复合绝缘子电压分布の研究不明闪络原因

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复合绝缘子电压分布研究与不明闪络原因
摘要
ｒ，
＼复合绝缘子重量轻、耐污性能好的优良性能使电力系统运行的安全性得到Ｉ
了进一步的提高，但是也存在有产品质量问题引起的事故和发生闪络事故。

针对这个现状，本文对复合绝缘子电压分布进行了研究。

试验仪器采用的是上海交通大学研制开发的复合绝缘子电压分布测试仪。

■
／
本文通过实验室模拟和现场运行测量得到的数据，发现复合绝缘子沿面轴向电压分布极不均匀。

在不到整个绝缘子长度１／３的外绝缘距离上承担了６０％以上的电压。

这使得复合绝缘子靠近高压端部分的绝缘材料比较容易电磨蚀老化，而且不均匀的电压分布也可能是复合绝缘子不明闪络发生的一个重要的原因．本文根据相关文献对不明闪络的描述阐述了不明闪络发生的过程。

本文还对带有绝缘缺陷的复合绝缘子进行电压分布测量，结果表明，电压分布对于检测不容易发现的内绝缘缺陷比较实用、有效。

本文还采用表面电荷法对无均压环的复合绝缘子的电压分布进行了计算，厂
（计算表明，复合绝缘子的电压分布在没有高压端导线和对地电容等因素的影响＼
下，依然十分不均匀。

通过将计算结果与实验结果进行对比，也证明了由于受到对高压导线和对地电容的影响，使得复合绝缘子的高压端承担的电压急剧上升，其中靠近高压端的部分实验值比计算值高了１０％以上。

在只考虑复合绝缘子的形状参数和介质材料的条件下的计算表明，复合绝缘子的电压分布不均匀与其外形结构和绝缘介质关系密切，改善电压分布，可以从改良复合绝缘子的外形结构和绝缘材料搭配着手。

另外，模拟实验和现场测量也表明，复合绝缘子的运行环境对其电压分布的影响也很大，并且在两端加装均压环或屏蔽罩，对于改善复合绝缘子电压分布的不均匀状况有一定的效果Ｊ
关键词复合绝缘子）不明闪络ｉ电压分布；表面电荷法
●●
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●●
第一章前言
——复合绝缘子电压分布研究和不明闪络原因研究现状１复合绝缘子发展历史
从１９世纪８０年代出现高压输电后一百多年来，输变电设备的外绝缘一直沿用瓷绝缘子，运行情况也基本满足要求。

然而，瓷绝缘子重量大、易破碎、强度低，瓷表面呈亲水性，容易积污受潮，污闪电压低，事故率高，清扫维护工作量大；盘形瓷绝缘子又属可击穿结构，会形成零值。

随着输电线路电压等级的上升，以及对安全供电的要求不断提高，瓷绝缘子的性能缺陷也日益暴露出来。

采用高分子有机材料作为外绝缘的复合绝缘子以其优良的性能逐渐在电力系统内得到日益广泛的应用。

复合绝缘子的问世于２０世纪５０年代，当时有一些国家就开始研制试用环氧树脂浇铸的复合绝缘子。

６０～７０年代，德、美、法、英和意大利开始制造用高分子聚合物伞裙和树脂增强的玻璃钢芯棒组成的复合绝缘子，伞群用的聚合材料有硅橡胶、二元乙丙橡胶（ＥＰＭ）、三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ）、环氧树脂和聚四氟乙烯等，直到７０年代高温硫化橡胶复合绝缘子首先在德国问世。

１９６８年，复合绝缘子开始在高压输电线上使用，１９７９年已经在２７个国家和地区使用，最高电压为１５００ｋＶ；运行电压从１１５ｋＶ到１６５ｋＶ，１９８９年各类复合绝缘子已占美国绝缘子市场的２０％。

２复合绝缘子在我国的研发使用历史
我国电力系统复合绝缘子的研制开发始于８０年代初，其应用可大致分为３个阶段。

１９８１—１９８８年，是我国合成绝缘子的研制期，１９８８一１９９０期间挂网试运行，在湖北、河南、上海、内蒙古、京滓塘、甘肃和新疆等地的少数供电局约２０００支合成绝缘子挂网运行。

