220kV架空输电线路复合绝缘子不明原因闪络故障分析

220kV架空输电线路复合绝缘子不明原因闪络故障分析

熊杰黄凯刘鑫

（国网成都供电公司四川成都610000）

摘要：本文就成都地区近年来发生的两例220kV输电线路复合绝缘子不明原因闪络故障进行了详尽的试验探索和机理分析。通过对复合绝缘子电气、机械和材料特性等方面性能的测试，发现故障绝缘子经长时间运行后憎水性严重下降，结合当时大气情况综合分析，判断故障绝缘子闪络原因为伞套表面憎水性降低后在表面积污、外部低温高湿等条件下形成的绝缘子表面附近极间空气间隙击穿现象。

关键词：输电线路，不明原因闪络，分析

1.引言

复合绝缘子因为其优秀的耐污闪、耐漏电起痕性和耐电蚀损性能在国内得到广泛的生产和应用。绝缘子外绝缘材质是以硅橡胶为基材，添加多种无机化工原材料经混炼加温硫化而成的，其表面防污性能主要取决于硅橡胶材料特有的憎水性和憎水迁移性[1]。优点是强度高、重量轻、体积小、易于安装、运行维护简便，不必进行污秽清扫和零值检测[2]。根据国家电网公司和武高所资料，我国合成绝缘子年平均故障率约为万分之一。其中，雷击闪络占55.8%，鸟害闪络占13.0%，污闪占3%，制造质量6.9%，其它占9.4%。在绝缘子故障中，有一类闪络原因无法确定，约15%。而这些闪络特征非常相似，因而归为一类闪络，称之为“不明原因闪络”[3]。国内外研究人员针对“不明闪络”成因给出了不同的分析与解释:沈阳工业大学苑舜认为雾中带电粒子影响了绝缘子顶端电离空气的范围，在交变电场作用下，导电离子在绝缘子上下端部形成等离子体团，该等离子体团可能将空气绝缘距离减小到被击穿的程度，从而造成闪络[4]，清华大学梁曦东等人认为鸟类下落的瞬间畸变了绝缘子周围的电场分布从而引起的闪络，由于鸟类残留不明显，以往被定义为“不明闪络”[5,6]，华东电力试验研究院徐喜佑将“不明闪络”定性为污湿闪络，认为“不明闪络”是污移和潮湿共同作用的结果，根本原因是硅橡胶具有吸水性[7]。重庆大学孙才新、石帅军等人认为“不明闪络”由多方面因素共同决定，包括干弧距离偏小、硅橡胶在长期的污湿环境中吸收了水分导致其表面憎水性消失过量、爬电比距选择不合理导致两端均压环短接了部分有效长度、或在少数场合因表面粘附了异物丝带被受潮后短接了有效爬电距离等[8]。

2.闪络绝缘子性能试验

2.1外观检查

试验样品包括220千伏线路1#256号中相故障绝缘子（1#）、220kV线路2#40号右相故障绝缘子（3#）以及分别与两个故障相同塔运行的非故障相绝缘子2#和4#。如图1所示，4支样品均经220kV架空输电线路实际运行且运行年限在8年以上，表面均有不同程度自然污秽附着（无鸟粪附着痕迹），端部附件采用压接式连接结构，端部附件连接区的封胶为一次封胶，伞形为1大2小伞结构，颜色为红色。连接金具和伞群表面无物理性破坏和沿面放电痕迹，外观检查完好。

1#样品外形照片2#样品外形照片3#样品外形照片4#样品外形照片

图1：复合绝缘子试样外观检查

2.2工频干、湿闪络电压试验

为验证故障绝缘子是否在闪络过程中形成永久性放电通道从而导致电气性能明显下降，首先对4组复合绝缘子进行工频干、湿闪络电压试验。图2为试验回路图。

图2：闪络电压试验回路图（Rp为保护电阻，T0为试样）

4只样品高压端各取1000mm绝缘距离进行试验，各计取5次干、湿闪络电压。实验结果如表1和表2：

表1工频干闪络试验电压值

表2工频湿闪络试验电压值

实验数据表明，2组故障绝缘子与2组非故障绝缘子一半长度的工频干闪络电压值在370kV~385kV之间，均远高于线路正常运行电压值（220kV），排除故障绝缘子因闪络导致电气性能下降的可能性。闪络电压数据分散性较好，1#-4#样品工频干、湿闪络电压差在3.1%~8.2%之间，小于20%的规定值，说明样品电气性能较为稳定，闪络发生后电气性能已恢复。

