交流复合绝缘子内部缺陷对电场分布的影响

交流复合绝缘子内部缺陷对电场分布的

影响

摘要：复合绝缘子的芯棒以及套路间的胶接界面贯通了绝缘子的两端，其是内绝缘中重要的组成部分。文章主要是研究了复合绝缘子的芯棒断裂缺陷，分析内部缺陷的产生并进行了电场分析，结果表明水分的渗入导致发生局部放电，加速芯棒劣化，降低机械性能引发断裂。

关键字：复合绝缘子；内部缺陷；局部放电

1前言

大量的运行经验已证实复合绝缘子相对于瓷、玻璃绝缘子具有质量小、强度高、耐污闪性能强、维护方便等突出优点，我厂220kV升压站也更换了部分悬式复合绝缘子，运行情况较好。但在电网运行中发现了由于芯棒断裂导致的十几起事故，高场强的长期作用会促进绝缘子护套、芯棒和金具等部位发生局部放电，内绝缘缺陷从外观上难以发现。因此需要研究复合绝缘子内部缺陷对电场分布的影响，为复合绝缘子的维护和故障检测提供参考。

2复合绝缘子芯棒断裂缺陷分析

复合绝缘子由芯棒、伞裙护套和连接金具组成，如图1所示。其中芯棒材质为玻璃钢，用来提供绝缘子的机械性能，护套通过粘接剂连接于芯棒表面，起到保护芯棒的作用，连接金具位于复合绝缘子两端，起到将复合绝缘子与杆塔金具相连接的作用。

图1

2.1芯棒断口分析

以某厂500kV复合绝缘子芯棒断裂事故为例，如图2所示。

图2

该芯棒断口不整齐，明显区分于整齐如刀削断面的典型脆断现象，断口处芯

棒仅30％～40％面积呈相对正常的乳白色，约60％～70％面积的芯棒外围呈深

褐色。而芯棒中心区域的纤维呈乳白色，断口的玻璃纤维颜色不同且外观不整齐，芯棒外围区域先发生蚀损破坏，当整体断裂发生时，拉力主要集中在芯棒中心区域，承力面积仅约为完好芯棒的35％，最终造成芯棒被完全拉断。

2.2绝缘子芯棒护套分析

复合绝缘子高场强区的断裂与其护套与芯棒界面的粘接性能有关。而粘接性

能的优劣主要取决于两个因素：一是复合绝缘子本身的界面粘接质量，和偶联剂

的材料、芯棒预处理方式及硫化工艺有关；二是导线端长期处于高场强可能对界

面粘接的劣化起到一定的加速作用。因此针对护套芯棒粘结不紧密、在界面形成

间隙的情况进行了电场分析。

3电场分析

三相交流输电线路的电压频率为50Hz，属于低频交流，等值波长远大于研究

场域的地理尺寸，可以认为绝缘子串电场在任意瞬间都是稳定的，属于电准静态

场的研究范畴。

3.1工作状态模型

根据实际尺寸，建立三维模型。对模型进行如下简化：①假设复合绝缘子处

于干燥、清洁的自然环境中；②忽略对复合绝缘子轴向电场分布影响极小的地线；

③根据输电线路模型的对称性，计算取1/4模型；④简化复合绝缘子串，略去伞

裙，仅保留芯棒和硅橡胶护套；⑤护套、芯棒的相对介电常数分别为4.2和4.6。高压端导线、均压环、连接金具施加电压：500kV×1.1× /≈449kV，杆塔、低压端金具和均压环施加零电位。

3.2电场分布情况

其轴向电位和电场分布不均匀，表现为绝缘子端部场强值比中部场强值高，

特别是靠近导线侧的高压端电场畸变严重，高压端电场强度最大，而中部场强仅

为高压端场强的10％～20％，高压端场强明显高于绝缘子其他部位的场强，因此，复合绝缘子高压端处在高场强区。若芯棒和护套间存在间隙，一方面介质中的间

隙会大幅降低介质的局部放电起始电压；另一方面间隙承担的场强远高于介质承

担的场强。因此与低压端和中部相比，高压端护套和芯棒间的间隙更易引发局部

放电，加速界面粘接的老化，对复合绝缘子的内绝缘造成影响。若绝缘子高压端

的芯棒表面有气隙（气隙处于距离高压金具390～400mm范围内），则会对其相

邻的15～20mm长度范围内的电场造成畸变。以该区域为研究对象，其中研究区

域两端的场强值与没有气隙时的场强值相比略有下降，研究区域中部的场强分布

近似Ｕ型，气隙长度增大时，畸变场强最大值略有减小。芯棒表面的空气隙在电

场作用下发生极化，其边缘将出现束缚电荷，空气隙整体仍呈现电中性，交流

500kV复合绝缘子内部缺陷对轴向电场分布的影响。若水分渗入护套内部，当该

处场强超过某定值时，水分会沿着电场方向逐渐渗入绝缘层深处，在气隙处积聚。由于水分的渗入，气隙导电，在同样的外加电压下，液体间隙的长度增大时，最

大场强值也随之增大，间隙被击穿，发生局部放电。

综上所述，复合绝缘子轴向电场分布不均匀，高压端处在高场强区，该区域

的缺陷更易对复合绝缘子性能造成影响。若复合绝缘子的芯棒和护套存在粘接质

量问题，界面粘接不紧密，则芯棒和护套之间的空气隙将使绝缘子串轴向电场分

布发畸变，相邻区域的电场强度明显增大。在水分渗入护套内部后，尺寸足够大

的缺陷所引发的电场强度畸变将导致局部放电，对复合绝缘子的内绝缘造成影响。虽然放电的能量密度较小，但长此以往，将使绝缘受到侵蚀和损伤。这主要是由于：①放电生成的活性气体如Ｏ3、ＮＯ、ＮＯ2等对芯棒和护套产生氧化和腐蚀

作用，同时气体增加了气隙的扩张压力；②电子在放电过程中获得的能量可有效

地破坏聚合物分子的结构，例如环状结构被破坏成直链结构，长链被分解成短链等；③带电粒子撞击芯棒和护套表面产生热量，由于其导热系数较低，将引起局部温度上升，使大分子链发生化学变化，从而导致介质化学结构发生变化。复合绝缘子的护套性能若密封存在瑕疵时会引起潮气进入内部，容易在芯棒与护套交界面或芯棒内部发生局部放电，长期的局部放电在界面或芯棒中产生炭化通道，逐渐沿芯棒发展，减少总的绝缘长度。这些放电还严重地腐蚀芯棒，分离芯棒和护套。局部放电的发生加速芯棒和护套的老化，护套破损后芯棒外露，造成芯棒机械性能急剧下降，最终发生断裂。

4结束语

由上可知，在水分渗入到气隙之后缺陷处的场强会明显的增加，在缺陷超过一定范围时会超过空气的击穿场强，而间隙会被击穿从而引发局部的放电情况。长期局部放电的话会引起多种形式的化学方言而造成绝缘的劣化，加快绝缘损坏的过程，严重的话将会造成复合绝缘子的断裂。

参考文献

1.

刘杰,贾伯岩,张志猛,etal.基于紧凑型光电传感器的复合绝缘子内部缺陷检测方法研究[J].水电能源科学,2020.

2.

邓维,史志强,刘卫东,等.电位分布法带电检测500kV氧化锌避雷器内部缺陷的研究[J].电瓷避雷器,2020,000(001):23-28,35.