（电气工程专业论文）复合绝缘子典型故障分析及防范措施.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 通过本次研究，对复合绝缘子典型故障原因进行深入认真的分析，制定出防范 措施，以利于指导线路技反措改造，降低线路故障率：通过广泛查阅国内外有关资 料，利用石家庄供电公司所属1 8 个县公司输变电工区仪器仪表和试验设备，总结 各县公司输电运行经验及线路技反措执行成果。本论文研究的主要内容包括：复合 绝缘子主要成份及其特性；复合绝缘子鸟害、冰闪、脆断、污闪和雷击故障原因及 防范措施。本次研究的创新点是认真剖析了复合绝缘子特性和各种故障的成因，对 复合绝缘子憎水性和憎水迁移性进行了深入分析，以及鸟粪表面不呈显憎水性的原 因；对架空输电线路安装防雷侧针的方法和防雷效果进行了透彻分析。 关键词：输电线路，复合绝缘子，故障分析，防范措施 a b s t r a c t t h r o u 曲t 1 1 e 锄a l y s i so fm e 咖i c a lr e 勰。璐m a tc a u s et l l em a l 如n 嘶。邶o fc 0 i n p o s i t e i i l s u l a t o r t 1 1 i ss n l d yf o 蛐u l a t e sp r e v 训v em e a s u r 伪t 0g u i d em et e c h l l i c a l 眦f o m a t i o n c o u n t 酬嘶ga c c i d e n t s 锄dr a d u c em ef 如l t r a t eo fl i l l e s ；l r o u 曲b r o a da c c e s st 0r e l e v a n t i n f o m a t i o nb o ma th o m e 觚da b r o a 也t a k 访ga d n t a g co fm e 妇仇l i i l 饥伽o n 龇dt e s t 叩i p m e mm n l e18 - c o u n t ) ，b r 锄c h e so fs 蛔i a z l l l l 锄gp o w e rs u p p l yc o m p a r l y ，i t 蚴e du p 也e0 l e 】嘶n g e x p e n e n i ) ca n dt l l ei n l p l 锄e n to f 枷- f a u l tm e a s l l r e s t h em 血c 0 n t e n t so f t h es t u d yi i l c l u d e ：m em a i l lc o m p o n 髓t so f 咖p o s i t ei i l 剐d a t o r s 锄di t sc ：h a r a c t e r i s t i c s ；m e m a l 缸l c t i o n sc a l l s c db yb 矾p e s t ，i c en 够h ，b r i t t l e 纳c t l 鹏，a l l dt l l e1 i g b t i l i n gf l a l s h o v e ra n d p r e v 饥t i v em e 弱u r e s t h e 洫r 1 0 v a t i o no ft i l i ss t u d ya r em ed e e pa i l a l y s 鹤o n ：廿l ec _ h a r a c t e r i s t i c s o fc o i n p o s i t ei i l s u l a t o 娼缸l dav 撕e t yo fc a u 【s 岱o fb r e a l 【d o w l l s ；o n 螂舶p h o b i c i t ) ro f c o m p o s i t ei n s u l a t o r s 锄dh y d r o p h o b i c 仃a i l s 衔；锄d l en o n s i g m f i c a n th y d r o p h o b i c 时 r s o n so fb i r d sd r o p p i n g ；o nm em e l o d so fi 1 1 s t a l l i i l gt h es i d e - a n t i l i 曲t n j n g - p i i l0 n o v e r h e a d 仃a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h ee 虢c t w ul i f e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e s ，c o m p o s i t e i n s u l a t o r s ，m a l f u n c t i o na n a l y s i s ， p r e v e n t i v em e a s u r e s 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 通过本次研究，对复合绝缘子典型故障原因进行深入认真的分析，制定出防范 措施，以利于指导线路技反措改造，降低线路故障率：通过广泛查阅国内外有关资 料，利用石家庄供电公司所属1 8 个县公司输变电工区仪器仪表和试验设备，总结 各县公司输电运行经验及线路技反措执行成果。