復合絕緣子酥朽原因分析及防治.pdf

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1、國網河南省電力公司電力科學研究院國網河南省電力公司電力科學研究院盧明盧明復合絕緣子酥朽原因分析及防治復合絕緣子酥朽原因分析及防治0三酥朽因素分析四酥朽機理分析六總結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診斷與防治方法一、概述 復合絕緣子發展本次匯報內容來源于國網公司科技項目運行復合絕緣子酥斷機理和診斷技術研究，感謝課題組成員單位：河南公司、冀北公司、華中科技大學、重慶大學、西安高強公司、清華大學深圳研究生院，感謝課題組的辛苦工作。根據國網系統調研，截止2021年5月，國網輸電線路長度總計達949,457km（66kV及以上交直流），復合絕緣子用量總計1005萬支，占比38.7%。相比于2016年的調研

2、情況，復合絕緣子由7,048,519支增至10,053,002支，增長3,004,483支，增幅42.6%。復合絕緣子的發熱與酥朽問題目前復合絕緣子斷裂故障主要分為脆性斷裂（簡稱脆斷）、酥朽斷裂（簡稱酥斷）和大屈曲斷裂三種。在復合絕緣子采用壓接結構和耐酸芯棒后，脆斷和大屈曲斷裂引發的斷串問題已經大幅減少，近年來酥斷故障已成為復合絕緣子主要斷裂形式，嚴重威脅電力系統的安全穩定。脆性斷裂酥朽斷裂大屈曲斷裂調研目的 我國復合絕緣子用量已達900萬支，2018年底至2019年7月，國網公司共發生9次絕緣子斷串事故 全面掌握公司輸電線路復合絕緣子運行情況，加強線路復合絕緣子運行管理調研范圍國網公司201

3、0年1月1日至2020年7月30日（近10年）復合絕緣子內擊穿和斷裂，其中斷裂包括脆斷、酥斷和大屈曲斷裂。一、概述59次嚴重故障信息中，內擊穿12次，占比20%，斷裂47次，占比80%47次斷裂中，脆斷23次，占斷裂故障比49%；酥斷22次，占斷裂故障比46.8%；大屈曲斷2次，占斷裂故障比4.2%整體故障占比情況整體故障占比情況故障類型一、概述干燥地區=干旱+半干旱潮濕地區=濕潤+半濕潤氣候特點干燥地區僅發生復合絕緣子嚴重故障2次占比3.4%；潮濕地區共發生嚴重故障次數為57次，占比96.6%。潮濕地區相對于干燥地區更易發生復合絕緣子斷裂和內擊穿故障。一、概述三酥朽因素分析四酥朽機理分析六總

4、結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診斷與防治方法二、酥朽特征分析（1）復合絕緣子酥朽斷裂故障主要分布于南方和東部沿海地區；（2）統計到的26次酥朽斷裂事故全部發生在潮濕地區，在甘肅、寧夏等干旱地區從未發現酥朽斷裂事故，說明酥朽斷裂故障與環境濕度高度相關；（3）復合絕緣子酥朽斷裂與地形、海拔、風力等因素沒有明顯的關系；（4）復合絕緣子酥朽斷裂事故全部發生在交流輸電線路中，且故障位置處于絕緣子高壓端，可能與交流電場的介損發熱有一定關系；（5）復合絕緣子酥朽斷裂事故多發生于緊湊型V串或跳線串，可能與這兩類絕緣子更易受到彎曲、扭轉載荷有關。地域、氣候特征和環境參數特征影響因素：地域特征、氣候特征（溫度、

5、濕度）、環境參數（地形、海拔、風力）、電場、串型a、與環境濕度高度相關；b、與交流強電場關系密切；c、與受力（非拉力）有關。二、酥朽特征分析 復合絕緣子酥朽老化發展過程酥朽老化絕緣子分析：剖檢分析、軸向分析（1）將收集的31支500kV發熱復合絕緣子解剖，發現7支絕緣子出現酥朽；（2）從軸向上看，酥朽芯棒的不同區域在老化程度上存在差別，在高壓端均壓環附近酥朽老化最嚴重。酥朽芯棒在軸向上呈“黑色-白色-棕色-綠色”分布，其中黑色區域位于高壓端。黑色物質為碳黑，其形成的能量來自放電產生的熱。白色物質則是硅橡膠在放電作用下產生的附著在芯棒表面的產物。棕色區域從距離高壓端近處到遠處的地方，分為深棕色和

