高压输电线路复合绝缘子发热机理的研究

程养春1，李成榕1,2，陈勉3，陈润华3

（1．华北电力大学电气工程学院，北京市昌平区 102206；2．高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京市昌平区 102206；3．广东省广电集团有限公司佛山供电分公司，广东省佛山市 528000）

RESEARCH ON HEATING MECHANISM OF COMPOSITE INSULATOR OF

HIGH VOLTAGE TRANSMISSION LINE

CHENG Yang-chun1，LI Cheng-rong1,2，CHEN Mian3，CHEN Run-hua3

（1．School of Electrical Engineering，North China Electric Power University，Changping District，Beijing 102206，China；2．Beijing Key Laboratory of High Voltage & EMC，Changping District，Beijing 102206，China；3．Foshan Power Supply Branch，Guangdong Guangdian Power Grid Group Co.，Ltd.，

Foshan 528000，Guangdong Province，China）

ABSTRACT：By means of infrared imager the infrared images of the composite insulators containing simulated defects and those containing real defects from site were taken in the laboratory, and the comparison of these images with both electric field distribution curves and dissection results is performed and analyzed. The heating mechanisms of composite insulators were researched, and three main heating mechanisms, i.e., heating induced by internal partial discharge, heating induced by dielectric loss caused by the water immerged into the defective position, and heating induced b y resistance loss caused by serious ageing of the coat and insulation resistance reduction, were pointed out, in which the third one is the main heating mechanism of the composite insulators used in transmission lines. Above research results would be available for judging the length of internal insulation defect of composite insulator and its severity.

KEY WORDS：High voltage insulation engineering；High voltage transmission lines；Composite insulator；Infrared image；Heating mechanism

摘要：借助于红外热像仪在实验室对含有模拟缺陷的复合绝缘子和来自现场的含有真实缺陷的复合绝缘子拍摄热像图，并与电场强度分布测量结果及解剖结果进行比较分析，研究了复合绝缘子发热的机理，指出内部局部放电引起发热，渗入缺陷的水分带来的介质损耗引起发热，护套严重老化、绝缘电阻下降引起电阻损耗发热这三种发热机理是引起复合绝缘子发热的主要原因，输电线路中的复合绝缘子的发热机理以第三种为主，该研究结果将有利于判断复合绝缘子内部的绝缘缺陷长度及严重程度。　

关键词：高电压绝缘技术；高压输电线路；复合绝缘子；红外热像图；发热机理　1 引言　

随着复合绝缘子在我国电网输电线路中应用越来越广泛，近年来曾发生多起复合绝缘子内绝缘缺陷引起的贯穿性击穿事故及芯棒脆断事故[1-4]，许多运行中的复合绝缘子还有异常发热现象。据统计，截至1999年初，全国的复合绝缘子共发生231次故障，占挂网运行总数的0.053%，其中内绝缘故障占6.9%[5]。随着绝缘子数目及运行年限的增加，故障也有所增加。例如2001年11月4日广东佛山供电局的220kV罗佛线24号杆塔B相复合绝缘子界面处贯穿性放电导致了线路跳闸，2002年3月19日220kV佛南线60号杆塔B相复合绝缘子的绝缘界面贯穿性放电引起了线路跳闸[6]。广东省500kV惠汕线于1997年12月18日投入运行，分别于1999年12月16日和2001年1月25日发生了N162塔B相边导线的复合绝缘子断裂和N221杆塔A相边导线的复合绝缘子断裂，均造成了导线落地的重大事故[1]。2001年11月采用红外测温法对佛山供电局的220kV及以上电压等级的复合绝缘子进行蹬塔抽查，分析了304支绝缘子的热像图，发现其中54支有发热现象，劣化率为17.8%。还检测了257支挤包护套工艺的复合绝缘子，发现其中58支有缺陷，劣化率为22.6 %[6]。

运行中的复合绝缘子的绝缘变化情况常与发热有关。文献[7,8]指出，局部放电、泄漏电流流过绝缘物质时引起的介质损耗或电阻损耗均会使局部绝缘子的温度升高。根据发热现象应该可以发现复合绝缘子的局部破损和放电缺陷；但目前人们对复合绝缘子发热机理的认识仍然比较模糊，许多异常发热现象仍令人难以理解。因此很有必要对复合绝缘子的发热机理及复合绝缘子的异常发热现象与绝缘缺陷之间的对应关系进行研究。

