未來絕緣子發(fā)展的關鍵問題

未來絕緣子發(fā)展的關鍵問題

硅膠復合絕緣子的應用在過去的30年里有了顯著的增長。持續(xù)增長背后的一個關鍵因素將是電力公司對它們表現(xiàn)出的信心。清華大學梁希東教授和閻志鵬教授探討了一些關鍵問題，并提出一些現(xiàn)有的IEC測試方法和技術標準可能需要進一步改進。他們還回顧了在中國使用的測試方法——中國擁有世界上最大的絕緣子市場。此外，由于運行條件不同，他們解釋可能需要為不同類型的復合絕緣子，特別是變電站絕緣子制定特定的檢測技術要求

自20世紀80年代以來，中國的電力工業(yè)經歷了快速增長，隨著特高壓交流和特高壓直流線路的發(fā)展，發(fā)電量和國家高架網的長度都出現(xiàn)了激增。圖1和圖2分別描繪了1980 - 2016年和1985 - 2016年架空輸電線路的發(fā)電量和長度的增長。

絕緣子的發(fā)展離不開整個電力行業(yè)的發(fā)展。例如，架空線路長度的快速增長和向更高電壓水平的移動，不僅帶來了對絕緣子需求的巨大增加，而且對絕緣子的性能提出了新的更高的要求。由于硅橡膠復合絕緣子在濕閃、污閃性能優(yōu)越、重量輕、強重比高、運輸安裝方便、抗破壞等方面的優(yōu)勢，中國硅橡膠復合絕緣子的應用實現(xiàn)了顯著增長。

2012年1月- 2017年9月國家電網公司購買線路絕緣子數量統(tǒng)計見圖3。該數據涵蓋110kv至1000kv交流，±800kv直流以及70 kN至550 kN SML(瓷、玻璃和硅樹脂復合絕緣子)和1000 kN SML復合絕緣子。在此期間，國家電網采購了3410萬瓷絕緣子、2530萬玻璃絕緣子和513萬串硅膠復合絕緣子。如果換算成串的數量，可以直接比較，瓷的約為248萬串，玻璃的約為185萬串。因此，陶瓷、玻璃和復合絕緣子串的購買比例分別為26%、20%和54%。新安裝絕緣子中復合絕緣子串數大于其他兩種絕緣子串數之和。這證實了中國已經成為第一個在超高壓和特高壓架空線路中使用硅橡膠絕緣體的國家。

復合絕緣體在世界范圍內的使用也有了顯著的增長，基于試驗應用，現(xiàn)在主導了所有特高壓線路。此外，在制造和測試方面都取得了重大改進。盡管如此，考慮到這項技術的快速發(fā)展，未來復合絕緣子的關鍵問題是電力公司對其預期使用壽命和性能仍然有信心。這意味著復合絕緣子的未來發(fā)展(如圖4所示)將取決于:是否有合適的測試方法來驗證長期性能;對站內絕緣子建立不同的要求;開發(fā)最好的材料和維修技術。

 

測試方法和長期性能

為確保復合絕緣子的性能而發(fā)布的技術標準是IEC 62217，室內和室外用聚合物高壓絕緣子-一般定義、試驗方法和驗收標準，其范圍包括絕緣體由一種或多種有機材料組成的聚合物絕緣子。本標準涵蓋的聚合物絕緣子包括用于額定電壓大于1000V的架空線路或室內和室外設備的實心和空心絕緣子。不幸的是，IEC 62217中的試驗方法不能保證絕緣體在整個使用壽命內都具有令人滿意的性能。例如，一些通過標準測試的復合絕緣體在運行時，即使在類似的環(huán)境中，也會展示出不同的性能。一個很具代表性的問題是，這樣的測試還不足以充分篩選界面質量、桿質量和棚到外殼的界面質量。

 

棒料試驗

目前的IEC標準僅規(guī)定了染料滲透測試和棒材料的水擴散測試。但在使用過程中，桿類損壞仍然是絕緣子失效的主要原因，如脆性斷裂和衰變狀斷裂。例如，如表1所示，芯棒故障一直是服務故障的主要原因，約占所有此類事故的22.3%。這說明芯棒的質量遠遠不能令人滿意，需要更多的測試方法來保證質量，防止此類損壞。

在用復合絕緣子中發(fā)生脆性斷裂的比例很低，但會導致絕緣子突然掉落，造成嚴重后果。通常，受影響的絕緣體在低機械負載下，僅在使用幾個月或幾年后就會失效。這種情況下的斷口表面通常平坦光滑，如圖5所示。

