（电力系统及其自动化专业论文）合成绝缘子性能研究.pdf

摘要 当合成绝缘子的污闪电压水平降至接近于系统的最高运行电压或者已经处 于临界状态时，应该采取什么相应的措旌是运行企业必须考虑的问题。本文对合 成绝缘子的水清洗问题进行了初步的研究。 关键词：合成绝缘子，憎水性，污秽试验，污秽性能 a b s t r a e t a b s t r a c t c o m p o s i t ei n s u l a t o r sa r ew i d e l yu s e db yp o w e ru t i l i t i e si nm a n yc o u n t r i e s t h e i r a d v a n t a g e so fp e r f o r m a n c ea n dc o s t so v e rt r a d i t i o n a lc e r a m i ca n dg l a s si n s u l a t o r s e s p e c i a l l yt h ea d v a n t a g eo f p o l l u t i o np e r f o r m a n c e ，i sp r o m i n e n t l yf e a t u r e d n o w a d a y s ， u s i n gs i l i c o n er u b b e ri n s u l a t o r s i so n eo ft h em o s te 衔c i e n tw a y st o p r e v e n t t r a n s m i s s i o ns y s t e mf r o mf l a s h o v e ro u t a g er e l a t e dp o l l u t i t m c o n c e m e dw i t hl a r g e q u a n t i t i e so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r si ns e r v i c e t os t u d ya n de v a l u a t et h e i ro u t d o o r i n s u l a t i o np e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t i nm a r c h2 0 0 4 ，i th a p p e n e dt oh a v ec o n s e c u t i v ef o g g yd a y si nn a n t o n ga r e a , w h i c hb r o u g h ta d v e r s es i t u a t i o nt ot h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ti s o l a t i o n i nt h e s u b s a t i o n y a r do fh u a n e n gn a n t o n gp o w e rp l a n t ，v i s i b l el o c a la r c f l a s h e sw e r eo b s e r v e da t n i g h t s o m eo fw h i c hw e r ei nf a c tc l o s et ot h ec r i t i c a lc o n d i t i o no fs e r i o u sf l a s ho v e r i na p r i l2 0 0 4 c r a c k i n gd a m a g e so c c u r e do nt h eg l a s si s o l a t o r sw h i c hh a db ei n o p e r a t i o nf o rm o r et h a n1 0y e a r s 1 1 1 e r e f o r et h ee x t e r n a li s o l a t i o ns y s t e mo ft h i s p o w e rp l a n tr e q u i r e si m p r o v e m e n t i ti sa l s on e c e s s a r y t os t u d yt h ei s o l a t i o nd e s i g ni n o r d e rt oc o m p a r et h er e a lp e r f o r m a n c ea n dc a p a b i l i t yo f t h ec o m p o s i t ei s o l a t o ra n dt h e g l a s si s o l a t o r t h em a i nf a c t o r sr e l e v a n tt ot h ec o m p o s i t ei n s u l a t o r s p o l l u t i o nc h a r a c t e rh a v e b e e na