查方林， 黎剛， 巢亞鋒， 岳一石， 萬濤

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

復(fù)合絕緣子因具有優(yōu)良的憎水性和憎水遷移特性, 耐污閃能力顯著, 在架空輸電線路中被廣泛應(yīng)用[1-2]。 據(jù)統(tǒng)計, 湖南省110～500 kV 電壓等級交、直流輸電線路掛網(wǎng)的絕緣子約有103. 2 萬支, 其中復(fù)合絕緣子約22. 1 萬支, 占比21. 4%。 隨著掛網(wǎng)運(yùn)行年限的增長, 復(fù)合絕緣子會逐漸出現(xiàn)傘套粉化開裂、 憎水性消失等老化現(xiàn)象, 導(dǎo)致閃絡(luò)跳閘、 絕緣擊穿甚至斷裂掉串等事故, 影響電網(wǎng)輸電安全。湖南歷年的運(yùn)行抽檢結(jié)果顯示, 復(fù)合絕緣子在運(yùn)行6 年后就出現(xiàn)了較普遍的粉化、 憎水性嚴(yán)重下降等老化情況。 2015 年以來, 湖南省先后發(fā)生了4 起復(fù)合絕緣子芯棒斷裂掉串事故[3]。

針對湖南地區(qū)復(fù)合絕緣子的運(yùn)行現(xiàn)狀, 本文分析了原料品質(zhì)、 氣候環(huán)境等因素對復(fù)合絕緣子老化的影響, 并從原料質(zhì)量監(jiān)督, 運(yùn)行管理等方面提出了改進(jìn)建議, 期望有助于提升湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子的運(yùn)維管理水平。

1 湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 運(yùn)行年限

不同電壓等級的復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限分布情況如圖1 所示, 110 kV 復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限主要分布在6 ～15 年間, 占比68. 6%； 6 年以內(nèi)占比16. 9%, 運(yùn)行年限15 年以內(nèi)占比85. 5%。 220 kV復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限6 年以內(nèi)占比27. 4%, 6 ～15年占比62. 4%, 運(yùn)行年限15 年以內(nèi)占比89. 9%。按照復(fù)合絕緣子一般設(shè)計壽命15 ～20 年分析, 湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子整體運(yùn)行年限處在正常范圍。

圖1 復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限分布圖

1.2 運(yùn)行質(zhì)量抽檢

為掌握在役復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài), 湖南電網(wǎng)每年對全省運(yùn)行年限6 年以上的復(fù)合絕緣子進(jìn)行質(zhì)量抽檢。 2008—2018 年的抽檢結(jié)果顯示, 運(yùn)行復(fù)合絕緣子的電氣性能良好, 歷年的濕工頻耐受電壓、 干工頻溫升、 陡波沖擊耐受電壓等測試項目合格率均為100%。 存在不合格項的試驗(yàn)項目主要包括外觀檢查、 憎水性試驗(yàn)和芯棒性能試驗(yàn), 歷年抽檢中的不合格率見表1。 其中外觀檢查的不合格項目主要是指傘裙粉化, 芯棒試驗(yàn)包括染料滲透試驗(yàn)和芯棒帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)。 早期, 芯棒材料的質(zhì)量不佳, 在抽檢中有部分芯棒檢測不合格, 但隨著生產(chǎn)工藝的不斷完善, 芯棒質(zhì)量不斷提升, 自2011年后檢測合格率均為100%。

表1 2008—2018 年運(yùn)行抽檢試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

1.3 芯棒斷裂掉串

2015—2018 年, 湖南電網(wǎng)先后發(fā)生了4 起絕緣子芯棒斷裂掉串事故。 護(hù)套老化龜裂、 護(hù)套與端部金具交界面密封失效是芯棒斷裂的外部因素[4]。圖2 是掉串復(fù)合絕緣子的照片, 芯棒斷裂形式有酥朽斷裂和脆性斷裂。 芯棒斷裂處的護(hù)套有明顯的老化開裂, 并伴有嚴(yán)重的電流燒蝕痕跡。 高電壓等級輸電線路產(chǎn)生的強(qiáng)電場能使空氣中的N2發(fā)生電離產(chǎn)生NO2, NO2滲透性強(qiáng), 能穿透老化龜裂的護(hù)套到達(dá)芯棒表面, 并與水化合形成HNO3。 在HNO3和空氣、 水分的共同作用下, 部分玻璃纖維發(fā)生腐蝕斷裂[5], 芯棒的整體抗拉強(qiáng)度下降, 如遇導(dǎo)線風(fēng)偏、 舞動等異常機(jī)械負(fù)荷波動時, 則可能發(fā)生芯棒掉串事故。

