喀斯特山地埡口地貌影響下直流線路復合絕緣子傘裙老化特性分析*

趙 偉 陳榮盛 江 渺 吳 昊 邱子針 樊柄宏 李 黎

(1. 中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局 貴州 562400；2. 華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074)

1 引言①

復合絕緣子以其體積小、重量輕、易安裝、免維護、耐污性能好等一系列優點，在我國電力系統中得到了廣泛應用[1-3]。隨著南方電網超、特高壓直流輸電的快速發展，復合絕緣子在直流輸電線路上的應用也越來越廣。南網多條直流輸電線路穿越喀斯特地貌區，在長期運維統計中發現，運行于喀斯特山地埡口處的復合絕緣子，其傘裙老化程度相較其他一般地區相同運行年限的絕緣子更嚴重，具體表現為傘裙積污更重、表面存在粉化現象、根部出現裂紋等[4-8]。因此，有必要對這一特殊現象開展相應的研究。

喀斯特是指由地下水對碳酸鹽類巖石進行化學溶蝕、沖蝕和潛蝕等地質作用所造成的一類自然地貌。我國喀斯特地貌主要分布于廣西、貴州和云南東部，基本屬于南方電網管轄區域，大量直流輸電線路不可避免地經過喀斯特地貌區，其中又以運行于兩山之間埡口部位的絕緣子傘裙老化最為嚴重。目前有少量文獻研究埡口地貌對絕緣子運行性能的影響情況，張宏杰等[9]研究了埡口處的輸電線路風偏事故，指出山谷中軸線上最大風速比平地風速高出33%，容易造成埡口區域內線路風偏閃絡或倒塔；王希林等[10]研究了強風區復合絕緣子傘裙撕裂問題，發現風速達到30 m/s 時，復合絕緣子會發生高頻大幅振動，撕裂硅橡膠材料，最終擴展導致傘裙的斷裂。以上研究僅針對埡口地貌和風速因素對絕緣子傘裙的影響進行了分析，然而關于喀斯特山地埡口處絕緣子傘裙老化性能的特殊性，以及造成此種特殊性的綜合影響因素和影響規律，目前未見文獻開展相應研究。

本文分別對運行于喀斯特山地埡口與平原開闊地帶的直流復合絕緣子進行了憎水性測試、污穢度測量、污穢成分分析等試驗，對比研究了絕緣子傘裙的老化特性；并結合喀斯特山地埡口的區位特征，分析了復合絕緣子傘裙老化特性的特殊影響因素。本文工作可為南方電網喀斯特山地埡口處直流復合絕緣子運維提供經驗和參考。

2 試品情況

復合絕緣子樣品來自中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局所管轄的±500 kV 超高壓直流輸電線路。本次抽樣從天廣直流和興安直流兩條線路中隨機抽取了共30 支復合絕緣子樣本，其中20 支絕緣子樣本取自喀斯特山地埡口地區，另外10 支絕緣子取自平原地區以作為對照。所有絕緣子運行區域均為亞熱帶季風氣候區，運行環境如下：年平均氣溫16～24 ℃，年平均濕度70%～85%RH，年平均風速2.5～4.0 m/s，以排除由于環境因素差異對絕緣子老化特性產生的影響。

本文對30 支絕緣子樣品均進行了基本性能測試，結果發現，絕緣子在相同環境和運行壽命情形下的老化特性較為相似，而在不同地形條件下則表現出一定的差異。因此，為了重點研究這種差異，本文沒有列出所有樣品的檢測結果及老化狀態，而是選取了6 支最具代表性的復合絕緣子樣品開展討論。按照絕緣子運行位置的地形特點將這6 支絕緣子樣品分為A 組(喀斯特山地埡口處)和B 組(平原地區)，每組3 支。復合絕緣子樣品信息如表1 所示。