n a l y z e db ym a t h e m a t i c sm o d e l i ti sf o u n dt h a tb o t ht h eh y d r o p h o b i c i t ya n dt h e p o l l u t i o nl e v e ld e t e r m i n ec o m p o s i t ei n s u l a t o r s sf l a s h o v e rv o l t a g e o n l yo n eo ft h e t w of a c t o r sw o u l dn o tg i v et h eo v e m l ld e s c r i p t i o no ft h ep o l l u t i o np r o p r i e t y a r t i f i c i a l c o n t a m i n a t i o nt c s ti sv e r yi m p o r t a n tw a yt os t u d ya n de v a l u a t et h eo u t d o o ri n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e h e n c e g r e a ta t t e n t i o ni sa t t a c h e dt ot h el a b o m t o r ys i m u l a t i o no f c o n t a m i n a n td e p o s i t s ，d i f f e r e n th y d r o p h o b i c i t ya n dw e t t i n gp r o c e s s c o n s e q u e n t l y , a n a r t i f i c i a lc o n t a m i n a t i o nt e s tm e t h o ds u i t a b l ef o rc o m p o s i t ei n s u l a t o r si sr e c o m m e n d e d b a s e do nt h em e t h o d ，t h ei n f l u e n c eo fb o t hp o l l u t i o nl e v e la n dh y d r o p h o b i c i t yo n f l a s h o v e rv o l t a g ei st h o r o u g h l yd e a l tw i t h c o m p l i e dw i t ht h et h e o r ya n a l y s i s t h e r ee x i s t se x a c tr c l a t i o u s h i pb e t w e e n f l a s h o v e rv o l t a g e h y d r o p h o b i e i t y ( f i g u r e da sh e ) a n dp o l l u t i o nl e v e l ( f i g u r e da s e s d d ) 1 h es t r o n g e rt h eh y d r o p h o b i c i t yi s ，t h eh i 。g h e rt h ef l a s h o v e rv o l t a g e 叻i s a d d i t i o n a l l y , t h e 、o w e rt h ee s d dt s 。t h eh i g h e rt h eu fl s ，e v e nw h e nt h e h y d r o p h o b i c i t yi sv e r ys t r o n g 。r e f e r r i n gt ot h e 谚( 嬲，e s d d ) f i g u r e ，c o m p o s i t e i n s t i l a t o r s p o l l u t i o np e r f o r m a n c ec o u l db ea n t i c i p a t e dw i t h o u tp o l l u t i o nt e s t h o w e v e r , 吩i sa l s oi n f l u e n c e db yi n s u l a t o r s p r o f i l ep a r a m e t e r s ，f l a s h o v e rv o l t a g ep e rl e a k a g e d i s t a n c ed r o p so f fa st h ee f f e c t i v ed i a m e t e r 眈r i s e su p a l t h o u g ht h eh y d r o p h o b i c i t y m a yl o s ec o m p l e t e l yi ns e v e r ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ，c