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摘要：作為架空線路主要防污閃產品的復合絕緣子已廣泛應用于電網，但現有檢測方法不能有效檢測復合絕緣子的隱蔽性缺陷(內部缺陷)，一定程度上構成電網安全運行的隱患。通過理論分析和大量試驗、并與實際運行相結合，提出改進的水擴散試驗方法及參數作為新絕緣子及運行絕緣子的抽檢試驗項目，以有效檢測復合絕緣子的內部缺陷及老化狀況;同時提出利用機載紅外成像設備定期巡視、檢測運行復合絕緣子內部缺陷，以確保電網安全運行。

　　關鍵詞：復合絕緣子;內部缺陷;檢測;水擴散試驗;紅外成像

　　1　研究背景
　　為解決架空輸電線路的污閃問題，電力系統于20世紀80年代中后期引入硅橡膠有機復合絕緣子。目前，全國電網已應用上百萬支不同廠家﹑不同工藝(壓接﹑內楔﹑外楔;灌膠﹑擠包護套﹑整體注射等)﹑不同用途(懸垂串、跳線串﹑耐張串及相間間隔棒等)﹑不同運行時間的復合絕緣子。該類絕緣子在運行中發揮優良防污閃性能的同時，出現下述問題，應予重視。

　　1.1　絕緣子的內部缺陷導致脆斷、內絕緣擊穿等惡性事故
　　完全采用有機材料制造的復合絕緣子在運行中出現脆斷﹑內絕緣擊穿等由絕緣子內部缺陷(隱蔽性缺陷)引發的惡性事故，一定程度上構成電網安全穩定運行的隱患。

　　(1) 脆斷
　　脆斷不屬于嚴格意義上的機械故障，一般性的解釋為：復合絕緣子在正常機械負荷和運行電壓作用下，酸性液體侵蝕芯棒導致芯棒纖維絲逐步斷裂，最終引發斷串甚至掉線的惡性事故。一般認為酸性溶液來自酸雨;或由于芯棒表面空氣在高場強下發生局部放電產生氮氧化物，遇水生成硝酸;或由于芯棒生產過程中表面殘留有酸的晶體，吸水后形成酸液。上述假設有一個共同的前提條件：須由外界提供水份。一般認為是硅橡膠護套或密封膠破損為水份提供了通道，但對脆斷絕緣子的檢查及CIGRE絕緣子工作組的調查表明一些脆斷絕緣子上并未發現明顯的密封破壞痕跡;如果這樣，可以認為內部質量偏低或內部存在隱蔽性缺陷可能是復合絕緣子發生脆斷的重要原因之一。此外，500kV等級的脆斷數量大大高于220kV及以下等級以及脆斷主要發生于絕緣子端部的事實表明：高場強也是導致脆斷的可能因素之一。

　　(2) 內絕緣擊穿
　　內絕緣擊穿也是復合絕緣子的惡性故障形式之一。關于內絕緣擊穿的機理，比較一致的看法是復合絕緣子內部(界面或芯棒)存在隱蔽性缺陷，因缺陷處的局部場強較大、導致局部放電形成炭化通道并逐漸發展成貫穿性擊穿;也不排除護套或端部密封破壞，水份沿界面或芯棒處的缺陷進入絕緣子內部，導致擊穿的可能。

　　1.2　缺乏有效的內部缺陷(隱蔽性缺陷)檢測手段
　　復合絕緣子缺少類似瓷、玻璃絕緣子的簡單、有效的隱蔽性缺陷檢測手段，包括實驗室手段和在線檢測手段。對于傳統的無機材質絕緣子，若瓷絕緣子存在內絕緣問題，可通過簡單的零值檢測找出缺陷絕緣子;玻璃絕緣子則更簡單，內絕緣的問題通過自爆即可直接顯露，無需檢測。但對于全有機材質的復合絕緣子，實心的內部結構曾經是它的優勢，號稱不可擊穿型結構，無內絕緣問題，但運行結果表明：復合絕緣子的實心結構不能等同于支柱瓷絕緣子的實心結構，復合絕緣子不僅存在內絕緣問題，可造成脆斷和內絕緣擊穿等惡性事故，而且內絕緣缺陷在發展過程中難以通過簡單有效的手段檢測出來，構成電網安全運行的隱患。

