複合絕緣子斷串及其原因、分析方法
複合絕緣子斷串及其原因、分析方法
李特
當前電網輸電線路大量使用複合絕緣子，佔線路絕緣子用量約50%，其中直線塔佔比更高，重污穢地區幾乎所有直線塔都使用複合絕緣子。複合絕緣子以優異的防污閃性能解決了困擾電網多年的污閃問題，但斷串問題卻時有發生，對於單串串型桿塔，複合絕緣子一旦斷串往往造成線路落地，給社會安全帶來巨大威脅，對於多聯串桿塔，一旦斷串也會給桿塔、其他絕緣子帶來衝擊，影響線路可靠性。隨著近年污閃跳閘率大幅降低，斷串已成為複合絕緣子面臨的重要問題。
多種原因可引發複合絕緣子斷串，在外觀、試驗結果上有著諸多差異，一旦斷串發生，準確找到斷串原因對於後續處置十分重要，同時總結絕緣子斷串的原因，對絕緣子入網的把關同樣有著重要意義。因此本文談談複合絕緣子斷串有哪些原因，該如何分析驗證。
1、複合絕緣子斷串形式分類及斷口特徵
複合絕緣子斷串形式可分為3類：外部受力撕裂、脆斷、朽斷，其中外部受力撕裂案例極少，脆斷、朽斷是斷串的主要型式。
1.1 外部受力撕裂
外部受力撕裂的起因往往是極端大風、線路嚴重覆冰、脫冰跳躍等，這些情況下複合絕緣子受力超出設計，造成斷串。
絕緣子整體而言，機械強度受控部分一般為球頭頸部，即僅承受拉應力時，最先斷裂的往往是球頭。但在受到扭轉應力、拉應力或者壓應力的複合作用時，複合絕緣子金具-芯棒的連接部位最為脆弱，因此斷口位置往往位於金具-芯棒連接部位。
複合絕緣子芯棒材質是高強度的玻璃纖維，在扭轉應力、拉應力綜合作用下局部損傷、而後撕裂時，芯棒斷口往往凹凸不平，部分纖維呈掃帚狀，斷口無碳化痕跡，如圖1。
1.2 脆斷（應力腐蝕）
脆斷是複合絕緣子應用早期發生斷串的主要型式，其斷裂過程伴隨應力腐蝕過程，斷口位置可能位於金具內部、金具與芯棒連接處附近。
脆斷的斷口最明顯的特徵是斷口大部分呈現平整、光滑的狀態，斷面與芯棒軸線垂直，典型斷口形貌如圖2。
圖2 複合絕緣子脆斷典型斷口形貌
1.3 朽斷（芯棒碳化）
朽斷已成為近年複合絕緣子斷串的主要形式，其斷串伴隨著長期內部放電過程，斷口一般位於複合絕緣子高壓端附近。
朽斷斷口主要外觀特徵是存在顯著的芯棒碳化（變黑），同時斷口不平整、有明顯的抽絲，典型斷口形態見圖3。
2、斷串的起因及發展過程
斷串的3鍾類型中，外部受力撕裂出現概率極小，同時過程簡單、伴隨極端天氣情況容易分析，因此本文僅對脆斷、朽斷的原因及發展過程、分析方法進行介紹。
2.1 脆斷
脆斷一般都伴隨著應力腐蝕過程，絕緣子承擔導線重量而受到拉力，當芯棒中因某種原因進入酸性液體，酸性液體會對芯棒產生腐蝕，早期複合絕緣子使用的非耐酸芯棒在拉力、腐蝕的共同作用下，芯棒逐漸出現裂紋，裂紋逐漸擴展，直到剩餘芯棒無法承受拉力而斷裂。
由上可知，脆斷有兩大條件：密封失效、芯棒為非耐酸芯棒。此外，裂紋的產生大大加速了脆斷的發生。根據實際案例，脆斷的發展過程有以下兩類：
① 密封失效—芯棒受潮—內部產生放電---產生酸性物質—應力腐蝕—芯棒脆斷；
② 端部遺留製造缺陷（楔式結構）—密封失效—大氣中酸性物質進入—應力腐蝕—芯棒脆斷。
楔式結構需要往芯棒端部打入楔子，易在芯棒中留下微小裂紋，密封正常時，微小裂紋的擴展速度很慢，一旦密封失效，上述裂紋就會成為應力腐蝕的起始點。
圖4 內楔式結構及對芯棒的損傷
密封失效的形式有以下三類：
① 端部密封失效：密封膠開裂，或者安裝時端部受損，造成密封失效。
