界面湿放电下护套ATH填料析出对绝缘子芯棒酥朽老化的影响

复合绝缘子中玻璃钢芯棒的酥朽老化现象频繁出现,严重影响了输电线路可靠性。然而,酥朽老化与界面放电的关系尚无明确证据,界面放电下护套粉化对老化的影响仍不明确。文中以内击穿故障而退运绝缘子为参考,搭建了基于界面湿放电的人工加速老化平台,还原了绝缘子的界面放电和芯棒酥朽老化的发生和发展,并模拟了护套ATH填料析出对于酥朽过程的影响。实验在高湿环境下通过界面放电提供酸性和高温条件,在1000 h的老化过程中,对芯棒样品的微观结构、物理化学性质和泄漏电流进行表征。实验结果表明,多因素环境下的复合绝缘子界面放电会引发芯棒中环氧树脂的分解,最终导致玻璃纤维暴露、断裂,形成酥朽老化。同时,由于界面放电导致的护套ATH填料析出行为虽然会加剧芯棒表面老化;但在长期老化过程中,ATH填料可以部分减缓酥朽老化的深入。硅橡胶护套的耐漏电起痕能力对于减缓芯棒酥朽依然有正向效果,使复合绝缘子拥有一定的自修复性。该研究提供了界面放电引发酥朽老化的实验室基础,有助于监测和理解芯棒老化的发展过程和机理,同时从预防和减缓酥朽老化的角度为护套填料配方提供参考。

复合绝缘子酥朽断裂事故的分布规律研究

论文在调研了2010—2020年国网范围内发生的复合绝缘子酥朽断裂事故的基础上,总结了复合绝缘子酥朽断裂事故在中国的地域分布特征,研究了自然环境因素以及运行条件与酥朽断裂事故的关联关系。复合绝缘子酥朽断裂事故集中分布在中国东部沿海及南方地区。根据统计,90%左右的事故绝缘子都位于年降水量在500 mm以上的地区,事故发生前处于相对湿度60%以上的环境中。酥断事故在任何环境温度下均有发生的可能,但仍集中分布在20℃以上的环境温度下。除了环境温度、湿度,酥朽断裂事故的分布与地形、海拔、风力等其他自然因素并无明显的相关性。与酥朽断裂相关性较大的运行条件是电压等级和串型。通过电场计算,高压侧局部场强过大是造成酥朽断裂事故集中分布在500 kV电压等级线路绝缘子的重要原因,但不是V串500 kV复合绝缘子酥朽断裂事故多发的原因。

高低湿环境下酥朽复合绝缘子短样温升与热源仿真分析

复合绝缘子由于其优异的抗污闪性能而被广泛应用于输电线路。基于酥朽复合绝缘子的温升情况通过红外成像技术及时筛查酥朽缺陷是保障电网安全运行的有效手段。但复杂运行工况下影响复合绝缘子温升的因素较多,如环境湿度,护套老化等。针对500 kV酥朽复合绝缘子上截取的两段典型短试样,建立护套老化及酥朽劣化短试样模型,通过有限元方法计算了高低湿环境下两试样温度及电流密度的分布情况,并分析了不同条件下引起试样温升的热源,最后通过试验验证了仿真模型的合理性和计算结果的正确性。仿真结果表明:低湿环境下,护套老化试样温升热源为护套老化层,酥朽试样温升热源为芯棒酥朽部分;高湿环境下,护套老化试样温升热源不变,而酥朽试样温升热源为芯棒-护套界面处的水分以及芯棒酥朽部分。结论对揭示不同劣化状态或缺陷类型下复合绝缘子温升特性及机理具有指导意义和重要参考价值。

复合绝缘子酥朽断裂研究(一):酥朽断裂的主要特征、定义及判据

近年来新出现了一种不同于脆断和通常断裂的复合绝缘子异常断裂现象,笔者将其命名为复合绝缘子酥朽断裂。由2篇论文组成的系列论文旨在将复合绝缘子酥朽断裂作为一类单独的复合绝缘子机械断裂形式进行研究。该文作为系列论文的第1篇,从现场实际的酥朽断裂事故绝缘子的试验分析出发,解释了酥朽断裂命名方式中"酥"和"朽"的具体含义,归纳并提炼出复合绝缘子芯棒中环氧树脂基体的劣化、降解是酥朽断裂的主要特征,并指出酥朽断裂的初始劣化点位于硅橡胶护套与玻璃钢芯棒的界面处;酥朽断裂的产生机理为:放电、电流电蚀环氧树脂基体;受潮条件下放电产生酸性介质;酸性介质、机械应力"切割"玻璃纤维,且芯棒劣化的方向是从外向内。酥朽断裂的明确定义为:在受潮、放电、电流、酸性介质、机械应力共同作用下的复合绝缘子异常断裂现象。芯棒中环氧树脂基体的降解、劣化与否,是区别酥朽断裂与脆性断裂、通常断裂最直接的判据。