本论文研究的主要内容包括：复合 绝缘子主要成份及其特性；复合绝缘子鸟害、冰闪、脆断、污闪和雷击故障原因及 防范措施。本次研究的创新点是认真剖析了复合绝缘子特性和各种故障的成因，对 复合绝缘子憎水性和憎水迁移性进行了深入分析，以及鸟粪表面不呈显憎水性的原 因；对架空输电线路安装防雷侧针的方法和防雷效果进行了透彻分析。 关键词：输电线路，复合绝缘子，故障分析，防范措施 a b s t r a c t t h r o u 曲t 1 1 e 锄a l y s i so fm e 帅i c a lr e 勰。璐m a tc a u s et l l em a l 如n 嘶。邶o fc 0 i n p o s i t e i i l s u l a t o r t i l i ss t u d yf o 蛐u l a t e sp r e v 训v em e a g u r 伪t 0g u i d em et e 曲1 1 1 i c a l 眦f o m a t i o n c o u n t 酬嘶ga c c i d e n t s 锄dr a d u c em ef 如l tr a t eo fl i l l e s ；l r o u 曲b r o a da c c e s st 0r e l e v a n t i n f o m a t i o nb o ma th o m e 觚da b r o a 也t a k 访ga d n t a g co fm e 血仇l i i l e n t a l i o n 龇dt e s t c ( 1 u i p m e mm t h e18 - c o u n t ) ，b r 锄c ：h e so fs l 坷i a l 2 妇l 锄gp o w e rs u p p l yc o m p 锄弘i t 剐i 皿蛆e du p 也e0 i e 】嘶n g e x p e n e n i ) ca n dt l l ei l p l 锄e n to f 枷- f a u l tm e a s l l r e s t h em 血c 0 n t e n t so f t h es t u d yi i l c l u d e ：m em a i l lc o m p o n 髓t so f 咖p o s i t ei i l 剐d a t o r s 锄di t sc ：h a r a c t e r i s t i c s ；m e m a l 缸l c t i o n sc a l l s c db yb 矾p e s t ，i c en 够h ，b r i t t l e 纳c t l 鹏，a n dt l l e1 i g b t i l i n gf l a l s h o v e ra n d p r e v 饥t i v em e 弱u r e s t h e 洫n o v a t i o no ft i l i ss t u d ya r em ed e e pa i l a l y s 懿o n ：廿l ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o m p o s i t ei i l s u l a t o 娼缸l dav 撕e t yo fc a u 【s 岱o fb r e a l ( d o w l l s ；o n 螂舶p h o b i c i t ) ro f c o m p o s i t ei n s u l a t o r s 锄dh y d r o p h o b i c 仃a i l s 衔；锄d l en o n s i g m f i c a n th y d r o p h o b i c 时 r s o n so fb i r d sd r d p p i n g ；o nm em e l o d so fi 1 1 s t a l l i i l gt ：i l e s i d e - 觚t i l i g i l t i l i n g - p i i l o n o v 盯h e a d 仃a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h ee 虢c t w ul i f e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e s ，c o m p o s i t e i n s u l a t o r s ，m a l f u n c t i o na n a l y s i s ， p r e v e n t i v em e a s u r e s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文复合绝缘子典型故障分析及防范措 施，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二三雌日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 签垂鬈 日期：丝乏! ：夕 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 绝缘子作为架空输电线路杆塔的主要绝缘体，可分为复合绝缘子、瓷绝缘子、 钢化玻璃绝缘子等多种类型，其中复合绝缘子具有重量轻、憎水性优良、成本低、 可靠性高等突出优点。 