o m p o s i t ei n s u l a t o r s 协i s a p p r o x i m a t e l yt w e n t yp e r c e n th i g h e rt h a nc e r a m i ca n d 目a s si n s u l a t o r sb e c a u s eo f t h e i rs m a l l e rd e o nt h ev i e w p o i n tt h a tt h ec o m p o s i t ei n s u l a t o r s f l a s h o v e rv o l t a g ei sd e c i d e db y h y d r o p h o b i c i t ya n dp o l l u t i o nl e v e l am e t h o dt oe v a l u a t et h e i ro u t d o o ri n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e d r e g u l a r l y i n s p e c t i n g o n c o m p o s i t e i n s u l a t o r s h y d r o p h o b i c i t y ( 日oa n dp o l l u t i o nl e v e l ( e s d d ) i nf i e l d , t h ef l a s h o v e tv o l t a g el e v e l a n dt h ep o s s i b i l i t yo f f l a s h o v e rc o u l db ea n t i c i p a t e d a b s t r a c t w h e ni n s u l a t o r s f l a s h o v e rv o l t a g ei sc l o s et ot r a n s m i s s i o ns y s t e m sh i 曲e s t o p e r a t i o nv o l t a g e ，w h a tm e a s u r e st ob et a k e ni si m m i n e n tf o rt h eu t i l i t i e s i nt h i s t h e s i sw a s h i n go fc o m p o s i t ei n s u l a t o r si sa l s oc o n c e r n e dw i t h k e yw o r d s c o m p o s i t ei n s u l a t o r s ，h y d r o p h o b i c i t y , p o l l u t i o nt e s t , p o l l u t i o n p e f f o r m a n c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：垒二竺堂 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 合成绝缘子研究现状 合成绝缘子又称复合绝缘子或非瓷绝缘予，一般由有机合成材料 制成的伞裙护套、玻璃纤维增强的环氧树脂芯棒及金具三部分组成。 这种结构综合了伞裙护套材料耐大气老化性能优越及芯棒材料拉伸 机械强度高的优点。 早在本世纪四十年代环氧树脂就被用来制造户内高压绝缘子，这 种绝缘子重量轻，耐冲击能力强，易于加工复杂的绝缘结构。五十 年代人们发现经a 1 2 0 3 3 h 2 0 改性，合成材料的耐漏电起痕及耐电 蚀损性能大大改善。到六十年代末七十年代初，用于输电线路的合 成绝缘子开始发展起来，八十年代以后即得到了非常广泛的使用m 。 目前在世界范围内，交流3 5 k v 1 1 5 0 k v ，直流+ 4 0 0 k v 、+ 5 0 0 k v 等线 路上都已大量采用或试用了合成绝缘子，取得了成功的运行经验。 与传统的瓷和玻璃绝缘子相比较，合成绝缘子有着明显的优点， 主要表现在以下几个方面。 强度高，重量轻 合成绝缘子的强度重量比很高，即比强度很高。其高机械强度源 于玻璃钢芯棒优异的机械性能，目前所采用的玻璃钢引拔棒的抗拉 强度约8 0 0 - 1 2 0 0 m p a ，而钢化玻璃及瓷的抗拉强度仅为9 0 m p a 、 4 0 m p a 。相同电压等级下，合成绝缘子的重量也仅为瓷绝缘子的 1 7 1 1 0 。并且，在1 1 0 k v 以上的电压等级。特别是高强度大吨位的 情况下，合成绝缘产品有明显的价格优势。如考虑安装运行维护费 用并进一步针对合成绝缘子优化杆塔设计，这种优势将更为突出。 合成绝缘子的湿闪污闪电压高 有机复合材料低能表面的憎水性是合成绝缘子优异耐湿污性能 的主要原因。在大雾、小雨、露、溶雪、溶冰等恶劣气象条件下， 合成绝缘子表面形成分离的水珠而不是连续的水膜，污层电导很低， 第一章绪论 因此泄漏电流也很小，不易发生强烈的局部电弧，局部电弧也难以 进一步发展导致外绝缘闪络。