复合绝缘子酥朽断裂研究(二):酥朽断裂的试验模拟及预防措施讨论

复合绝缘子酥朽断裂是近年来新出现的一种复合绝缘子异常断裂现象。由2篇论文组成的系列论文旨在将复合绝缘子酥朽断裂作为一类单独的复合绝缘子机械断裂形式进行研究。针对在系列论文的第1篇中提出的酥朽断裂的主要特征和产生机理,该文设计并进行了受潮条件下的电流、放电对玻璃钢芯棒的电蚀试验,在电蚀试验中成功复现了酥朽断裂复合绝缘子玻璃钢芯棒中出现的环氧树脂的降解及劣化现象,验证了潮湿条件下的电蚀过程是导致酥朽断裂芯棒中环氧树脂基体降解的直接原因。基于对现场实际酥朽断裂复合绝缘子的分析以及酥朽断裂的试验模拟结果,文中提出提高玻璃钢芯棒中环氧树脂基体的耐电蚀性能是预防和解决复合绝缘子酥朽断裂的核心思路。对实际运行复合绝缘子的红外检测,是发现潜在的复合绝缘子酥朽断裂事故的有效手段。

不同湿度和观测距离下酥朽复合绝缘子的温升特性研究

针对500 kV酥朽劣化复合绝缘子在干燥、55%、75%、95%环境湿度以及3、5、7 m观测距离下开展红外温升试验,研究不同湿度和观测距离下酥朽复合绝缘子的温升特性。结果表明:酥朽复合绝缘子的温升随环境湿度的增大整体上呈增大趋势,相较于在干燥环境下,在湿度为95%环境下其温升提高了22%~40%,且在湿度一定的情况下,温升随观测距离的增大而减小。通过酥朽复合绝缘子轴线上的温升分布曲线特征可以判断芯棒酥朽劣化段长度,实现酥朽绝缘子酥朽段长度的无损检测。

复合绝缘子酥朽发热老化的原因分析

为探究500 kV陕瀛线复合绝缘子异常发热的原因,采集故障绝缘子样本进行了红外和紫外检测、解剖分析、电镜扫描、X射线能谱分析等试验,结果表明,陕瀛线复合绝缘子异常发热故障是酥朽老化引起;酥朽老化是绝缘子的内部蚀损导致,其直接表现特征为局部发热,红外精确定位是早期发现此类故障的有效办法;酥朽老化的形成过程与复合绝缘子内部缺陷引起的局部放电有关,局放引起发热,伴随环氧树脂化学裂解,玻璃纤维表面蚀损,硝酸根离子产生等特征,导致绝缘子机械强度下降。

复合绝缘子脆性断裂与酥朽断裂差异性研究

为了深入地研究复合绝缘子的酥朽断裂,获得其与脆断的异同,文中对现场酥断故障复合绝缘子进行了外观形貌检查、扫描电镜分析、傅里叶光谱分析以及X射线扫描分析,并且将结果与脆断绝缘子进行了相应地对比分析。分析表明:酥朽绝缘子断口颜色不再正常,芯棒变软劣化,脆断端口颜色正常;与脆断相比,酥朽样品的电镜结果出现了树脂的气泡现象,纤维丝裸露更严重;元素分析表明,两者都受到了硝酸入侵,都出现了芯棒的水解,但酥朽时更严重。基于实验结果,对两者的断裂机理进行了总结分析,得出放电与酸是造成这类故障的共同因素。