② 護套破壞導緻密封失效：
A 護套材質不良，受外部放電蝕穿護套；複合絕緣子在降雨天氣下表面會有電暈放電存在，在遭受雷擊時端部容易受高溫電弧燒灼，如果護套耐電蝕能力不足，在上述情況下容易開裂，導致芯棒受潮。
B 均壓環配置不當，造成電暈放電過於嚴重，蝕穿護套；均壓環安裝不當或參數選擇不當時，高壓端將產生嚴重的電暈放電，長期作用將破壞護套造成芯棒受潮。
③ 護套-芯棒界面存在問題，水分通過擴散進入芯棒內部。
2.2 朽斷
目前絕大部分在運複合絕緣子採用耐酸芯棒，因此脆斷概率已大為降低，朽斷已成為絕緣子斷串的主要形式。朽斷往往伴隨著芯棒內部長期放電，產生的能量逐步造成芯棒結構變化，一方面纏繞、固定玻璃纖維的樹脂分解、玻璃纖維結構變得酥軟，另一方面玻璃纖維發生碳化，機械性能顯著下降，直到芯棒無法承受荷載而斷裂。
這一過程中，內部缺陷沿芯棒徑向發展的同時，也在沿軸向發展，在芯棒中產生內部放電通道，其端部電場強度極大，造成由內向外的護套擊穿孔，典型照片如圖5。
圖5 朽斷芯棒內部缺陷的擴展
根據芯棒內部放電的起源，可將朽斷分為以下兩類：
① 密封破損（端部密封失效或護套破壞）—芯棒受潮—內部產生放電---產生酸性物質—芯棒碳化—朽斷；
該類朽斷其內部放電的起源為端部密封失效、護套破壞，其原因與前文脆斷一致。由此可知，即使採用了耐酸芯棒，只要密封失效，仍然會發生斷串！
② 芯棒存在內部缺陷—水分滲透--內部產生放電---產生酸性物質---護套蝕穿---內部放電加劇—芯棒碳化；
芯棒的內部缺陷一般由芯棒-護套界面不良引起，如粘接不良、界面遺留氣孔等，其中粘接不良將導致脫粘、內部氣隙的產生。此類斷串存在如下關鍵過程：護套表面完好，但芯棒內部進入了水分，其原因在於當芯棒內部產生氣隙時，外部的水分可以通過擴散過程進入芯棒內部。（感興趣可參考論文「趙慶州. 複合絕緣子斷裂機理分析及建議[J]. 廣西電力, 2014, 37(3):77-81.」）
3、斷串分析方法
外部受力撕裂引發的斷串容易從氣象信息中獲得線索，因此這裡只討論脆斷、朽斷的分析。斷串發生時，首先根據斷口形態、斷口位置判斷斷串類型為脆斷還是朽斷，隨後根據前文所述可能的原因，選擇對應試驗項目進行驗證。
3.1 脆斷
如判斷為脆斷，則根據前文所述，可能是密封失效+非耐酸芯棒造成斷串，也可能是端部遺留製造缺陷+密封失效+非耐酸芯棒造成斷串。
① 密封失效+非耐酸芯棒
端部密封失效的驗證：對同批次產品進行密封性試驗、對斷裂絕緣子金具進行解剖並對內部銹跡成分進行檢測。
其中密封性試驗為將複合絕緣子施加70%額定機械負荷96h，後對端部採用滲透劑包裹20min，通過目視、解剖檢查著色劑有無滲入端部、滲入深度。只要滲入深度未達到芯棒，便認為端部密封性合格。
端部的密封失效往往是個例，對同批次產品進行密封性試驗不一定能發現問題，但如果端部存在密封失效，需要一段時間讓應力腐蝕過程充分發生，因此端部金具內部往往發生鏽蝕，因此對斷裂絕緣子端部的解剖、銹跡成分檢測是最為直接有效的手段。
護套材料不良導緻密封失效的驗證：對同批次產品進行傘套材料耐漏電起痕和電蝕損試驗。
傘套材料耐漏電起痕和電蝕損試驗為將絕緣子傘裙裁成一定厚度的平整試樣，用恆定電痕化電壓法進行試驗，試驗電壓交流4.5kV，試樣能承受6h且蝕損深度不超過2.5mm，則認為該試驗通過。
