福建永福电力设计股份有限公司 黄达洋

复合绝缘子结构主要包括伞裙、芯棒和端部金具，具有经济性优异、重量小、可靠性高、憎水性能良好等优势，一直以来在电力系统中扮演了重要角色。20世纪末期，硅橡胶材质的复合绝缘子被首次应用，极大地提高了我国输电线路防污闪工作质量。通过实际运行中发现，110kV线路时常会出现复合绝缘子发生闪络故障，进而引发线路跳闸，严重影响了电网的供电可靠性。

据调查研究结果表明，引发复合绝缘子闪络的原因有多种，主要包括外力破坏、污秽闪络、覆冰/覆雪闪络、雷击闪络以及产品结构自身缺陷等，其中以复合绝缘子雷击闪络事故居首，占总闪络事故的一半以上。另外，鸟粪、覆雪、覆冰、凝露等也是造成复合绝缘子闪络事故的重要原因之一。因此，剖析复合绝缘子特性和各种故障的成因，对指导复合绝缘子更好地应用具有重要的现实意义。本文从复合绝缘子特性分析入手，讨论了不同类型的绝缘子故障产生的原因，最后提出科学防范措施，确保输电线路运行安全性。

1 复合绝缘子特性分析

复合绝缘子伞裙是一种高分子材料，主要成分是以Si-O键为主链结构的聚硅氧烷材料，聚硅氧烷在经过高温硫化后发生交联反应，形成网状结构的弹性体。对于复合绝缘子而言，憎水性及憎水性的迁移特性是其主要特性，同时也是硅橡胶合成绝缘子优异的耐污湿闪络的主要根源。憎水性是固体材料表面的一种重要物理性能，复合绝缘子是由有机硅高分子材料制备而成，因此具有良好的憎水性，这主要是由于聚硅氧烷分子极性弱，表面含有大量的非极性羟基团，材料的表面能极低，因此表现出极佳的憎水性。

在实际运行过程中，复合绝缘子长期暴露于外部环境下，极易受到外部因素干扰，导致材料憎水性降低。当风吹过，会在复合绝缘子串表面形成涡流，使得一些密度较大的粉尘（如金属粉尘）留在绝缘子表面，日积月累下表面积淀的污秽层越积越厚，另外长期高温日晒的环境还加速了高分子材料的老化，导致绝缘子表面劣化，丧失憎水性，耐污功能显著下降。

2 复合绝缘子故障原因

事实上，复合绝缘子在投入运行后发生故障的主要原因是，由于外部环境因素和产品自身性能共同导致的，由于我国输电线路敷设的复杂性，复合绝缘子要在不同环境条件下运行，因此产生的故障类型也多种多样。总体来讲，目前复合绝缘子产生故障主要原因大体包含鸟害、凝露、覆雪、覆冰、雷击、污闪等，具体阐述如下。

2.1 鸟害故障

根据国家电网输电线路故障统计分析，鸟害导致绝缘子闪络故障近几年呈上升趋势，特别是在每年的4月和9月，鸟害故障发生概率较高，相比于一些较高电压等级的线路，110kV低电压等级输电线路由于线路绝缘串的长度相对较短，因此发生鸟害故障概率大。鸟害故障中以鸟粪闪络为首，鸟粪闪络主要原因：一是鸟粪自身具有一定的导电性；二是鸟粪滴落到绝缘子串上，导致绝缘子串被污染，当鸟粪累积量较大时，导致绝缘子发生污闪。

郝金鹏等[1]对鸟粪在绝缘子附近滴落时的空间电场分布情况进行了系统分析，建立了110kV输电线路复合绝缘子鸟粪闪络模型，研究了鸟粪长度、均压环、鸟粪滴落位置因素引起的空间电场的变化。研究结果表明，鸟粪长度与距离绝缘子轴心水平距离是影响鸟粪闪络的主要因素。鸟粪长度越大，距离绝缘子轴心的距离越短，导致绝缘子故障概率增大。另外，复合绝缘子中均压环的存在导致距离缩短，当鸟粪长度为1100mm时，鸟粪闪络的临界距离为200mm。