圖2 湖南電網(wǎng)近幾年復(fù)合絕緣子芯棒斷裂照片

1.4 存在的問題

結(jié)合上述統(tǒng)計結(jié)果分析, 湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子最普遍的問題是傘裙護(hù)套材料, 即硅橡膠的老化。在戶外運(yùn)行條件下, 硅橡膠遭受光、 熱、 污穢、 雨水等作用發(fā)生降解, 傘裙的憎水性基團(tuán)含量降低、微觀結(jié)構(gòu)遭受破壞, 材料逐步老化。 老化導(dǎo)致的硅橡膠粉化會削弱護(hù)套對芯棒的保護(hù)作用, 空氣和水分更容易侵入到達(dá)芯棒表面, 引起異常放電甚至內(nèi)絕緣擊穿[6]。 老化導(dǎo)致的憎水性下降會增加復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)頻率, 電流額燒灼又會進(jìn)一步加劇傘裙的粉化[7-8]。

2 復(fù)合絕緣子老化原因分析

硅橡膠的老化, 本質(zhì)上是硅氧烷分子的斷裂、重組、 氧化等化學(xué)反應(yīng)過程。 原料配方、 氣候環(huán)境等因素都是影響硅橡膠老化的重要因素。

2.1 原料配方

硅橡膠的主要成分為甲基乙烯基硅橡膠生膠(PDMS)、 氫氧化鋁和白炭黑, 三者合計占硅橡膠總質(zhì)量的(90±5)%。 PDMS 是硅橡膠的基礎(chǔ)骨架,PDMS 分子主鏈通過硫化相互交織形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 分子末端的—CH3呈疏水性, 使硅橡膠具有憎水性。 白炭黑(即SiO2微粒) 是硅橡膠的補(bǔ)強(qiáng)添加劑, 其作用是增強(qiáng)硅橡膠的機(jī)械強(qiáng)度, 使材料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)[9]。 氫氧化鋁是硅橡膠的阻燃劑, 當(dāng)發(fā)生閃絡(luò)時, 氫氧化鋁吸收電弧產(chǎn)生的熱量發(fā)生熱分解, 生成水蒸氣, 達(dá)到滅弧的作用[10]。 上述原料的配比會直接影響硅橡膠的耐老化性能與使用壽命, 其中PDMS 和氫氧化鋁的比例尤為關(guān)鍵。

國內(nèi)A、 B 兩廠生產(chǎn)的新品復(fù)合絕緣子硅橡膠的熱失重曲線, 如圖3 所示。 熱失重法的原理是利用PDMS、 氫氧化鋁熱分解溫度的差異, 通過稱量不同溫度區(qū)間重量的損失來計算各組分的含量比例。 通過熱失重曲線計算得到A、 B 兩廠復(fù)合絕緣子硅橡膠各組分的含量, 見表2。 在實(shí)驗(yàn)室對A、B 廠復(fù)合絕緣子進(jìn)行1 000 h 紫外老化后硅橡膠表面的SEM 照片如圖4 所示。 PDMS 含量更高的A廠硅橡膠在老化后表面結(jié)構(gòu)依然致密, 而B 廠硅橡膠老化后表面出現(xiàn)了密集的孔隙, 結(jié)構(gòu)疏松化。一般而言, PDMS 含量越高, 則硅橡膠的結(jié)構(gòu)密實(shí)程度越好, 耐老化能力越強(qiáng)。 但目前尚無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對硅橡膠各成分的含量作規(guī)定, 各廠商的配方呈保密狀態(tài)。 采取熱失重方法長期跟蹤不同配方運(yùn)行復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài), 可作為評價硅橡膠配方優(yōu)劣的方法之一。

圖3 A、 B 廠硅橡膠的熱失重曲線

表2 A、 B 廠硅橡膠各組分的含量 %

圖4 A、 B 廠硅橡膠紫外老化1 000 h 后的SEM 照片

2.2 氣候環(huán)境

復(fù)合絕緣子的憎水性源自材料中富含的小分子硅氧烷, 小分子硅氧烷降低了硅橡膠的表面能, 使水呈分散的水珠狀, 無法形成有效的放電通道[11]。湖南屬亞熱帶氣候, 雨水充沛, 雨水會沖刷傘裙表面的小分子硅氧烷。 硅橡膠中小分子硅氧烷被大量消耗后, 憎水性快速下降直至完全喪失。

另外, 長期濕熱、 多雨的氣候還會增加絕緣子閃絡(luò)的幾率, 放電電流產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致硅氧烷分子斷裂, 誘發(fā)甲基水解氧化[12]。 老化到一定程度后,復(fù)合絕緣子傘套開始起粉、 龜裂、 憎水性下降[13]。

2.3 其他因素

復(fù)合絕緣子傘裙表面積聚的污穢也會加速硅橡膠的老化。 一方面污穢中的部分化合物能直接參與硅氧烷的老化反應(yīng), 加劇反應(yīng)過程； 另一方面, 污穢被雨水濕潤后容易引起污閃, 污閃電流會促進(jìn)硅氧烷分子的斷裂, 燒蝕硅橡膠[14]。