红外热像法利用红外线测温技术将物体的温度转换成图像显示在测温仪的屏幕上，并用不同的灰度或颜色代表不同的温度。该方法不要求操作人员接触复合绝缘子，操作人员在地面或塔身上利用红外热像仪拍摄绝缘子温度图片即可，简单安全，且目前市场上红外热像仪较多，该方法已在许多地方得以应用[9-12]。

本文借助于红外热像仪在实验室对含有模拟缺陷的复合绝缘子和来自现场的含有真实缺陷的复合绝缘子拍摄热像图，并与电场分布测量结果及绝缘子解剖结果进行比较分析，研究了复合绝缘子的发热机理。

2 局部放电引起发热

理论上讲，当绝缘子外护套或芯棒破损后，渗入其中的水分在电场和化学的作用下侵蚀芯棒，最终导致芯棒断裂；也可能在绝缘子中形成炭化通道，减小了绝缘子的有效绝缘距离。在水分的侵蚀过程中，破损部位常常存在局部强场，从而引发局部放电。每一个局部放电都伴随着微小的电流脉冲或电子崩，它们打在绝缘材料上，既破坏绝缘材料本身的化学结构，使其炭化，还使绝缘材料的温度升高。

正常运行电压下良好绝缘子的绝缘材料中不会发生局部放电；当绝缘子表面有污秽时或天气及周围环境不够洁净时，其表面可能发生局部放电，但这种放电所产生的热量容易散失，不易积累。只有绝缘材料内部缺陷引起的局部放电才有可能积累足够的热量使局部绝缘子的温度升高。本文对三支有缺陷的绝缘子施加交流电压进行发热试验来证实这种发热现象。这三支绝缘子分别是清华1号（在护套与芯棒的交界面上嵌有一个直径为 1.2mm、长度为15cm的细铜丝，且与高压金属接头相连）、清华3号（在护套与芯棒之间嵌有15cm长的细铜丝，距离高压端金属接头9cm）和古燕88号（高压侧第一片伞群与高压金属接头之间的护套由于在实验室中长期放置后开裂，估计是水分渗入原先破损护套后使芯棒膨胀而撑开护套）复合绝缘子。分别向这三支绝缘子施加60kV交流电压10min后拍摄热像图，如图1所示，图中，SP01代表绝缘子正常部分的某一点，AR01代表缺陷绝缘子的区域。

图1 局部放电导致绝缘子发热的热像图

Fig.1 The infrared image of heating insulator

with partial discharge

由图1可见，清华1号的发热点是铜丝的端部，清华3号无异常发热点，古燕88号的发热点是缺陷部位。清华1号和古燕88号的缺陷连通高压端，加压时有强烈的放电，而清华3号的缺陷是绝缘子中部，无电晕放电。为进一步证实这些发热是由局部放电引起的，作者向古燕88号施加更高的电压（最高达80kV），并从接地的500Ω电阻上测量放电脉冲的大小。升高电压后局部放电脉冲的最大幅值由原来的50mV增加到400mV，放电声音也倍增，发热温度也相应升高了，如图1(d)的AR01区域所示。

此外，用铜导线将良好不发热的西瓷线951001号绝缘子的高压侧第一、二伞裙短路，并与高压金具连接。加压后能够听到强烈的电晕声，其热像图如图2(a)所示，发热点仍然在缺陷的端部；而仅短路第二伞群时，导线处于悬浮电位，无电晕发生，因此也不发热，如图2(b)所示。由此可见，可以认为绝缘子内部放电或外部强烈的电晕放电能够引起局部绝缘子的温度升高。

(a) 第一、二伞群短路 (b)第二伞群短路

图2 高压侧有人工缺陷时西瓷线951001号

复合绝缘子的热像图

Fig.2 The infrared image of No.951001 composite

insulator on Xici line when artificial

fault existing at high voltage end3 水分带来的介质损耗引起发热

水是强极性物质，具有相当高的介电常数，当其处于交变电场时，水分子将随电场方向的改变不断转向，即反复极化。水分子转向时的相互磨檫将产生能量损耗（介电损耗）并转化为热量，使水分的温度上升。因此破损部位缝隙里的水分在交流电场的作用下会发生介电损耗从而引起发热。为证实这一点，作者向古燕88号绝缘子的缺陷部位注入盐水并施加60kV交流电压10min，其热像图如图3(a)所示，注水部分（AR01）的发热比未注水时的位置（SP01）的明显。注入更多水分后，发热更明显，如图3(b)所示。该结论能够解释一些绝缘子在不同时间检测到的发热程度具有较大差异的现象。