2.2 凝露故障

近年来，复合绝缘子凝露桥接闪络故障也频频发生。通常，当物体表面温度低于露点温度时会形成凝露，其中露点温度Td满足：

Td=T-(100-RH)/5

式中：T为环境温度，RH为环境湿度。

在秋冬季节，大气环境温度较低，基体表面温度会与大气环境温度存在一定的温差，光照强度、光照时间以及工件厚度都会影响温差大小，在这种温差条件下，材料表面可能发生凝露。液滴从基体表面滴落需要满足的条件是：

mg=πr·cosθ·γ

式中：m代表液滴的质量；g为重力加速度；r是液滴的半径；γ为水的表面张力。

通常，同一平面中相邻液滴之间的距离约为2cm，因此可求得相邻两次凝露滴水之间的时间间隔应不大于171min，当复合绝缘子表面还有鸟粪等污秽时，会缩短相邻两次凝露滴水之间的时间间隔，因此复合绝缘子每个伞裙表面上的每次的凝露滴水量会诱发伞裙间空气间隙击穿放电，发生绝缘子闪络。

2.3 覆雪、覆冰故障

当输电线路表面负载大量积雪时，会对线路的机械性能和电气性能产生不利影响，导致绝缘子沿面电场发生畸变，发生局部放电和电弧，引发复合绝缘子闪络故障。

王涛等[2]针对覆雪引发复合绝缘子闪络故障进行了系统研究，以110kV复合绝缘子为研究对象，重点对覆雪的厚度、空气间隙位置和长度等对绝缘子沿面电场分布的影响进行了讨论。试验结果显示，大量覆雪导致了绝缘子沿面电场发生畸变，与未覆雪的复合绝缘子相比，表面沉积积雪的绝缘子沿面最大场强提高了将近3.4倍，并且随着覆雪厚度的增加，局部场强逐渐增大；另外，当覆雪的绝缘子表面存在空气间隙时，由于空气间隙承担了绝缘子大部分压降，导致了间隙处的场强较大。

2.4 雷击故障

在复合绝缘子闪络故障中，雷击闪络发生概率较高，占总闪络事故率的50%以上。通常来讲，电极间的干弧距离是决定绝缘子串临界冲击闪络电压的关键，而与材质本身影响不大。但事实上，复合绝缘子发生雷击故障闪络概率也较高，这是因为复合绝缘子的伞裙直径在80～160mm，而其他类型绝缘子，如瓷绝型和玻璃型绝缘子其伞裙直径均在254mm以上，可见对于相同串长而言，复合绝缘子的空间电弧距离更小一些，导致其耐雷水平较低，易发生闪络。在复合绝缘子的工程应用中，可考虑合理加大复合绝缘子的串长来保证一定的干弧距离，提升复合绝缘子的耐雷水平，提升复合绝缘子的使用安全性。

2.5 污闪故障

复合绝缘子伞裙材质为硅橡胶，具有优异的憎水性能，但由于复合绝缘子长期暴露于大气环境中，导致硅橡胶材质发生老化、性能下降，另外在长期运行下复合绝缘子表面还会积污，如不进行及时清理会使得污染物积累的量越来越多，致使伞裙憎水性降低，加大了污闪故障发生的概率。但与常规其他类型绝缘子（如玻璃、瓷绝缘子）相比，复合绝缘子在污闪方面体现出一定的优势。

2.6 产品自身问题

产品自身设计、质量问题直接决定了复合绝缘子的整体性能。芯棒是复合绝缘子的“心脏”，当芯棒遭受破坏如发生击穿、断裂等会导致复合绝缘子难以发挥作用，另一个重要问题就是复合绝缘子芯棒与伞套界面之间的密封情况，当密封不良存在缝隙时，外界污染物易于进入内部腐蚀芯棒。与此同时，还要注意均压装置设计的合理性，一旦均压装置设计不当或安装使用方法不科学，都会降低保护效果。

3 防范措施

3.1 加强运行维护管理

一旦复合绝缘子投入应用后，要做好定期检查工作，主要检查项目包括机械性能、憎水性能、老化性能以及电气性能等，建立使用台账，做好数据记录。另外，对于一些运行年限较长的复合绝缘子，还要加强对外观和老化性能的检测评估，缩短检查周期，一旦发现伞套材料脆化、粉化、破裂等问题要引起注意，必要及时进行及时更换。