　　2　復合絕緣子隱蔽性缺陷檢測方法研究
　　京津唐電網歷年來的復合絕緣子抽檢試驗、特別是發生惡性事故后的抽檢試驗結果幾乎無一例外：同批次產品無明顯劣化跡象，即認為發生的事故僅是偶然現象。但惡性事故仍時有發生，于是復合絕緣子陷入了“問題反復出，反復檢測無問題”的怪圈。2004年6—7月的連續2周內2個單位相繼發生了2起復合絕緣子內絕緣擊穿事故(其中涉及1條220 kV緊湊型線路)，且是同一廠家同一時期產品，這就不得不使人懷疑現有復合絕緣子標準或規程中的試驗方法在檢測隱蔽性缺陷方面的有效性。而試驗方法有效性較差的原因可能有二：其一是該方法完全無效，甚至從原理上就行不通，但作為已納入正式標準的試驗方法——這種可能性不大;其二是該方法不完善，例如：試驗條件或判據過于寬松，以致不能有效攔截缺陷絕緣子。從快速尋求有效檢測方法的角度考慮，應當按照第二個思路來解決問題，即從已有標準、規程中找出最有希望的試驗方法進行完善，最終使之成為有效的、用于檢測復合絕緣子內部隱蔽性缺陷的手段。比較有希望的兩個試驗方法是：①陡波試驗;②水擴散試驗。

　　以2004年6～7月的連續兩起復合絕緣子內絕緣擊穿事故為契機，華北電網有限公司提出要全面掌握華北電網復合絕緣子的運行狀況，防止出現大批量、大范圍的復合絕緣子事故，同時尋求一種或多種能夠有效檢測復合絕緣子隱蔽性缺陷的檢測手段。為此，在華北電網范圍內抽取110～500kV運行復合絕緣子試品共計181支，其中：500kV絕緣子76支;220kV絕緣子53支;110kV絕緣子52支。另有用于性能對比的兩個廠家的新絕緣子9支。研究中除采用常規檢測項目，重點圍繞陡波試驗及水擴散試驗方法進行研究。

　　2.1　常規檢測方法
　　依據GB/T19519-2004《標稱電壓高于1000V的交流架空線路用復合絕緣子——定義﹑試驗方法及驗收準則》，DL/T864-2004《標稱電壓高于1000V的交流架空線路用復合絕緣子使用導則》，調網[1997]93號《復合絕緣子使用指導性意見》等國家、行業標準、企業或地方性技術規程，選取下列常規試驗項目檢查復合絕緣子狀況：外觀檢查、1min機械耐受與破壞負荷試驗、96小時機械耐受試驗、端部密封試驗、2m跌落試驗、傘裙護套的憎水性及憎水遷移性試驗、傘裙90°彎折試驗、陡波前沖擊電壓試驗(含42h水煮過程)、工頻電壓干、濕耐受試驗等。

　　采用上述常規或標準試驗方法的結果與以往各次復合絕緣子抽檢試驗結果相類似，除發現一些表面的或明顯的缺陷，未能檢測出任何有隱蔽性缺陷的復合絕緣子，即使是多次發生由隱蔽性缺陷導致惡性事故的復合絕緣子批次，也均能通過上述檢測。

　　2.2 更高陡度的陡波前沖擊電壓試驗
　　陡波試驗是復合絕緣子的設計試驗和抽檢試驗項目，其初衷是用于檢查絕緣子的內部缺陷，原理是在極短時間內在絕緣子上施加幅值很高的電壓波，即該電壓上升速度極快，使絕緣子的外部不能象在工頻等穩態電壓作用時在較低的電壓幅值下就發生沿面閃絡。這樣，在外部不閃絡的情況下，絕緣子內部也能夠承受到相應的高電壓幅值，以該高電壓幅值來檢驗絕緣子的內部質量。如果內部存在隱蔽性缺陷，只要電壓足夠高，則將發生全部或局部的內絕緣擊穿，這取決于缺陷的具體情況。即陡波試驗的本質是電壓幅值——波頭越陡，則施加在絕緣子內部介質上的電壓就能夠達到更高，檢測出內部缺陷的概率相應就更大。