表1 復合絕緣子樣品信息

3 傘裙老化特性研究

3.1 憎水性測試

采用噴水分級法測試復合絕緣子傘裙材料憎水性。對6 支絕緣子樣品高壓端、中部、低壓端3 個位置的傘裙分別進行憎水性測試，結果如表2所示。

表2 樣品絕緣子傘裙的憎水性

由表2 可以看出，6 支絕緣子的憎水性分級都在HC4 級及以下，可以認為在運行8 年后仍然具有良好的憎水性。具體來看，A 組絕緣子樣品的憎水性均處于HC3～HC4，而B 組絕緣子樣品的絕大部分傘裙憎水性處于HC2～HC3，表明運行于喀斯特山地埡口地區的復合絕緣子，其傘裙憎水性整體下降更快，老化更嚴重。同時，樣品A-1 和B-2 出現高壓端傘裙憎水性比中部和低壓端更差的現象，可能是由于高壓端電場更強，對傘裙憎水性產生一定影響。此外，A-2 和B-2 的憎水性相對本組3 支絕緣子最差，注意到這兩只絕緣子串型均為雙I 型，表明傘裙憎水性與串型可能存在一定關聯性，雙I型串掛網絕緣子傘裙憎水性喪失更嚴重，對傘裙老化特性更為不利。

3.2 污穢度測量

對6 支絕緣子傘裙進行等值鹽密和等值灰密測量。將絕緣子分為高壓端、中部、低壓端三段，每段取相鄰的3 片大傘裙作為測量點，共9 個測量點。測量結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 絕緣子樣品等值鹽密測量結果

圖2 絕緣子樣品等值灰密測量結果

從圖1 中可以看出，A 組絕緣子樣品的等值鹽密整體高于B 組絕緣子樣品，A-2 樣品的鹽密值最高，6 支絕緣子樣品的傘裙等值鹽密沿串分布未表現出明顯規律；由圖2 可以看出A 組絕緣子樣品的等值灰密同樣高于B 組樣品，A-2 樣品的灰密值最高。此外不同于鹽密的是，灰密值沿串分布呈現出兩端高、中間低的規律。這是由于直流線路絕緣子積污過程中存在極化效應[11-12]，電場強度高的地方更容易吸附難溶污穢顆粒，因此積污量與電場沿串分布特征保持一致，即近似為一條“U”型曲線。

綜合對比兩組絕緣子的積污情況，可以發現運行于喀斯特山地埡口處的復合絕緣子傘裙整體污穢值高于運行于平原地區的絕緣子，表明山地埡口環境對絕緣子積污有一定的不利影響。

3.3 污穢成分分析

進一步對絕緣子樣品污穢的組成成分及含量進行檢測。污穢包括可溶性離子和難溶顆粒物，分別采用離子色譜儀和紅外光譜儀進行檢測分析。檢測方法如下：首先將從絕緣子表面收集的污穢樣品放置于80 ℃烘箱中烘干24 h，然后將污穢溶解于適量蒸餾水中，靜置30 min 后取定量濾紙過濾，分離出只含可溶性組分的污液及不溶的殘留顆粒物，以便分別進行檢測[13-14]。為了對比運行于喀斯特山地埡口與平原地區的絕緣子在積污成分上是否存在差異，本文選取積污量最多的A-2 和B-2 絕緣子樣品進行污穢成分分析，結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 絕緣子污穢中可溶性離子成分及含量

圖4 絕緣子污穢中難溶物成分及含量

圖4 為兩支絕緣子樣品污穢中不溶物的成分及含量對比。可以明顯發現運行于喀斯特山地埡口的絕緣子傘裙上存在CaCO3沉積，而平原地區的絕緣子表面并無相應成分，據此很自然地推斷該成分來自喀斯特地貌特有的石灰巖的風化顆粒。由于CaCO3化學性質不如CaSO4穩定，在積污過程中會逐漸向CaSO4轉化，這也是不溶污穢中CaSO4含量偏高的原因。除去含鈣化合物，兩支樣品的其他難溶物成分組成基本一致，絕大部分為來自土壤和沙塵的SiO2，另外有少量的Al2O3、Fe2O3，以及微量的CaO 等金屬氧化物。

