合成绝缘子闪络事故：原因、影响及防范措施

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：随着合成绝缘子使用数量的增多,近年来,有关合成绝缘子发生闪络及损坏的事故日趋增多。由表10-39可见,在合成绝缘子事故中,雷击闪络居首位,其次是不明闪络和鸟粪闪络等。现场对110kV电压等级合成绝缘子的试验结果表明,配置1个均压环,下降约5%;配置2 个均压环,下降约8%。这几种情况都会造成绝缘子永久性的破坏,导致长时间的电力中断。例如,华北某500kV线路发生的合成绝缘子脆断就是因端部密封破坏引起的。

随着合成绝缘子使用数量的增多,近年来,有关合成绝缘子发生闪络及损坏的事故日趋增多。表10-40列出了我国合成绝缘子所发生的事故种类及比例。

表10-39　合成绝缘子事故统计

pagenumber_ebook=856,pagenumber_book=846

注数据统计截至1998年9月。

由表10-39可见,在合成绝缘子事故中,雷击闪络居首位,其次是不明闪络和鸟粪闪络等。

1.雷击闪络

雷击闪络主要发生在华东、广东等沿海多雷地区。其原因是:

(1)雷电活动强烈。

(2)合成绝缘子干弧距离偏小。合成绝缘子伞裙直径较小,相同高度时,干弧距离略小于瓷和玻璃绝缘子。

(3)合成绝缘子均压环降低其耐雷水平。现场对110kV电压等级合成绝缘子的试验结果表明,配置1个均压环,下降约5%;配置2 个均压环,下降约8%。这是因为均压环间 (上、下端间或接地端、导线端间)空气间隙偏小 (约减少15～20cm),等效于降低了有效绝缘长度而造成雷击闪络电压降低。

(4)合成绝缘子工频电压电场分布最不均匀。华北电力集团公司等单位的研究表明,在运行条件下,线路绝缘子中的半导体釉瓷绝缘子的工频电场分布最均匀,普通瓷绝缘子的电场分布次之,合成绝缘子的电场分布最不均匀。这对合成绝缘子雷击闪络电压有一定影响。

2.“不明原因”闪络

所谓不明原因闪络是指未查明原因的闪络。发生闪络时系统无任何过电压。闪络过后,为了分析闪络的原因,曾有人把发生闪络的合成绝缘子送到试验室,通过各种试验 (测量盐密、憎水性、直流泄漏电流、陡度冲击、雷电冲击、工频干湿闪络、人工雾闪、水煮等),发现试验结果均在合格范围之内,内外绝缘良好,查不到闪络的原因。因此长期以来被判为原因不明或不明原因。据统计,它约占闪络总次数的24%。然而,这些不明原因闪络的合成绝缘子有其共同的特点:

(1)闪络主要发生在晴天。

(2)闪络的时间都在后半夜或凌晨。

(3)闪络后系统都能重合成功。

(4)闪络的绝缘了污秽度都很轻,一般在0.03～0.05mg/cm2,有的更小。

(5)闪络的绝缘子所在线路无任何系统操作。

(6)闪络的电压等级多为110kV及220kV。

华北电力科学研究院等单位的研究认为:

(1)在绝缘长度相等前提下,合成绝缘子的不明原因闪络比瓷绝缘子的更为突出的基本原因是沿合成绝缘子轴向形成了极不均匀的电场分布。由高电压放电理论可知,不均匀电场的放电电压低于均匀电场,因此,在其他直接原因的配合下,合成绝缘子更容易形成闪络。

(2)造成合成绝缘子及其他类型绝缘子不明原因闪络的直接原因是异物飘至绝缘子附近或附着在绝缘子上,常见的异物包括鸟粪、带金丝的风筝线、锡箔纸、塑料绳、塑料袋、大棚用塑料薄膜等,闪络后由于上述异物被电弧烧毁、被风吹走、落入线下池塘,或因其他原因离开绝缘子表面,在未发现证据的情况下,往往被视为不明原因闪络,其中因近年来环境改善、对鸟类加强保护等原因,鸟类数量增加较快,鸟害掉闸增多,因此下述的鸟粪在距绝缘子外缘十几厘米处落下而造成的闪络可能在不明原因闪络中占有一定的比例。

(3)在特殊情况下发生闪络。例如,有一起完全沿绝缘子表面的闪络,将其表面 (包括伞裙和护套)完全烧黑,现场结合气象、环境因素进行分析,认为是在闪络前不久,大风使合成绝缘子表面短时内落上一层略厚的尘土,在憎水性迁移至尘土前,遇到较潮湿的天气就导致沿面闪络。

3.鸟害闪络

鸟害闪络是指大鸟停留在输电线路合成绝缘子的上方排粪所引起的闪络。具体情况如下:

(1)鸟粪直接落在合成绝缘子表面引起的闪络。即非绝缘污湿的鸟粪恰巧沿绝缘子伞裙边缘往下淌,由于伞间距离较小,容易短接伞裙边缘的空气间隙,而引发的闪络。此种情况下,绝缘子表面有明显的鸟粪痕迹。