　　從原理上分析：陡波試驗用于檢查絕緣子內部缺陷是正確的。那么陡波試驗的具體參數是否合理呢?現有標準GB/T19519-2004規定：復合絕緣子陡波試驗的陡度為1000～1500kV/μS。從三個方面分析，可以認為這一參數過于偏低：

　　①陡波試驗的實際應用效果不佳：京津唐電網出于防污閃需要，于90年代早中期使用了大批量早期產品，這些產品中的一部分可能因工藝不成熟或運行中逐漸老化，目前從芯棒材料質量到界面質量均較差，甚至水擴散試驗的芯棒電流已接近或達到極為寬松的1mA閾值，實際運行中也時有惡性事故發生，但陡波試驗卻能輕易通過。

　　②現有陡波試驗參數是IEC在早期缺乏運行經驗、未能準確了解產品性能的實際需要、且復合絕緣子整體水平偏低的情況下制訂的，是不成熟的。該參數的確定是依據早期國外復合絕緣子的狀況制訂的，而目前看來國外復合絕緣子的總體質量和性能并不是很高，早期研究人員可能是為了保證一定的試驗通過率而將參數調整到較低的水平，是制訂標準時的“平衡”結果。但是搞“平衡”的前提應當是產品質量已足夠高，能夠確保長期安全運行，而現有參數的陡波試驗卻難以滿足這一要求。

　　③同為線路絕緣子的盤形懸式瓷(玻璃)絕緣子的陡波參數要大大高于復合絕緣子：國家電網公司的招標文件要求瓷(玻璃)絕緣子的陡波參數大于2500 kV/μS ，DL/T557規定的幅值法要求更為嚴格。簡單對比來看：瓷(玻璃)絕緣子與復合絕緣子在運行中承受同樣的運行條件，因此沒有理由單獨給復合絕緣子一個大大降低的檢驗條件。事實上，國產復合絕緣子近年來無論是在芯棒上還是制造工藝上均有較大提高，應該是能夠承受一定程度的高要求的。

　　至于是應當將復合絕緣子的陡波參數提高至2500kV/μS亦或是將電壓幅值大幅度提高，我們沒有進一步探究，因為要推翻一個廣為熟悉、長期以來被認為理所當然的試驗參數是比較困難的。

　　2.3　水擴散試驗
　　2.3.1　采用水擴散試驗的原因
　　水擴散試驗是復合絕緣子的設計試驗項目，其初衷是用以檢驗芯棒質量——將耐老化性相對較弱的芯棒(長30mm)直接暴露于0.1%濃度的鹽水中沸煮100h，然后在芯棒上施加工頻電壓(12kV)，要求芯棒泄漏電流不大于1mA。

　　原理上該試驗能夠有效檢驗芯棒質量，但有兩個問題值得商榷：

　　(1)IEC及國家標準要求：水煮后的芯棒泄漏電流不大于1mA。這一要求現在看來明顯過于偏低，該指標的取值很有可能是IEC更多地考慮國外早期絕緣子芯棒的制造水平﹑而非考慮復合絕緣子實際運行需要的結果。事實上，標準制訂時復合絕緣子的運行經驗可能并不充足，因此也不可能知道運行中需要什么樣的芯棒和絕緣子。實際上，當芯棒電流達到0.3mA時就已能感覺到明顯的發熱，這種芯棒已不適合于復合絕緣子。但這一參數一經寫入IEC標準，數十年不再改變，顯然是不合適的。