１９９０—１９９４年，是合成绝缘子工业试生产阶段，到１９９４年底，合成绝缘子厂家发展到近２０家，年产能力可达２０万支，其中挂网数量约５万支。

１９９５年起，合成绝缘子全面进入实用化阶段，９５年挂网
达１０万支，９６年２０万支，９７年接近４０万支，９８年底约８０万支，目前已有
近２００万支合成绝缘子挂网运行。

生产厂家３０个，年产量可达１８０万支。

．
３复合绝缘子结构、特点
●●３．１复合绝缘子的结构
复合绝缘子是由两种以上高分子材料组成的复合结构的绝缘子，具有芯棒、伞裙护套、粘接层、和金具四部分（如图１．１）。

芯棒是绝缘子承担外力负荷的部件、也是内绝缘的主要部分，一般由高强度玻璃钢引拔棒制成，抗张强度可达６００～８００Ｍｐａ以上。

伞裙护套是复合绝缘子的外绝缘，它保护芯棒免受大气环境的侵袭，经过多年的运行鉴别，目前，硅橡胶是制造高压复合绝缘子最理想材料．它有优异的耐候性和高低温稳定性，在重污秽条件下，表面有较大泄漏电流和局部电弧作用下，硅橡胶烧蚀很小，是耐污性很好的外绝缘材料。

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３．２复合绝缘子的特点
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图Ｉ－ｉ复合绝缘子结构图
复合绝缘子有许多优点：（１）重量轻、体积小、有弹性不易破损：（２）拉力强度高、容易制成机械复合达几百ｋＮ的高强度复合绝缘子：（３）耐污性能好、污闪电压是瓷绝缘子的两倍咀上，不清扫维护也很少发生污闪，减少了繁重的防污清扫工作；（４）属于不可击穿型绝缘子，无零值现象；（５）制造工艺简单、成形温度低、耗能少、建厂投资少，并且生产周期短。

硅橡胶绝缘子的出厂价格比瓷绝缘子要高一些，但综合考虑其优异性能运行可靠性，近几年在我国电网中推广应用已经取得良好的效果，国内的产量也
●逐年增加。

随着复合绝缘子使用量的剧增，复合绝缘子闪络和损坏的数量也日趋增多。

复合绝缘子存在的问题可分为两类：一类是导致电网发生恶性事故的产品损坏，另一类是与传统的瓷和玻璃绝缘子一样，发生现场闪络事故。

４复合绝缘子故障
４１复台绝缘子故障种类
４．１．１产品损坏
１）机械强度下降
芯棒在额定或低于额定机械破坏负荷下出现较大滑移，轻则密封胶开缝，重则芯棒从端部金具中脱出，这在许多地区运行后取下的产品进行机械强度试验中都有发现。

运行中密封处哪怕出现微小的裂缝，最终都有可能导致掉线发生。

２）界面击穿和芯棒脆断
界面击穿多发生在雷击情况下，特别是早期采用灌胶、挤包工艺的产品。

对工频下的击穿更应特别注意，这明显是产品质量问题。

芯棒断裂事故中，以脆断最为突出。

所谓脆断是指潮湿大气中放电产生的酸液侵入芯棒玻璃纤维后产生的断裂。

芯棒断裂可直接导致掉线，随着运行时间的增长，这类事故发生率可能增加，必须严加防范。

３）硅橡胶表面性能劣化
部分复合绝缘子运行较长一段时间后，伞裙弹性减弱，易撕裂，这说明硅橡胶表面材质起了变化。

国内外的研究表明，硅橡胶耐紫外线性能和热稳定性都是很好的，导致老化的主要因素是染污表面的长期电蚀。

对于产品质量问题造成的芯棒脆断、机械强度下降等故障，相对数量极少，不是复合绝缘子造成事故的主要因素。

只要在生产阶段严把质量关，并在运行
●●过程中通过目测和定期抽检将这些比较明显的隐患尽早的排除，将会极大地降低这类故障发生的可能性。

４．１．２表面闪络
据北京电科院、国家电力公司和武高所共同研究我国合成绝缘子运行情况，统计，合成绝缘子故障率不到０．０１％，故障中，雷击占５５．８％，鸟害占１３．０％，不明原因１４．７％，制造质量６．９％，其它占９．４％。