均壓環安裝不當造成護套密封失效的驗證：檢查均壓環有無裝反、安裝位置是否正確、對均壓環配置方案進行電場驗證計算。
芯棒-護套界面不良導緻密封失效的驗證：對同批次絕緣子開展芯棒滲透性試驗、芯棒帶護套水擴散試驗、工頻耐壓帶溫升測試、陡波測試、剖檢。
芯棒耐酸性驗證：對斷裂絕緣子或同批次產品進行芯棒耐酸性試驗。
芯棒耐酸性試驗為將絕緣子一段護套剝離使芯棒裸露，並將其打磨後用1mol/L濃度的硝酸包裹，同時施加一定拉力96h，拉力數值為芯棒面積與300MPa的乘積，如96h後芯棒未破壞、表面無顯著裂紋則認為芯棒耐酸性複合要求。（也即通常說的耐酸芯棒）
上述試驗的方法、判據更詳細信息可見《GB/T 19519-2014 架空線路絕緣子 標稱電壓高於1000V交流系統用懸垂和耐張複合絕緣子 定義、試驗方法及接收準則》。
② 端部遺留製造缺陷+密封失效+非耐酸芯棒
密封失效、非耐酸芯棒的驗證與上文相同，端部製造缺陷可通過對同批次產品進行機械破壞負荷試驗驗證，但端部製造缺陷往往是個例，難以通過試驗準確溯源，此時只能通過端部結構、斷口位置進行輔助推測，如果端部採用楔式結構、斷口位於端部金具內部，且靠近打入的楔子終端，則說明內部存在製造缺陷的可能性較大。
3.2 朽斷
如判斷為脆斷，則根據前文所述，可能是密封破損引發內部長期放電造成斷串，也可能是芯棒存在內部缺陷由內而外蝕穿護套導致內部長期放電造成斷串。
① 密封破損+內部長期放電
端部密封失效、護套破壞的驗證方法與前文3.1節一致。
如果發現芯棒上存在孔洞，則該孔洞究竟是外部原因造成從而引發護套密封失效，還是內部缺陷造成的及穿孔，將成為判斷的關鍵。可以從孔洞內側、外側的成分差異入手，一般碳化成分佔比更高的一側，起始放電時間更早的可能性更大，孔洞從這一側起始的概率更大。
② 芯棒存在內部缺陷
近年來芯棒存在內部缺陷的案例，主要由芯棒-護套界面不良引起。界面不良的驗證分析：對同批次絕緣子開展芯棒滲透性試驗、芯棒帶護套水擴散試驗、工頻耐壓帶溫升測試、陡波測試、剖檢。
芯棒滲透性試驗為將芯棒切成10mm長試樣，切割方向與芯棒垂直，用砂紙打磨兩端，置於紅色或紫色的次甲基溶液中，溶液會在毛細作用下向試品上端滲透，測取溶液在芯棒內部滲透到頂的時間。
芯棒帶護套水擴散試驗為將芯棒切成30mm長試樣，切割方向與芯棒垂直，用砂紙打磨兩端，在0.1%濃度的NaCl溶液中水煮100h，隨後施加12kV交流電壓1min，測取泄露電流。
工頻耐壓帶溫升測試為將絕緣子施加最高運行電壓30min，利用紅外測取絕緣子溫升情況。
陡波測試為將絕緣子水煮42h，施加陡度位於1000kV/us-1500kV/μs的衝擊電壓正負各25次。
剖檢為用刀具或外力將護套去除，觀察護套剝離後芯棒表面狀態。
上述試驗更詳細的信息可見《GB/T 19519-2014 架空線路絕緣子 標稱電壓高於1000V交流系統用懸垂和耐張複合絕緣子 定義、試驗方法及接收準則》。
在排除密封性問題之後，上述試驗任何一項存在顯著異常可判斷該絕緣子很可能存在界面問題。各項試驗的顯著異常特徵指：
芯棒滲透性試驗：15min內芯棒試驗段被次甲基溶液滲透。
芯棒帶護套水擴散試驗：芯棒泄露電流超過1mA；
工頻耐壓帶溫升測試：實驗室模擬試驗時，芯棒溫升顯著，同時隨著加壓時間的延長溫升逐步上升；如果僅僅是輕微溫升，則有可能是護套受潮，但芯棒內部沒有問題。
陡波測試：芯棒發生內部擊穿；
剖檢：芯棒表面大面積直接裸露。
推薦閱讀：