從歐洲到中國，很多國家都有脆性斷裂的報道，但目前還沒有相關的IEC測試。由于這種破壞背后的機制顯然是應力腐蝕，中國電力工業(yè)標準DL/T 810-2002(2012年修訂)已經開發(fā)并采用了這種測試方法。具體來說，本標準要求玻璃鋼棒必須是耐酸的(即使用無硼玻璃)。自本標準公布以來，沒有新安裝的具有耐酸棒的復合絕緣子脆性斷裂的報告。這類測試有助于確認可消除芯棒的這種風險。像斷裂一樣的衰變是另一種桿失效機制。盡管這種現(xiàn)象的發(fā)生率甚至低于脆性斷裂，但問題同樣嚴重。受影響的絕緣子在低機械負荷下也會發(fā)生故障，僅在使用幾年之后。但在這種情況下，斷裂表面是脆的，像死木，如圖6。此外，在受影響絕緣子棚的表面出現(xiàn)了白堊現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)玻璃纖維與棒中的樹脂分離。在中國，這類故障主要發(fā)生在500kv線路上，值得注意的是，這類故障在過去10年中有所增加。

目前IEC標準中的測試不能保證防止衰變樣斷裂，因為一些芯棒材料已經通過，但隨后在運行中失敗了。此外，這背后的確切機制仍不完全清楚。經驗表明，在故障發(fā)生之前，可以通過紅外成像來檢測局部溫度的升高。但這只允許檢測。為了防止這一問題，需要對棒材進行更多的篩分試驗。

傘料試驗

在IEC標準中，傘柱/傘的試驗包括4個部分:硬度試驗、加速風化試驗、跟蹤和侵蝕試驗(1000h鹽霧試驗)和可燃性試驗。根據國家電網和南方電網的經驗，這些試驗需要改進。例如，目前的IEC標準沒有考慮疏水性及其轉移。此外，跟蹤和侵蝕的測試方法應該改進，而多應力測試似乎不適合材料，如硅橡膠。疏水性及其傳遞性是疏水性傳遞材料復合絕緣子最重要的特性，但在IEC中尚未提及。為此，清華大學提出了一種硅橡膠絕緣子的疏水性及其轉移的測試方法，該方法在中國已經使用了15年。地方標準DL/810-2002提出，該試驗分為4個部分:疏水性試驗、疏水性損失試驗、疏水性恢復試驗和疏水性轉移試驗。每個都有自己的測試方法和驗收標準。

目前的IEC跟蹤腐蝕試驗，在方法和效果上還存在一些問題。例如，在5000h鹽霧試驗中，鹽霧指向絕緣子，就惡劣使用條件下復合絕緣子的實際技術要求而言，似乎具有誤導性。旋轉車輪傾角測試是評估跟蹤和侵蝕性能的另一種選擇，但不幸的是，在不同的實驗室中，結果存在較大的分散。還有一個問題是測試更大的絕緣子直徑，這是目前正在發(fā)展的復合站絕緣子所必需的。此外，隨著復合絕緣子在高壓直流線路和換流站的應用越來越多，我國已經規(guī)定了直流電壓下的跟蹤和耐腐蝕試驗，但IEC中還沒有明確規(guī)定。

 

為保證傘體材料的長期性能，IEC推薦了加速風化試驗。不幸的是，根據迄今為止中國的經驗，這對硅橡膠沒有影響。具體來說，目前的試驗沒有充分模擬不溶性污染物對硅橡膠材料的影響和疏水性變化過程。因此，提出了一種改進的5000h測試程序——THU 5000h測試程序應于實際操作中。本試驗程序(見圖7)包含兩個重點的修改，1：用混合污染霧(NaCl和硅藻土)代替鹽霧;為霧室中的疏水性損失和放電活動提供足夠的時間，也為紫外光室中的疏水性轉移提供足夠的時間(如圖8所示)。

測試接口

復合絕緣子界面粘附不良或界面耦合失效會導致不同類型的問題，如界面穿孔、界面泄漏電流引起的局部溫升，最終導致衰變狀斷裂。此外，還可能存在界面粘合力弱與脆性斷裂的關系。有證據表明，這可能是一個日益增長的問題，因為桿和梭口之間的界面總是復合絕緣子的關鍵區(qū)域。IEC 62217和其他標準提供了接口和連接的試驗，包括參考干工頻率試驗、預應力試驗和驗證試驗。試驗主要采用1000kV/μs陡前沖擊電壓試驗。有限的測試不能保證界面在戶外運行幾十年的性能。事實上有關shed-rod接口失效的記錄要追溯至1900年的一項調查中，調查報告顯示有203個絕緣子因為接口問題而失效。 (見表1)如果回顧過去30年的情況，這個界面問題是非常重要的。事實上，在這段時間內在中國進行的一項調查也顯示了類似的結果。

 