酥朽复合绝缘子护套电蚀孔形成过程模拟及分析

酥朽断裂复合绝缘子护套上会出现由内向外发展的横向电蚀孔。电蚀孔的形成主要由护套内部缺陷处的局部放电引起,而局部放电的发生与缺陷内电场分布情况密切相关。为研究酥朽复合绝缘子护套电蚀孔的形成过程,笔者基于硅橡胶电树枝球状生长模式模拟了护套蚀孔的发展过程,分析了蚀孔出现位置与蚀孔发展过程中的电场变化;分析了酥朽复合绝缘子护套蚀孔中的硅橡胶材料变化,提出了蚀孔表面硅橡胶材料的嵌入三层结构。结果表明:初始缺陷出现在原始轴向电场的极小值位置并且其出现位置靠近高压端时,初始缺陷容易发展贯穿成为横向电蚀孔;电蚀孔的纵向发展速度要快于横向发展过程,会形成内大外小的蚀孔形状;水分渗入是蚀孔内硅橡胶材料老化与外部护套表面老化的双重作用造成的。

一起500 kV线路多支复合绝缘子芯棒酥朽发热特征及缺陷起始原因分析

针对一起500 kV同塔双回线路多支复合绝缘子发热事件,开展了现场不同角度的无人机红外测试,对酥朽缺陷绝缘子的温差、发热区段数量及长度进行了分析,并对更换后的发热绝缘子开展外观检查、红外复测、剖检及工业CT、带护套水扩散试验,对比了实验室与现场红外测试差异,通过剖检对比了芯棒酥朽区段与发热位置的关系,并对酥朽原因进行了讨论。结果表明,现场38支酥朽复合绝缘子,94%的绝缘子为1处或2处芯棒发热、6%出现3处发热,79%的绝缘子发热区段长度最长为1至2个伞裙单元、21%存在3-5个伞裙单元的连续发热;除1支绝缘子外,其余缺陷绝缘子温度最高点不处于芯棒高压端。不论高压端是否发热,剖检发现绝缘子高压端位置均存在酥朽,酥朽位置从高压端延伸的最远距离,与红外图像获得的发热位置距离高压端最远距离接近,上述结果可以作为现场发热原因及严重程度判断的依据。不同方向测得的发热区域位置接近、发热区段长度接近,但是温差结果往往相差较大,一侧温差测试结果可达另一侧结果的3.2倍。实验室测得的发热区段长度比现场红外测试结果更长,1~2 K的发热区域获取更为完全,因此现场有必要开展多个角度的近距离红外测试并尽量避免光照的影响,以确保缺陷等级判定的准确。缺陷绝缘子护套存在孔洞缺陷、芯棒局部存在裂纹缺陷,同时绝缘子均压环罩入深度不足,上述因素综合作用是引发本次芯棒酥朽的原因。

酥朽复合绝缘子轴向老化特性研究

复合绝缘子酥朽断裂问题已经成为了阻碍其在电网进一步大范围使用的安全隐患。为了深入地研究酥朽复合绝缘子的劣化特征,通过对现场收集酥朽故障绝缘子试样的宏观分析、解剖分析、电镜扫描分析、傅里叶红外光谱分析、X射线光电子能谱分析等研究了酥朽复合绝缘子轴向老化特性。研究结果表明:酥朽断裂复合绝缘子在轴向上出现明显的区域差异性,断裂面离芯棒断口近的地方芯棒颜色为黑色、白色,离断口远的地方为深棕色、浅棕色,断裂面的反面也出现了相似的趋势,但是受损较轻;黑色区域树脂几乎完全降解,芯棒被严重破坏;白色物质是劣化后的硅橡胶;棕色区域芯棒劣化后,C元素含量减少,O元素含量增加;局部放电是导致这种差异的主要原因。

复合绝缘子酥朽断裂及内击穿故障的关联性分析

复合绝缘子酥朽断裂和内击穿属于两类严重影响电力系统稳定运行的恶性事故。在对多起酥朽断裂和内击穿事故案例分析过程中,发现二者的故障形貌表现出诸多相似性,进而推测二者存在某种内在关联性。通过对比分析复合绝缘子酥朽断裂和内击穿事故的故障特征、故障机理及发展过程,本文指出,复合绝缘子酥朽断裂和内击穿事故具有相同的故障本质,即由芯棒与护套界面缺陷诱发的芯棒酥朽老化现象。酥朽老化发展过程同时损害绝缘子的电气性能与机械性能,而最终发展为电气事故(内击穿)或机械事故(酥朽断裂)取决于绝缘子最小干弧距离与芯棒直径之比。实际案例统计数据表明,内击穿多发于110 kV、220 kV线路复合绝缘子,而酥朽断裂目前仅见于500 kV复合绝缘子,这一规律与本研究理论推导结论相符,验证了本研究所提理论的合理性。