运行一段时间合成绝缘子表面积污后， 憎水性可以迁移到污层表面的特性为硅橡胶材料所独有，在相同污 秽度下，其污闪电压可以达到相同泄漏距离瓷绝缘子的两倍以上。 普通棒形悬式合成绝缘子的等效直径远小于普通瓷绝缘子及支 柱绝缘子也是其耐污性能优异的重要原因。在不利的条件下，憎水 性可能因电气、环境等应力的影响而下降或完全丧失，但其等效直 径不会变粗，所以污闪电压仍将保持较高的水平。 运行维护简便 有机外绝缘优异的耐污性能提高了电力系统运行的可靠性，在污 秽地区无需象瓷及玻璃绝缘子一样定期清扫，也不存在普通悬式瓷 绝缘子零值检测闯题，大大降低了污秽地区绝缘子的运行维护费用。 不易破碎，防止意外事故 合成绝缘子耐冲击能力强，大大减少了安装、运输过程中造成的 意外破损并能有效防止枪击等人为因素的破坏。据文献报道1 2 1 ，在美 国、拉美等地区合成绝缘子能够明显降低人为破坏率是它们被选用 的重要原因。 美、德、英、法、瑞典、日本等国在合成绝缘子的研究方面都作 了大量深入的工作。国内对合成绝缘子的研究始于七十年代后期， 经过二十多年的努力，目前在理论研究、材料及制造工艺方面都已 达到了国际先进水平。1 9 8 3 年底铁道部铁路科学研究院研制的铁路 用硅橡胶合成绝缘子在四j i i 绵阳附近试用，1 9 8 5 年国产输电线路合 成绝缘子开始在武汉、天津挂网运行。据不完全统计。目前已有约 六十万只合成绝缘子运行在我国各个电压等级的输电线路上，发展 十分迅速。 第一章绪论 1 。2 我国合成绝缘子的迅速发展 合成绝缘子在我国的发展有其特殊的背景。由于受资源及生产状 况的限制，我国的一次能源消费以煤为主，而燃煤造成的空气污染 其他燃料相比要严重的多。随着经济的迅速增长，工业能耗同期逐 步增长，以工业为主的废气排放量日趋增加环境质量严重下降。我 国的大气环境污染成为世界上少数几个最严重的国家之一。 大气污染日趋严重引起的外绝缘闪络事故，严重威胁着电力系统 的安全运行。我国除西藏以外的其他省市自治区均发生过不同程度 的污闪事故。7 3 - 7 4 、7 7 7 9 、8 6 8 7 、8 9 9 0 、9 6 9 7 、0 3 0 4 年是我 国污闪事故的几个高峰期，均有较大面积的区域性污闪发生，严重 影响了工农业生产的正常进行，造成了巨大的经济损失。据统计， 1 9 7 1 年至1 9 9 4 年全国3 5 - 5 0 0 k v 输电线路共发生污闪3 5 4 2 条次， 1 9 7 1 年至1 9 9 2 年全国3 5 5 0 0 k v 变电站( 含发电厂升压站) 污闪事 故共计1 7 6 8 站次【3 】。其中5 0 0 k v 线路闪络3 5 条次，5 0 0 k v 变电站 ( 含发电厂升压站) 5 站发生污闪，仅此一项损失即达十多个亿，给 我们留下了深刻的教训。肪止外绝缘污闪保证输变电设备安全可靠 的运行是我国电力系统一项长期而艰巨的任务。 传统的防污闪的措施主要包括调整爬距、定期清扫、加装增爬捃、 涂硅油硅脂防污涂料等。通过增大爬电比距提高污闪电压是瓷及玻 璃绝缘子解决污闪问题的主要方法，实际上我国污秽地区外绝缘爬 电比距的选择大部分是建立在每年清扫一次的基础之上的，必须定 期清扫才能保证一定耐污能力。大气环境污染的加剧及范围的扩大， 决定了调爬措施的局限性，我国电网污闪每隔3 7 年出现一次高峰 也正说明了这一点。部分线路、杆塔也由于结构的限制，无法继续 提高爬距，只能采取其他措施。定期清扫的必要性是不言而喻的， 但清扫的质量与绝缘子的形状和人为因素都有很大的关系，很难达 到预期的效果，至于突发性污染，清扫的作用更是微乎其微。经验 第一章绪论 表明，线路、输变电站具备一定的绝缘水平是提高抗污闪能力的决 定性因素。如果绝缘水平太低，即使清扫也无法避免污闪。定期检 测零值绝缘子同样有着重要的意义，但目前还没有有效的现场检测 零值低值绝缘子的方法，不检或漏检是线路安全运行的一大隐患。 至于一些辅助措施，象涂硅油硅脂等防污涂料、加装增爬裙防污罩 等，只能是短期的应急措施。可以看出，由于受瓷及玻璃绝缘子本 身耐污性能的限制，传统的防污措施只能是暂时的、小范围的，并 不能从根本上解决外绝缘污闪的问题。 有机外绝缘研究的进展使得电力系统污闪问题的根本解决成为 可能，这一突破主要得益于有机合成绝缘子、支柱、套管、电缆端 头等一系列产品的优异性能。实践证明硅橡胶是目前最好的有机外 绝缘材料。德国、美国等国家将合成绝缘子用于污秽地区最长已有 三十年的历史。我国由于污闪问题的严重性，硅橡胶合成绝缘子在 耐污性能方面的优势显得更为突出，主要被用于中污秽及重污秽地 区。8 5 年至今已积累了二十多年的运行经验，其优异的耐污性能得 到了充分的肯定。电力系统用户对合成绝缘子的态度也已由最初的 怀疑、试试看、谨慎使用到今天的大量推广，有了非常大的转变。 9 6 年底至9 7 年初，华东、华中、西北、山东、福建等地电网的瓷绝 缘子再次相继发生大面积污闪，虽然断路器、继电保护动作正确， 未造成大范围停电，但仍对电网安全构成了严重的威胁。在这次大 面积污闪中，全部挂网的几十万支合成绝缘子无一闪络。 合成绝缘予已成为我国解决污秽地区输变电设备污闪问题最为 有效的办法。 