目前根據IEC 62217和IEC 61109進行的陡前沖擊電壓試驗似乎不能保證接口質量，因此近年來測試進行了修改。施加電壓由1000kv /ms變?yōu)?0kv /cm，對接口性能要求更高。一個新的接口測試方法似乎是必要的。其中一種可能性是界面電阻率測量，最近由清華大學提出，用于測試硅橡膠和玻璃鋼棒之間的介電性能。

 

低價格和長期性能

由于激烈的競爭，硅橡膠絕緣子相對于其他類型的市場價格是非常有吸引力的。在高電壓的情況下尤其如此。例如，中國110kv - 1000kv交流絕緣子、±500kv直流絕緣子和±800kv直流絕緣子的陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子和復合絕緣子的成本比較分別見圖9a和圖b。每串絕緣子的成本是根據在一般使用環(huán)境中的應用計算的?？梢院苋菀椎乜吹?，硅橡膠復合絕緣子總是比陶瓷或玻璃絕緣子便宜得多，而且這種成本優(yōu)勢隨著電壓或機械水平的提高而增加。在直流輸電的情況下，成本差異甚至更大。

雖然較低的購置成本是硅橡膠復合絕緣子的優(yōu)勢之一，但過低的價格可能會增加質量較低和長期性能較差的風險。根據中國使用HTV硅橡膠的經驗，一些絕緣體運行沒有問題超過15年，但許多早期產品不得不在10年內更換。由于目前的使用年限通常少于20年，這可能會影響用戶對復合絕緣體的認知和信心。新一代合成橡膠復合絕緣子預計將運行更長時間。但是，由于公用事業(yè)公司希望購買可靠且成本較低的絕緣子，由于制造商需要控制生產成本，目前的絕緣子標準不足以滿足所有這些利益。

對標準的建議修改

對現(xiàn)行標準中的測試方法進行修改是迫切需要的，但首先確定必須滿足的技術要求也是重要的。技術標準必須指導絕緣子制造商正確理解室外絕緣的要求，避免任何成分或生產過程的隨機變化。同時，另一個要求是指導公用事業(yè)采購過程。復合絕緣子的質量取決于材料、設計和制造工藝。因此，為了改進性能，可能需要將材料、設計和制造方面的測試納入未來的標準。以中國為例，DL/T 810-2002已經使用了15年，從第一代硅橡膠復合絕緣子到第二代硅橡膠復合絕緣子有了明顯的變化。如上所述，為了防止脆性斷裂，進行了應力腐蝕試驗，同時定義了HTM材料的疏水性和疏水性傳遞試驗。其他內容包括高壓直流輸電跟蹤和侵蝕試驗，以及對硅橡膠和玻璃鋼棒的幾項材料試驗。對30kV/cm的陡前沖擊電壓試驗進行了改進，以滿足我國特高壓交流和特高壓直流的要求。

 

對站內絕緣子有不同要求

變電站是復合絕緣子新的主要應用領域，雖然近20年來復合絕緣子的體積和應用比例遠遠低于線路絕緣子。這種情況現(xiàn)在正在改變。雖然硅橡膠復合絕緣子現(xiàn)在被用于變電站的原因之一是它們在架空線路上的成功，但線路絕緣子和站內絕緣子在不同的條件下運行。線路絕緣子的位置分散在整個線路上，使得監(jiān)控它們成為一個挑戰(zhàn)。此外，由于線路絕緣子的單位值相對較低，不認為需要對線路絕緣子進行全部老化監(jiān)測。同樣，由于絕緣子和塔之間的連接相對簡單，線路絕緣子可以單獨更換或批量更換，因此修復任何發(fā)現(xiàn)的局部損壞通常都不劃算。這使得在運行過程中，可以對線路總體內的一些絕緣子甚至部分絕緣子進行抽樣，以進行監(jiān)測和研究。相比之下，站內絕緣子的相對集中為進行各種監(jiān)測提供了優(yōu)勢。此外，由于站式絕緣子的個體值較高，因此值得發(fā)展監(jiān)測技術，發(fā)現(xiàn)的任何局部損傷都值得修復。同時，在服務期間進行研究的抽樣幾乎是不可能的。變電站絕緣子常應用于高壓設備，更換不方便。例如，由于特點不同，站內絕緣子可分為兩種類型:I型——便于更換;和II型-難以替代。I型絕緣子的主要例子是母線站柱。II型絕緣子包括GIS套管，墻套管，電力變壓器套管，CTs和PTs的空心絕緣子，以及氧化鋅避雷器的空心外殼。

 

 