6、淺棕色，可能是高壓端發生放電后產生的熱量沿著軸向傳導所致。二、酥朽特征分析 復合絕緣子酥朽老化發展過程酥朽老化絕緣子分析：徑向分析（3）從徑向上看，芯棒酥朽發展緩慢，近似呈扇環形分布，酥朽發展主要體現為芯棒表層和深層的環氧樹脂分解及玻璃纖維破裂。與軸向和切向上不同，酥朽在徑向上發展無法利用芯棒-護套界面失效提供的空間進行擴張，只能從芯棒表面向深處層層擴張，因此酥朽在徑向上的發展速度最慢。然而，根據復合絕緣子的使用情況來看，酥朽在芯棒徑向的發展對絕緣子機械性能影響最大，復合絕緣子的抗拉強度取決于酥朽最嚴重處在徑向上的發展程度。d=0cmd=10cmd=20cmd=30cmd=40cm三酥朽因素分

7、析四酥朽機理分析六總結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診斷與防治方法三、酥朽因素分析 1.原材料和制造缺陷 2.電場、電流 3.高溫 4.硝酸 5.濕-電-交變機械載荷 1.原材料和制造缺陷1.復合絕緣子在設計制造過程中因為生產工藝問題而出現缺陷，可能的因素有使用的玻璃纖維細紗質量不合格；硅橡膠護套膠含量過低；芯棒偏心導致護套厚度不均等。本項目目標：分析復合絕緣子設計制造可能的缺陷因素，提出優化提升方法 復合絕緣子生產工藝關鍵節點優化提升的方法缺陷因素缺陷因素玻璃纖維細紗質玻璃纖維細紗質量不合格量不合格硅橡膠護套膠含硅橡膠護套膠含量過低量過低芯棒偏心芯棒偏心導致護導致護套厚度不均套厚度不均優化提

8、升方法優化提升方法確保玻璃纖維細紗質量符合行業標準生產配方中適當提高傘套材料的膠含量確保芯棒和模具的尺寸保持一致，在注膠過程中芯棒定位精準芯棒偏心500kV豐漳I線輔料占比較高的低膠含量傘套材料一定程度上已喪失純硅橡膠固有的耐候性、耐寒性和低溫彈性，在冬季低溫條件下護套更易劣化、破損運行復合絕緣子的傘套硬化三、酥朽因素分析 2.電場、電流020406080100 120 14010121416182022相對介電常數頻率/H z 24h 46h 69h 95h 120h 145h 170h 192h020406080100 120 1400.00.10.20.30.40.50.60.70.8介

9、質損耗角正切(t an)頻率/H z 24h 46h 69h 95h 120h 145h 170h 192h020406080100 120 1402x10-113x10-114x10-115x10-11頻率/H z電導率/S/cm 24h 46h 69h 95h 120h 145h 170h 192h02040608010012089101112相對介電常數頻率/H z 2.0kV/cm 5.2kV/cm 7.5kV/cm020406080100120-4.0E-120.0E+004.0E-128.0E-121.2E-111.6E-112.0E-11 2.0kV/cm 5.2 kV/cm 7

10、.5 kV/cm電導率S/cm頻率/H z耐壓時間電場強度 均勻電場對復合絕緣子芯棒材料劣化影響研究三、酥朽因素分析 介電特性：隨著電場強度和帶電持續時間的增加，電導率、相對介電常數、介電損耗角正切隨之增加。電導率、相對介電常數以及介電損耗角正切的增加反映了芯棒材料逐漸發生劣化。上述規律說明芯棒電場強度集中的部位更容易老化甚至劣化，這也與現場絕緣子酥朽位置主要集中在高壓端現象一致。2.電場、電流 電流對復合絕緣子芯棒材料劣化影響研究三、酥朽因素分析 紅外溫升：隨著帶電持續時間的增加，發熱溫度（最大溫度）及溫升呈現上升趨勢，過程中最高溫升23。發熱溫度主要為高壓端、低壓端兩側，發熱均呈現為區域溫