1 3 合成绝缘子运行状况检测的必要性 合成绝缘子的不断发展成熟使得它在性能、费用等方面均逐渐优 于瓷及玻璃绝缘子，八十年代以来开始被世界各国电力系统广泛采 用，进入九十年代以后其发展更为迅速。据9 0 年c i g r ew g2 2 0 3 - 4 - 第一章绪论 的统计i z 】，截止到8 6 年底，北美、欧洲、澳大利亚、拉美及南非等 国家和地区的6 0 多个电力部门中合成绝缘子的使用量已达1 3 5 万 支，约占当时按生产厂家统计的总销售量的二分之一，而十年后的 今天仅我国就有约6 0 万只合成绝缘子运行在各个电压等级的输电线 路上，其发展速度之迅速可见一斑。文献 4 j 中提到，8 9 年美国绝缘 子当年市场中各种合成绝缘子占2 0 ，其中悬式合成绝缘子与 支柱合成绝缘子分别占各自当年市场的1 5 和3 3 ，9 4 年线 路支柱绝缘子已占当年市场的3 4 左右。据估计，目前，美国 市场悬式合成绝缘子的份额已超过7 5 。 合成绝缘子以自身独特的优势打破了瓷绝缘子在高压外绝缘领 域近百年的统治地位，使用量越来越大。事实上，合成绝缘子的长 期性能一直是人们担心的问题。在长期的运行过程中，合成绝缘子 在电气、机械和外界环境应力等的共同作用下，会因潮湿、局部放 电、电晕、紫外线、化学及生物侵袭等因素的影响而导致机电性能 下降。在目前使用的伞裙护套材料中，高温硫化硅橡胶与其他有机 材料相比有着优异的耐电蚀损及耐漏电起痕特性，有着良好的抗高 低温、臭氧、光照、霉菌性能。即便如此它的老化理论上也是不可 避免的，而芯棒及接头连接区的机械强度也会因长期承载各种交变 负荷而有所下降。因此长期运行后，合成绝缘子的整体性能将会有 不同程度的下降。 为了保证电力系统的安全运行提供高质量的电能供应，电力运行 部门必须对输变电设备外绝缘的运行状况有一个全面的了解，并及 时采取相应的预防措施。如何评估运行中合成绝缘子的整体性能， 检测性能严重劣化的合成绝缘子是世界各国电力部门急需解决的课 题。如果不能有效的解决这个问题，必然会对合成绝缘子的大量推 广使用产生不利的影响。 现场检测合成绝缘子的缺陷的方法已有部分研究成果面世，但仍 然没有一种方法能够有效的检测各种缺陷。各国运行部门广泛使用 的还是观察法，从地面、杆塔或空中借助于望远镜等观测绝缘子的 第一章绪论 表面状况，找出有缺陷的绝缘子。应用于现场的评估合成绝缘子整 体性能的方法还未见报道。在在线检测技术没有突破的情况下，许 多用户在对出厂产品依照i e c1 1 0 9 等现行合成绝缘子标准进行验收 的同时，运行一段时间后定期从线路上取下少量绝缘子，在试验室 内对其进行全面的电气、机械等特性的试验，评估其整体性能，为 运行维护提供参考。 合成绝缘子的整体性能可分为电气性能与机械性能两大部分，现 有的现场检测方法都是针对电气性能展开的。运行经验表明大部分 机械性能的灾难性下降都起因于设计制造的缺陷与电气性能的劣 化。在部分国家和地区，合成绝缘子主要被用于污秽地区甚至重污 秽地区，如果污闪电压水平没有足够的安全裕度，在恶劣的气象条 件下，有可能发生外绝缘闪络。绝缘子表面严重的局部放电也会加 速有机外绝缘材料老化的进程，清洁地区也是这样。显而易见，在 对合成绝缘子的性能评估中，耐污特性是非常重要的。长期在污秽 地区运行，合成绝缘子的污闪电压水平是否会随着污秽的积聚与可 能的憎水性下降与丧失而降低，预测并评估这种变化对运行部门有 着重要的现实意义。 华能南通电厂2 2 0 k v 升压站外绝缘是按i i 级污秽区选型，但随着 厂区附近环境污染的加剧，在浓雾或小雨天气，电晕声很大，绝缘 子沿面放电非常明显，运行人员甚至不敢现场巡检，有必要对绝缘 设备进行改造。虽然有关文献介绍了很多合成绝缘子的优点，但绝 缘子关系到电厂乃至电网的安全运行，为了慎重起见，有必要通过 亲身试验来摸清合成绝缘子的性能，以确定绝缘子的选用类型。 本课题正是基于上述背景提出来的。课题的目标在于研究合成绝 缘子的耐污性能及耐污性能的评估方法。 开展耐污性能的研究，必须对合成绝缘子污闪机理有一个清楚的 认识。人工污秽试验是污闪机理研究与外绝缘性能评估的重要手段， 但目前尚无统一的合成绝缘子污秽试验方法，研究制定合成绝缘子 人工污秽试验方法是课题展开的前提条件。本文通过大量的人工污 第一章绪论 秽试验，结合理论分析的结果，研究了合成绝缘子耐污性能与各影 响因素之间的具体关系。在确定了影响污闪电压主要因素的基础上， 进一步讨论合成绝缘子外绝缘性能评估的方法，预测污闪电压的期 望值与可能发生污闪的概率。从而为输变电设备的运行维护提供依 据。 合成绝缘子的污闪电压降至接近于系统的最高运行电压或者已 经处于临界值状态时，应该采取什么相应的措施是运行部门非常关 心的问题。本文对合成绝缘子的清洗作了初步的研究。 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 输变电设备常年运行于系统工作电压及常规机械负荷之下，不但要承受 各种短时过电压以及异常机械负荷的影响，其外绝缘材质还要经受日晒、雨 淋、风沙、高温、严寒等环境条件的作用，遭受自然污秽及工业污染的侵蚀， 其电气与机械性能不可避免的要受到影响。 2 1 影响有机外绝缘性能的因素 在环境因素的单独作用下，外绝缘材料的性能会因各种物理化学变化而 劣化，而电场、机械负荷与环境因素的共同作用则会进一步加剧劣化的进程。 