常 彬，王 博，李玉超，马 波，陈 泓，吴 波，李秀广，方宏亮

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川 750002；2.国网宁夏电力公司中卫供电公司，宁夏中卫，755000；3.国网宁夏电力公司，银川750001；4.中国国电集团大武口热电有限公司，宁夏石嘴山，753000）

交流盘形悬式复合瓷绝缘子试验研究及性能分析

常 彬1，王 博1，李玉超2，马 波1，陈 泓3，吴 波1，李秀广1，方宏亮4

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川 750002；2.国网宁夏电力公司中卫供电公司，宁夏中卫，755000；3.国网宁夏电力公司，银川750001；4.中国国电集团大武口热电有限公司，宁夏石嘴山，753000）

复合瓷绝缘子作为一种新型绝缘子，已在部分输电线路上应用，为研究复合瓷绝缘子的性能，抽取两个厂家的20片样品，对复合瓷绝缘子开展表面结构测量、憎水性、绝缘电阻测试、工频耐压试验、空气中冲击击穿试验和机械破坏试验，进而对复合瓷绝缘子的性能进行分析。试验结果的发现复合瓷绝缘子憎水性达到HC1级、且具有良好的机械性能和耐工频交流电压性能，但是单片绝缘子没有通过空气中冲击击穿试验，在耐雷击水平上有所欠缺，其生产工艺、质量需进一步加强。

复合瓷绝缘子；试验研究；性能分析；空气中冲击击穿试验

0 引言

复合瓷绝缘子采用了瓷的芯盘和硅橡胶的伞裙结构，采用高强瓷为材料的瓷芯盘具有良好的机械性能，而高温流化硅橡胶伞裙则具有良好的防污闪性能[1]。这个结构充分利用了传统瓷绝缘子和复合绝缘子的优点，与传统的瓷绝缘子相比，复合瓷绝缘子具有重量轻且不易破碎的特点，与复合绝缘子相比可以大规模的应用于耐张杆塔上；复合瓷绝缘子的大规模应用可以降低输电线路的建设、安装、运维成本和工作量[2]。

复合瓷绝缘子目前已经在国内多个电网上挂网运行，作为一种结合了瓷芯盘和复合材料伞裙的绝缘子，国家电网标准[3]在用空气中冲击击穿试验进行考核其耐雷电性能的时候，采用的是陡度法来考核，而且是瓷芯盘和界面分开考核的办法。对于瓷芯盘的考核采用的是4 000 kV/μs的陡度，但是对于整体绝缘子的考核用的是复合绝缘子1 000～1 500 kV/μs的陡度。这种考核办法是对于绝缘子整体耐雷击性能的考核是比较轻的，也反映了复合瓷绝缘子在空气中冲击击穿试验性能方面有所不足，国内学者从绝缘子总体性能方面出发，认为应该用幅值法统一绝缘子空气中冲击击穿试验方法[4]。

除了对于空气中冲击击穿试验的研究外，国内外对于复合瓷绝缘子机械性能和嗲气性能的研究还比较少。针对复合瓷绝缘子的结构、机械、电气等方面的性能进行试验研究，综合分析试验结果为复合瓷绝缘子的挂网运行提供可靠的试验数据及依据，以减少以后运行维护中出现的问题，并对其安装区域及外部环境提出合理化建议。

1 复合瓷绝缘子试验研究

1.1 结构尺寸及憎水性试验

本次试验抽取A、B两个厂家共计20片新制复合瓷绝缘子样品进行实验研究和分析。其尺寸检查、憎水性、外观检查见表1-表3及图1，图2。

表1 试品铭牌参数Table 1 Test parameters on the nameplate

表2 试品结构尺寸检查结果Table 2 Test results of structure size

表3 试品憎水性、外观检查试验结果Table 3 Test results of hydrophobicity and appearance Inspection

