伍 弘， 刘世涛， 郝金鹏， 房子祎， 杨 凯， 吴 波

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院, 银川 750011)

0 引 言

复合绝缘子因其质量轻、机械强度高、耐污闪性能优异以及维护简单等优点而广泛应用于35 kV及以上架空输电线路中[1-2]。目前，复合绝缘子在国网系统的用量超在运绝缘子总量的45.5%，且其中62%已运行5年以上。复合绝缘子的广泛应用虽从侧面进一步说明了其相较于瓷或玻璃绝缘子所具有更高的性价比，但复合绝缘子由复合材料伞裙、护套和环氧玻璃纤维芯棒所构成这一特点，注定了老化问题始终是影响复合绝缘子长期运行可靠性的关键因素之一。

老化特性及其检测方法是复合绝缘子的主要研究方向之一，对象主要包括硅橡胶伞裙护套[3-4]、环氧树脂和玻璃纤维芯棒[5-6]以及不同材质的交界面或相同材质但制作工序不同产生的分界面等[7-9]。如文献[10-11]通过傅里叶红外光谱(FTIR)分析了复合绝缘子伞裙不同分子链的吸收峰面积，从而对其老化进程进行了研究；文献[12-13]采用扫描电子显微镜(SEM)和热刺激电流测试(TSC)分析样品的微观形貌和陷阱特性，以研究复合绝缘子芯棒的湿热老化情况；文献[14]对采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)测试复合绝缘子元素含量浅深比表征其老化程度进行了初步探讨，文献[15]则用LIBS分析了老化复合绝缘子表面硬度。此外，通过宏观试验获取复合绝缘子的一些外在表征如憎水性、表面泄漏电流等也是研究其老化进程的重要手段[16-18]。

酥朽断裂是复合绝缘子在低机械负荷下发生的一种严重故障，是影响运行单位执行复合绝缘子寿命周期的重要因素，其主要特征是玻璃纤维芯棒中环氧树脂基体的降解和劣化[1, 19]。相关的研究表明，造成复合绝缘子酥断的主要原因为芯棒-护套界面存在缺陷[20-21]。因此，准确评估复合绝缘子的芯棒-护套界面性能对指导设备管理单位运维复合绝缘子具有重要意义。

宁夏位于中国西北地区东部，气候干冷且多风沙，电网运行环境复杂多样。同时宁夏电网绝缘子复合化率已达80%以上，因此复合绝缘子在外部环境影响下的长期运行性能很大程度上决定了电网的安全稳定运行水平。为准确评估宁夏地区运行复合绝缘子芯棒-护套界面粘接性、耐水解及耐湿热老化性能，结合年度抽检工作，对宁夏电网运行6年及以上、不同电压等级的复合绝缘子进行宏观试验和微观分析。相关的试验分析结果为评价宁夏地区复合绝缘子运行状态提供了可靠数据支撑，还可为后续复合绝缘子的运维检修提供建议。

1 复合绝缘子界面概况

复合绝缘子不同构成材料之间存在接触面，即分界面或交界面。按照其组成结构层次不同，可分为不同的界面类型[22]，见图1。

图1 复合绝缘子结构及界面示意图Fig.1 Schematic diagram of composite insulator structure and interface

其中，芯棒-护套界面，即玻璃钢芯棒与硅橡胶护套的交界面，是复合绝缘子的高危界面之一。芯棒与护套共同组成了复合绝缘子的内绝缘，一旦两者交界面存在异常，大概率会引发护套或芯棒故障。

芯棒-护套界面性能是复合绝缘子整体性能的重要表征之一，正确、有效评估芯棒-护套界面性能并采取相应措施是实现复合绝缘子质量管控的重要手段。

2 芯棒-护套界面性能评估

2.1 评估对象

宁夏电网在运复合绝缘子总量已超13.5万支，并呈逐年递增趋势，其中运行5年以上的占60.6%。为评估宁夏电网运行复合绝缘子芯棒-护套界面性能，从2019年度抽检的153支运行复合绝缘子中选取35 kV～750 kV运行6年及以上、33个厂家批次的110支作为此次评估对象。评估对象的电压及运行年限分布情况见图2。由图2可知，此次评估对象中110 kV试品占绝大多数，达到66.4%，运行年限则多集中在11年，这与宁夏电网的网架结构密切相关。

图2 评估对象的电压分布及运行年限分布情况Fig.2 Voltage and operation years distribution of the evaluated object

2.2 密封性能试验

复合绝缘子如因端部密封不良导致水汽侵入，将直接影响其芯棒-护套界面性能，进而引发护套烧蚀、芯棒腐蚀甚至断裂(非耐酸芯棒)故障。为避免因端部密封不良造成的芯棒-护套界面性能劣化而影响评估结果，首先选取33个厂家批次各1支试品进行密封性能试验。将试品端部金属附件污染物清除干净后，均匀喷涂渗透剂并施加70%的额定机械负荷保持1 min；待渗透剂浸染超过10 min后，清洗掉表面的渗透剂，均匀喷涂显像剂。经仔细检查，所有被检测试品的金属附件、护套与金属附件交界面均未发现裂痕或其他异常现象，表明其端部密封性能良好。某喷涂显像剂后的试品如见图3。