从中看出属于制造质量的故障率不到十万分之一。

１）雷击闪络
雷击闪络主要发生在东部和南部沿海及西南雷击活动频繁的地区，以３５～１１０ｋＶ线路尤为突出。

与同长度瓷绝缘子串相比，３５～１１０ｋＶ复合绝缘子因其伞径较小而减少了放电距离；对２２０ｋＶ及以上产品，则多与均压环安装缩短了绝缘长度有关。

２）鸟害闪络
鸟害闪络是由栖息在电力线路附近的鸟类造成的绝缘子闪络，主要指由飞鸟粪便引起的闪络事故。

国内外的研究表明，一些闪络发生后，在复合绝缘子伞裙上会发现鸟粪的遗迹。

在我国，以西部内陆、东部沿海鸟类数量较多的地区容易发生鸟粪闪络。

３）污秽闪络
复合绝缘子具有很好的憎水性和憎水迁移性，一般复合绝缘子的污闪电压是同样条件下的瓷绝缘子串的２倍。

但是，如果硅橡胶表面污层过厚而使憎水性难咀迁移至污层表面，长时间的潮湿环境下其表面憎水性会呈现逐渐减弱甚
的污秽物也对其憎水性的迁移有着不同的影响，这些
绝缘性能大大降低。

复合绝缘子通常在持续大雾、阴
下会发生污秽闪络。

至暂时消失的现象，不同
都可能导致复合绝缘子外
雨、结露及融冰雪等条件
４）不明原因闪络
●●
目前，仍有部分闪络未查明原因，
复合绝缘子取下后经实验室测试证明
难查明原因。

４．２复合绝缘子的表面阑络
一般称为“不明闪络”。

发生不明闪络的
并无质量问题，闪络后僧水性恢复，很
绝缘子的现场闪络是造成输电线路运行事故的最重要的原因之一．如上所述，复合绝缘子发生现场闪络的原因已查明有雷击、飞鸟粪便、潮湿环境下的污层过厚等。

４．２．１雷击闪络
雷击闪络是由大气过电压造成的。

与瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子的耐雷性能具有两面性。

一方面，复合绝缘子不会发生瓷绝缘子那样的“零值”现象和玻璃绝缘子那样的“自爆”现象，因而在运行中可以保持整串绝缘子有较高的耐雷水平；另一方面，由于其伞裙直径较小，干弧距离小于瓷（或玻璃）绝缘子，亦即耐雷水平低于同长度的瓷（或玻璃）绝缘子的耐雷水平。

而且电压等级越低越明显，在１１０ｋＶ及以下电压等级中，这种不利因素表现得非常突出。

１１Ｉ
例如，广东省１９９７年ｌ１０ｋＶ系统复合绝缘子使用比例是３０％，它的雷击跳闸次数占全部雷击跳闸次数的１０％；２２０ｋＶ系统的复合绝缘子使用比例为１５％，雷击跳闸次数仅占全部雷击跳闸次数的３．３％Ｉ”。

可见，电压等级越低，雷击闪络的可能性越大。

根据ＪＢ／Ｔ８４６０．１９９６（《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特征》）行业标准的要求，１１０ｋＶ复合绝缘子的干弧距离必须达到１０００帆。

但是，根据文献［１】，在多雷区，对于１１０ｋＶ的复合绝缘子，１０００ｉｉｉｌｌｌ的干弧距离是很难保证不发生雷击闪络的，建议干弧距离不要少于１０５０ｍｍ，同时，对于雷电易击点所使用的复合绝缘子，更应适当加长。