　　(2)芯棒—護套界面易成為復合絕緣子的薄弱點，京津唐電網發生的8起內絕緣擊穿事故中，其中4起為界面擊穿。如果能將水擴散試驗由單純的芯棒擴展到絕緣子，即以帶護套的芯棒試品替代單一的芯棒試品，意義更大——不僅能夠考察芯棒質量，而且能夠考察芯棒—護套界面的質量。事實上，即使芯棒自身質量良好，生產過程中、包括包覆硅橡膠護套過程中是否會造成芯棒的損壞也是應當考慮的問題，即有必要對已形成成品的復合絕緣子的芯棒做檢驗，而改進的水擴散試驗恰好可以達到該目的。

　　此外，改進的水擴散試驗比復合絕緣子設計試驗中的水煮加陡波試驗更加嚴酷(不僅是水擴散試驗的水煮時間遠比后者長，更重要的是后者的芯棒和界面受硅橡膠護套保護而不直接暴露于鹽水，而水擴散試驗直接將最薄弱的芯棒和界面置于鹽水中)，因此檢測效果更加顯著。

　　2.3.2　水擴散試驗數據及分析
　　2004年6～7月，唐山供電公司和廊坊供電公司相繼發生兩起220kV復合絕緣子內絕緣擊穿事故。華北電科院首次采用水擴散試驗方法對同批次的無事故絕緣子做試驗分析研究;到目前為止，已對110余支復合絕緣子進行了該項試驗，其中500kV絕緣子49支，220kV絕緣子34支，110kV絕緣子29支，包括兩個廠家的新絕緣子試品。

　　每支絕緣子取6個試件：兩端和中段各取兩個試件——其中一個帶護套，一個不帶護套。主要考察三個參數：芯棒試品的泄漏電流(I1)，帶護套芯棒試品的泄漏電流(I2)，帶護套芯棒試品的泄漏電流與芯棒試品泄漏電流的比值(I2/I1)或差值(I2-I1)。I1用于考察芯棒質量;I2主要是界面電流與芯棒電流之和;而I2/I1或I2-I1用于體現界面質量的優劣，理論上I2/I1應是一個大于1的數(因數據分散性或如果芯棒質量過差，可能出現小于1的比值)，該值越接近1，表明界面質量越好。

　　總體上，能夠輕松通過陡波試驗﹑工頻耐壓試驗等常規檢測的不同時期﹑不同廠家的復合絕緣子在水擴散試驗中卻表現出很大差異，這種差異一定程度上體現了不同時期﹑不同廠家復合絕緣子質量的差異，只要合理解讀并利用這種差異，對于確保甚至提高復合絕緣子產品質量可能有重要意義。

　　2.3.2.1　2004年唐山﹑廊坊供電公司內絕緣擊穿絕緣子的同批產品試驗

　　針對2004年6～7月唐山供電公司和廊坊供電公司相繼發生的兩起220kV復合絕緣子內絕緣擊穿事故，抽取10支事故絕緣子的同批次產品(保定廠1994年產品)作為試品;此外，抽取兩個廠家(含事故絕緣子廠家)同種工藝的新產品(2004～2005年生產)11支(含2支芯棒)作對比試驗。

　(1)事故同批次產品的I1為0.015～0.070mA(30個試件的均值為0.039mA)，I2為0.028～0.820mA(28個試件的均值為0.130 mA，且未計2個I2超過1mA的試件);I2/I1為1.27～9.68(8個絕緣子的均值為3.92，且未計2支I2超標的絕緣子)。該批絕緣子的芯棒電流I1雖然小于現有標準規定值(1mA)的10%，但芯棒—護套的界面電流卻遠遠超過芯棒電流，均值接近芯棒電流的300%，即界面質量不良，這與唐山﹑廊坊供電公司的2支內絕緣擊穿絕緣子的擊穿通道在界面上的情況相吻合。而導致界面質量不良的可能原因是：該批絕緣子的界面處理工藝不佳;或經過10年運行，界面質量有所劣化。

　　(2)新產品的芯棒電流I1為0.009～0.028mA，帶護套芯棒電流I2為0.012～0.034mA，I1﹑I2小于現有標準規定值(1mA)的5%(0.05mA);I2/I1為1.04～1.44(小于1.5)，即界面電流小于芯棒電流I1的50%。

