伍 弘， 劉世濤， 郝金鵬， 房子祎， 楊 凱， 吳 波

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院, 銀川 750011)

0 引 言

復(fù)合絕緣子因其質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐污閃性能優(yōu)異以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于35 kV及以上架空輸電線路中[1-2]。目前，復(fù)合絕緣子在國網(wǎng)系統(tǒng)的用量超在運(yùn)絕緣子總量的45.5%，且其中62%已運(yùn)行5年以上。復(fù)合絕緣子的廣泛應(yīng)用雖從側(cè)面進(jìn)一步說明了其相較于瓷或玻璃絕緣子所具有更高的性價(jià)比，但復(fù)合絕緣子由復(fù)合材料傘裙、護(hù)套和環(huán)氧玻璃纖維芯棒所構(gòu)成這一特點(diǎn)，注定了老化問題始終是影響復(fù)合絕緣子長期運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素之一。

老化特性及其檢測(cè)方法是復(fù)合絕緣子的主要研究方向之一，對(duì)象主要包括硅橡膠傘裙護(hù)套[3-4]、環(huán)氧樹脂和玻璃纖維芯棒[5-6]以及不同材質(zhì)的交界面或相同材質(zhì)但制作工序不同產(chǎn)生的分界面等[7-9]。如文獻(xiàn)[10-11]通過傅里葉紅外光譜(FTIR)分析了復(fù)合絕緣子傘裙不同分子鏈的吸收峰面積，從而對(duì)其老化進(jìn)程進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[12-13]采用掃描電子顯微鏡(SEM)和熱刺激電流測(cè)試(TSC)分析樣品的微觀形貌和陷阱特性，以研究復(fù)合絕緣子芯棒的濕熱老化情況；文獻(xiàn)[14]對(duì)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(LIBS)測(cè)試復(fù)合絕緣子元素含量淺深比表征其老化程度進(jìn)行了初步探討，文獻(xiàn)[15]則用LIBS分析了老化復(fù)合絕緣子表面硬度。此外，通過宏觀試驗(yàn)獲取復(fù)合絕緣子的一些外在表征如憎水性、表面泄漏電流等也是研究其老化進(jìn)程的重要手段[16-18]。

酥朽斷裂是復(fù)合絕緣子在低機(jī)械負(fù)荷下發(fā)生的一種嚴(yán)重故障，是影響運(yùn)行單位執(zhí)行復(fù)合絕緣子壽命周期的重要因素，其主要特征是玻璃纖維芯棒中環(huán)氧樹脂基體的降解和劣化[1, 19]。相關(guān)的研究表明，造成復(fù)合絕緣子酥?jǐn)嗟闹饕驗(yàn)樾景?護(hù)套界面存在缺陷[20-21]。因此，準(zhǔn)確評(píng)估復(fù)合絕緣子的芯棒-護(hù)套界面性能對(duì)指導(dǎo)設(shè)備管理單位運(yùn)維復(fù)合絕緣子具有重要意義。

寧夏位于中國西北地區(qū)東部，氣候干冷且多風(fēng)沙，電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣。同時(shí)寧夏電網(wǎng)絕緣子復(fù)合化率已達(dá)80%以上，因此復(fù)合絕緣子在外部環(huán)境影響下的長期運(yùn)行性能很大程度上決定了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。為準(zhǔn)確評(píng)估寧夏地區(qū)運(yùn)行復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面粘接性、耐水解及耐濕熱老化性能，結(jié)合年度抽檢工作，對(duì)寧夏電網(wǎng)運(yùn)行6年及以上、不同電壓等級(jí)的復(fù)合絕緣子進(jìn)行宏觀試驗(yàn)和微觀分析。相關(guān)的試驗(yàn)分析結(jié)果為評(píng)價(jià)寧夏地區(qū)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)提供了可靠數(shù)據(jù)支撐，還可為后續(xù)復(fù)合絕緣子的運(yùn)維檢修提供建議。

1 復(fù)合絕緣子界面概況

復(fù)合絕緣子不同構(gòu)成材料之間存在接觸面，即分界面或交界面。按照其組成結(jié)構(gòu)層次不同，可分為不同的界面類型[22]，見圖1。

圖1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)及界面示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite insulator structure and interface

其中，芯棒-護(hù)套界面，即玻璃鋼芯棒與硅橡膠護(hù)套的交界面，是復(fù)合絕緣子的高危界面之一。芯棒與護(hù)套共同組成了復(fù)合絕緣子的內(nèi)絕緣，一旦兩者交界面存在異常，大概率會(huì)引發(fā)護(hù)套或芯棒故障。