雷击闪络过程中，雷电流比较大，如果不加以保护，复合绝缘子伞裙表面往往会被灼伤，造成永久性损伤。

对于运行中的复合绝缘子，需要有一种在发生闪络时能将电弧拉开以保护绝缘子硅橡胶表面及端部的保护装置。

实践证明，均压环可以起到这种作用。

ＪＢｆＩ＇８４６０—１９９６中规定，５００ｋＶ的复合绝缘子须在两
●
●●端配置均压环：２２０ｋＶ的只需在高压端配置；ｌｌＯｋＶ无需加装均压环。

要起到保护复合绝缘子免受雷电流灼伤，必须在绝缘子两端都配置均压环。

若只在高压端配置，并不能将电弧由绝缘子表面引开，也不能保护另一个端部。

这样的配置既起不到保护作用，又减小了干弧距离，降低了耐雷水平。

广东省发生雷击闪络的１１０ｋＶ绝缘子大多数是这样配置的…。

两端配置均压环会降低耐雷水平，但可以是绝缘子表面特别是端部得到保护，因此，即使发生闪络引起跳闸，但是闪络只是在两均压环之间发生，受损的仅仅是均压环，而绝缘子得到了保护，且可以成功地重合闸，影响仅仅是线路跳闸次数可能会增多一些，并不会造成实际损失。

不装均压环固然不会降低耐雷水平，在一定程度上可以减少雷击闪络的次数。

不过，一旦发生闪络就可能使绝缘子的表面及端部遭受严重的损坏，从而造成停电损失。

因此，对于雷击闪络．一方面，足够的干弧距离是保证复合绝缘子耐雷水平的关键因素，同时，在雷击频繁的地区．在复合绝缘子两端加装均压环作为保护装置是十分必要的。

４．２．２鸟害闪络
复合绝缘子的鸟害闪络事故通常是指在杆塔上的停留或者经过的飞
引起的复合绝缘子闪络。

据统计，到１９９８年，已确认的的乌粪闪络事故
数的１６％ｒ”。

鸟粪闪络一般在鸟类聚集区发生较多。

在这些地区，杆塔
栖息的地方，甚至有些鸟类还在杆塔上筑巢。

鸟类一般在凌晨觅食前排
的粪便，因此，鸟害闪络事故一般发生在清晨㈣。

预防乌粪闪络最直接
就是防止和减少鸟在绝缘子上方的停留。

鸟排便
占了总
是鸟类
出大量
的方法
一般认为，鸟粪闪络时有鸟粪淌落在绝缘子表面引发的沿面闪络事故。

但是，清华大学在对鸟粪闪络进行了模拟试验后的分析认为，鸟粪闪络的发生可以认为是鸟粪下落的瞬间畸变了绝缘子周围的电场分布，使鸟粪通道与绝缘子高压端之间发生了空气间隙击穿而导致的闪络【４】。