图1 复合瓷绝缘子整体结构图Fig.1 Integral structure of composite porcelain insulator

图2 复合瓷绝缘子剖开结果图Fig.2 The picture of the cut composite insulator

由表1-表3及图1-图2可知A厂家结构高度在145～150 mm之间，直径在326～330 mm之间，爬电距离在446～462mm之间；B厂家结构高度为146～151mm，直径为321～328 mm，爬电距离为449～459 mm。A、B厂家所送20片样品憎水性均为HC1，见图3，图4尺寸检查均符合标准要求，且外观良好无破损[3]。

图3 试品上表面憎水性测试Fig.3 Surface hydrophobicity test

图4 试品下表面憎水性测试Fig.4 The bottom surface hydrophobicity test

1.2 电气试验前绝缘电阻测试

绝缘电阻试验在进行电气性能试验前进行测试，要求电气试验后绝缘电阻值不允许降低，电气试验前绝缘电阻值见表4。

表4 电气试验前绝缘电阻测试结果Table 4 Test results of insulation resistance before electrical test

由表4可以看出1-20试品绝缘电阻值均符合标准要求[3]，但是B厂家的试品测试值明显高于A厂家，说明B厂家样品绝缘性能较好。

1.3 电气性能试验

针对复合瓷绝缘子的外绝缘性能，分别进行绝缘电阻测试、干工频耐压试验和空气中冲击击穿耐受试验。

1.3.1 干工频耐压试验

对两个厂家20片样品分别进行干工频耐压试验，试验结果见表5。

表5 干工频耐压试验结果Table 5 Test results of dry power frequency voltage withstand test

由表5可以看出，20片试品均通过80千伏一分钟干工频交流耐压试验，表明复合瓷绝缘子耐工频交流电压性能较好。

1.3.2 工频击穿耐受试验

将清洁干燥的绝缘子完全浸人盛有合适绝缘介质的容器内，以防止绝缘子表面放电。如容器是金属制成的，则其尺寸应足够大，使得绝缘子的任何部分与容器壁间最短距离不小于绝缘子最大伞径的1.5倍。绝缘介质温度应接近于室温[3-5]，试验结果见表6。

由表6可以看出复合瓷绝缘子具有较好的耐工频电压性能，本次试验中120 kV规定最小击穿电压为技术协议文件中规定。

1.3.3 空气中冲击击穿耐受试验

采用空气中冲击击穿试验来评估绝缘子耐受雷电冲击的水平，本次抽样的试品是1-20号由瓷芯盘、高温硫化硅橡胶伞套和金属附件构成，根据国家电网标准[3]关于复合瓷绝缘子的定义此次样品属于A类复合瓷绝缘子，所以本次试验每片试品正负极各冲击25次，陡度在1000 kV/μs-1500 kV/μs之间，每次冲击应在电极外部闪络，不发生绝缘体、界面和伞套击穿或损坏[3]，其试验结果见表7、图5-图8。

表6 工频击穿耐压试验结果Table 6 Test results of power frequency breakdown voltage

表7 冲击击穿试验结果Table.7 Test results of impulse voltage breakdown

由表7可知B厂有4片未通过冲击击穿试验，A厂有3片未通过试验，7片未通过试验的试品有6片是在负极性时击穿，1片在正极性击穿，可见对于本试验来说，负极性的考核对复合瓷绝缘子更严格。

图5 通过试验试品正极性波形Fig.5 Positive polarity waveform of the test specimen

由图5-图8可知通过冲击击穿试验的波形在外部闪络，陡度较高，未通过试验的波形在内部击穿，陡度较小。

图6 通过试验试品负极性波形Fig.6 Negative polarity waveform of test specimen

图7 9号试品正极性绝缘击穿波形Fig.7 Positive polarity dielectric breakdown waveform for No.9 test specimen

图8 15试品负极性绝缘击穿波形Fig.8 Negative polarity dielectric breakdown waveform for 15 test specimen

1.4 电气试验后绝缘电阻测试

对1-20号试品进行绝缘电阻测试，并与试验前的绝缘电阻值进行对比，结果发现在通过陡波试验的试品绝缘电阻值与试验前相比均未降低，而未通过试品绝缘电阻值均低于标准要求，可以认为是零值或低值绝缘子，其前后对比试验结果见表8。