11、升。宏觀形貌：無明顯放電階段 微弱放電階段 間歇電弧放電 持續電弧階段14.5h43h55h75h100h114h14.5h28.5h43h55h75h90h100h115h紅外溫升宏觀形貌三、酥朽因素分析 3.高溫 芯棒材料的熱降解過程管式爐加熱裝置圖芯棒熱降解后 加熱溫度：200600；加熱時間：15h 熱降解產物：共計得到45種氣體產物，產物中C原子個數主要集中在3-7個，且主要是CO2，隨著熱作用溫度的升高，芯棒熱降解速率越快，芯棒熱降解生成的氣體量增多。200下石英管內氣壓值和氣體生成速率圖三、酥朽因素分析 芯棒材料的熱降解過程 3.高溫 宏觀形貌：顏色由淺綠逐漸變為棕黃，最后變為深

12、黑；微觀形貌：環氧樹脂從240開始降解，400左右降解完全；理化性能：熱降解后芯棒中-OH、-CH3、C=O鍵含量的降低，Si-O-Si鍵含量升高完好完好芯棒240-5h600-5h600-5h三、酥朽因素分析 芯棒材料的熱降解過程 3.高溫 對護套的影響：氣體產物（氣壓），液體產物（溶脹）氣壓對護套存在影響，隨著溫度的升高，芯棒熱老化會產生氣體，并且隨著氣壓的增大，過大的壓強會破壞界面粘接；部分液化產物，比如甲苯等，可能導致護套發生溶脹現象。護套溶脹現象膨脹倍數1234567891010112130141161181201221氣體壓力/kPa硅橡膠膨脹倍數與氣體壓強關系圖三、酥朽因素分析

13、4.硝酸酸熱老化劣化平臺 加熱溫度：常溫、60、80；酸液濃度：1、3、5mol/L 分析方法：宏觀形貌分析、微觀形貌分析、化學基團分析、元素分析、熱重分析、質損分析 硝酸對復合絕緣子芯棒材料的影響研究試驗溫度硝酸濃度試驗開展情況80下硝酸腐蝕試驗1mol/L開展12天3mol/L開展12天5mol/L開展12天60下硝酸腐蝕試驗1mol/L開展12天3mol/L開展12天5mol/L開展12天常溫下硝酸腐蝕試驗1mol/L開展40天3mol/L開展40天5mol/L開展40天芯棒試驗樣品試驗方案 4.硝酸 硝酸對復合絕緣子芯棒材料的影響研究三、酥朽因素分析 常溫下酸劣化：宏觀形貌：常溫下酸蝕

14、40天后的芯棒表面光滑，仍呈現翠綠色，形貌與完好芯棒無明顯差異；微觀形貌：酸蝕后芯棒表層環氧樹脂逐步降解，玻纖大部分裸露，玻纖表面包裹的樹脂開始出現裂紋，但是玻纖未見明顯斷裂。0 0天天 4040天天0 0天天 4040天天(a)1mol/L(b)5mol/L(a)1mol/L(b)5mol/L完好芯棒SEM結果玻璃纖維玻璃纖維玻纖之間的環氧玻纖之間的環氧樹脂樹脂埋于環氧樹脂下的埋于環氧樹脂下的玻璃纖維玻璃纖維福建500kV運行實際酥斷絕緣子芯棒SEM結果 4.硝酸 硝酸對復合絕緣子芯棒材料的影響研究三、酥朽因素分析 酸熱聯合劣化：宏觀形貌：隨著溫度升高、硝酸濃度增加、劣化時間增加，芯棒顏色逐

15、漸變為淺綠色，再變為淺黃色、黃色；微觀形貌：玻纖出現斷裂，且斷裂處垂直于玻璃纖維軸向方向（徑向方向）橫向發展，并向芯棒內部的玻璃纖維發展。0 0天天 2 2天天 4 4天天 6 6天天 8 8天天 1010天天 1212天天 60下1 mol/L硝酸腐蝕后的芯棒形貌0 0天天 2 2天天 4 4天天 6 6天天 8 8天天 1010天天 1212天天 60下5 mol/L硝酸腐蝕后的芯棒形貌0 0天天 2 2天天 4 4天天 6 6天天 8 8天天 1010天天 1212天天 0 0天天 2 2天天 4 4天天 6 6天天 8 8天天 1010天天 1212天天 80下1 mol/L硝酸腐蝕后