芯棒-護(hù)套界面性能是復(fù)合絕緣子整體性能的重要表征之一，正確、有效評(píng)估芯棒-護(hù)套界面性能并采取相應(yīng)措施是實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子質(zhì)量管控的重要手段。

2 芯棒-護(hù)套界面性能評(píng)估

2.1 評(píng)估對(duì)象

寧夏電網(wǎng)在運(yùn)復(fù)合絕緣子總量已超13.5萬支，并呈逐年遞增趨勢(shì)，其中運(yùn)行5年以上的占60.6%。為評(píng)估寧夏電網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能，從2019年度抽檢的153支運(yùn)行復(fù)合絕緣子中選取35 kV～750 kV運(yùn)行6年及以上、33個(gè)廠家批次的110支作為此次評(píng)估對(duì)象。評(píng)估對(duì)象的電壓及運(yùn)行年限分布情況見圖2。由圖2可知，此次評(píng)估對(duì)象中110 kV試品占絕大多數(shù)，達(dá)到66.4%，運(yùn)行年限則多集中在11年，這與寧夏電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖2 評(píng)估對(duì)象的電壓分布及運(yùn)行年限分布情況Fig.2 Voltage and operation years distribution of the evaluated object

2.2 密封性能試驗(yàn)

復(fù)合絕緣子如因端部密封不良導(dǎo)致水汽侵入，將直接影響其芯棒-護(hù)套界面性能，進(jìn)而引發(fā)護(hù)套燒蝕、芯棒腐蝕甚至斷裂(非耐酸芯棒)故障。為避免因端部密封不良造成的芯棒-護(hù)套界面性能劣化而影響評(píng)估結(jié)果，首先選取33個(gè)廠家批次各1支試品進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。將試品端部金屬附件污染物清除干凈后，均勻噴涂滲透劑并施加70%的額定機(jī)械負(fù)荷保持1 min；待滲透劑浸染超過10 min后，清洗掉表面的滲透劑，均勻噴涂顯像劑。經(jīng)仔細(xì)檢查，所有被檢測(cè)試品的金屬附件、護(hù)套與金屬附件交界面均未發(fā)現(xiàn)裂痕或其他異?，F(xiàn)象，表明其端部密封性能良好。某噴涂顯像劑后的試品如見圖3。

圖3 某噴涂顯像劑后的試品Fig.3 Sample of sprayed imaging agent

密封性能試驗(yàn)結(jié)果表明，所要評(píng)估的33個(gè)廠家批次產(chǎn)品端部密封性能良好，后續(xù)芯棒-護(hù)套界面性能評(píng)估結(jié)果可不考慮其受水汽或污穢從端部侵入帶來的影響。

2.3 剖檢試驗(yàn)

剖檢試驗(yàn)通過將復(fù)合絕緣子護(hù)套部分或全部從芯棒去除，觀察芯棒表面護(hù)套的殘留情況來判斷兩者間的粘接性能。目前，對(duì)復(fù)合絕緣子剖檢試驗(yàn)后芯棒、護(hù)套間的粘接情況暫無明確分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照憎水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照芯棒與護(hù)套的剝離情況，將復(fù)合絕緣子護(hù)套與芯棒的粘接性分為CC1～CC5 5個(gè)等級(jí)(Coherence Class, CC)[23]。各級(jí)參考圖片見圖4。其中，CC1級(jí)表明粘接性差，按不合格計(jì)。

圖4 復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套粘接性分級(jí)圖Fig.4 Coherence class diagram of composite insulator mandrel and sheath

選擇33個(gè)廠家批次產(chǎn)品中的29個(gè)做剖檢試驗(yàn)(其中有4個(gè)廠家批次產(chǎn)品抽檢數(shù)≤2支)，每個(gè)批次產(chǎn)品選1支進(jìn)行試驗(yàn)。其結(jié)果見表1(批次編號(hào)也是試品編號(hào))。

表1 運(yùn)行復(fù)合絕緣子剖檢試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The results of operated insulators’ peel strength

由表1可知，試品粘接性等級(jí)在CC4及以上的僅4支，而CC1的有4支，說明大多數(shù)試品芯棒-護(hù)套的粘接性均有不同程度的下降。兩種不同情況的CC1級(jí)試品見圖5。

圖5 粘接性等級(jí)為CC1級(jí)的復(fù)合絕緣子試品Fig.5 Samples of composite insulators with CC1

2.4 帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)

為判斷復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套交界面的耐水解及耐濕熱老化性能，選擇全部33個(gè)廠家批次產(chǎn)品進(jìn)行帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)，制樣、預(yù)處理及電壓試驗(yàn)遵照GB/T 19519-2014執(zhí)行(每支絕緣子試品做成6只樣品)。試驗(yàn)結(jié)果主要有以下5種類型：

