葛利宏,鄭建軍,肖占海

(1.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司,呼和浩特 010020;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室,呼和浩特 010020;4.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司錫林郭勒供電分公司,內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)

0 引 言

與瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子相比,復合絕緣子具有更優(yōu)越的機械、絕緣及抗污閃性能,更便于安裝及維護[1-4]。復合絕緣子主要由承受軸向載荷的高強度玻璃纖維芯棒、提供泄漏距離和電氣絕緣的硅橡膠傘裙、護套以及芯棒兩端用以承擔機械負荷的金具等三部分組成[5-6]。作為戶外電氣絕緣設(shè)備,復合絕緣子在運行中會不斷受到紫外線、臭氧等環(huán)境因素及電暈、泄漏電流等電應(yīng)力因素的影響。隨著運行年限的增加,復合絕緣子逐漸出現(xiàn)界面擊穿、傘裙粉化及芯棒斷裂等問題,從而導致其絕緣性能不斷降低,進而發(fā)生閃絡(luò)事故[7-9]。因此,針對在運復合絕緣子定期開展抽樣試驗,通過研究其老化性能判斷硅橡膠材料的劣化程度及再運行可靠性,對提高輸電線路的安全可靠性具有十分重要的意義。

該文抽取蒙西電網(wǎng)某220 kV輸電線路的2支在運復合絕緣子,對其材料老化性能進行檢測分析,進而對蒙西電網(wǎng)在役復合絕緣子的運行狀況進行評價。

1 試驗分析

所抽取的2支在運復合絕緣子樣品信息見表1。

表1 抽檢復合絕緣子樣品信息表Table 1 Information table of the chosen composite insulators

1.1 DR無損檢測結(jié)果及分析

利用ERESCO 65MF4型X射線數(shù)字成像儀(digital radiography,DR),對2支復合絕緣子樣品金具及芯棒壓接質(zhì)量進行檢測,結(jié)果如圖1所示。從圖中可以觀察到,2組絕緣子樣品的芯棒均到達金具端部,且芯棒與金具間及金具與護套間均未見明顯縫隙、微裂紋等缺陷。

圖1 復合絕緣子樣品DR檢測結(jié)果

1.2 宏觀形貌觀察與分析

通過宏觀形貌觀察可以看出,2支復合絕緣子樣品低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)等三個部位的傘裙表面均存在一定厚度的污穢層及不同程度的粉化現(xiàn)象,其中低壓側(cè)傘裙表面的粉化程度較高,這主要與低壓側(cè)傘裙表面接受的光照時間較長有關(guān)。此外,2支復合絕緣子高壓側(cè)傘裙表面均觀察到局部電蝕痕跡,這主要是由于導線側(cè)的電應(yīng)力因素作用所導致的。相比于1號試樣,2號試樣中部及高壓側(cè)傘裙均存在一定程度的彎曲變形,表明2號復合絕緣子的老化程度相對較高;經(jīng)過對折后,在2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙表面出現(xiàn)了大量的龜裂裂紋,表明該部位硅橡膠材料存在較為嚴重的老化現(xiàn)象,其主要與長期電場放電作用所導致的硅橡膠材料中大分子斷鏈有關(guān),如圖2所示。

圖2 復合絕緣子各部位傘裙宏觀形貌

1.3 帶護套染色滲透試驗

帶護套染色滲透試驗開始前,先利用金鋼石鋸片將每支樣品沿與芯棒軸線成90°的方向切取3支試樣,每支試樣長度為(10±0.5) mm。然后,使用180目細砂紙對兩端斷面進行打磨,確保斷面清潔、平行。試驗時,將試樣沿芯棒纖維束的軸向放入玻璃培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)皿底部放置一層等徑的鋼球(1～2 mm)和質(zhì)量分數(shù)為1%的品紅乙醇溶液,且其液面應(yīng)比球的頂部高出2～3 mm。試驗過程中,染料將因毛細管作用從芯棒底面向上端面進行吸附,測量染料貫通試樣的時間是否達到15 min。圖3所示為芯棒帶護套染色滲透的試驗結(jié)果,從圖中可以看出,在標準規(guī)定的時間內(nèi)染色劑未貫穿芯棒,表明各樣品的芯棒質(zhì)量滿足標準要求[10]。