16、的芯棒形貌80下5 mol/L硝酸腐蝕后的芯棒形貌失效的玻纖失效的玻纖/樹脂界面樹脂界面60-5 mol/L-8d80-5 mol/L-8d三、酥朽因素分析21/88 5.濕-電-交變機械載荷（本部分感謝冀北電科院陳原博士提供的報告）酥朽試驗平臺結構試品加壓段示意圖門式可移動加載平臺 基于濕-電-交變荷載的復合絕緣子酥朽模擬試驗及等效性研究 濕-電-交變載荷裝置：試驗平臺主體主要由溫濕度控制模塊、電壓加載模塊以及交變荷載施加模塊三部分組成，整體結構如圖所示。濕-電-交變荷載各因素間的交互作用局部放電對芯棒劣化的作用機制示意圖外界水分、局部放電和交變荷載的交互作用三、酥朽因素分析22/88 5.

17、濕-電-交變機械載荷 基于濕-電-交變荷載的復合絕緣子酥朽模擬試驗及等效性研究三酥朽因素分析四酥朽機理分析六總結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診斷與防治方法四、酥朽機理分析 起始期 起始期【主要微觀過程：多因素促進氣隙產生】結束的主要標志：氣隙產生，從而誘發局部放電。氣隙的來源：出廠時即存在的微小氣隙缺陷 運行過程中（受到彎曲、扭轉的交變應力）產生的氣隙護套偏心護套偏心交變彎曲載荷作交變彎曲載荷作用下的芯棒裂紋用下的芯棒裂紋 加速發展期 加速發展期【主要微觀過程：氣隙內發生持續擴展的局部放電】結束的主要標志：護套破損。1.局部放電誘導芯棒表層的環氧樹脂基體劣化，改變表層電位分布，導致護套內外電

18、位差，引發護套擊穿形成電蝕孔。形成潮濕形成潮濕氣隙氣隙引起引起局部放電局部放電界面附近界面附近局部局部放電放電硅橡膠硅橡膠溶脹溶脹變變脆脆、變變硬硬滲透性滲透性變化變化可能加劇交變機械載荷交變機械載荷護套護套裂紋裂紋/微裂紋微裂紋疲勞環氧樹脂環氧樹脂降解降解產氣產氣加速發展期加速發展期標志該階段的結束標志該階段的結束液體液體氣壓沖破芯棒芯棒表層劣化表層劣化損耗損耗發熱發熱加劇加劇加劇加速護套護套氣孔氣孔護套護套電蝕孔電蝕孔芯棒表面芯棒表面電位分布改變電位分布改變護套傘裙表面護套傘裙表面電位分布不變電位分布不變護套內外護套內外電位差電位差固體介質電擊穿護套護套損傷損傷玻璃纖維玻璃纖維-環氧樹脂環

19、氧樹脂界面界面損傷損傷芯棒芯棒-護套護套界面界面損傷損傷如甲苯軸向場強軸向場強局部放電局部放電沿兩種界面沿兩種界面慢速軸向發展慢速軸向發展實際酥朽絕緣子實際酥朽絕緣子芯棒表層劣化，改變表芯棒表層劣化，改變表層電位分布層電位分布護套內外電位差護套內外電位差，引發護套擊穿形成引發護套擊穿形成電蝕孔電蝕孔四、酥朽機理分析芯棒芯棒直接暴露于潮濕環境直接暴露于潮濕環境水汽大量侵入水汽大量侵入護套護套損傷損傷芯棒表層芯棒表層軸向軸向水解水解芯棒芯棒徑向徑向水解水解一定一定深度深度從從芯棒表層芯棒表層往往徑向徑向內部發展內部發展軸向場強軸向場強芯棒芯棒單側酥朽單側酥朽痕跡痕跡芯棒芯棒酥斷酥斷機械載荷機械載荷