自2 0 世纪9 0 年代硅橡胶材料的复合绝缘子在电力行业推广应用以来，对我国 输电线路防污闪工作起到了重要的作用。在2 0 0 1 年2 月东北、华北、京津唐、河 南电网及山东烟威电网发生大面积污秽闪络的9 7 2 次跳闸中，复合绝缘子的闪络跳 闸仅1 0 次，其中被确认为污秽闪络的为2 次，覆冰闪络1 次，外力破坏1 次，琪 他6 次跳闸虽没有查出故障点，但重合成功，说明复合绝缘子在输电线路防污秽闪 络中大有作为。因此，国家电网公司提出“双回路输电线路应至少有一条线路全线 采用复合绝缘子 。 从2 0 0 6 年初开始，石家庄供电公司农网1 1 0 k v 线路大规模开展瓷绝缘子更换 为合成绝缘子工作，当年更换了8 4 8 基瓷绝缘子，截止到2 0 0 8 年底1 3 7 条1 1 0 k v 线路8 5 6 0 基杆塔有8 4 6 5 基采用合成绝缘子，占总数的9 8 8 9 ；复合绝缘子的广泛 应用大大提高了输电线路防污闪能力，从0 6 年底至今输电线路未发生一起污闪故 障。 通过本次研究，对复合绝缘子典型故障原因进行深入认真的分析，制定出防范 措施，以利于指导线路技反措改造，降低线路故障率：通过广泛查阅国内外有关资 料，利用石家庄供电公司所属1 8 个县公司输变电工区仪器仪表和试验设备，总结 各县公司输电运行经验及线路技反措执行成果。 1 2 复合绝缘子的技术现状 1 2 1 复合绝缘子防污特性 各国实验室的研究和现场的运行经验证明复合绝缘子污秽耐受性能比瓷绝缘 子好。下面例举一些实验数据加以说明。 加拿大安大略水电研究所对1 1 5 k v 新、旧硅橡胶和乙丙橡胶复合绝缘子以及瓷 绝缘子的5 0 污秽闪络电压与等值盐密的比较试验结果认为，经自然老化后硅橡胶 材料的复合绝缘子污秽耐受水平下降2 0 ，但仍比乙丙橡胶绝缘子、瓷绝缘子的污 秽耐受水平高。 华北电力大学工程硕士学位论文 国内对复合绝缘子的污秽耐受水平研究成果较多，清华大学对新的2 2 0 、1 1 0 k v 复合绝缘子和瓷绝缘子的人工污秽闪络电压对比试验结果表明：在相同污秽度 下，复合绝缘子的自然污秽闪络电压比人工污秽闪络电压高，这与瓷绝缘子相一致。 在相同泄露距离和污秽度下，复合绝缘子的污秽闪络电压是瓷绝缘子的2 倍以上； 在0 4 m g c m 2 盐密值的重污染条件下，无论是自然污秽或人工污秽，相同泄露距离 的瓷绝缘子串在运行电压下有可能发生闪络，而复合绝缘子污秽闪络电压可达到系 统最高运行相电压的2 2 倍以上，因此认为，瓷绝缘子远不能满足重污秽区的要求。 污秽度对复合绝缘子的污秽闪络电压也有影响，即使在伞裙表面憎水性能很强的 情况下，随盐密的增大，复合绝缘子的闪络电压也会随之降低。 1 2 2 复合绝缘子脆断原因 早在1 9 7 0 年许多国家都发生运行中复合绝缘子芯棒脆断事故后，国外许多研 究部门和科技人员就开始对芯棒脆断原因进行研究。近年来，i e c 、i e e e 、c i g r e 都 分别成立芯棒脆断工作组。但到目前为止，关于芯棒脆断的机理还没有一个确切的 定论，尽管国外许多研究机构都提出各自的理论和脆断试验方法，但都无法解释复 合绝缘子使用中出现的许多现象。这些机理尚不完善，也没有一种试验方法被i e c 标准所采用，芯棒脆断的原因需进一步研究。下面仅将国外一些研究机构提出的观 点作介绍。 ( 1 ) 机械荷载不是导致芯棒脆断的原因 统计发现：复合绝缘子在运行中发生的芯棒脆断都发生在低拉伸应力作用下， 脆断部位在端部连接件附近，大多数在位于场强最高的非连接部位。美国d e n v e r 大学的m a c i e jk u m o s a 博士在对3 0 多支因芯棒脆断而破坏的绝缘子进行研究中发 现，只有4 5 支是在端部连接件附件的部位破坏，绝大部分是在附件上方约第l 2 个伞裙的部位破坏，且工作电压越高，损坏的部位离端部附件的距离越远：芯棒 脆断损坏部位1 1 5 k v 的常发生在附件内部或附件与第一个伞裙之间，3 4 5 k v 的通常 在第一个伞裙的上方，5 0 0 k v 的发生在第一个与第二个伞裙间，且靠近第二个伞裙。 这些部位芯棒承受的拉应力均匀、数值不大。显然，机械荷载不是导致芯棒断裂的 主要原因。 ( 2 ) 护套受损或端部密封不严，导致芯棒受应力腐蚀造成脆断 根据应力腐蚀理论成功地在实验室中模拟出脆断，结合复合绝缘子实际运行条 件，芯棒受应力腐蚀造成脆断的理论被逐渐接受。 ( 3 ) 芯棒本身的原因造成脆断 有的研究机构认为护套受损伤或端部密封不严，使芯棒受应力腐蚀造成脆断的 机理并不完善，无法解释对复合绝缘子脆断现象的广泛统计中发现的现象。