影响外绝缘性能的主要因素包括以下几个方面【5 】。 气候的影响 气候因素对各种外绝缘材料都有一定程度的影响。气候条件包括温度、 湿度、雨、雪、风、大气中的杂质、阳光中产生的紫外线等等。电瓷及玻璃 等无机材料性能稳定，能够长期运行于户外各种气象条件下，耐环境老化性 能非常优异。但对于大部分有机合成材料来说，耐老化性能是一个弱项，它 的电气与机械强度以及物理化学性能可能因各种环境因素的影响而下降。 一般来说，紫外线以及臭氧、氮氧化物及其水合物等的氧化作用会使合 成材料发生结构性的变化，如交链、链的增长或者断链。交链以及链的增长 导致材料变硬变脆，弹性下降，硬度、拉伸强度增加。而断链则会使得材料 变粘或发胀。这些变化都是不可逆的。合成材料表面可能会因此产生永久性 的变化如粉化、裂纹、开裂等等，导致水分侵入或者憎水性的减弱甚至完全 丧失，直接影响到材料各项电气机械性能。紫外线等对材料老化的影响程度 与聚合物的种类、结构形式、交链度以及填料的种类含量直接相关。合成绝 缘子的伞裙护套材料主要有硅橡胶( r t v ，h t v ，l s r ) 、乙丙橡胶( e p m ， e p d m ) 、聚四氟乙烯、聚乙烯、环氧树脂( 双酚a 型或脂环族) 等。这些 材料中硅橡胶及聚四氟乙烯的耐大气老化性能最好。 吸潮的影响 - 8 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 不同的绝缘物质都会有不同程度的吸潮现象并以不同的方式影响到该 物质的特性。材料在吸潮后电气性能的变化最为显著，机械强度也会受到不 同程度下降。 瓷绝缘子会因制造缺陷、温度或机械负荷的急剧变化以及电弧热效应等 产生气隙和裂纹，致使绝缘降低或失效，即所谓的零值或低值绝缘子。扩展 到表面的裂纹易于吸潮，并将继续发展，成为绝缘的弱点。瓷件与金具之间 的胶装水泥吸潮风化产生的内应力也是瓷件产生裂纹或开裂的原因之一。玻 璃绝缘予在严重局部应力集中的时候，将自行爆炸。 吸潮对合成绝缘子各个介面及芯棒的威胁很大。在电场作用下合成绝缘 子芯棒与护套介面因粘接材料选材不当或粘接工艺不当造成的缺陷会导致， 内绝缘介面产生树枝状的局部放电，水分侵入加剧了缺陷的发展。可能形成 导电性通道，严重影响整体电气性能。运行中在机械载荷作用下温度的变化 等也可导致介面缺陷。合成绝缘子芯棒材料的缺点是耐大气老化性能不够4 好，特别是耐水解性能比较差，水分与芯棒材料发生化学反应会导致芯棒的 机械与电气性能下降，而对机械性能的影响更为明显。对输电线路安全运行u 构成严重威胁的合成绝缘子脆断现象，根据部分研究人员的研究成果，就是 水分侵入与局部放电共同作用的结果，如何预防并彻底解决脆断问题是目前 合成绝缘子研究的热点。 污染的影响 大气环境污染是输变电设备外绝缘电气性能下降的重要原因。绝缘子等 在运行过程中，受大气污染的影响，表面会积聚一层污秽物质。污层干燥时 对外绝缘性能并无太多不利的影响。但在雾、雾淞、溶雪溶冰、毛毛雨、雨 加雪、凝露等恶劣气候条件下，污层湿润后可溶成份溶解产生的离子会使泄 漏电流急剧增大，在表面电流密度集中的地方形成干区，产生局部电弧，严 重情况下会导致外绝缘性能急剧下降乃至闪络，即发生污闪。 污闪问题是瓷及玻璃绝缘予在污秽地区使用时存在的主要困难，频繁发 生的污闪事故长期困扰着电力系统。运行与研究部门进行了大量的工作试图 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 解决瓷及玻璃外绝缘的防污闪问题，但一直没有切实有效的解决办法。 在耐污性能方面，硅橡胶合成绝缘子的优势十分明显，取得了成功的运 行经验。这主要得益于硅橡胶材料的憎水性与憎水性迁移特性。事实上，恶 劣气象条件下或是长期运行后，合成绝缘子的憎水性可能减弱或者完全丧 失。虽然在这种情况下，合成绝缘子的污闪电压水平仍然比较高，但如果绝 缘水平选择不当或绝缘子的结构不尽合理，在恶劣气象条件下，表面的局部 放电将比较强烈，外绝缘材料表面也可能因此产生电蚀损或漏电起痕。 机械负荷的影响 常年工作于机械负荷之下，外绝缘设备的机械强度会因疲劳而下降，各 种动载对疲劳进程有不可忽略的影响。瓷及玻璃绝缘子的寿命一般认为可到 3 0 年，但运行一段时间后，它们的机电强度也会有明显的老化。合成绝缘 子结构中机械强度由芯棒来承担，尽管芯棒材料的抗疲劳性能较好，但负荷 种类、强度以及加载时间的长短对其机械强度的影响很大，其蠕变特性必须 仔细研究。运行经验表明正确的设计可以保证绝缘子在寿命期间内有足够的 机械强度。 从上述影响输变电设备外绝缘性能的主要因素及相应失效模式的叙述 中可以看出，尽管目前绝缘子从理论研究到生产制造技术各方面都已渐趋成 熟，也有多年成功的运行经验，但长期的现场运行中在环境、电气、机械应 力的共同作用下，无论是瓷绝缘子、玻璃绝缘子还是合成绝缘子都会有不同 程度的老化，机械与电气性能都会有不同程度的下降，威胁电力系统的安全 运行。 2 2 外绝缘性能的评估与检测 预测评估输变电设备外绝缘的电气与机械性能，检测各种绝缘缺陷并采 取相应的措施，是系统安全运行的重要保障。多年来，各国研究人员对瓷及 玻璃绝缘子的耐污性能及低零值检测进行了大量的研究，有了相当多的研究 成果。