圖3 復合絕緣子芯棒帶護套染色滲透試驗結(jié)果

1.4 憎水性檢測與分析

2支復合絕緣子樣品各部位傘裙噴水分級及憎水性測試結(jié)果見表2和圖4。從表2中可以看出,1號復合絕緣子低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)傘裙的憎水性能均良好,憎水性等級為HC2～HC3級[11]。2號復合絕緣子低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)傘裙靜態(tài)接觸角和動態(tài)接觸角的測試結(jié)果均表明,該絕緣子的憎水性能良好,而由噴水分級的試驗結(jié)果可以看出,高壓側(cè)傘裙表面形成了連續(xù)的水膜(見圖4),表明該部位傘裙硅橡膠材料出現(xiàn)了較為嚴重的老化現(xiàn)象。根據(jù)后退角的測試結(jié)果可以判定，2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙的憎水性等級為HC1，而噴水分級的判定結(jié)果為HC5級，可見二者間存在較大差異。結(jié)合宏觀形貌觀察結(jié)果可知，2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙存在大量龜裂裂紋，進一步證明該部位傘裙存在較為嚴重的老化現(xiàn)象，而造成這種差異的原因可能與高壓側(cè)傘裙嚴重老化后表面粗糙度的增加有關(guān)。

圖4 抽檢復合絕緣子各部位傘裙噴水評級試驗結(jié)果

表2 復合絕緣子不同部位傘裙接觸角測試結(jié)果Table 2 Contact angle test results of the chosen composite insulator sheds in different positions

1.5 SEM微觀形貌觀察及EDS能譜分析

利用HITACHIS-3700N型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)對2支復合絕緣子樣品低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)傘裙表面的微觀形貌進行觀察,結(jié)果如圖5所示。從圖中可以觀察到,2支復合絕緣子三個部位的傘裙表面均被顆粒狀污穢所覆蓋,且存在不同尺寸的微裂紋。2支復合絕緣子三個部位的傘裙表面粗糙度由小到大均依次為中部<低壓側(cè)<高壓側(cè)。這主要是因為復合絕緣子的低壓側(cè)和高壓側(cè)傘裙與中部傘裙相比,所承受自然因素和電應(yīng)力因素的作用較大。

圖5 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙SEM微觀形貌

利用Bruker-XFLash Detector 510型能譜儀對抽檢復合絕緣子不同部位傘裙表面的化學成分進行檢測,測試結(jié)果見表3。由于復合絕緣子傘裙材料主要由高溫硫化硅橡膠、白炭黑和氫氧化鋁組成,因此表中只列出了C、O、Al、Si等4種元素的測試結(jié)果。由檢測結(jié)果可以看出,各部位傘裙中O含量最高,Al含量最少;2支復合絕緣子高壓側(cè)傘裙表面的C含量均明顯小于其他兩個部位的傘裙,表明高壓側(cè)傘裙的老化程度較高。2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙表面的C含量與低壓側(cè)相比減小了7.4%,進一步說明該部位傘裙硅橡膠材料存在較為嚴重的老化現(xiàn)象。

表3 復合絕緣子各部位傘裙表面化學元素含量Table 3 Distribution of chemical elements on the surface of the chosen composite insulator sheds in different positions 單位:%