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 2 复合绝缘子雷击故障 根据不完全统计，全国截至1 9 9 8 年运行中复合绝缘子闪络2 5 9 支中有1 3 1 支 是雷击闪络事故，占总闪络事故的5 1 ，特别是1 1 0 k v 线路最为突出， 2 0 0 6 2 0 0 8 年石家庄供电公司农网1 1 0 k v 线路雷击故障5 次，其中4 次为合成绝缘子雷击闪络， 这与复合绝缘子伞裙直径和结构高度较小有关。 雷电闪络的距离是通过绝缘子上下电极间的空间间隙距离或绝缘子串电极间 的最短距离。复合绝缘子的伞裙直径较小，一般大伞直径在1 2 0 1 6 0 唧、小伞直径 8 0 1 2 0 舢，瓷、玻璃绝缘子的伞裙直径均在2 5 4 衄以上。由于伞裙直径较小，使 在相同结构高度的绝缘子串中，复合绝缘子的空间电弧距离比瓷、玻璃绝缘子的较 小，有可能使耐雷水平低于瓷、玻璃绝缘子。 1 2 2 复合绝缘子鸟粪闪络、冰闪故障 运行中鸟粪以及冬季在杆塔横担下的冰柱融化或掉落造成复合绝缘子闪络事故 在东北、华北、西北等地区时有发生，这种事故常常是不明闪络事故的原因之一。 当鸟粪直接落在复合绝缘子伞裙表面时，可从复合绝缘子伞裙表面留的鸟粪残迹来 判断。然而国内外模拟试验表明，鸟粪在距离复合绝缘子串水平距离约o 3 m 范围 落下，仍然能造成复合绝缘子闪络。试验表明冰柱掉落造成的闪络与鸟粪造成的闪 络相似，只是冰柱的电阻高于鸟粪，必须要有足够长度的冰柱掉落才能引起复合绝 缘子闪络。 国外许多国家已意识到这类外力破坏现象的严重性。如南非等国已专门制定了 非常详细的复合绝缘子运输、存储、安装规范，近来国际大电网会议( c i g r e ) 也公布了一个简化的类似导则。 1 3 本文研究的主要内容 本论文研究的主要内容包括：复合绝缘子主要成份及其特性；复合绝缘子鸟害、 冰闪、脆断、污闪和雷击故障原因及防范措施。本次研究的创新点是认真剖析了复 合绝缘子特性和各种故障的成因，对复合绝缘子憎水性和憎水迁移性进行了深入分 析，以及鸟粪表面不呈显憎水性的原因；对架空输电线路安装防雷侧针的方法和防 雷效果进行了透彻分析。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章复合绝缘子伞裙组成及防污闪措施 2 1 复合绝缘子伞裙的主要成份 ( 1 ) 复合绝缘子伞裙的主要成份是聚硅氧烷，它是高摩尔质量的线性聚硅氧 烷，是以s i 一0 键为主链的有规则重复排列的长键有机基聚合物。 ( 2 ) 制造复合绝缘子使用的混练胶中的硅橡胶是采用高温硫化的，所谓硫化 是指改变橡胶的化学结构，通过高温造成有机过氧化物分解自由基理交联而赋予橡 胶弹性或使它的弹性扩展到更宽温度范围的工艺过程。硫化可使橡胶的线性大分子 通过化学交联而形成网状结构的弹性体。 ( 3 ) 硅橡胶硫化后可分为三种使用方式： r t vs i r室温硫化硅橡胶。 l t vs i r低温硫化硅橡胶 h t vs i r高温硫化硅橡胶 ( 4 ) 未硫化混练前使用的主要成份硅生胶是甲基乙烯基聚硅氧烷，复合绝缘 子生产商一般选用甲基乙烯基聚硅氧烷，它的主要技术指标： 1 1 0 2 型甲基乙烯基聚硅氧烷，相对分子含量： a 类 4 5 5 9 1 0 4 b 类6 0 7 0 1 0 4 乙烯基含量：0 1 3 0 1 8 挥发性：3 0 ( 5 ) 复合绝缘子生产中使用的主要原料 甲基乙烯基硅橡胶( 1 1 0 一2 型) 补强剂( 2 # 气相法白碳黑s i 0 。微粉) 着色剂( 氧化铁红或色素碳黑) 化学助剂( 二苯基硅二醇或羟基二甲基硅油) 硫化剂( d b p m h l 硫化剂双2 5 或d c p 过氧化异丙苯) 耐起痕蚀损添加剂( a t h 三水合氧化铝即氢氧化铝) 2 2 复合绝缘子的憎水性检测及丧失原因 2 2 1 复合绝缘子的憎水性和憎水迁移性 复合绝缘子最重要的特性是憎水性和憎水迁移性，在硅胶中聚硅氧烷分子呈现 较弱的极性，造成表面能低，它含有大量的具有低表面能的小分子非极性羟基团( 如 甲基) 和游离态的有机硅低聚物。羟基团排列在硅氧主链外侧。使整个聚硅氧烷分 4 华北电力大学丁程硕士学位论文 子呈非极性，由于硅橡胶表面能低，水在表面会形成相互分离的水珠或水滴状态， 因此它具有很好的憎水性；由于游离态的低聚物具备向表面扩散的特性，使吸附在 复合绝缘子表面的污秽层也具有憎水性，所以它还具备了憎水迁移性；正是由于复 合绝缘子的憎水性和憎水迁移性，特别是憎水迁移性，它使污层被覆盖在聚硅氧烷 之下，污秽层中较少的部分盐被溶解，使绝缘子表面盐密降低，呈现出优良的耐污 性能。 2 2 2 复合绝缘子憎水性检测 1 9 9 2 年瑞典输电研究所推荐使用喷水法评定憎水性等级，并提出复合绝缘子 僧水性分类准则，该“准则一将复合绝缘子憎水性分为七级，分别表示为h c 卜h c 7 。 h c l 级对应复合绝缘子伞裙表面的憎水性最强，h c 7 级对应复合绝缘子伞裙表面的 憎水性完全丧失。 采用喷水法，新涂料的水滴接触角。