20、芯棒芯棒內擊穿內擊穿嚴重時局部放電局部放電沿兩種界面沿兩種界面加速軸向發展加速軸向發展加速局部場強局部場強護套損傷處護套損傷處持續放電持續放電 預失效期 預失效期【主要微觀過程：芯棒與外界直接接觸，劣化進程顯著加快，酥朽斷裂或內擊穿已不可避免】徑向發展：護套受損處的持續放電可能會引發附近同一位置的持續放電，從而使得酥朽從芯棒表層向內部徑向發展加速。徑向發展至一定深度時，在交變機械載荷作用下引發酥斷。護套損傷處附近的芯棒在酥朽徑向發展護套損傷處附近的芯棒在酥朽徑向發展嚴重時將引起芯棒酥朽斷裂嚴重時將引起芯棒酥朽斷裂四、酥朽機理分析三酥朽因素分析四酥朽機理分析六總結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診

21、斷與防治方法五、酥朽診斷與防治方法 酥朽復合絕緣子的溫升特性 收集了10個省電力公司（包括冀北、江西、廣東、重慶、福建、浙江、湖北、河南、江蘇和山東）三種運行環境下（高濕熱、一般濕熱、高鹽霧環境）的復合絕緣子酥朽前后紅外溫升變化情況，經過運行現場及實驗室的紅外測試及酥朽絕緣子外觀檢查和解剖檢查，確定酥朽復合絕緣子在運行中會出現異常溫升，高壓端出現異常溫升概率大于低壓端，且復合絕緣子異常溫升點與酥斷位置吻合良好。冀北冀北地區地區江蘇江蘇地區地區河南河南地區地區福建福建地區地區 不同濕度影響下酥朽復合絕緣子紅外檢測效果研究 對現場因異常發熱而退運的9支500kV復合絕緣子，開展4種濕度條件下（35

22、%、55%、75%及95%）溫升試驗，9支試品的參數和酥朽程度如表中所示。復合絕緣子試品參數復合絕緣子試品參數#1#5#1#5試品芯棒酥朽情況試品芯棒酥朽情況試品編號型號結構高度(mm)傘裙數（大/小傘）芯棒直徑(mm)酥朽程度#1FXBW-500/300541061(31/30)30極重#2FXBW-500/210450085(43/42)24重度#3FXBW-500/180440087(44/43)30中度#4FXBW-500/100450092(46/46)18中度#5FXBW-500/210450085(43/42)24重度#6FXBW-500/210450085(43/42)24#7

23、FXBW-500/210450085(43/42)24#8FXBW-500/300541061(31/30)30#9FXBW-500/100450092(46/46)18五、酥朽診斷與防治方法 酥朽復合絕緣子的溫升特性 不同濕度下酥朽復合絕緣子紅外檢測效果研究 退運酥朽復合絕緣子在高低濕環境下均存在異常發熱現象，且溫升一般在 520K之間，護套老化復合絕緣子僅在高濕環境下存在明顯的發熱現象，溫升一般小于5K。酥朽復合絕緣子的溫升區域呈“連續或分散段狀”，護套老化復合絕緣子的溫升區域呈“點狀”。#1#9 試品紅外溫升圖像(75%RH)五、酥朽診斷與防治方法 酥朽復合絕緣子的溫升特性31 復合絕緣

24、子酥朽診斷技術探索 紅外成像檢測環境條件五、酥朽診斷與防治方法建議：在35%75%濕度環境下，紅外成像技術可比較有效地檢出酥朽復合絕緣子。高濕熱環境下，復合絕緣子外表面會出現異常發熱紅外成像儀難以區分絕緣子內部的酥朽發熱和外表面發熱建議濕度大于85%（或90%）時不實施運行復合絕緣子的紅外測試 應根據紅外成像儀參數、氣象環境條件選擇合理的測試距離；應避免傘裙遮擋在絕緣子酥朽點與紅外成像儀鏡頭之間，影響酥朽檢出效果，推薦測試角度范圍為-15度+30度；條件允許時，建議測試位置應在復合絕緣子軸向相差180度的兩個位置分別進行測試，有利于消除芯棒對背面酥朽缺陷檢出效果的影響。不同觀測位置下各加壓階段