合成绝缘予发展至今虽然已有四十多年的历史，但真正开始被各国电 力系统大量使用还是近十年来的事情。目前还没有评估合成绝缘子外绝缘性 1 0 - 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 能、检测各种缺陷的成熟方法。 绝缘子产品的制造缺陷会大大加速运行后的老化过程，检测并剔除有缺 陷的绝缘子可以防患于未然，有着积极的意义。绝缘子产品可在制造过程中 按照工艺流程进行各项试验严格的控制质量水平，并进行全面的出厂试验， 减少各种可能的制造缺陷。对瓷、玻璃以及合成绝缘子这些试验项目都有相 应的标准可依，这种缺陷检测不包括在本文的研究范围之内。 2 2 1 瓷及玻璃绝缘子的评估与检测 在瓷及玻璃绝缘子外绝缘性能的评估中，污秽性能评估占据着重要的地 位。污闪电压水平的高低与绝缘子的耐污特性及所在地区的环境污染状况、 气候特征等因素有关，因此耐污性能的评估及预测应依据运行经验，并综合； 考虑绝缘子的表面污秽状态与当地的气候特征。无疑绝缘子污秽度的表征与 测量是评估耐污性能的基础。污闪电压降低的真正原因是湿润条件下污层电 导率的急剧增加，因此污秽度应能准确反映受潮后绝缘子的污层电导率，并“ 与污闪电压有确定的关系。目前主要采用的污秽度表示方法有：等值盐密法、 污层电导率法、泄漏电流法和绝缘子污闪梯度法几种。 等值盐密法是把绝缘子表面污层中的可溶成分转化为相当于每平方厘 米含有多少毫克n a c i 来表示污秽度的方法。用一定量的蒸馏水或去离子水 将被试品表面的污秽物质全部清洗下来，测量污液的电导率及温度，同样体 积同样电导率n a c l 溶液中n a c i 的含量除以被测污层表面积即得等值盐密， 单位是m g e m 2 。等值盐密与污闪电压之间有直接的对应关系，测量简单， 适用于现场，是目前评估外绝缘污秽度应用最为广泛的方法。i e e e 及i e c 在各自标准都推荐使用等值盐密法，我国推荐性国标g b t1 6 4 3 4 - - - - 1 9 9 6 高 压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准中也将等值 盐密与污湿特征、运行经验列为外绝缘污秽等级划分的三个标准之一似】。等 值盐密法没有考虑污秽物质的种类及污层的分布，也没有考虑受潮过程及污 秽物质中非导电成分对受潮过程的影响，是一种静态平均参量，等价性稍差。 污闪事故出现以来，人们一直试图通过记录泄漏电流来评价污秽地区绝 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 缘子的运行情况。理论分析表明，临界泄漏电流与污闪电压之间存在确定的 关系，泄漏电流的监测可以反映绝缘子污闪的发展过程。但在现场监测中， 气候条件、污层分布等因素对泄漏电流有很大的影响，数据变化很大，作为 污闪电压的水平判据有一定的困难。实践证明，只有通过数年的连续监测取 得大量数据，并进行统计分析才能提供有价值的参考，短期的数据是没有意 义的。 通过自然污秽试验也可得到典型污秽地区的外绝缘耐污特性，以绝缘予 的最短耐受串长或最大污闪电压梯度来表征当地污秽度，得到的结果与实际 运行情况最为接近。这种方法难以获得大量的数据，结论的适用范围也受到 一定限制。 通过对现场各个监测点绝缘子等值盐密有计划的连续测量与分析，结合 当地环境污染的状况，依据长期运行经验的积累，并参考大量污秽试验得到 的绝缘子等值盐密与污闪电压的关系曲线，就可对运行线路及电站外绝缘的 耐污水平有一个基本的估计，并以此作为系统运行维护或外绝缘设计的依 据。1 9 9 0 年5 月原能源部主持召开的全国防污闪工作会议上，认为要减少 和防止外绝缘污闪事故，必须采取的一项措施就是绘制电力系统污区分布 图，并在全国范围内全面展开这项工作。所谓污区分布图就是电力运行部门 对电力设备所在地区划分污秽等级的区域图，其划定标准后来上升为g b t 1 6 4 3 4 1 9 9 6 ，基层的污区分布图还应包括本区域历年测量盐密的纪录，标 明测量点及污闪事故点，污源的性质、特点以及反映历年气象变化的资料。 污区分布图是电力部门运行维护以及新建、扩建与改建输变电设备时确定污 秽等级、配置外绝缘爬电比距的依据。跟踪测量盐密，收集污源、气候变化 的资料，使得污区分布图能够及时反映环境污秽对外绝缘污闪电压水平的影 响，从而实现对外绝缘性能的评估与预测。 性能劣化瓷绝缘子的现场检测方法依据零低值绝缘子所引起的不同效 应可以分为以下几类；利用劣化绝缘子绝缘强度下降的方法，低零值绝缘子 处电压电场分布异常的方法，缺陷处产生的局部放电、脉冲电流及热效应检 一1 2 一 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 测的方法。 2 2 2 合成绝缘子的评估与检测 目前合成绝缘子现场检测的方法还很不成熟对其进行性能评估的研究 还未见有报道，但许多电力运行部门从设备安全运行的角度出发，参考瓷绝 缘子的成功经验进行了一些初步的尝试。这是目前国际上合成绝缘子研究的 热点。 等值盐密测量在评估瓷及玻璃绝缘子耐污性能、为运行维护提供参考依 据方面有相当重要的指导意义，得到了广泛的应用，因此不少运行部门试图 通过等值盐密的测量来反映合成绝缘子外绝缘耐污性能的变化，结果发现单 纯盐密测量的参考价值不大。