為避免復(fù)合絕緣子高壓端局部電場強(qiáng)度過于集中, 一般會采用均壓環(huán)均衡電場分布。 安裝均壓環(huán)能減緩高壓端護(hù)套與端部金具交界面處硅橡膠的老化, 但均壓環(huán)縮短了復(fù)合絕緣子的有效絕緣距離,使閃絡(luò)風(fēng)險增加, 高壓端以外的傘裙護(hù)套的老化會有所加劇。 另外, 如果均壓環(huán)選型不合理或安裝不正確會適得其反, 加速硅橡膠的老化。

3 措施與建議

3.1 原料品質(zhì)的監(jiān)督

加強(qiáng)PDMS、 氫氧化鋁、 白炭黑等原料品質(zhì)的監(jiān)督是確保硅橡膠長期耐用的基礎(chǔ)。 PDMS 的分子量、 —CH ═C H2的含量、 氫氧化鋁的粒度、 白炭黑的粒度與pH 等指標(biāo)會直接影響硅橡膠的品質(zhì)。 PDMS、 白炭黑和氫氧化鋁的質(zhì)量要求可參考表3 所列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 硅橡膠原料質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 老化狀態(tài)評估

外觀檢查和憎水性測試是現(xiàn)場快速評價復(fù)合絕緣子老化程度的有效手段。 當(dāng)傘裙出現(xiàn)明顯的粉化或憎水性明顯下降時, 意味著復(fù)合絕緣子已老化到較嚴(yán)重的程度。 為保障輸電線路的安全可靠, 須采用更準(zhǔn)確的評估方法, 以便在老化初期及時掌握復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)并采取相應(yīng)的防范措施。 目前, 可用于老化狀態(tài)準(zhǔn)確評價的方法有: 傅里葉紅外光譜法、 熱失重法、 掃描電鏡法等等。

硅橡膠分子由Si—O、 Si—C、 C—H 等共價鍵組成, 硅橡膠的老化過程實(shí)質(zhì)上是這些化學(xué)鍵的斷裂過程。 Si—O 鍵的斷裂是硅橡膠立體框架結(jié)構(gòu)崩塌、 傘裙粉化的根源, C—H 鍵斷裂是憎水性下降的原因。 上述化學(xué)鍵對特定波長的紅外光有特征吸收, 在紅外光譜圖上會產(chǎn)生相應(yīng)的吸收峰, 吸收峰的峰面積與對應(yīng)化學(xué)基團(tuán)的含量成正比關(guān)系[15]。圖5 為某220kV 線路運(yùn)行復(fù)合絕緣子的紅外光譜。通過計算表層硅橡膠吸收峰面積與里層峰面積的比值, 即可定量評價傘裙的老化程度, 其比值越小,代表表層硅橡膠的有效基團(tuán)含量越低, 老化程度越嚴(yán)重。熱失重法也可作為評價硅橡膠老化程度的定量方法。 利用熱失重法測量得到的運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙里層與外層硅橡膠的組分含量見表4。 測試結(jié)果顯示運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙外層的硅橡膠發(fā)生了老化, PDMS 含量均有不同程度降低, 降低的幅度與硅橡膠的老化程度成正比。

圖5 某線路運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙紅外光譜圖

表4 運(yùn)行復(fù)合絕緣子硅橡膠的熱失重測試結(jié)果

掃描電鏡法(SEM) 通過直接觀察硅橡膠的表面微觀狀況, 定性評價硅橡膠的老化程度。 另外, 熱刺電流法、 電導(dǎo)電流法、 飛行時間二次離子質(zhì)譜等方法也可用于硅橡膠老化程度的評價, 相關(guān)文獻(xiàn)豐富, 這里不再一一贅述。

4 總結(jié)及展望

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn), 傘裙硅橡膠材料的老化是目前湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)維面臨的普遍問題。 硅橡膠成分配比監(jiān)督手段的缺失導(dǎo)致入網(wǎng)復(fù)合絕緣子質(zhì)量參差不齊, 湖南濕熱的氣候加速了材料的老化。 監(jiān)督對比各生產(chǎn)廠家硅橡膠原料品質(zhì), 采用傅里葉紅外光譜、 熱失重法等手段對老化程度精確評估是提升湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)維水平的關(guān)鍵。

為進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)范復(fù)合絕緣子的入網(wǎng)檢測和運(yùn)行監(jiān)督, 中國電力科學(xué)研究院正牽頭制定相應(yīng)的抽檢試驗(yàn)管理辦法。 參照管理辦法完善試驗(yàn)檢測能力, 并對入網(wǎng)復(fù)合絕緣子進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)是湖南電網(wǎng)復(fù)合絕緣子管理的下一步工作重點(diǎn)。