鸟粪闪络的发展过程可以分为三个阶段：（１）鸟粪通道的形成和伸长。

鸟粪排出后，以自由落体的方式下落，形成一段细长的下落体。

（２）绝缘子周围
●●
■电场发生严重畸变。

具有一定导电性的鸟粪通道的介入使绝缘子周围的电场分布发生严重畸变，鸟粪通道的前端与绝缘子高压端之间的空气间隙的电场强度大大增加。

绝缘子承受的大部分电压都加在了这一段空气间隙上。

（３）空气间隙击穿，完成闪络。

当鸟粪通道的前端越来越接近绝缘子高压端时，它们之间的空气间隙被击穿，形成局部电弧。

当鸟粪的电导率超过一定值时，局部电弧晟终发展成闪络ｆｄＩ。

预防鸟粪闪络的传统方法是防止或减少鸟在绝缘子上方的停留和防止鸟粪沿绝缘子伞裙下淌，例如有人提出在复合绝缘子顶端加一片大伞。

虽然都有一定的效果，但是不能彻底避免鸟粪闪络的发生。

３．２．３污秽闪络
由于复合绝缘子采用硅橡胶等有机材料作为外绝缘，具有良好的憎水性。

运行经验表明．新挂网复合绝缘子憎水性可以达到ＨＣｌ～２级，运行中应达到ＨＣ２～３级。

复合绝缘子伞裙表面染污的情况下，由于有机材料的憎水性迁移的特性，硅橡胶的憎水性会迁移至污层表面，使复合绝缘子始终保持着比较好的憎水性。

这就使得复合绝缘子的污闪电压比瓷（或玻璃）绝缘子高，即使在憎水性下降甚至短时近于消失的情况下，其污闪电压比瓷绝缘子高大约２０％。

虽然复合绝缘子有良好的憎水性，但是并不代表复合绝缘子可以杜绝污闪的发生。

据统计，全国电力系统复合绝缘子闪络事故中，污闪事故占８．９％左右。

实际上，运行过程中，复合绝缘子表面污层可能会比较厚使硅橡胶的憎水性难以迁移至污层表面，其表面憎水性在长时间的潮湿条件下会呈现逐渐减弱甚至暂时消失的现象，不同的污秽物也对其憎水性迁移产生重大影响，这些都会导致复合绝缘子外绝缘性能大大降低。

一般可将复合绝缘子的污闪过程归纳如下：１）污层形成；２）硅橡胶材料中的憎水性低分子聚合物（ＬＭＷ）扩散至污层表面，这一过程称为“憎水性迁移”；３）污层受潮；４）污层中的电阻值较大的干燥区由于泄漏电流流过，产生一定的热量；５）在长时间的潮湿条件下，污层表砸的干燥区面积减小，使得表面水滴间电场增强，在足够大的电场力作用下，沿电场方向的相邻水滴可能连
●●接成细长水带；６）水带间的电场进一步增强，相邻水带端部发生火花放电；７）火花放电使污层的憎水性部分消失，污层与水带之间的相互溶解程度增大，电导率增大，并且逐渐形成面积较大的湿区；８）长水带和大面积湿区为电弧的形成提供了条件，当电场进一步增强到一定程度，就会有电弧急剧发展，连接各局部电弧，导致闪络Ⅲ。

总体来说，复合绝缘子防污闪性能要比瓷（或玻璃）绝缘子好得多，在重污秽地区，采用复合绝缘子对于减少污闪发生有着重要的作用。

但是，复合绝缘子也需要对污闪采取预防措施，如在硅橡胶外绝缘表面填充必要的材料，进一步减小污层和水的结合程度，同时，还要必需定期进行清扫、并对复合绝缘子的染污程度抽样测试，才能做到防患于未然。

４．２．４不明原因闪络
虽然经查明的大多数闪络事故是由雷击、鸟害、污秽等因素引起的，但是根据统计数据，大约仍有１５％以上的复合绝缘子的闪络事故难以确定其原因，因此也很难防范，在电力系统中，这类闪络被称为“不明闪络”。

这些不明闪络都是瞬间出现便立即消失，这对配备齐全的输电线路保护来说，不算构成电网运行事故，但偶尔遇到输电线路保护失灵，也直接威胁输电线路的安全运行。

由于不明闪络发生的时间极短，很难观察到闪络过程中的各种现象，无法掌握闪络瞬间周围环境的各种因素，更难以在发生闪络瞬间测试出产品本身性能及有关数据。

把这些发生闪络的产品从输电线路上撤下来，对其进行全面检查性试验，如产品的整体绝缘性能，外绝缘子材料绝缘子参数，外绝缘表面防污闪性能指标等，其结果与没有发生闪络的产品都没有明显区别。

可以推断，发生不明闪络可能是由于复合绝缘子外绝缘表面某些因素作用下出现瞬间绝缘性能降低所引起的。

对于那些己知原因的表面闪络，唯有污闪的电弧通道是从复合绝缘子两端金具腔端部边缘通过整支外绝缘表面爬电距离长度贯通的，属于外绝缘表面爬电性质的闪络，对发生污闪的产品的外绝缘表面进行观察，在两端金具腔端部棱角边缘有较深电弧烧痕，沿着整支外绝缘表面，都布满白色微粒状遗留物，
●■
●尤其护套表面较为严重，这种遗留物基本上都是外绝缘中氢氧化铝受热后排出的氧化铝颗粒。

其余有明显原因的闪络，电弧则是由产品两端均压环，通过其伞裙边缘形成闪络路径，这种闪络属于伞裙边缘间隙闪络，发生这种间隙闪络性质的产品从输电线路撇下来进行外观检查发现，在产品两端均压环对称处，都存在大电流放电烧损的痕迹，空心管均压环烧损呈圆洞状，而实心均压环则在环径存在着较深溶化状缺陷，产品两端所有金具部件外表面都没有任何状况的电流烧痕。