也有入通过泄漏电流的监测来反映合成绝缘子 的性能劣化。实际上，合成绝缘子的泄漏电流与瓷绝缘子相比要小很多，受 气候环境、运行时间等因素的影响更大。需要长达数年的时间才能给出有价 值的结果。而自然污秽试验站通过各种试验与监测手段对不同合成绝缘子进 行比较，也可得到一些重要的数据，特别是在有机材料老化的研究方面有重 要的意义。但在污秽性能评估方面，数据的获得比较困难，适用范围也受到 一定的限制。 对于瓷及玻璃绝缘子，形状参数一定的情况下，环境污湿特征是绝缘子 污闪电压水平变化的决定因素，以污秽度作为耐污性能的评估因素其关系是 确定的。而合成绝缘子由于憎水性引入，污闪的机理发生了很大变化。必须 深入研究影响污闪电压的各种因素，才能对外绝缘的耐污性能进行有效的评 估。 合成绝缘子缺陷与缺陷程度的检测要通过对缺陷引起的表面状况的改 变、绝缘能力的下降、电场分布的变化以及热、局部放电、超声等信号的测 量来实现。目前所用的各种检测方法总结见表2 1 ，其中主要的几种方法简 述如下【丌。 目测法 目测法是各国电力系统应用最为广泛的合成绝缘子现场检测方法，即借 1 3 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 助于望远镜等设备，定期的从地面、杆塔或空中观察绝缘子表面有无劣化或 其他异常现象。这要求巡线人员对各种合成绝缘子的结构形式、材料、可能 的劣化模式有清楚地了解。典型的劣化现象包括：伞裙护套材料表面粉化或 粗糙化，漏电起痕及电蚀损，击穿，开裂，端部密封层破坏，芯棒露出，均 压环、金具与绝缘子表面的灼伤等等。也可在夜间利用对局部放电敏感的光 表1 合成绝缘子检测方法 各种效应检测方法特点 简单方便，可有效发现出一些缺陷，被 目测法 广泛应用于现场，但较粗略 表面状况变化 检测合成绝缘子表面憎水性的变化，适 h c 法 于现场测量 只能检出严重的集中性导电缺陷，意义 兆欧表 绝缘电阻下降 不大 交直流只能检出严重的集中性导电缺陷，意义 耐压试验不大 易于现场监测，反映绝缘子表面状况的 泄漏电流变化泄漏电流监测 变化，需常年连续监测，积累大量数据 能检测出大的导电性缺陷，受环境因素 电场分布改变 电场测量 影响大，对端部缺陷不敏感 红外热像仪法 方便迅速，适于现场检测，可检出局部 热效应放电及泄漏电流热效应较强的缺陷 测温法发现严重的集中性导电缺陷 可检测出绝缘子表面的放电现象，只能 夜视仪观测 在夜间进行，受环境因素影响大 局部放电 可检测产生强烈局放的缺陷，抗干扰能 局放信号测量 力差 1 4 - 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 放大仪器，观察绝缘子表面有无严重的放电现象。但表面放电并不一定意味 着绝缘子有缺陷，也可能因恶劣的气候条件引起。 目测法虽然仅着眼于绝缘子表面状况的变化，比较粗略，但仍然能够方 便的检测出一些性能严重劣化的合成绝缘予。而表面劣化往往意味着存在或 将导致更为严重的内部缺陷。在其他更为有效的现场检测方法出现以前，定 期的巡线检查仍然有着积极的意义。 红外热像仪检测法 由于电场原因引起的合成绝缘子缺陷常常会伴随着热的产生，可以用温 度测量比较灵敏而又直观的红外测温仪器分辨出来，从而实现缺陷的检测。 这种方法在实验室和现场都得到了较好的结果，特别适宜于现场的使用，一 座升压站的检测在- - d , 时内即可完成。 研究表明，热谱图法有一定的局限性，特别是对于局部放电较弱、泄漏 电流热效应不明显或绝缘子中间部位存在集中性导电通道的情况。红外热像 仪检测法应该与其他方法配合使用。 检测缺陷处产生的局部放电信号的方法在实验室中可以得到与热谱图 法近似的结果，但灵敏度稍差。现场强烈的干扰信号妨碍了局部放电测量方 法的使用。 电场分布测量方法 导电性缺陷会使绝缘子表面的电场分布产生不同程度的改变，可以通过 电场的测量对合成绝缘子进行检测。此法在零值瓷绝缘子的现场检测中得到 了应用。显然，电场测量只能检测出能够改变电场分布的集中性导电缺陷， 对于小的或低电导缺陷的意义不大，而且测量结果受潮湿等环境因素的影响 很大，容易将正常绝缘子判断为劣化绝缘子。需要特别注意的是，电场测量 对于绝缘子端部附近的缺陷反应不灵敏，而这个区域恰恰是出现故障比较多 的地方。 合成绝缘予的使用提高了系统运行的可靠性，免除了很多复杂的运行维 护工作。许多电力部门除了定期巡线检查外，也并不进行其他的维护工作。 一1 5 第二章输变电设备外绝缘性能评估与检测 在现有的检测方法还不成熟的情况下，对新出厂绝缘子进行严格的验收试 验，剔除有制造缺陷的产品是电力系统用户保证合成绝缘子安全运行的重要 基础。许多运行部门定期从线路上取下若干只绝缘子，在实验室对它们的各 项性能进行全面的试验。虽然无法实现现场较为系统的状态评估，但也可以 用试验的结果大概推断运行绝缘子的性能状况，为运行维护提供参考。 一1 6 - 第三章合成绝缘子污闪机理 第三章合成绝缘子污闪机理 人们对瓷绝缘子污闪机理的研究已经有很多年的历史了，尽管所提出的 各种污闪模型还不尽完善，但对于污闪的具体过程及影响因素都有了一个清 楚的认识i 乳9 j 们。与瓷绝缘子相比合成绝缘子有着优异