由表8可知被击穿绝缘子绝缘电阻值均小于标准要求的500 MΩ，与试验前相比绝缘子的绝缘性能基本丧失。

表8 电气试验前后绝缘电阻测试结果对比Table 8 Comparison of test results of insulation resistance before and after electrical test

1.5 机械性能试验

1.5.1 机械破坏负荷试验

将试品组成4个标准短串进行机械破坏试验，每个标准短串由5片绝缘子组成，将其安装在卧式拉力机上，拉伸负荷应平稳、迅速地从零增加到约为规定机械破坏负荷的75%，然后以每分钟100%～35%规定机械破坏负荷的速度（相当于在15s～45s时间内达到规定机械破坏负荷）逐步增加到破坏负荷为止，并记录该数值[3，5]。其试验结果见表9，部分试验波形见图9，图10。

表9 机械破坏试验结果Table 9 Test results of mechanical failure

图9 标准短串1机械破坏试验波形Fig.9 Mechanical failure test waveforms of No.1 standard short string

图10 标准短串3机械破坏试验波形Fig.10 Mechanical failure test waveforms of No.3 standard short string

由表9、图9、图10可知1-4号标准短串的机械破坏负荷分别为133.49 kN、112.57 kN、106.36 kN、128.64 kN均超过了100 kN，根据国家电网公司标准[3]对结果进行计算判定，如下式（1），其中-x1为抽样试验结果平均值；SFL为规定的机械破坏负荷，本次试验为100 kN；C1为计算常数，四个样本取1；δ1为抽样试验结果的标准偏差。

将具体数值带入公式得：

由计算结果可知抽样结果平均值满足式（1）要求，则说明试品通过机械破坏负荷试验，这说明复合瓷绝缘子具有较好的机械性能。

1.5.2 残余机械强度试验

将25片试品表面硅橡胶剖离，并将瓷芯敲碎仅保留钢帽和钢脚，注意在清除瓷芯是不要伤害到钢帽内部绝缘介质及其连接部分，以保证足够的机械强度，处理后的试品见图11[3-10]。

图11 残余机械强度试品图Fig.11 Residual mechanical strength test

将处理后的试品逐一进行机械破坏试验其试验结果见表10。

由表10的试验数据可知，交流盘形悬式复合瓷绝缘子的残余机械性能符合标准要求，在运行中完全可以满足输电线路对其机械性能的要求。

2 复合瓷绝缘子性能分析

2.1 结构特性分析

交流盘形悬式复合瓷绝缘子在结构设计上和相同吨位防污双伞型瓷或玻璃绝缘子一致，本次试品与U100BELP型瓷或玻璃绝缘子结构高度、爬电距离基本一致，可以做到完全替换，且采用磁芯与外伞套相结合的方式，使其在防污闪和憎水性上具有和复合绝缘子相似的特性[5]，其结构见图12。

表10 残余机械强度试验结果Table 10 Test results of residual mechanical strength test

图12 复合瓷绝缘子结构示意图Fig.12 Schematic diagram of composite porcelain insulator

由图12可知，复合瓷绝缘子由铁帽、钢脚、瓷芯、及外护套几部分组成，通过对绝缘子的抽样试验发现，其结构尺寸基本和瓷或玻璃绝缘子一致，憎水性试验结果为HC1，其良好的憎水性对输电线路防污及增爬起到了一定的作用[6-7]。

2.2 机械特性分析

复合瓷绝缘子在运行中要受到导线荷载、风荷载、不平衡张力、覆冰、舞动等机械力的作用，其机械性能的好坏将将直接影响输电线路的安全稳定[6-7]。

从本次机械破坏负荷试验和残余机械强度试验的结果可以看出，每一个标准短串的机械破坏负荷均大于100 kN，每个试品的分离破坏负荷及金属破坏负荷均满足标准要求，说明单片绝缘子的机械性能满足线路运行要求，无论是机械破坏负荷的标准偏差还是残余机械强度的标准偏差均较小，说明绝缘子机械性能较为一致，质量较为统一，保证了复合瓷绝缘子机械性能的稳定，不会轻易发生掉线的事故。

