中CH3的對稱變形振動峰，2960 cm-1附近為-CH3中C-H的不對稱伸縮振動峰，3431 cm-1附近為-OH的伸縮振動峰。

圖10 復合絕緣子紅外光譜測試結果

對比HC4樣品傘裙表層、內部紅外光譜發現，各主要官能團的吸收峰差別較大，表層1009 cm-1處Si-O-Si吸收峰明顯減弱，說明傘裙表層硅橡膠的主鏈大量斷裂，2960 cm-1、1259 cm-1和788 cm-1處的-CH3吸收峰明顯減弱，說明硅橡膠的側鏈也損失較多。HC2等級樣品傘裙表層、內部紅外光譜對比發現，各主要官能團的吸收峰具有一定差別，表層1009 cm-1處Si-O-Si吸收峰減弱，說明傘裙表層硅橡膠的主鏈部分斷裂，788 cm-1處的-CH3吸收峰減弱，說明硅橡膠的側鏈存在部分損失。

從紅外光譜分析結果看，HC2等級樣品比HC4等級樣品表層老化程度低，與憎水性測試結果一致，說明紅外光譜分析可用于硅橡膠材料老化程度分析。

4 結論

選取內蒙古地區運行復合絕緣子，開展外觀、電氣、機械及材料性能檢測，綜合各項檢測結果，得出內蒙古電網復合絕緣子運行老化性能及運維建議如下。

（1）交流耐壓試驗、陡波前沖擊耐受電壓試驗、機械破壞負荷試驗合格率達到100%，說明復合絕緣子界面、機械性能管控良好，長期運行性能仍滿足標準要求，表明早期應用復合絕緣子出現的機械強度下降等問題已經基本解決。

（2）憎水性試驗、帶護套芯棒水擴散試驗、護套粘接強度試驗合格率較低，反映這3項試驗對運行復合絕緣子老化特征較為靈敏，建議將上述試驗項目用于網內運行復合絕緣子抽檢。

（3）噴水分級法用于運行復合絕緣子憎水性測試效果較好，靜態接觸角法憎水性測試結果與噴水分級法不一致，靜態接觸角法應用于運行復合絕緣子憎水性判定的適用性需進一步研究。

（4）老化復合絕緣子主要表現為傘裙硬化、粉化、破損、憎水性下降，但采用電氣、機械試驗等方法對復合絕緣子老化性能進行檢測，通常在其性能發生較為明顯的劣化后才能顯示區別。而復合絕緣子老化是逐漸發展的，試驗結果表明，熱重分析、紅外光譜分析等方法判定絕緣子傘裙早期老化程度效果良好。材料老化程度對復合絕緣子長期運行的影響仍需進一步研究。