　　(3)運行絕緣子的芯棒電流明顯大于新產品，可能的原因是：該批絕緣子芯棒質量比新絕緣子相對偏低;或經過10年運行，芯棒質量有所劣化。目前，各主要復合絕緣子廠家已基本不使用10年前的芯棒廠家產品。

　　(4)2001年8月廣東佛山供電公司在線路上發現7支與上述2支事故絕緣子同廠家﹑同時期生產(1994年)﹑同電壓等級(220kV)的有內部缺陷的復合絕緣子，一定程度上說明該廠家生產的同批次產品存在一定的質量缺陷(至少經過多年運行，目前已存在質量缺陷)，同時進一步驗證了這種水擴散試驗方法的有效性。

　　(5)按照現行水擴散試驗標準(僅考察芯棒泄漏電流，且電流閾值為1mA)：以上10支運行絕緣子的30個無護套芯棒試件均符合要求，合格率100%。但考慮到該批次絕緣子(同廠家﹑同時期生產﹑同電壓等級)實際運行中出現的嚴重問題，可以認為僅考察芯棒質量是不夠的，且1mA的閾值過于寬松。而上述新產品的數據得自于保定和淄博泰光兩個廠家生產的11支新的220～500kV產品，具有一定的代表性。建議以新產品的數據為依據制訂新的水擴散試驗標準，并將該試驗作為復合絕緣子新產品的抽檢項目之一，以確保絕緣子的運行效果。

　　具體參數如下：對于Φ35mm及以下芯棒，帶護套芯棒的泄漏電流不允許超過75μA，無護套芯棒的泄漏電流不允許超過50μA;且帶護套芯棒電流的平均值與不帶護套芯棒電流的平均值的差值不大于25μA。

　　上述參數同時考察帶護套芯棒及無護套芯棒的質量，并從泄漏電流的絕對值和泄漏電流的相對差值兩個角度進行絕緣子質量把關，其中差值I2-I1的意義在于：當芯棒電流較小時(例如：10μA)，避免界面電流偏大(例如：65μA)。

　　2.3.2.2　擴大的水擴散試驗
　　擴大的水擴散試驗共101支試品： 29支110kV絕緣子;30支220kV絕緣子;42支500kV絕緣子。

　　(1)按照現行水擴散試驗標準，101支運行絕緣子試品中僅有2支500kV絕緣子不合格，合格率為98%，這顯然與某些早期復合絕緣子不佳的實際運行狀況不符。

　　(2)按照前述建議的新絕緣子的水擴散試驗標準，考慮到近年來國內復合絕緣子制造工藝的進步，預計一些主要復合絕緣子廠家的新產品(至少500kV的新產品)合格率是較高的;但對于本次抽檢的101支98年底以前投運的絕緣子，情況則不容樂觀，總合格率為23%，其中500kV合格率為12%，220kV合格率為27%，110kV合格率為34%。

　　(3)鑒于以上情況，本文提出：運行復合絕緣子的水擴散抽檢試驗參數如下：對于Φ35mm及以下芯棒，帶護套芯棒的泄漏電流不允許超過300μA，無護套芯棒的泄漏電流不允許超過200μA;且帶護套芯棒電流的平均值與不帶護套芯棒電流的平均值的差值不大于100μA。即以水擴散試驗加壓后手感試件表面微熱的電流值(300μA)為基準，其它參數按比例做相應調整。按上述參數考察絕緣子的結果總合格率為66%，其中500kV合格率為52%，220kV合格率為73%，110kV合格率為79%。

　　2.4　紅外成像技術
　　改進的水擴散試驗能夠有效檢測復合絕緣子的隱蔽性缺陷(內部缺陷)，包括其它手段難以發現的芯棒材質缺陷及界面缺陷。但該方法僅適合于實驗室檢測，對于運行中的復合絕緣子則無能為力。因此，有必要尋求一種或多種可用于在線檢測復合絕緣子缺陷的方法。

    紅外成像技術是在帶電情況下，根據絕緣子不同部位的發熱情況判斷絕緣子內絕緣缺陷的一種試驗方法。2001年8月，佛山供電公司采用紅外成像儀檢測運行復合絕緣子，發現7支某廠1994年絕緣子溫度異常。從線路上取下后送實驗室做工頻耐受電壓試驗，其中5支發生局部或貫穿性擊穿。