A型：6只水?dāng)U散試驗(yàn)樣品的泄漏電流均小于等于100 μA(9支)。

B型：6只水?dāng)U散試驗(yàn)樣品中有任意支數(shù)的泄漏電流大于100 μA，小于1 000 μA，且無閃絡(luò)(4支)。

C型：6只水?dāng)U散試驗(yàn)樣品中有1只及以上泄漏電流值大于1 000 μA(3支)。

D型：6只水?dāng)U散試驗(yàn)樣品中有1次閃絡(luò)(10支)。

E型：6只水?dāng)U散試驗(yàn)樣品中有2次及以上閃絡(luò)(7支)。

根據(jù)GB/T 19519-2014規(guī)定，水?dāng)U散試驗(yàn)中不應(yīng)發(fā)生擊穿或表面閃絡(luò)，且整個(gè)試驗(yàn)期間的泄漏電流不應(yīng)超過100 μA(r.m.s)。據(jù)此判斷本次試驗(yàn)中僅有9支試品合格，整體合格率較低。這表明長期運(yùn)行于寧夏地區(qū)的復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套交界面的耐水解、耐濕熱老化性能均有較大程度的下降。

對(duì)比剖檢試驗(yàn)與帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果，其中水?dāng)U散試驗(yàn)合格的A型9支試品其芯棒-護(hù)套粘接等級(jí)均為CC3級(jí)以上(較好)；而芯棒-護(hù)套粘接等級(jí)為CC1(差)的4支試品中有3支水?dāng)U散試驗(yàn)不合格(發(fā)生2次以上閃絡(luò)或泄漏電流大于1 mA)，但仍有1支水?dāng)U散試驗(yàn)合格(泄漏電流小于100 μA，試品編號(hào)為29號(hào)，剖檢試驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示)。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能存在的異常，且相比剖檢試驗(yàn)?zāi)苷鐒e出更多的劣化絕緣子；水?dāng)U散試驗(yàn)可以量化復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能，且精度較高，避免了剖檢試驗(yàn)因人的主觀判斷和受經(jīng)驗(yàn)影響所帶來的試驗(yàn)誤差；水?dāng)U散試驗(yàn)因制備樣品的不同，可能會(huì)漏掉局部界面存在空隙的部分(如試品29號(hào))，應(yīng)與剖檢試驗(yàn)結(jié)合應(yīng)用。

2.5 傅里葉紅外光譜分析

復(fù)合絕緣子水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果不合格表明其芯棒-護(hù)套界面性能劣化(老化)，而復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中，硅橡膠傘裙是最先出現(xiàn)老化表征的。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)對(duì)復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的特征官能團(tuán)進(jìn)行分析可有效判斷其老化程度。為查找復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面老化與傘裙老化間的關(guān)系，分別選取同廠家批次、運(yùn)行于同一地區(qū)相同電壓等級(jí)線路、水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果不同的多支復(fù)合絕緣子相同部位硅橡膠傘裙進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，結(jié)果如下：

1)對(duì)水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果分別為A型和E型的2支復(fù)合絕緣子做紅外光譜分析，其吸收光譜對(duì)比見圖6。

圖6 不同水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)合絕緣子(2支)紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of 2 composite insulators′ skirt with different water diffusion test results

分析圖6可得，水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果為A型試品的-OH基團(tuán)(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略低于E型試品，而Si-O-Si基團(tuán)(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量則略高于E型試品，其他基團(tuán)含量兩者相差不大。

2)對(duì)水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果同為E型但閃絡(luò)次數(shù)不同的2支復(fù)合絕緣子做紅外光譜分析，其吸收光譜對(duì)比見圖7。

圖7 相同水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)合絕緣子(2支)紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of 2 composite insulators′ skirt with same water diffusion test results

分析圖7可得，水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果為E型試品(閃絡(luò)2次)的-OH基團(tuán)(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略高于閃絡(luò)4次的E型試品，而Si-O-Si基團(tuán)(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量則略低于閃絡(luò)4次的E型試品，其他基團(tuán)含量兩者相差不大。

3)對(duì)水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果分別為B、C、E型的3支復(fù)合絕緣子做紅外光譜分析，其吸收光譜對(duì)比見圖8。

圖8 不同水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)合絕緣子(3支)紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrum of 3 composite insulators′ skirt with different water diffusion test results

分析圖8可得，水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果為E型試品的-OH基團(tuán)(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略高于C型和B型，Si-O-Si基團(tuán)(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量也略高于C型和B型。