应达“准则的h c l 级，运行中的涂料， 当水滴接触角大于“准则 的h c 4 级以上时应停止使用，并及时将绝缘子表面涂层 清除后再行涂敷，复合绝缘子伞裙表面的憎水性强弱见图2 1 所示。 h c l 只有分离的水珠，大部分水珠的后退角or 8 0 。 h c 2 大部分水珠后退角5 0 。or 8 0 。 h c 3 水珠一般不再是圆形，大部分水珠的后退角2 0 。or 5 0 。 h c 4 同时存在着分离的水珠与水带，完全湿润的水带面积小于2 血2 ，总面积 小区域面积小于被测区域面积的9 0 。 h c 5 一些完全湿润的水带面积大于2 锄2 ，总面积小于被测区域面积的9 0 。 h c 6 完全湿润的总面积大于9 0 ，但还存在少量的干燥区域。 h c 7 整个被试面积形成连续的水膜。 石家庄供电公司输电线路专业常用喷水法检测复合绝缘子憎水性，利用检修停 电机会，用喷壶均匀向伞裙喷水，并拍照伞裙表面水滴情况，判断憎水性强弱；也 可在下雨后或有露滴的合成绝缘子，用高倍相机带电登杆拍照，作为合成绝缘子的 电子台帐，定期对合成绝缘子进行憎水性检测，并将每次检测结果进行比较，分析 复合绝缘子憎水性减弱的速度，作为确定该地区合成绝缘子运行年限的重要条件。 华北电力大学j 程硕士学位沦空 圈 熏 图2 1 复合绝缘子伞裙表面的憎水性检测图 2 22 憎水性丧失的主要原因 ( i ) 风吹过复合绝缘子串形成涡流，使较重的粉尘和其他污秽物飘落在绝缘 子表面，在紫外线和机械力的联合作用下造成表面轻微腐蚀，表面粗糙度增加，形 成隐形细小的龟裂，表面上附着了污秽层。 ( 2 ) 不断扩散的低分子聚合物迁移伞套表面并植入污秽层内，使污秽物表面 覆盖着很薄的硅氧分子聚合物，表面维持了憎水性。 ( 3 ) 在恶劣天气中，如大雾、露、高湿度天气、小雨可使绝缘子表面形成小 水滴，在表面蚀损严重的地方，小水珠与粉尘的湿沉降相结合形成污水滴，穿过薄 硅氧分子聚合物层形成导电层，促使泄漏电流由电容性演变成电阻性。 ( 4 ) 由于污秽层的不均匀分布和湿润使绝缘子表面产生局部多点高压部位， 从而发生点状放电。 ( 5 ) 放电消耗了小水滴周边的聚合物薄层，损坏了硅橡胶的憎水性。 ( 6 ) 表面憎水性的破坏造成水珠连成水膜。形成连续的导电层，使泄漏电流 进一步增大了。 ( 7 ) 泄漏电流产生的热形成表面局部干燥k ，其表而为高电阻率的导屯表而 鬣 华北电力大学工程硕士学位论文 与含水珠的憎水性表面，因此电压分布不均匀。 ( 8 ) 不同干燥区形成了不均匀的电压分布，因此会产生电弧放电，使表面进 一步丧失憎水性，干燥区将进一步延伸，放电和局部电弧使绝缘子表面严重蚀损， 造成伞裙表面老化。 ( 9 ) 在绝缘子较长的无放电的干燥期内，硅橡胶将恢复其憎水性，自恢复时 间一般需要6 8 小时。 ( 1 0 ) 如果绝缘子表面迸一步放电，加速了硅橡胶老化，将产生局部高温，严 重时的发热温度在2 6 0 一4 0 0 之间，而硅橡胶材料耐受的最高温度仅为3 0 0 4 0 0 ， 因此经常放电的绝缘子表面出现白粉状的物质，这是高温下的的新化学反应，周而 复始放电最终会造成绝缘子表面的永久性劣化，憎水性永久性丧失，导致复合绝缘 子丧失优良的耐污功能。 2 3 复合绝缘子伞裙的电压分布及屏障特性 ( 1 ) 复合绝缘子属“全阻性 产品( 见图2 2 ) ，它不同于瓷质、玻璃等盘形 绝缘件、间隔钢帽、钢脚绝缘子串中间分布有杂散电容( 见图2 3 ) ，盘形绝缘子因 结构的特点有较大的纵向电容约7 0 1 0 0 p f ，它能使导线的电场发生畸变，从而调整 绝缘子轴向电压分布( 见图2 4 ) 。复合绝缘子在超高压线路中，它处在极不均匀的 电场中，在导线附近只有比较短的距离处在高场强位置，1 6 长度承受7 0 分布电 压，中间相当长的绝缘串处于电场相对较低的位置，必须靠两端安装均压装置来改 善绝缘子串的分布电压。 弓暇 估、 菪 端 m 撩 鼎 图2 2 合成绝缘子等效电路图图2 3 玻璃、瓷绝缘子等效电路图 7 华北电力大学工程硕士学位论文 咿 坎 h 磐 轵 幻( 有效值) 图2 4 绝缘子片电压分布特性图 ( 2 ) 在高压带电导线形成的强电场中，电场力方向从绝缘子高压端指向接地 端，在复合绝缘子高压端电场强度最高，为降低绝缘子沿面闪络电压，复合绝缘子 在电场等电位方向做成具有突出棱缘的伞裙，且与电场力方向相垂直，使得电子或 离子沿平行于等位面的伞裙表面运动时，不能从电场吸取能量以造成游离。靠近电 极处的伞裙屏障作用比远离电极处的屏障作用更明显，这是因为游离尚未充分发展 即被阻止的缘故，在不均匀的绝缘子电场中，沿面放电首先是从绝缘子的高压端开 始发展的，靠近高压端伞裙的屏蔽作用比绝缘子横担侧伞裙的作用大，受电场腐蚀 也最严重。 2 4 复合绝缘子电晕危害及防范措施 2 4 1 复合绝缘子电晕危害 ( 1 ) 在高压带电导线形成的强电场中，绝缘子高压端和接地端的尖端棱角形 成了极不均匀的电场，在2 2 0 k v 输电线路上，绝缘子高压端的场强就已可能超过临 界值，高压端即出现自持放电。由于离绝缘子高压端稍远处场强已大为减小，故游 离放电只能局限在高压端附近的空间而不能扩展出去，该区内所形成的离子在复合 时将辐射出光子，其中有一部分在可见光的频谱范围内，这就是电晕。 ( 2 ) 当输电线路达到3 3 0 k v 及以上电压等级，从电晕可能发展到刷形放电的 阶段，此时放电集中成为个别的光束，从绝缘子高压端出发，向绝缘子表面延伸， 但达不到接地端，这种刷形放电在空间还不断变更位置。刷形放电是气隙的不完全 击穿。若在潮湿、污染严重的环境中，刷形放电增长达到对面电极，就转变为火花 击穿，火花击穿可能迅速转变成电弧，造成绝缘子击穿。 ( 3 ) 绝缘子的起始电晕电压约为2 2 2 5 k v ( 有效值) ，超过此值，就会发生电 t 6 5 4 3 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 晕，电晕不仅造成能耗，更重要的会产生腐蚀或无线电干扰。久之，既会腐蚀绝缘 子金属件，又会在绝缘表面形成一层半导体氧化膜，降低其绝缘性能，使绝缘子的 干闪络电压降低约2 5 一3 5 ，湿闪络电压降低约4 0 一4 7 。沿线每串绝缘子 上存在电晕，造成大面积的无线干扰，这是不允许的，所以绝缘子伞裙上允许承受 的最大电压，主要由避免出现显著电晕这一条件来决定。 2 4 2 复合绝缘子电晕防范措施 ( 1 ) 如仅从改善电压分布的角度来看，则只要在绝缘子高压端加装屏蔽环就 够了，接地端是不需要装的。屏蔽环的均压作用随其形状、大小和笼罩深度等而异。 对单串合成绝缘子来说，圆环效果最好。但使用圆环后，就必然要加大铁塔横担的 长度，影响塔身的技术经济指标。改进的办法是采用椭圆形环( 其长轴在导线方向) ， 其均压效果十分接近于圆环，杆塔横担的长度则增加不多。 石家庄供电公司要求1 1 0 2 2 0 k v 线路复合绝缘子全部安装均压环( 铝圆环或 椭圆环) ，均压环表面应平滑，不应有毛刺引起局部强场畸变，中间有缺口，在绝 缘子击穿时引导电弧方向，均压环安装在复合绝缘子碗头的金属杆上，碗部朝向杆 塔方向，不允许反装，曾经发生过均压环安装到硅橡胶上引起放电现象。在转角杆 塔外侧合成绝缘子加装均压环往往会出现对杆塔距离不满足规程要求的情况，不得 不采用加延长环解决此类问题。 ( 2 ) 超高压线路一般需用四分裂导线，这就自然地加大了高压端伞裙的电容 值。适当选择悬挂分裂导线用联板的形状和尺寸，可以使导线在悬挂点相对于合成 绝缘子的高度作一定的调节，当导线的高度较高时，使高压端伞裙的电容值更大一 些，即可使沿串电压分布较均匀，第一片伞裙上的电压不致超过允许值。这样，在 一般直线塔上就可以不用保护金具了，只有在转角或大档距等处( 此处不宣使导线 抬高) 或耐张绝缘子串才使用保护金具。这种方案的优点不仅在悬垂绝缘子上省缺 了保护金具，而且由于缩小了绝缘子端金具在垂直于导线方向的尺寸，也就可以相 应地缩短横担的长度。还有由于导线悬挂点的提高，在保持导线对地高度不变的条 件下，也就可以相应降低铁塔高度。 ( 3 ) 绝缘子串是线路绝缘中最薄弱的环节，它总是要通过某些金具与导线联 接，超高压线路通常采用分裂导线，还由于档距大，机械负荷重，常应用双串或三 串绝缘子，这样，绝缘子串与导线的联接处需用较复杂的联接金具( 特别是耐张、 转角等处) ，这些金具在很高的工作电压下会产生电晕。超过一定限度的电晕是不 允许的，因此，保护金具的设计也应照顾到对这些联接金具的屏蔽作用，降低这些 联接金具的电晕程度。当然保护金具自身也应防电晕。 ( 4 ) 阻抗调节 9 华北电力大学工程硕士学位论文 采用附加金具可使沿绝缘子串的电压分布获得某种程度的改善，但是其效果仍 然不够满意。从根本上改善沿绝缘子串电压分布的方法为适当调节单元绝缘子的阻 抗。如果人为地使得每个绝缘子本身的导纳接近相等，并远大于对地物体和对高压 导线的导纳，则沿串的电压分布就能做到比较均匀。 2 5 复合绝缘子的主要质量控制点及改进措施 2 5 1 主要质量控制的关键点 ( 1 ) 聚硅氧烷生胶的重量即基础聚合物重量应达到整个混练胶重量的5 0 ， 如果达不到4 0 ，这样制造的复合绝缘子的使用寿命较短，憎水性丧失后很难自行 恢复。 ( 2 ) 填充的a t h ( 氢氧化铝微粉) 含量应控制在4 0 一5 0 之间，a t h 作为阻 燃剂，也作为抗蚀损起痕的添加剂，不宜过量增加。 ( 3 ) 填充的补强剂中应使用气相法白碳黑( s i 0 2 ) ，又称为无水二氧化硅，它 遇高温不分解，电气绝缘性能高，有吸湿性，不燃烧，化学性能稳定，由于气相法 白碳黑的碳黑粒径细，表面积大，效果好，因此是硅橡胶最常用的补强剂。而沉淀 法白碳黑造价低廉，补强硅橡胶的机械强度稍低，受潮后介电性能较差，优点是耐 热老化性能较好，为确保复合绝缘子的憎水性应主要选用气相法白碳黑作为补强 剂。 ( 2 ) 填充其它辅助材料时应确保原材料技术性能指标，生产商应自觉杜绝购 买廉价材料去降低生产成本，防止给复合绝缘子的常年运行留下了潜在的质量隐 患。 2 5 2 复合绝缘子外形改进的关键点 ( 1 ) 优化硅橡胶外护套的伞裙结构和电气设计，电力行业标准d l t 8 6 4 2 0 0 4 标称电压高于1 0 0 0 v 交流架空线路用复合绝缘子使用导则对伞裙做了明确推荐： 伞间最小距离( c ) ，对于大小伞裙的c 值不应小于7 0 硼；对于等径伞的c 值应不小 于4 0 m m 。