站用絕緣子的壽命要求

對于在使用中難以更換的II型變電站絕緣子，必須密切關注其使用壽命和長期性能。例如，已經觀察到只運行了15年的壁套已經嚴重老化(見圖10)。室外部分棚面出現(xiàn)大面積裂縫和粉筆化現(xiàn)象。這些表面裂縫主要出現(xiàn)在外殼的上部(即暴露在陽光下)。高壓側出現(xiàn)硅橡膠粉化現(xiàn)象。由于這種粉化，表面的機械強度顯著下降。此外，在大多數地區(qū)，如HV和中間部分，疏水性分類降低到HC7，表面水顯示親水性狀態(tài)。芯棒材料的價格遠低于本身，更換成本也遠高于傘體成本。因為在服役期間不可能進行取樣，所以老化過程及其各種作用機制更加難以確定。這個例子強調，與架空線路相比，監(jiān)測變電站復合絕緣子的老化性能更為重要。

 

 

變電站絕緣子的試驗方法

變電站絕緣子的運行條件與架空線路絕緣子的運行條件不同。此外，不同的工位設備在電場分布、彎曲剛度、扭轉剛度、溫度等方面都有其特定的運行條件。因此，最好采用不同的試驗來檢查這些不同的絕緣子，并為每種絕緣子設置不同的接受標準。

 

新的材料和維修技術

材料超疏水性

新型超疏水材料對于戶外保溫尤其具有吸引力，研究人員已經想出了各種方法來創(chuàng)造這些材料。例如，清華大學利用激光燒蝕模板和氟烷基硅烷改性復合涂層在硅橡膠表面制備了特定的微結構和納米結構 (見圖11)。

圖12為不同微、納米、微納米層次紋理表面的HTV硅橡膠表面的靜態(tài)接觸角和滑動角測量結果。水滴在未改性HTV硅橡膠試樣上的靜態(tài)接觸角為115±0.7°(即圖12:原始和超疏水HTV試樣的接觸角和滑動角)。(a)接觸角和滑動角;(b)具有微納結構的高溫電視試樣的接觸角;(c)水與具有微納結構的HTV試樣之間的氣穴。分類為疏水性)。在微結構HTV硅橡膠表面下，該值增加到151.1±1.7°，滑動角為4.1°。納米結構HTV硅橡膠表面的靜態(tài)接觸角為148.2°，滑動角為4.9°。微納米結構的HTV硅橡膠試樣的靜態(tài)接觸角最高，為153.3°，滑動角極低，為2.7°。一種超疏水硅橡膠在電場作用下受到水滴沖擊時表現(xiàn)出優(yōu)良的拒水性能。該表面還可以解決地表水膜造成的場分布不均勻和水滴造成的電場增強問題。這種大面積的樣品已經成功制備，并且發(fā)現(xiàn)這種表面還具有防結冰和自潔性能。顯然，大批量生產持久耐用、超疏水表面將是戶外保溫領域未來的重要發(fā)展方向。

其他新材料

還有其他的發(fā)展值得關注，如納米填料和填料的改性。通過改進或更換纖維或基體材料，可以更好地改善復合絕緣子或FRP桿的傘片/護套。另一個有前途的發(fā)展是使用新的偶聯(lián)劑或新的處理方法改善護套和桿之間的臨界界面。其他的可能性包括自我診斷甚至自我修復材料。

 

基于非接觸式監(jiān)控的維護

在線監(jiān)測對電網來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。工業(yè)機器人的發(fā)展將是一種很有前途的方式來進行絕緣的非接觸監(jiān)測，如尋找任何可能由表面泄漏電流引起的局部發(fā)熱，內部缺陷或外殼-棒的接口退化。目前認為局部溫升主要與界面的退化有關，是類似衰變斷裂的早期跡象。直升機或無人機的紅外檢測等非接觸式監(jiān)測方法可以檢測到局部發(fā)熱，從而根據溫升水平及時更換受影響的絕緣體。

 

基于大數據的維護

信息技術必將改變電網的發(fā)展。就復合絕緣體而言，有兩種可能的特性可能滿足未來智能電網的一些需求。首先是對變電站和架空線路進行大規(guī)模、實時的在線狀態(tài)監(jiān)測。復合絕緣子可以增加一種新的功能，即獲取和傳輸數據。另一種是基于大數據的故障預測。每個絕緣子都需要有自己的二維碼，以便獲得所有信息，如制造和材料細節(jié)、運行時間、維護信息等。有了這些數據，質量維護將會數字化，故障預測也將基于大數據。

 

結論

復合絕緣子的使用在過去30年迅速增加。展望未來，這項技術的持續(xù)發(fā)展仍有關鍵問題。目前，復合絕緣子的試驗方法和技術標準尚不完善，為提高復合絕緣子的質量，提高復合絕緣子的使用可靠性，對復合絕緣子進行改進是十分重要的。針對不同類型的復合變電站絕緣子，需要制定具體的測試方法和要求。此外，新材料和改進的維護技術都將有助于復合絕緣體的進一步發(fā)展。