綜合上述傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果可知，雖然帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果相差較大，但只要是同廠家批次、運(yùn)行于同一地區(qū)相同電壓等級(jí)線路的復(fù)合絕緣子，其硅橡膠傘裙的老化程度無明顯差異且不呈現(xiàn)一定規(guī)律(主要特征官能團(tuán)含量相差不大)，表明在同樣的運(yùn)行環(huán)境下，復(fù)合絕緣子-大氣界面(傘裙表面)的老化進(jìn)程與芯棒-護(hù)套界面的老化進(jìn)程并不一致。

2.6 運(yùn)行年限分析

統(tǒng)計(jì)水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果中除A型外的24支復(fù)合絕緣子試品運(yùn)行時(shí)間，其結(jié)果見圖9。

圖9 水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果不合格試品運(yùn)行年限Fig.9 Operation time of samples with different water diffusion test results

圖9中僅8號(hào)和30號(hào)試品運(yùn)行時(shí)間在8年以下。其中8號(hào)試品水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果為單次閃絡(luò)，其它5次泄漏電流均在100 μA以下；30號(hào)試品水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果為4次閃絡(luò)，但該支試品外觀檢查中發(fā)現(xiàn)其護(hù)套有明顯的閃絡(luò)燒蝕痕跡。因此，考慮試驗(yàn)的操作誤差，可認(rèn)為本次水?dāng)U散試驗(yàn)中除A型結(jié)果的9支試品外，其它試品運(yùn)行年限均在8年及以上(粘接性等級(jí)為CC1的29號(hào)試品運(yùn)行年限為14年)，表明復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能劣化與其運(yùn)行年限有直接關(guān)系。

3 評(píng)估結(jié)果及運(yùn)維建議

通過對(duì)運(yùn)行于寧夏地區(qū)的33個(gè)廠家批次復(fù)合絕緣子進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)分析，考慮試驗(yàn)過程中存在一定操作誤差，得到此次評(píng)估結(jié)果如下。

有4個(gè)廠家批次產(chǎn)品存在芯棒-護(hù)套粘接性差(包括存在局部空隙的1個(gè))；有22個(gè)廠家批次產(chǎn)品芯棒-護(hù)套界面耐水解及耐濕熱老化性能差(包括粘接性差的其中3個(gè))，總計(jì)有23個(gè)廠家批次產(chǎn)品芯棒-護(hù)套界面性能差。

造成被試絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能劣化的主要原因?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)制作過程中工藝不良，長時(shí)間運(yùn)行后偶聯(lián)劑老化失效，進(jìn)一步導(dǎo)致芯棒-護(hù)套界面粘接性下降和界面的耐水解和耐濕熱老化性能下降。

復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面性能老化進(jìn)程與傘裙表面的老化進(jìn)程并不一致，但長時(shí)間運(yùn)行后兩者均較大概率會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重老化現(xiàn)象。

寧夏地區(qū)氣候干燥寒冷，空氣濕度低，對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子的影響遠(yuǎn)不如南方濕熱環(huán)境強(qiáng)烈。但運(yùn)行時(shí)間超過8年后，69.7%的廠家批次復(fù)合絕緣子會(huì)出現(xiàn)芯棒-護(hù)套界面性能劣化，持續(xù)運(yùn)行可能造成護(hù)套燒蝕穿孔、芯棒腐蝕等問題。因此，建議有關(guān)單位對(duì)本次評(píng)估中芯棒-護(hù)套界面性能為差的同廠家批次產(chǎn)品逐步進(jìn)行更換。對(duì)暫未更換的，要采用如紅外測(cè)溫等手段加強(qiáng)巡視監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)處理。

4 結(jié)束語

復(fù)合絕緣子運(yùn)行過程中發(fā)生缺陷或故障往往并非單一原因所致，把控關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量有助于提升其整體運(yùn)行水平。芯棒-護(hù)套界面作為復(fù)合絕緣子的高危界面之一，在于其連接絕緣子內(nèi)外環(huán)境后可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。如運(yùn)行于濕熱地區(qū)的復(fù)合絕緣子端部密封性能不良且內(nèi)部芯棒采用了非耐酸芯棒，此時(shí)若其芯棒-護(hù)套的粘接性、耐水解及耐濕熱老化性能嚴(yán)重下降，極可能導(dǎo)致護(hù)套燒蝕穿孔甚至芯棒斷裂事故。因此，通過不同類型的宏觀試驗(yàn)及微觀分析評(píng)估復(fù)合絕緣子的芯棒-護(hù)套界面性能，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果及時(shí)采取相應(yīng)措施，對(duì)復(fù)合絕緣子質(zhì)量管控，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。