图3 某喷涂显像剂后的试品Fig.3 Sample of sprayed imaging agent

密封性能试验结果表明，所要评估的33个厂家批次产品端部密封性能良好，后续芯棒-护套界面性能评估结果可不考虑其受水汽或污秽从端部侵入带来的影响。

2.3 剖检试验

剖检试验通过将复合绝缘子护套部分或全部从芯棒去除，观察芯棒表面护套的残留情况来判断两者间的粘接性能。目前，对复合绝缘子剖检试验后芯棒、护套间的粘接情况暂无明确分级标准，参照憎水性分级标准，按照芯棒与护套的剥离情况，将复合绝缘子护套与芯棒的粘接性分为CC1～CC5 5个等级(Coherence Class, CC)[23]。各级参考图片见图4。其中，CC1级表明粘接性差，按不合格计。

图4 复合绝缘子芯棒-护套粘接性分级图Fig.4 Coherence class diagram of composite insulator mandrel and sheath

选择33个厂家批次产品中的29个做剖检试验(其中有4个厂家批次产品抽检数≤2支)，每个批次产品选1支进行试验。其结果见表1(批次编号也是试品编号)。

表1 运行复合绝缘子剖检试验结果Table 1 The results of operated insulators’ peel strength

由表1可知，试品粘接性等级在CC4及以上的仅4支，而CC1的有4支，说明大多数试品芯棒-护套的粘接性均有不同程度的下降。两种不同情况的CC1级试品见图5。

图5 粘接性等级为CC1级的复合绝缘子试品Fig.5 Samples of composite insulators with CC1

2.4 带护套芯棒水扩散试验

为判断复合绝缘子芯棒-护套交界面的耐水解及耐湿热老化性能，选择全部33个厂家批次产品进行带护套芯棒水扩散试验，制样、预处理及电压试验遵照GB/T 19519-2014执行(每支绝缘子试品做成6只样品)。试验结果主要有以下5种类型：

A型：6只水扩散试验样品的泄漏电流均小于等于100 μA(9支)。

B型：6只水扩散试验样品中有任意支数的泄漏电流大于100 μA，小于1 000 μA，且无闪络(4支)。

C型：6只水扩散试验样品中有1只及以上泄漏电流值大于1 000 μA(3支)。

D型：6只水扩散试验样品中有1次闪络(10支)。

E型：6只水扩散试验样品中有2次及以上闪络(7支)。

根据GB/T 19519-2014规定，水扩散试验中不应发生击穿或表面闪络，且整个试验期间的泄漏电流不应超过100 μA(r.m.s)。据此判断本次试验中仅有9支试品合格，整体合格率较低。这表明长期运行于宁夏地区的复合绝缘子芯棒-护套交界面的耐水解、耐湿热老化性能均有较大程度的下降。

对比剖检试验与带护套芯棒水扩散试验结果，其中水扩散试验合格的A型9支试品其芯棒-护套粘接等级均为CC3级以上(较好)；而芯棒-护套粘接等级为CC1(差)的4支试品中有3支水扩散试验不合格(发生2次以上闪络或泄漏电流大于1 mA)，但仍有1支水扩散试验合格(泄漏电流小于100 μA，试品编号为29号，剖检试验结果如图5(b)所示)。

综合上述试验结果可知，带护套芯棒水扩散试验能有效发现复合绝缘子芯棒-护套界面性能存在的异常，且相比剖检试验能甄别出更多的劣化绝缘子；水扩散试验可以量化复合绝缘子芯棒-护套界面性能，且精度较高，避免了剖检试验因人的主观判断和受经验影响所带来的试验误差；水扩散试验因制备样品的不同，可能会漏掉局部界面存在空隙的部分(如试品29号)，应与剖检试验结合应用。

2.5 傅里叶红外光谱分析

复合绝缘子水扩散试验结果不合格表明其芯棒-护套界面性能劣化(老化)，而复合绝缘子在运行过程中，硅橡胶伞裙是最先出现老化表征的。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对复合绝缘子硅橡胶伞裙的特征官能团进行分析可有效判断其老化程度。为查找复合绝缘子芯棒-护套界面老化与伞裙老化间的关系，分别选取同厂家批次、运行于同一地区相同电压等级线路、水扩散试验结果不同的多支复合绝缘子相同部位硅橡胶伞裙进行傅里叶变换红外光谱分析，结果如下：

1)对水扩散试验结果分别为A型和E型的2支复合绝缘子做红外光谱分析，其吸收光谱对比见图6。

图6 不同水扩散试验结果的复合绝缘子(2支)红外光谱图Fig.6 Infrared spectrum of 2 composite insulators′ skirt with different water diffusion test results