爬电系数( c f ) ，对于ii i 级污秽等级，推荐的( c f ) 应不大于3 2 ；对于e 、 d 级污秽等级，推荐的( c f ) 应不大于3 5 。 ( 2 ) 复合绝缘子设计改进方面的建议 改进型空气动力性伞裙设计的主要参数： 伞间距伞伸出距离h 几1 伞边缘最薄处4 m m 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 伞根部最厚处1 2 舳 护套厚度5 m m 伞间距取7 5 m m 一1 0 0 舳之间 伞裙的下倾角改进设计的主要参数 工业污秽地区伞裙下倾角应采用1 8 。1 0 。或1 3 。1 4 。的伞裙。也可将伞裙下 倾角改进为：1 8 。1 3 。和1 8 。1 4 。 伞裙形状改进设计的主要参数 第一片伞裙应进行适当加大直径；2 8 0 咖 伞径 o 8 9 c m 3 ，坚硬，粘附力很强。雨淞覆冰是最严重的一种覆冰形式， 导线形成雨淞后，不论厚度如何，如因天气下雪或雾淞覆冰将导致导线覆冰迅速增 长，且因其密度大，产生的机械负荷也最大。 雨淞覆冰形成时，通常温度较高，一般在一5 0 摄氏度之间，水滴直径大，一 般在1 0 4 0 u m 之间；而对于雾淞覆冰，其温度较低，在一8 摄氏度以下，一般在一 1 5 一1 0 摄氏度之间，水滴直径在1 2 0u m 之间：混合淞覆冰时的温度范围为一9 一3 摄氏度，水滴直径在5 3 5u m 之间，观测结果具有分散性。 ( 2 ) 混合淞，又称硬雾淞，通常是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨淞与 雾淞混合冻结的不透明或半透明覆冰，密度0 5 一o 9g c m 3 ，坚硬，粘附力强。 根据覆冰形成机理，导线覆冰增长过程可分为干增长和湿增长。干增长覆冰形 成过程中的热平衡及热传递是雾淞和干雪，湿增长覆冰过程是雨淞和湿雪，而混合 淞是介于二者间的一种覆冰过程。 4 2 3 覆冰绝缘子特性 ( 1 ) 无论覆冰轻重如何，覆冰对绝缘子串电压分布都有畸变作用，覆冰越重、 电压分布畸变越大，绝缘子串两端特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高。 ( 2 ) 覆冰是一种特殊形式的污秽，融冰过程中，绝缘子表面将形成导电水膜， 因此覆冰绝缘子的放电与污秽绝缘子相似，其放电过程也是由表面泄漏电流引起 的。 ( 3 ) 覆冰绝缘子串电压分布畸变导致冰闪电压比湿闪电压还低，串的两端， 特别是高压引线端电压分布增高是导致覆冰放电比湿放电早的最基本原因。 ( 4 ) 当零摄氏度融冰水电导率一定时，覆冰绝缘子的交流最低闪络电压随绝 缘子串的覆冰量的增加而下降。 当覆冰较轻时，绝缘子表面冰层薄，裙边无冰棱或冰棱很短，“冰棱一伞裙 之间空气间隙及绝缘子表面电阻并未因覆冰而明显变化，最低闪络电压与未覆冰时 没有明显差异。 当覆冰量增加时，表面冰层也加厚，泄漏电流因表面电阻降低而增大；同时， 冰棱增长使“冰棱一伞裙”间空气间隙缩短，为电弧桥接空气间隙提供了条件，最 低闪络电压随之降低。如果覆冰量增加并造成“冰棱一伞裙”间空气间隙的放电电 压小于沿爬电路径的放电电压时，最低闪络电压将明显降低。 覆冰量增加导致冰凌桥接绝缘子串部分伞裙或全部伞裙时，放电路径为冰凌 湿润表面，最低冰闪电压趋于稳定。即使覆冰继续加剧，仅增加表面覆冰厚度或桥 接伞裙冰凌数量，为电弧提供更多放电通道，在这种覆冰程度饱和状态下，最低闪 华北电力大学工程硕士学位论文 络电压几乎保持一致。 ( 5 ) 覆冰绝缘子外绝缘特性下降必须具备两个必要条件： 冰中含有导电杂质或绝缘子表面在覆冰前已积污。 冰处于溶解状态或冰表面具有水膜。 ( 6 ) 最低冰闪电压与串长关系 覆冰绝缘子串的最低交流闪络电压随串长的增加而增大。 由于覆冰后双串绝缘子相互电场分布的影响，导致串间空气间隙电场畸变， 使其最低闪络电压比单串低，且最低闪络电压与串长的非线性关系更明显。当双串 之间的空气间隙大于6 0 c m 时，单双串的放电电压基本一致。 从绝缘子串布置方式分析，耐张串( 水平布置) 冰凌不能桥接裙间间隙，泄 漏距离利用充分，其交流冰闪电压比悬垂串高约2 0 ，“v 打串交流冰闪电压介于两 者之间。 重覆冰地区复合绝缘子要选用裙间距离大、结构高的不等裙绝缘子。 ( 7 ) 融冰水电导率与绝缘子污秽程度不存在线性关系。一方面是覆冰这种特 殊污秽形式积污方式有两种，即冰污染和表面绝缘子积污；另一方面是污秽物存在 于绝缘子表面和冰晶体两者表面。如果冰层很薄，虽污秽中导电质可充分溶解，但 过饱和湿润的水膜可使溶解液随冰水的滴落而流失；如果冰层较厚，导电质不会充 分溶解，并且由于污秽物的表面集聚效应，不同融冰时间的融冰水电导率差异很大。 4 2 42 0 0 7 年初石家庄农网线路冰闪分析 2 0 0 7 年3 月2 日起石家庄地区普降小到中雨，气温为4 度至0 度，到3 月3 日起转为 暴雨雪，3 日晚至4 日晨气温急剧下降，降到零度以下后，由于降雪含水量大，粘度 高，气温降低后，使导线成为雪棒，直径达到5 6 厘米以上，横担绝缘子及附件、 导线上的冰雪连成一体。