4 影響因素分析

從上述試驗結果可以發現，運行于喀斯特山地埡口處的直流復合絕緣子相較于平原地區的絕緣子，在相同運行年限下，憎水性和積污特性均表現出更為不利的狀態，對其傘裙老化特性可能造成更為嚴重的影響。為了探討喀斯特山地埡口處復合絕緣子傘裙性能表現出特異性的原因，對可能的影響因素進行了分析。

4.1 微地形因素

喀斯特地貌以地表溝壑縱橫的巖層和連綿起伏的山峰谷地為標志性特征，屬于典型的自然微地形區[16]，其中又以兩山相接的埡口處地形最為復雜。埡口是連續山峰間一塊相對平坦且地勢較低的谷地，輸電線路走廊從埡口處穿過可以避免直接翻過山梁，從線路整體布局上來說是十分合理的。然而單對運行于埡口處的桿塔及絕緣子來說，其長期運行特性勢必受到這一特殊地形位置的不利影響。根據對天廣、興安直流線路的現場考察經驗，發現線路走廊在經過埡口時，主要有兩種桿塔布置方式：平地-埡口-山頂和平地-埡口-平地。兩種布局的示意圖如圖5 所示。可以發現，無論采取何種布局方式，埡口處桿塔總會與相鄰兩基桿塔之間存在海拔差，這會使垂直檔距和導線弧垂加大，導線兩端桿塔受力不均，絕緣子承受額外的水平方向拉伸負荷。該負荷的作用效果為彎矩，由于懸垂復合絕緣子承受彎矩能力不佳，從而絕緣子的長期力學性能勢必受到一定程度的不利影響。

圖5 輸電線路走廊在埡口處的布置方式

4.2 微氣象因素

喀斯特山地微氣象區域的特殊性主要體現在埡口處的異常高風速。根據狹管效應[17]，當氣流從開闊地帶流入埡口等地形狹窄的區域時，由于空氣質量不能大量堆積，氣流將加速通過該隘口，引起風速的顯著增大。文獻[9]表明，山地埡口處中軸線上風速最大值相比平地風速最高可高出33%，遠超輸電線路設計規范中在平地風速基礎上提高10%的規定。強風對復合絕緣子傘裙運行特性將產生顯著的不利影響。由于傘型結構復雜，流體經過傘裙時受其阻擋作用發生劇烈變化，傘裙迎風面受到較大風壓，在邊緣引起擾流的分離和渦脫落，導致傘裙邊沿出現一定程度的振動。隨著風速的提高，傘裙振動頻率逐漸升高，即發生高頻大幅振動，在傘裙根部產生周期性的應力集中。長期承受周期循環載荷，傘裙根部將發生應力疲勞損傷，致使硅橡膠材料表面出現裂紋[18-19]。在A 組絕緣子樣品的傘裙根部均能或多或少找到裂紋，如圖6 所示，表明埡口處高風速的確對傘裙表面產生影響。

圖6 絕緣子樣品傘裙根部裂紋

同時，高風速還會引起導線舞動等問題。導線水平風荷載通過連接金具傳遞至復合絕緣子，使得玻璃纖維芯棒風偏彎曲，并使傘裙、護套及端部壓接部位承受拉伸和彎曲荷載，這對絕緣子傘裙性能，乃至整支絕緣子的長期機械耐受性能都是相當不利的。

4.3 污穢因素

5 結論

(1) 相較于相同運行年限的平原地區復合絕緣子，運行于喀斯特山地埡口處的復合絕緣子傘裙憎水性更差，整體積污量更重，表明喀斯特山地埡口環境對絕緣子傘裙老化性能有一定的不利影響。

(2) 受埡口區域長期強風因素影響，絕緣子傘裙根部容易發生應力疲勞現象，出現破損和根部裂紋，降低硅橡膠材料表面性能。若外界酸液從裂紋滲入，可能進一步侵蝕傘裙內部，極大加劇硅橡膠老化進程。

(3) 喀斯特山地埡口處的絕緣子傘裙積污成分中，Ca2+1、CO2-3離子以及不溶的CaCO3含量偏多。富集的碳酸鹽在酸雨環境下能夠逐漸轉化為更具腐蝕性的硫酸根離子，加重傘裙表面蝕損及粉化等現象。