分析图6可得，水扩散试验结果为A型试品的-OH基团(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略低于E型试品，而Si-O-Si基团(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量则略高于E型试品，其他基团含量两者相差不大。

2)对水扩散试验结果同为E型但闪络次数不同的2支复合绝缘子做红外光谱分析，其吸收光谱对比见图7。

图7 相同水扩散试验结果的复合绝缘子(2支)红外光谱图Fig.7 Infrared spectrum of 2 composite insulators′ skirt with same water diffusion test results

分析图7可得，水扩散试验结果为E型试品(闪络2次)的-OH基团(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略高于闪络4次的E型试品，而Si-O-Si基团(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量则略低于闪络4次的E型试品，其他基团含量两者相差不大。

3)对水扩散试验结果分别为B、C、E型的3支复合绝缘子做红外光谱分析，其吸收光谱对比见图8。

图8 不同水扩散试验结果的复合绝缘子(3支)红外光谱图Fig.8 Infrared spectrum of 3 composite insulators′ skirt with different water diffusion test results

分析图8可得，水扩散试验结果为E型试品的-OH基团(3 700 cmA-1～3 200 cmA-1)含量略高于C型和B型，Si-O-Si基团(1 100 cmA-1～1 000 cmA-1)含量也略高于C型和B型。

综合上述傅里叶变换红外光谱分析结果可知，虽然带护套芯棒水扩散试验结果相差较大，但只要是同厂家批次、运行于同一地区相同电压等级线路的复合绝缘子，其硅橡胶伞裙的老化程度无明显差异且不呈现一定规律(主要特征官能团含量相差不大)，表明在同样的运行环境下，复合绝缘子-大气界面(伞裙表面)的老化进程与芯棒-护套界面的老化进程并不一致。

2.6 运行年限分析

统计水扩散试验结果中除A型外的24支复合绝缘子试品运行时间，其结果见图9。

图9 水扩散试验结果不合格试品运行年限Fig.9 Operation time of samples with different water diffusion test results

图9中仅8号和30号试品运行时间在8年以下。其中8号试品水扩散试验结果为单次闪络，其它5次泄漏电流均在100 μA以下；30号试品水扩散试验结果为4次闪络，但该支试品外观检查中发现其护套有明显的闪络烧蚀痕迹。因此，考虑试验的操作误差，可认为本次水扩散试验中除A型结果的9支试品外，其它试品运行年限均在8年及以上(粘接性等级为CC1的29号试品运行年限为14年)，表明复合绝缘子芯棒-护套界面性能劣化与其运行年限有直接关系。

3 评估结果及运维建议

通过对运行于宁夏地区的33个厂家批次复合绝缘子进行各项试验分析，考虑试验过程中存在一定操作误差，得到此次评估结果如下。

有4个厂家批次产品存在芯棒-护套粘接性差(包括存在局部空隙的1个)；有22个厂家批次产品芯棒-护套界面耐水解及耐湿热老化性能差(包括粘接性差的其中3个)，总计有23个厂家批次产品芯棒-护套界面性能差。

造成被试绝缘子芯棒-护套界面性能劣化的主要原因为产品生产制作过程中工艺不良，长时间运行后偶联剂老化失效，进一步导致芯棒-护套界面粘接性下降和界面的耐水解和耐湿热老化性能下降。

复合绝缘子芯棒-护套界面性能老化进程与伞裙表面的老化进程并不一致，但长时间运行后两者均较大概率会出现严重老化现象。

宁夏地区气候干燥寒冷，空气湿度低，对运行复合绝缘子的影响远不如南方湿热环境强烈。但运行时间超过8年后，69.7%的厂家批次复合绝缘子会出现芯棒-护套界面性能劣化，持续运行可能造成护套烧蚀穿孔、芯棒腐蚀等问题。因此，建议有关单位对本次评估中芯棒-护套界面性能为差的同厂家批次产品逐步进行更换。对暂未更换的，要采用如红外测温等手段加强巡视监测，一旦发现异常要及时处理。

4 结束语

复合绝缘子运行过程中发生缺陷或故障往往并非单一原因所致，把控关键环节质量有助于提升其整体运行水平。芯棒-护套界面作为复合绝缘子的高危界面之一，在于其连接绝缘子内外环境后可能导致严重后果。如运行于湿热地区的复合绝缘子端部密封性能不良且内部芯棒采用了非耐酸芯棒，此时若其芯棒-护套的粘接性、耐水解及耐湿热老化性能严重下降，极可能导致护套烧蚀穿孔甚至芯棒断裂事故。因此，通过不同类型的宏观试验及微观分析评估复合绝缘子的芯棒-护套界面性能，并根据评估结果及时采取相应措施，对复合绝缘子质量管控，保障电网安全运行具有重要意义。