复合绝缘子早期酥朽故障诊断及异常发热机理研究

在巡线中借助红外测温装置发现了一起复合绝缘子异常发热故障。对故障绝缘子进行了红外和紫外测试、额定拉力测试、解剖观察、扫描电镜、X射线光电子能谱分析等检测试验,结果表明,复合绝缘子处于酥朽老化早期发展阶段,酥朽芯棒表面局部放电电流的热效应、化学效应以及从端部侵入的水分在强电场下的极化损耗共同导致了故障处异常发热。进一步分析了酥朽老化与异常发热的内在关联,指出酥朽老化发展全过程中必然伴随发热现象,且二者的初始诱因均为绝缘子内部缺陷处引发的局部放电。此外,在高温高湿环境下,水分侵入芯棒会加剧极化升温,且热量难以及时散发,此时尽管芯棒酥朽老化程度不严重,仍可能出现异常温升现象。该结论为红外测温技术应用于复合绝缘子酥朽老化诊断领域提供了理论支撑。

基于随机森林算法的异常发热复合绝缘子分类模型

不同类型异常发热复合绝缘子对应的检修决策、应急处理手段各不相同,因此迫切需要建立复合绝缘子异常发热类型识别方法。该文分析了表面积污、护套老化受潮和芯棒酥朽发热复合绝缘子的表面中轴线温度曲线,并定义了7个温度特征量对复合绝缘子异常发热状态进行表征。此外,该文提出了基于随机森林算法的异常发热复合绝缘子分类型模型,并使用现场和实验室拍摄的异常发热复合绝缘子红外图像构建温度特征量样本集。采用SMOTE算法对芯棒酥朽复合绝缘子温度特征量进行数据增广、10折交叉验证选择决策树个数。模型测试结果显示,表面积污、护套老化受潮和芯棒酥朽复合绝缘子的分类精确率均在85%以上。

一起500kV复合绝缘子断裂故障分析

针对一起禁飞区500 kV复合绝缘子断裂导致导线掉线事故,依据现行标准对故障绝缘子开展了外观检测、材料性能试验和电气试验。综合现场事故调查情况和检测分析结果发现,由于复合绝缘子芯棒玻璃纤维与硅橡胶护套界面存在缺陷,在挂网运行多年后绝缘子芯棒老化,加之受运行环境综合影响,加剧了芯棒内部纤维化和整体结构变性,最终导致绝缘子酥朽断裂,进而发生导线脱串掉线事故。最后,给出无人机禁飞区、弱信号等区段线路复合绝缘子的运维策略及防范措施,以避免此类事故再次发生,确保电网安全稳定运行。

一起500 kV线路复合绝缘子发热缺陷分析

复合绝缘子发热缺陷会对输电线路的安全稳定运行构成严重威胁。针对一起500 kV线路复合绝缘子发热事件,对该线路两种型号的发热绝缘子进行了外观检查、红外检测、解剖检查、憎水性试验、渗透性试验、水扩散试验、密封性试验,分析了复合绝缘子发热的缺陷及发热原因。结果表明:两种型号发热绝缘子均存在芯棒-护套粘接不良缺陷,同时水扩散泄漏电流幅值超过标准值,该缺陷是导致绝缘子芯棒酥朽并发热的原因。针对该缺陷提出了运行维护建议。

伞套硅橡胶含量对复合绝缘子运行寿命的影响

现有技术的硅橡胶复合绝缘子运行寿命仅10~20 a,远低于瓷/玻璃绝缘子的50~100 a寿命。考虑到相对集中的老化风险和密集更换的巨额投入,该产品在不远的将来可能成为电网隐患,因此大幅度提升复合绝缘子寿命已成为亟待解决的问题,其中酥朽缺陷频发和防污闪性能下降是影响寿命的两大焦点。基于运行统计、电场分布计算、酥朽绝缘子解剖、交变屈曲–电场–温度–湿度的多因素疲劳试验及硅橡胶伞套低温机械性能测试等,验证了交变弯曲是部分酥朽的重要成因,在低温条件共同作用下易导致现有产品的低硅橡胶含量伞套劣化、开裂,从而丧失对芯棒和界面的保护作用,致使紧凑型V串、跳串等易承受弯曲荷载的绝缘子具有高酥朽占比;过于严苛的电蚀损要求已成为限制伞套胶含量及复合绝缘子寿命的瓶颈;合理突破现行标准的电蚀损参数以实现胶含量的大幅度提高,从而使伞套长久保持硅橡胶固有的耐候性、耐寒性、低温弹性及憎水迁移性已成为提升复合绝缘子寿命的关键。