25、試品溫升不同觀測位置下各加壓階段試品溫升12345垂直678910mim4.75.44.8-4.24.93.22.21.720mim6.36.65.9-7.06.53.42.72.130mim6.76.76.86.36.75.3-3.02.340mim6.76.97.37.17.74.5-2.92.5 復合絕緣子酥朽診斷技術探索 紅外檢測位置五、酥朽診斷與防治方法總體思路33研究內容：鳥啄損傷-受限于硅橡膠材料硬度及抗撕裂性能 抗機械沖擊性-鳥啄受損關聯關系 防透水性-發熱酥朽發展機理 量化方法及更換準則 硬質護套絕緣子 新型硬質護套穿傘串接復合絕緣子 防鳥啄、防酥朽、防污閃有機統一 活性端基

26、、柔性鏈段環氧樹脂共聚改進 共價連接有機硅與脂環族樹脂相容改性 防透水性能提升26倍新型防鳥啄防酥朽絕緣子研制新型脂環族環氧樹脂硬質材料研制長期運行關鍵指標優化提升在河南、浙江、西藏等鳥害高發區、高溫高濕易酥朽區應用核心問題：關鍵技術：抗沖擊性能、防透水性能長期運行關鍵指標優化所得成果：工程應用：低溫強韌性、強憎水性、防透水性脂環族硬質絕緣材料硬質護套穿傘復合絕緣子系列防鳥啄防酥朽解決方案酥朽發熱-受限于硅橡膠材料防透水性以及護套-芯棒界面性能新型復合絕緣子關鍵技術及應用復合絕緣子長期運行性能兩大問題：鳥啄損傷、酥朽發熱五、酥朽診斷與防治方法-新型絕緣子設計了強韌性和憎水性的環氧樹脂硬質絕緣材

27、料 揭示了填料基質界面、交聯密度等微觀參數對脂環族環氧樹脂防透水的影響機理；提出了基于填料種類、表面狀態、粒徑分布的防透水性調控方法，實現防透水性能26倍的提升，有效阻斷水分侵入路徑。34環氧樹脂硅橡膠拉伸強度變化率/%22.58-13.63拉斷伸長率變化率/%-8.12-32.89峰值應變能密度變化率/%-1.31-57.35硬質材料硬質材料硅橡膠硅橡膠滲水速率滲水速率/(mg/(cm2天天)擴散系數擴散系數D/mm2s-1對比情況對比情況環氧環氧樹脂樹脂0.031.3810-4新型硬質材料優優2633%2633%硅橡硅橡膠膠0.823.8010-401020304050600.000.04

28、0.080.12 3mm 4mm 5mm累計滲水質量/g時間/天0102030400.00.40.81.21.6 3mm 4mm 5mm滲透水分質量/g時間/天環氧樹脂滲水時間試驗結果硅橡膠滲水時間試驗結果0200400600800100020406080100120140160拉斷伸長率/%時間/h 環氧樹脂 硅橡膠020040060080010000100200300400峰值應變能密度/Jm-3時間/h 環氧樹脂 硅橡膠02004006008001000345678910拉伸強度/MPa時間/h 環氧樹脂 硅橡膠脂環族環氧樹脂具有更好的耐紫外老化能力五、酥朽診斷與防治方法-新型絕緣子35 結合硬質材料優勢，研制多種形式硬質復合絕緣子。研制硬質護套穿傘串聯復合絕緣子，實現110-500千伏全電壓等級應用。利用其護套阻水性，在高壓端應用硬質護套穿傘絕緣子，結合串接的復合絕緣子，可以較好地解決500kV發熱酥朽問題。五、酥朽診斷與防治方法-新型絕緣子三酥朽因素分析四酥朽機理分析六總結一概述大綱二酥朽特征分析五酥朽診斷與防治方法六、總結 酥朽防治1、應用硬質護套穿傘串聯復合絕緣子。2、高壓端串接幾片玻璃絕緣子（改善復合絕緣子高壓端電場，降低彎扭力）；3、加大復合絕緣子護套厚度及提升初始含膠量（減緩水分子進入）。匯報完畢謝謝各位專家！