3.2 合理制定防范鸟害故障措施

现阶段，电力系统在预防鸟害方面制定多项措施，如安装防鸟刺、防鸟罩、风铃等来驱赶鸟类或者不让其停留在复合绝缘子正上方。近年来，随着复合绝缘子鸟粪闪络故障发生概率加大，研究人员在防鸟措施方面不断优化，主要包括：一是优化防鸟罩结构设计。可在鸟罩上加工一些沟槽或加装引流板来引导鸟粪滴落方向；二是安装新型防鸟装置。如超声波驱鸟器、声光型驱鸟器等，通过播放鸟类敏感声音来驱赶鸟类远离杆塔；三是加强复合绝缘子外形及结构设计，使得鸟类不易在绝缘子上站立；四是多种防鸟装置联合应用加强防护。

3.3 强耐雷复合绝缘子的设计

近年来，随着复合绝缘子技术的日趋成熟在电力系统得到了广泛应用，但由于与其他类型绝缘子相比，复合绝缘子工程应用时间较短，因此在耐雷水平设计方面还不够完善，导致闪络事故不断发生。传统设计的复合绝缘子均安装了屏蔽环，使得复合绝缘子伞裙间距被压缩，致使耐雷性能下降。现阶段，技术人员对复合绝缘子进行结构设计优化，大大降低了复合绝缘子雷击闪络，开发了一种经济性优异，耐雷性能良好的强耐雷复合绝缘子，通过在第2片和第4片绝缘子上增加2片金属铝箔贴膜，来改善绝缘子的电容分布，限制雷电过电压作用在绝缘子上电场分布畸变，实现降低绝缘子闪络事故，另外金属铝箔具有优异的柔韧性和延展性，可设计性较强，方便易施工，还具有极佳的导热性能，易于实现批量化生产，因此具有较高的推广应用价值。

3.4 加强新材料、新技术的应用

雨雪、大风、凝露等是一种自然现象，难以避免。近年来，由于大雪、冰冻天气的频繁出现，给输电线路的防冰和除冰工作带来了一定的挑战。功能涂料是一种新型的功能材料，作为一种新型防冰技术在电力系统得到了广泛关注，通过在复合绝缘子表面涂覆功能性涂料，一方面由于涂层具有优异的拒水性，减小了冰雪的附着力，使得覆冰易于从绝缘子表面脱除，另一方面是有效减少过冷却水滴的捕获率，来减少绝缘子的覆冰重量。

目前，代表性的复合绝缘子用功能涂料有超疏水涂料、电热型涂料和光热型涂料[3]，具体阐述如下：

一是超疏水涂料。超疏水涂料也称拒水涂料，将该材料涂覆在复合绝缘子表面会赋予绝缘子优异的憎水性，其表面接触角通常不小于150°，当水滴滴落至复合绝缘子表面时，在基于材料优异的憎水性下，水滴大多呈珠状分布而顺利从涂层表面滑落，未在复合绝缘子表面铺展，进而减少覆冰发生的概率。

二是电热型涂料。电热型涂料按照黏结剂的类型可分为无机系和有机系，其中无机系电热涂料应用更为广泛，无机系电热涂料主要是通过将一些具有导电功能的粒子（如金属粉体、金属氧化物粉体、石墨粉等）加入涂料中，绝缘子在覆冰过程中表面涂层产生泄漏电流，产生一定的电热效应，致使冰层融化，减少复合绝缘子的覆冰量。

三是光热型涂料。通过在涂料中加入具有一定吸光性能的功能填料，来调控涂层的太阳光吸收率，进而将光能转换为热能，已达到减少覆冰量的效果。该技术具有绿色、安全、可持续的特点，具有较高的推广应用价值。

4 结论

架空输电线路在电力系统中占据重要位置，一旦发生故障将会给国民经济带来较大损失。降低复合绝缘子故障率是确保输电线路安全稳定运行的重要途径之一，在实际工作中，要选用强耐雷绝缘子，并加强对复合绝缘子积污状况的监测，对于覆冰区应采用大盘径、大伞裙结构复合绝缘子，合理制定防范鸟害故障措施，并加强新材料、新技术的应用，完善复合绝缘子功能，提高复合绝缘子的运行可靠性。