2.3机械负荷耐受试验

在过去五年电网内曾发生过几次因复合绝缘子产品质量问题而引发的跳闸事故，原因为复合绝缘子从内楔式芯棒的尖点处断裂所致。复合绝缘子端部连接结构采用楔接式，在长期大负荷运行中芯棒与金具间发生滑移是不可避免的。当密封胶与金具粘接力差时，微小的滑移又可使密封胶开缝，当密封胶弹性不够时，过量的滑移又可使密封胶断开，从而导致湿潮大气中放电产生的酸液侵入内部，侵蚀芯棒玻璃纤维后产生脆断。为验证故障复合绝缘子是否存在机械性能破坏的问题，分别在1#、2#、3#、4#试样两端施加100kN拉伸负荷，持续60s，随后增加负荷至试样破坏，所得结果如表3：

表3：拉伸破坏负荷试验

图3：样品拉伸破坏试验结果

数据显示样品绝缘子拉伸破坏负荷高于100kN规定值，说明故障绝缘子机械性能并无明显下降。

2.4芯棒材料试验

2.4.1染料渗透试验

研究表明，复合绝缘子沿面场强的不均匀分布，被认为是污闪和芯棒脆断的重要原因之一。复合绝缘子高压端的高场强极易导致可听噪声、无线电干扰、表面电晕或局部放电，表面的电晕会降低硅橡胶材料的憎水性和憎水性迁移速度，并导致伞裙变硬变脆、端部密封失效、粉化等现象，严重影响着输电线路的安全运行。本试验在1#和3#样品上分别取5只直径ɸ18mm的芯棒样品，长度范围在（9.8~10.1）mm（标准规定10mm±0.5mm）放入盛有1%重量的品红乙醇溶液的玻璃容器中的钢球上16min（标准规定应大于15min）后，检查全部样品均无贯穿渗透现象。

图4：渗透试验后照片

2.4.2水扩散试验

在1#和3#样品上分别取3只直径ɸ18mm的芯棒样品，长度范围在（29.9~30.1）mm（标准规定30mm±0.5mm），置于含有0.1%重量NaCl的去离子水中，煮沸100h后放入盛有自来水的容器中，在室温下放置15min，取出后3h内进行耐压试验。结果如表4：表4水扩散试验结果

芯棒材料试验结果表明，故障绝缘子芯棒内部以及芯棒和伞套之间的连接部位均无明显结构破坏痕迹，结合之前的机械破坏试验结果，基本排除复合绝缘子芯棒机械性能破坏而引起故障闪络的可能。

2.5伞套材料试验

分别在4个样品上截取5片试样，表面经蒸馏水清洗干净后，采用恒压法进行试验。试样长120mm、宽50mm，厚度3.5-10.9mm，串联电阻值33kΩ，污染液电阻率395.3Ω•cm，流速0.6ml/min，施加电压值4.5kV，耐受时间360min。实验结果如表5:

表:5伞套材料蚀损试验结果

蚀损试验结果表明，故障绝缘子表面伞套材料依然具备良好的耐电蚀损和漏电起痕性能。

1#样品蚀损照片2#样品蚀损照片3#样品蚀损照片4#样品蚀损照片

图5：伞套材料蚀损后照片

2.6憎水性试验

为验证故障绝缘子是否存在表面憎水性严重下降导致湿闪的可能性，分别对4个试样进行憎水性试验。本文采用GB/T24622-2009中的两种标准憎水性测量法—接触角法和喷雾法，接触角法分别对清洁试样、憎水性减弱试样、憎水性恢复试样以及憎水性迁移试样进行测量并确定其静态接触角（θav）；喷雾法主要用于确定试样的憎水性等级（HC）。由于1#和3#、2#和4#试验结果接近，本文仅对1#和2#试验结果进行对比分析。