(2)鸟粪沿均压环外侧但接近均压环处落下,直接导致上下金具间短路放电。

清华大学在实验室模拟鸟害闪络的试验中发现,鸟粪通路距绝缘子外缘十几厘米时,比直接滴落到伞缘时更容易闪络,其机理可以认为是鸟粪在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均压环或金具之间发生了空气间隙放电而导致的闪络。此种闪络情况不可能在绝缘子上发现鸟粪痕迹。该试验表明,统计中的不明原因闪络可能有很大比例是属于鸟害事故。

4.损坏事故

合成绝缘子损坏包括内绝缘界面击穿、脆断、芯棒从金具中拉落或因突然外力等造成的断裂等。这几种情况都会造成绝缘子永久性的破坏,导致长时间的电力中断。

发生内绝缘界面击穿的合成绝缘子大都是采用早期的单伞套装、真空灌胶技术,若制造过程中工艺控制不严格,可能埋下界面缺陷的隐患。例如某省110kV及以上线路共发生24次闪络,其中有5次事故都发生在早期真空灌胶工艺的合成绝缘子,由于内界面有气泡,导致局部放电引发内部击穿和脆断。现在普遍采用的挤包护套、模压伞裙工艺或整体注射工艺已经基本杜绝了此类事故的发生。而芯棒从金具中拉脱仅出现于早期某种接头结构的合成绝缘子上,内楔式和压接式接头结构尚未见到此类问题的报道。

合成绝缘子芯棒脆断问题在世界范围内都有发生。端部密封或护套劣化后,外界水分侵入,在电场的作用下,可能会形成局部的酸性环境,芯棒在机械应力与酸的共同作用下发生的酸蚀脆断被认为是合成绝缘子脆断的内在原因。例如,华北某500kV线路发生的合成绝缘子脆断就是因端部密封破坏引起的。再如,华东某电力局曾发生一起500kV合成绝缘子芯棒脆断现象。分析某原因主要是均压环倒装,引起高压侧芯棒和金具端部场强增高,在强电场作用下,护套和金具上产生强烈电晕放电,析出臭氧和氮的氧化物,腐蚀金具端部的密封胶和芯棒护套,并以击穿、针孔、径裂形式使护套劣化,水汽通过劣化针孔和裂口渗入金具内部和芯棒,在芯棒和护套之间的界面产生内部放电,这样,有水汽时,当酸的浓度达到一定程度,芯棒发生酸蚀,由最初的裂纹缓慢发展,最后使残余截面上的应力显著增加,造成绝缘子断裂。

酸的来源有2种:

(1)合成绝缘子高压端部电场强烈,电晕严重,空气在电场的作用下电离,产生氮离子与空气中的水结合生成弱硝酸。

(2)酸雨,尤其是在酸雨严重的重污染地区,这些弱酸通过端部密封部分直接与芯棒接触,或沿着合成绝缘子裂纹慢慢渗透。

目前已从提高基体树脂或玻璃纤维的耐酸性能及加强端部密封等几个方面尝试解决合成绝缘子的脆断问题。

5.污闪

合成绝缘子运行在重污区以及重粉尘区时,一遇上潮湿,少数爬距较小者有可能发生污秽闪络。例如,华东地区曾发生一次合成绝缘子集污闪络。该合成绝缘子表面所集的粉尘几乎桥接了伞裙,而在天气晴好,湿度不大的情况下发生了污闪。运行实践证明,采用合成绝缘子只能提高防污闪能力,而不能杜绝污闪。

现场试验及运行中均已发现合成绝缘子在长期受潮后,如在连续雨雾的气候条件下,硅橡胶表面憎水性能有程度不同的下降,有的绝缘子甚至暂时丧失憎水性能,造成漏电增大,耐污闪性能明显降低。在外部连续雨、雾等潮湿条件消失后,憎水性会逐渐恢复。影响憎水性能恢复的主要因素有:

1)硅橡胶材料配方及加工工艺。

2)合成绝缘子连续受潮的时间越长,恢复憎水性所需时间越长。

3)环境温度低,憎水性恢复慢;温度高,恢复快。

4)绝缘子表面粗糙度越高其憎水性恢复越慢。

5)运行时间长的旧绝缘子比新绝缘子憎水性恢复慢,材料的老化亦会影响憎水性的恢复。

6)发生闪络后且有一定烧痕的绝缘子其憎水性恢复明显减慢,虽然在试验中仍然可能通过各项电气试验,但在一定的气候条件下,特别是湿度很大、温度较低的气候环境下,闪络的概率明显增大。上述可以解释华东地区合成绝缘子在晴好天气条件下发生闪络故障的原因。

针对合成绝缘子在运行中发生故障的原因而采取的措施如下:

(1)增大干弧距离。现行标准《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特性》(JB/T 8460—1996)中规定110kV合成绝缘子的干弧距离为1000mm,这对于多雷区,特别是雷电活动强烈的地区来说是偏小,110kV绝缘子要求雷电全波冲击耐受电压为550kV,这对1000mm 干弧距离实际上并无裕度。IEC 在修订标准时提出拟将对应于550kV冲击耐受水平的干弧距离改为1050mm,我国有的地区也建议选用干弧距离为1050mm 的合成绝缘子,在多雷区和雷击强烈的地区所使用的合成绝缘子,应在现行标准的基础上增加15%～20%的裕度,并选择两端金具较短的产品。

(2)适当增大爬电距离。在同样的爬距及污秽条件下,合成绝缘子防污闪能力明显高于瓷绝缘子和玻璃绝缘子。其原因是:

1)硅橡胶伞裙表面为低能面,憎水性良好,且可迁移,使污秽层也具有憎水性,污层表面的水分以小水珠的形式出现,难以形成连续的水膜。其在持续电压的作用下,不像瓷和玻璃绝缘子那样形成集中而强烈的电弧,表面不易形成集中的放电通道,从而具有较高的污闪电压。

2)合成绝缘子杆径小,同污秽条件下表面电阻比瓷、玻璃绝缘子要大,污闪电压也相应要高。

3)与瓷和玻璃绝缘子下表面伞棱式结构不同,合成绝缘子伞裙的结构和形状也不利于污秽的吸附及积累,不需要清扫积污,有利于线路的运行维护。但合成绝缘子仍会污闪,其原因有:表面快速积污或积污过多,造成憎水性难以迁移;气候环境等外因造成绝缘子憎水性减弱或暂时丧失;硅橡胶材料老化造成憎水性及污闪性能下降等。

鉴于合成绝缘子表面的憎水性有消失现象,所以有人提出合成绝缘子的爬电距离不宜低于瓷绝缘的爬电距离,且宜适当增大。

(3)采用均压环。首先应避免均压环倒装;其次应使均压环的结构及尺寸合理。

由于采用均压环会增加鸟粪闪络的可能性。有人提出,从综合考虑引弧与鸟粪闪络的角度看,对110kV及220kV绝缘子采用招弧角似乎是一个可以两者兼顾的措施。

(4)防止鸟害闪络。目前防鸟害主要是加装防鸟装置,防止或减少鸟在绝缘子上方停留。从而降低鸟粪闪络事故。例如,某线路在加装防鸟装置及加长绝缘子串后,不明闪络由33 次/年降低为10次/年。

(5)在线检测。在线检测合成绝缘子的方法如下。

1)观察法。是最常用的方法。可在地面用望远镜观察,也可登杆检查,检查护套、伞裙、金具等部位有无开裂、电蚀、树枝状通道、粉化、起痕等老化迹象,如有以上现象应立即更换。该方法难以发现内绝缘缺陷。

2)紫外成像法。用于检测表面的局部放电。

3)声波法。以检测局部放电的声音来诊断缺陷,但灵敏度较低。

pagenumber_ebook=858,pagenumber_book=848

图10-50　绝缘子类设备红外缺陷典型图谱

(a)合成绝缘子内部受潮发热;(b)合成绝缘子端部棒芯受潮发热;(c)瓷绝缘子发热 (表面污秽);(d)瓷绝缘子低值发热

4)电场法。根据合成绝缘子纵向电场分布曲线的形状来判断内部缺陷。

5)红外测温法。通过检测局部放电、泄漏电流引起的局部温度升高来诊断缺陷。该方法比较直观,是现场实用、方便的一种方法,易于发现早期的缺陷。现场已有的经验认为,红外测温法检测合成绝缘子芯棒发热相当有效。例如,华南某局曾用AGEMA570 红外热成像测温仪对分布在3 条220kV线路上的36只合成绝缘子进行检测,发现9只合成绝缘子热像图异常,其中有边、中、B、A、C相。一般发热点温度50～60℃,最高的1只达73℃ (气温24℃),最严重的1只发热点已到第9～10大裙之间,只剩下一半裙承受运行电压,很可能在雷电或操作冲击下发生同样的击穿事故。分析发热点发现:

(a)凡红外检测发现有明显局部过热点的绝缘子,其硅橡胶表面均显著发黑、粉化、变脆、变硬,有的还有许多细小裂纹,憎水性基本丧失,其中有3只护套有明显的破损点。

(b)局部发热点多集中在靠近高压端一侧,局部发热点与高压端之间的护套明显发黑。

(c)发热点至高压端的一段不能承受工频耐压试验或陡波冲击试验,非护套破损处发热点为内绝缘界面局部放电进展的位置。

现场经验认为,合成绝缘子内部有缺陷时,要经过2～5年的过程发展才会击穿,所以红外定期检测可2年进行1次,以预防这类缺陷。

合成绝缘子闪络事故：原因、影响及防范措施

相关推荐