1.6 傅里葉紅外光譜分析

利用Bruker Tensor II型傅里葉紅外光譜測量儀,對抽檢的2支復合絕緣子不同部位的傘裙進行檢測,測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,硅橡膠材料紅外光譜共存在3個主要的吸收峰,分別為Si-O-Si(1 000～1 100 cm-1)、Si-CH3(1 255～1 270 cm-1)、-CH3(2 962～2 970 cm-1)。選擇Si-O-Si特征峰進行歸一化處理后可以看出,與基體相比,2支復合絕緣子3個部位的傘裙表面各特征峰的峰值強度均出現(xiàn)不同程度的降低,見表4。其中,1號復合絕緣子傘裙的Si-CH3官能團的峰值強度分別減少了64.5%、48.4%、48.4%,-CH3官能團的峰值強度分別減少了44.4%、22.2%、11.1%,表明傘裙硅橡膠材料發(fā)生了較嚴重的老化;低壓側(cè)傘裙表面的Si-CH3、-CH3等特征峰的峰值強度均低于高壓側(cè)和中部的傘裙,表明低壓側(cè)傘裙的老化程度相對較高。2號復合絕緣子傘裙的Si-CH3官能團的峰值強度分別減少了61.3%、64.5%、64.5%,-CH3官能團的峰值強度分別減少了55.6%、55.6%、66.7%,表明傘裙硅橡膠材料發(fā)生了較嚴重的老化;高壓側(cè)傘裙表面的Si-CH3、-CH3等特征峰的峰值強度均低于低壓側(cè)和中部的傘裙,表明高壓側(cè)傘裙的老化程度相對較高。此外,與1號復合絕緣子相比,2號復合絕緣子各部位傘裙官能團的減小幅度更大,說明其老化程度更高。

圖6 復合絕緣子不同部位傘裙傅里葉紅外光譜檢測結(jié)果

表4 復合絕緣子各部位傘裙典型有機官能團含量

1.7 額定機械負荷試驗

按照DL/T 864—2018《標稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》[12]要求,利用HT-1000型臥式拉伸試驗機,對抽檢的2支樣品進行測試,結(jié)果見圖7和表5。由圖7可以觀察到,2支抽檢復合絕緣子樣品的端部裝配件與傘套界面的密封性能良好,試驗過程中未見開裂現(xiàn)象。從表5可以看出,2支抽檢復合絕緣子樣品的規(guī)定機械負荷均滿足標準要求。

圖7 復合絕緣子端部密封性能檢測結(jié)果

表5 復合絕緣子密封性能與規(guī)定機械負荷試驗結(jié)果

2 分析與討論

抽檢2支復合絕緣子各部位傘裙的邵氏硬度均符合標準要求;芯棒未見明顯的貫穿性水汽通道;端部裝配件與傘套界面的密封性能、規(guī)定機械負荷滿足標準要求;端部金具防腐性能良好。根據(jù)宏觀形貌分析結(jié)果可知,2支復合絕緣子低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)等三個部位的傘裙表面均存在一定厚度的污穢層及不同程度的粉化現(xiàn)象,其中低壓側(cè)傘裙表面的粉化程度較高,這主要與低壓側(cè)傘裙受光照時間最長有關(guān)。此外,2號復合絕緣子個別傘裙還出現(xiàn)了硬化彎曲。

憎水性的檢測結(jié)果表明,1號復合絕緣子各部位傘裙的憎水性能良好,滿足繼續(xù)使用的標準要求;而2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙的憎水性等級為HC1級,而噴水分級的判定結(jié)果為HC5,結(jié)合宏觀形貌的觀察結(jié)果可知,高壓側(cè)傘裙表面存在嚴重的粉化及宏觀開裂現(xiàn)象,因此應(yīng)以噴水分級的判定結(jié)果為準。接觸角測量法與噴水分級法的判定結(jié)果存在較大差異可能與高壓側(cè)傘裙嚴重老化后表面粗糙度的變化有關(guān)[13]。

SEM微觀形貌、EDS能譜分析及傅里葉紅外光譜分析的結(jié)果均表明,2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙硅橡膠材料的確存在較為嚴重的老化現(xiàn)象, 2號復合絕緣子樣品的綜合老化程度相對較高。

3 結(jié) 語

通過對抽檢的2支復合絕緣子各部位傘裙進行憎水性能、EDS化學成分、傅里葉紅外光譜、噴水分級、宏觀形貌、EDS化學成分及傅里葉紅外光譜等試驗,結(jié)果表明2號復合絕緣子高壓側(cè)傘裙存在較為嚴重的老化現(xiàn)象。因此提出如下建議:

1)結(jié)合電氣性能試驗數(shù)據(jù)結(jié)果,綜合評價復合絕緣子運行性能;

2)對憎水性能下降明顯、傘套脆化、內(nèi)部異常發(fā)熱、金具銹蝕、護套受損等影響材料功能下降的復合絕緣子進行材料綜合性能檢測分析;

3)自此次抽檢1年后,抽取該線路同批次復合絕緣子進行復檢。