2.6.1憎水性通常试验

从1#和2#样品上分别割取10块三套材料，先用无水乙醇清洗试样片表面，然后用蒸馏水清洗样片，晾干后在实验室环境中静置24h；测量各样片憎水性能，结果如表6：

表:6憎水性通常试验结果

图6：憎水性通常试验结果照片

2.6.2憎水性减弱试验

将经过憎水性测试试验的样片浸没在蒸馏水中，在实验室环境下静置96h；取出样品后，甩去表面水珠，用滤纸吸干残余水份，10min内测量样片憎水性。

表7：憎水性减弱试验结果

图7：憎水性减弱试验结果照片

2.6.3憎水性恢复试验

将经过憎水性减弱试验的样片用滤纸吸去表面水份，在实验室环境下静置48h；取出样品后测试其憎水性能。

表8：憎水性恢复试验结果

图8：憎水性恢复试验结果照片

2.6.4憎水性迁移试验

将经过憎水性试验的样片表面涂刷盐密为0.1mg/cm2、灰密为0.5mg/cm2的人工污秽，放置在实验室环境中，静置96h，测量样片憎水性能。

表9：憎水性迁移试验结果

图9：憎水性迁移试验结果照片

根据憎水性试验结果可以看出，故障绝缘子试样1#和非故障相绝缘子试样2#通常憎水性分级均为HC3级，憎水性减弱试验分级多数为HC6，憎水性恢复试验分级在HC3~HC4，憎水性迁移试验分级均为HC7，远高于规定值。说明1#-4#试样的憎水性能与正常复合绝缘子相比大幅降低，憎水迁移特性几乎完全丧失。

3.闪络故障原因分析

故障分析报告显示，两次绝缘子闪络均发生在午夜至凌晨，气温在5-10℃之间，湿度在80%以上，且由于长时间未降雨，空气中细微悬浮污秽颗粒较多，形成“雾霾”天气。故障区段在该段时间内没有雷雨天气和鸟类活动，绝缘子表面无明显放电痕迹，因此排除鸟害或雷击跳闸的原因，电网运行监测数据也表明故障发生时间点前后系统无过电压操作。

通过故障和非故障绝缘子在电气、机械和材料性能方面的对比试验可以看出，故障绝缘子闪络后电气性能及机械性能并无明显下降，但经过长时间运行后其外绝缘表面憎水性严重下降，憎水迁移特性基本丧失。结合闪络时的天气及温湿度情况，分析认为故障绝缘子闪络原因是伞套表面憎水性降低后在外部低温高湿等环境中发生表面空气通道击穿的“湿闪”现象。

在长时间大雾条件下，空气湿度较大，绝缘子表面电阻减小，污秽的导电性增加。加之空气污秽程度较高，复合绝缘子憎水性严重丧失，在湿与污的联合作用下绝缘子周围空间内空间电荷产生的衍生电场促进了极间空气间隙内流注与先导的发展，引起绝缘子串表面电场分布产生畸变，绝缘子极间空气间隙绝缘强度下降，从而发生沿绝缘子表面附近的空气击穿“闪络”现象。

4.结论

本文主要从复合绝缘子电气性能、机械性能和材料特性等方面分析了复合绝缘子故障跳闸的可能原因，其中绝缘子憎水性能下降是引起绝缘子闪络的重要因素。因此针对目前仍挂网运行的超年限运行复合绝缘子应及时采取更换和检测措施，避免因绝缘子质量原因或性能下降重复引发跳闸事故，确保电网安全稳定运行。

5.参考文献

[1]关志成，彭功茂，王黎明等．复合绝缘子的应用及关键技术研究[J]．高电压技术2011第三期．

[2]张福林．复合绝缘子外绝缘基材硅橡胶表面的憎水性和憎水迁移性机理分析[J]．1999．

[3]党小宁．合成绝缘子的性能优点[J]．广西电力技术．1999．No2．

[4]苑舜．线路绝缘子在大雾下闪络机理中几个关键问题的探讨．华北电力技术，2001，(10)：19-21．

[5]梁曦东，王绍武，陈震等．合成绝缘子鸟粪闪络与不明原因闪络．电网技术，2001，25(1)：13-16．

作者简介：

熊杰（1991.09-），男，本科，主要从事输电线路运行，检修等相关工作。

黄凯（1989.04-），男，本科，主要从事输电线路施工，检修，带电作业等相关工作。

刘鑫（1987.11-），男，研究生，主要从事技术监督工作。