察看这些复合绝缘子的外表面，只在有均压环烧损部位对应的伞裙边缘外侧和靠产品两端各有几个伞裙上表面存在局部弓形白色氧化铝微粒遗留物，这种状态的表面相应接地端伞裙数比高压导线端少，这种遗留物轻擦即无，伞裙表面无任何永久性变化，产品外绝缘表面其余部位均无爬电痕迹。

而将那些发生不明原因闪络的复合绝缘子从输电线路上取下进行外观检查发现，其均压环烧痕位置、形状及其程度与有明显原因发生间隙放电的产品均压环状况相同，其闪络路径引起伞捃边缘及靠金具端几个伞裙表面呈现白色微粒遗留物与有明显原因闪络产品外绝缘表面无太大的区别，由此可见，这种外表面状况的复合绝缘子的不明闪络属于伞裙边缘间隙放电的闪络。

对于不明闪络的原因，有各种各样的推测，一般都是归结为鸟粪、污秽等，这些原因都可以从那些所谓的不明闪络的复合绝缘子的外表面看出来。

仍有一些复合绝缘子在表面很难发现这些原因，而且在闪络的时候也没有雷击发生。

例如，甘肃省电力系统１９９５和１９９６年都发生过两起复合绝缘子闪络事故。

这两次闪络事故的时间均为清晨结露期，相对湿度分别为８０％和５７％，现场检查均无鸟粪及鸟害短路留下的遗迹，闪络发生时系统均无操作，无雷电活动，是在正常运行电压下发生的，闪络后对这些绝缘子进行试验均通过【６】。

通过观察这些发生“不明闪络”的复合绝缘子的外表面状况很难判断出其闪络的原因。

一般认为，这些不明闪络发生的直接原因是随机变化的环境因素以及特殊的气候条件。

例如，文献【６］分析甘肃省的这两次闪络后认为，闪络的发生与清晨湿度较大和当地的地理环境引起的局部“小旋风”有关。

但是，至今对于复合绝缘子发生不明闪络的原因还没有确定性的解释，也没有十分有效
的解决办法。

所以，分析造成不明闪络事故的因素，找到预防解决措施是一个
亟待解决的问题。

．
５复合绝缘子电压分布研究的必要性
●●●５１复合绝缘子检测技术的研究现状
如前所述，复合绝缘子以其优良的性能运行在电力系统中得到了广泛的应用，虽然其事故率不到０．０１％，但是，复合绝缘子的缺陷很难发现，而且就往往是在事故发生之后才查明。

所以，对复合绝缘子的检测技术进行研究具有十分重要的意义。

ＩＥＣｌｌ０９标准不要求对复合绝缘子进行系统性电气试验。

因为复合绝缘子比较长，一般很难在输电线路上对其进行系统性电气试验，且费用也很昂贵，而且这样的试验很难完全保证其电气完整性。

而由于过度老化或者在制造过程中留下的瘕癖而造成的损坏很可能会在日积月累中产生难以容许的机械性能损伤或电气性能下降，从而造成危险的后果。

比如，在绝缘子的芯棒的加强纤维塑料的交界面上出现裂纹扩展或腐蚀占到绝缘子的一定比例；或者由于出现机械损伤，若因电气磨蚀而使芯棒的界面严重减小，则有可能使复合绝缘子发生闪络。

迄今为止，还没有标准的或普遍运用的检测技术对投运的绝缘子进行监测吼
国外一些组织或电业部门（ＥＤＦ——法国电力局；ＥＮＥＬ——意大利国家电力局；ＥＳＫＯＭ——南菲电力局；ＥＺＨ——南荷兰电力局；ＨＱ——魁北克水电局；ＩＲＥＱ——魁北克水电局研究所；ＲＥＥ——西班牙红色电力有限公司等）已经调查研究了适用于带电复合绝缘子的各种检查方法，目的是为了能够确定复合绝缘子的运行中的状况。

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