高压复合绝缘子用GFRP材料吸湿特性及湿应力分布数值模拟

在我国南方长期高温高湿环境下,外界水分逐渐侵入复合绝缘子芯棒内部,会造成芯棒酥朽劣化甚至会使整支绝缘子断裂,因此准确模拟及分析水分入侵过程对于解决此类问题至关重要。该文仿真计算外界环境温度分别为10℃、20℃和30℃,相对湿度为90%下高压复合绝缘子用玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)材料的瞬态吸湿扩散过程及材料内部的湿应力变化情况。结果显示,水分在GFRP材料内部的扩散过程满足Fick定律,且吸湿扩散率和饱和吸湿率均随环境温度的升高而有所增大;在GFRP材料内部纤维分布密集处和纤维-基体界面处存在较大的湿应力和湿失配应力,且其与吸湿量正相关。当饱和吸湿率在0.008%~0.4%时,材料内部最大湿应力可达到48.07~66.06MPa。进一步研究分析得出,材料内部吸湿和脱湿周期性循环且湿应力水平较高的情况下,易产生微裂纹、微孔洞、纤维-基体界面脱粘开裂等缺陷,并进一步促进材料的吸湿。该文将计算值与已有文献中的试验值进行比较,相对误差在±5%以内,验证了模型的合理性和计算结果的正确性。研究结论对揭示复合绝缘子芯棒酥朽断裂机理、提高复合绝缘子使用寿命具有重要的参考价值。

广东地区高温发热线路棒形复合绝缘子劣化特性

为了揭示高温发热的线路棒形复合绝缘子的劣化特性,文中对广东电网江门供电局某220 kV故障绝缘子开展了研究。观察了该支绝缘子的外观形貌,在带电状态下进行红外、紫外检测。之后进行解剖观察,采用现代材料测试方法(SEM、XPS)对比了芯棒劣化处与正常处的材料特性,使用宽频介电谱仪对比测试了劣化处与正常处芯棒短样的电气参数。试验和解剖结果发现,该绝缘子护套表面有击穿孔,加压温升严重、外部有微弱放电。内部交界面处芯棒表面劣化已经从高压端延伸至中部。材料分析表明界面处芯棒受到了严重的放电破坏,环氧树脂发生裂解,玻璃纤维有断裂和蚀损现象,存在氧化分解、酸性液体侵蚀等劣化过程。此外,劣化处芯棒的介电常数、介损角正切、电导率都有了明显的上升,造成电场进一步产生畸变,局部放电过程增强。研究表明,该类高温发热的线路棒形复合绝缘子芯棒劣化严重,并且局部放电等劣化过程较为剧烈,断裂风险极大。

复合绝缘子芯棒湿热条件下劣化特性研究

近年来,复合绝缘子酥朽断裂问题引起了学术界及工业界的高度重视,但断裂原因一直莫衷一是。研究表明了复合绝缘子酥朽断裂的原因可能包括湿气侵蚀、电蚀、酸性介质腐蚀等因素。针对湿气侵蚀因素,文中研究了复合绝缘子芯棒在湿热条件下的劣化过程。首先观察了芯棒湿热作用后芯棒的宏观形貌,发现芯棒呈现发黄发白的颜色,质地变得疏松,形如腐朽的木头。随后对芯棒在高湿环境下的发热情况进行了观测,发现劣化后芯棒的温升明显高于未劣化芯棒的温升。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、热失重分析(TGA)等实验分析了芯棒在湿热作用后的理化特性,发现芯棒的环氧树脂基体发生了酯基的水解反应和环氧大分子的分解反应,而玻璃纤维没有明显劣化现象但有排列错乱的情况。湿热作用后芯棒的理化特性和温升情况表明芯棒在运行条件下可能形成发热和劣化的正反馈循环。最后,将湿热劣化后的芯棒与现场酥朽断裂芯棒的宏观形貌和理化特性进行对比,揭示了湿热作用是导致复合绝缘子酥朽断裂的重要原因之一。