共发生1 0 3 5 k v 线路故障1 0 2 起，其中3 5 k v 线路故障1 2 起， 1 0 k v 故障9 0 起，9 座3 5 k v 变电站停电。 1 、故障设备分类 在农网线路故障1 0 2 起中，有9 3 起找到了故障点，占故障总数的9 1 1 8 ，其中 3 5 k v 线路1 0 条，1 0 k v 线路8 3 条；不明原因故障9 起，占故障总数的8 8 2 ，其中3 5 k v 线路2 条，1 0 k v 线路7 条。 按已找到的故障设备可分为：杆塔导线、瓷瓶、高压跌落保险、配变及引线、 电缆、避雷器、刀闸、其他八大类。 ( 1 ) 杆塔导线故障共计7 2 起，占故障总数的7 0 5 9 ，其中3 5 k v 线路8 条，1 0 k v 线路6 4 条。基本上是覆冰覆雪引起断线、弧垂增大、倒杆等。 2 7 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 绝缘子故障共计2 起，占故障总数的1 9 6 ，均为1 0 k v 线路。原因是绝缘子 覆冰覆雪雪击穿放电。 ( 3 ) 高压跌落保险故障共计9 起，占故障总数的8 8 2 ，均为1 0 k v 线路。基本 上是设备老化、覆冰覆雪、外力破坏原因引起。 ( 4 ) 配变及引线故障2 起，占故障总数的1 9 6 ，主要原因是配变高压引线 覆冰覆雪导致断线。 ( 5 ) 电缆故障1 起，占故障总数的0 9 8 ，原因是电缆头运行时间长，密封 性差，雨水侵入绝缘层导致绝缘降低，引起电缆头烧坏。 ( 6 ) 避雷器故障3 起，占故障总数的2 9 4 ，原因是冰雪在融化时，沿避雷 器表面形成水串，造成外绝缘击穿，烧坏避雷器。 ( 7 ) 刀闸故障l 起，占故障总数的0 9 8 ，原因是冰雪在融化时，沿刀闸表 面形成水串，造成外绝缘击穿，烧坏刀闸。 ( 8 ) 其他故障3 起，如：穿墙套管进水击穿、拉线抱箍损坏、站内c t 外绝缘 击穿。 2 、故障原因分类 根据线路故障情况，按照故障原因可划分为覆冰覆雪原因、设备老化原因、外 力原因和原因不明4 大类。 ( 1 ) 覆冰覆雪原因 覆冰覆雪引起故障8 l 起，占故障总数的7 9 4 1 ，其中3 5 k v 线路8 起，1 0 k v 线路 7 3 起。原因分析：湿雪含水量大，粘度高，容易附着在导线上，融化后又很快结成 冰，由于积累效应，致使冰层越来越厚，重量越来越大，造成弧垂增大，线路杆塔、 导线不堪重负，引起倒杆、断线。杆塔上严重覆冰、覆雪，使横担绝缘子及附件、 导线上的冰雪连成一体，冰雪在融化过程中，在绝缘子表面连成水串，形成了放电 通路。 ( 2 ) 设备老化原因 设备老化原因故障1 1 起，占故障总数的1 0 7 8 ，其中3 5 k v 线路2 起，1 0 k v 线路9 起。高压跌落保险、避雷器、刀闸等设备运行时间长，老化严重。又遇到雨 雪天气，因进水、闪络等原因发生故障。 ( 3 ) 外力原因 外力引起故障1 起，占故障总数的0 9 8 ，主要原因是配电室墙皮脱落造成配 变高压保险a 、b 相短路。 ( 4 ) 原因不明 华北电力大学丁程硕 一学位论文 原冈不明故障9 起，占故障总数的88 2 ，其中3 5 k v 线路2 起，1 0 k v 线路7 起。经垒线未找到故障点试送成功。 425 覆冰绝缘子闪络及防范措施 输电线路覆冰是以雨凇为丰，呈透明或半透明状，附着力极强，比重在o9 以 上。对于悬垂绝缘子串，伞裙上表面一般覆冰较厚，并由于结冰时雨水沿伞裙下落 时冻结成悬挂在伞沿上的垂冰柱，当覆冰时间较长时，小冰柱将绝缘子串各个伞裙 桥接，严重时整个绝缘子串可能形成一个大的冰柱。由于小冰柱里面混有很多污秽 与杂质，此时的冰柱绝缘性能大大下降，桥接伞裙使得绝缘子串有效泄露距离减小 是引起覆冰闪络的主要原因。 在融冰期，绝缘子表面冰层首先开始融化形成连续水膜，并沿冰棱或冰柱表面 流动，形成整串连续的水膜，由于污秽地区水膜中杂质较多，更加容易形成导电通 道，从而导致闪络。根据试验结果，i 级及咀f 污秽区，在覆冰初期由于雨水等因 素的作用，绝缘予覆冰最大耐受电压可取7 0 k v m ，在完全覆冰后晟大耐受电压取 7 5 k v 巾，在融冰阶段，由于污秽的作用晟大耐受电压6 5 k v ；对丁2 级污秽，闪络 电压相应降低5 k v 。 结合现场拍摄的图片可以看出，现场覆冰严重时i 型串冰柱桥接情况普遍( 如 图4 4 所示) ，对于做过插花改造的i 型串，桥接情况要好很多( 如图4 5 所示) ， 虽然也有小冰柱形成，但是由于有大盘径绝缘子进行了一定程度e 的冰桥阻隔，冰 桥明显有多处断点，从一定程度上减小了冰闪事故发生的几率。 图4 41 1 0 k v 平坡二线合成绝缘子【型串冰柱桥 华北电力大学t f - l 硕十学何蹬文 图45 插花改造的i 型串覆冰图 对于v 串，桥接问题应该有所改善，但是对于合成绝缘子，可能是由于其结构 原因，伞间距较小，相对盘径也较细，即使采用v 串结构，也可能形成连续的冰桥， 对j ：角度比较大的v 串，其角度约为1 2 0 。左右，桥接问题才有明显改善。 污秽对覆冰闪络有很大的