2.3 绝缘性能及电气性能分析

复合瓷绝缘子作为导线与杆塔的绝缘件，要求其具有优良的绝缘性能及相关的电气性能，综合对比各个试验结果可以看出：

复合瓷绝缘子在干工频耐受电压试验中表现出色，20片试品全部通过试验，合格率为100%，说明其对工频电压的耐受能力良好，可靠性较高[8]。

复合瓷绝缘子绝缘电阻值分别在电气试验前后测量，通过对比发现，全部试品的绝缘电阻值均远远大于规程规定的值，且电气试验后未被击穿的试品绝缘电阻值均未降低，其具有非常可靠的绝缘性能[9]。

空气中冲击耐压试验中共有7片复合瓷绝缘子被击穿，结合绝缘电阻的测试结果分析，复合瓷绝缘子试验后绝缘性能几乎完全丧失，说明绝缘子内部瓷芯击穿。而陡波冲击试验主要考核的是复合瓷绝缘子界面及耐雷电冲击的性能，复合瓷绝缘子的耐雷水平还有待提高。

2.4 复合瓷绝缘子运行状况

自2003年6月以来，复合瓷绝缘子至今已在10多个省、市、自治区挂网运行；特别是在山东省内80多个供电公司所辖的电网工程中使用较多，共挂网20万余片，目前运行情况良好，未发送因电气、机械等性能问题而引起的故障或事故。

3 结论

1）复合瓷绝缘子的整体结构特征与相同吨位瓷或玻璃绝缘子相似，可以替代瓷或玻璃绝缘子应用于输电线路中。

2）复合瓷绝缘子机械破坏强度较高且机械破坏负荷偏差不大，其机械性能满足输电线路的运行要求。

3）复合瓷绝缘子与传统的瓷或玻璃绝缘子相比具有较好的憎水性及耐污闪特性，适用于污秽程度较高的输电线路区段。

4）通过对比绝缘电阻测试及空气中冲击击穿试验结果，复合瓷绝缘子的耐雷电冲击性能不强，7片击穿的绝缘子中有6片在负极性击穿，且都在10次冲击以内，击穿后绝缘电阻值几乎为零，导则绝缘子整体耐雷水平较差，综上所述复合瓷绝缘子不适用于多雷区的线路。

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Experimental Investigation and Performance Analysis of the Composite Porcelain Suspension Insulator for AC System

CHANG Bin1,WANG Bo1,LI Yuchao2,MA Bo1,CHEN Hong3,WU Bo1,LI Xiuguang1,FANG Hongliang4
（1.Electric Power Research Institute,State Grid Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750002,China;2.Zhongwei Electric Power Supply Company,State Grid Ningxia Electric Power Company,Zhongwei 755000,China;3.State Grid Ningxia Electric Power Company,Yinchuan 750001,China;4.Dawukou Thermal Power Co.,Ltd.,China Guodian Group,Shizuishan 753000,China）

As a novel insulator,composite porcelain suspension insulator has been used in some power lines.In order to investigate the performance of composite porcelain suspension insulator,this pa⁃per selects 20 samples from two manufacturers.By comparing the structure,hydrophobicity,insulation re⁃sistance test,impulse puncture test in air and mechanical breakdown test of these insulators,the perfor⁃mance of composite porcelain suspension insulator is analyzed.The composite porcelain suspension insu⁃lator has excellent mechanical property and electrical property in power frequency voltage withstand test.The hydrophobicity reach HC1 level in water spray test.However,they fail in impulse puncture test in air,revealing its weakness in lightning withstand ability.Its manufacturing technique and quality should be improved to fit the requirement of power system.

composite porcelain suspension insulator；experimental investigation；performance analysis；impulse puncture test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.033

2016-06-17

常彬（1985—），男，助理工程师，主要从事高压试验和输电线路相关工作。