　　可見，紅外成像技術對于內部已形成明顯缺陷的復合絕緣子有較好的檢出作用，可用于運行絕緣子的在線檢測。但由于紅外成像設備的昂貴及線路地面巡視存在的實際困難，紅外成像技術很難在線路絕緣子的檢測中推廣普及。

　　近年來，華北電網開展了直升機航巡作業，為線路絕緣子普及紅外檢測技術奠定了基礎。2002年3月～2005年8月，北京超高壓公司利用直升機航巡的機載紅外成像設備在華北地區共發現復合絕緣子發熱異常21支次，其中安北線51號左相大號側復合絕緣子紅外成像圖如圖1所示。絕緣子導線側的第1、3、4片傘裙的桿處發熱，最高點溫度為60.3℃，比其它位置的溫度26.7℃高33.6℃。后將安北線51號左相大號側、豐萬一回345號塔中相導線等3支復合絕緣子取下送華北電科院復測，復測手段包括紅外成像、電位分布測試及解剖，復測結果表明紅外成像在線檢測結果完全正確。

　　但一部分現場紅外檢測異常的復合絕緣子，取回實驗室的復測結果表明并無內部缺陷，這應當是在當時運行環境下，潮濕等氣象條件導致復合絕緣子外表面發熱所致，即紅外檢測方法可能出現相當比例的誤判，將外部發熱而無內部缺陷的絕緣子判為有缺陷絕緣子。

　　現場紅外檢測與實驗室復檢結果表明：作為復合絕緣子內部缺陷的在線檢測手段，特別是帶電檢測手段，紅外成像技術具有較好的可行性。與直升機航巡相結合后，值得全國電網推廣，但應利用華北電網現有直升機航巡的優勢，進一步積累經驗，形成一套完備的紅外在線檢測復合絕緣子的技術條件及規章制度，以更好地發揮作用。

　　3　結論
　　3.1 新產品的抽檢試驗中增加改進的水擴散試驗
35 mm及以下芯棒，帶護套芯棒的泄漏電流不超過75 μA，無護套芯棒的泄漏電流不超過50 μA，且帶護套芯棒電流的平均值與不帶護套芯棒電流的平均值差值不大于25 μA。復合絕緣子新產品的抽檢試驗中增加改進的水擴散試驗，作為檢測內部隱蔽性缺陷的手段。為了將有缺陷的、甚至沒有嚴格意義上的缺陷、但是在材料或工藝上偏低一些的絕緣子批次阻于電網門外。

　　3.2　運行產品的抽檢試驗中增加改進的水擴散試驗。
35 mm及以下芯棒，帶護套芯棒的泄漏電流不超過300 μA，無護套芯棒的泄漏電流不超過200 μA，且帶護套芯棒電流的平均值與不帶護套芯棒電流的平均值差值不大于100 μA。復合絕緣子運行產品的抽檢試驗中增加改進的水擴散試驗，作為檢測內部隱蔽性缺陷及判斷產品老化狀況的手段。隨著運行時間的延長，所有產品均有一個老化過程，因此在保證安全的前提下，對于運行絕緣子適當放寬要求是允許的。

　　3.3　與直升機航巡相結合，將紅外成像技術應用于運行復合絕緣子的缺陷檢測
　　與直升機航巡相結合，將紅外成像技術應用于運行復合絕緣子的缺陷檢測。與水擴散試驗相比，作為一種非接觸式測量手段，紅外成像只能檢測內部已出現明顯缺陷的復合絕緣子，而且具有一定的誤判率，但對于運行絕緣子仍然意義重大。與水擴散試驗的作用不盡相同，紅外檢測方法只要能在復合絕緣子造成最終掉閘前將其檢出并及時更換就足夠了。直升機航巡的快速性、定期性及能確保昂貴的紅外成像設備的安全等優勢使得將紅外技術作為運行復合絕緣子的常規檢測項目成為可能。