(a)缺陷部位注入少量水分　　(b)缺陷部位注入大量水分

图3水分导致发热的复合绝缘子热像图Fig.3 The infrared image of heating composite

insulator caused by water

另一方面，水分的蒸发也会降低其温度。作者在古燕88号绝缘子护套上打孔注水，加压10min 后拍摄的热像图如图3(b)所示，图中AR02区域的中心部位为打孔注水部位，其温度比周围低，可见水分导致发热需要克服水分散热。实际检测中，渗入缺陷的水分同时具有这两种效应，因此对绝缘子表面温度的影响比较复杂。

4 绝缘老化中电阻损耗引起发热

良好复合绝缘子的绝缘电阻非常大，流过绝缘子的泄漏电流仅为微安级。当某处绝缘材料的电阻下降到一定范围后，原先均匀分布的泄漏电流会集中流过此处，导致此处的电阻损耗大于他处，从而在该处出现局部发热。

泄露电流流过绝缘子表面时，会产生焦耳热，使绝缘子表面温度升高。要想使局部突出发热，该处的电阻需要满足一定条件，即阻值适当，如电阻过小，焦耳热不够大；如电阻过大，则流过该处的电流减小，焦耳热也不够大。不同表面状况的绝缘子所对应的最佳发热电阻值也不同。

在西瓷线951001号绝缘子的第5、6群伞之间串联—40MΩ电阻。电阻两端连接铜丝，并将铜丝绕绝缘子芯棒一周，使表面泄露电流全部流过电阻。施加60kV电压后能看到微弱发热，如图4(a)所示。用胶带包裹电阻后，热量不易散失，发热比无胶带时明显，如图4(b)所示。该图中的胶带缠绕在第4、5伞群之间的芯棒上，该处的温度很低。

(a) 连接了无胶带包裹的电阻 (b) 连接了有胶带包裹的电阻

图4 中部加电阻时的复合绝缘子热像图

Fig.4 The infrared image of composite insulator with

resistance connected at its middle

针对实际缺陷引起的电阻发热现象，本文研究了的佛山供电局良小线10+2塔的B相绝缘子。铁塔脚上有许多毛刺，正常运行电压下有电晕放电，第一伞群下部的护套由于长期受电晕侵蚀已严重老化发白，其绝缘电阻下降到500MΩ/cm，而正常部分的绝缘电阻超过2500MΩ/cm，该绝缘子的热像图如图5(a)所示，护套老化部位明显发热。同时还利用DL–1 型合成绝缘子在线检测仪[13]测量了沿绝缘子芯棒方向的电场强度，如图5(b)所示，高压侧电场明显下降，即使将电压降到60kV使绝缘子不发生电晕，电场强度曲线也在高压端下降。这表明高压侧绝缘电阻的阻值已下降。

图5 良小线10+2塔B相复合绝缘子热像图

与电场强度分布曲线

Fig.5 The infrared image and electric field distribution curve of phase B composite insulator of

10+2 tower in Liangxiao line

此外，为明确发热是由老化的护套引起而不是由芯棒引起，将这部分护套剥去，重新施加60kV电压后拍摄热像图并测量电场强度分布曲线，如图6所示。由图可见，第一伞群下部不再发热，电场强度分布曲线也恢复正常；但此时高压金属端头异常发热，即使降低电压排除电晕也发热，其原因尚不明确。

图6良小线10+2塔B相复合绝缘子剥去老化护套后的

热像图与电场强度分布曲线

Fig.6 The infrared image and electric field distribution curve of phase B composite insulator without aging sheath of 10+2 tower in Liangxiao line

上述试验结果表明，合适的电阻值能够引起绝缘子局部发热，且发热部位就是绝缘电阻降低的部位。来自运行现场的5支复合绝缘子都具有与良小线10+2塔B相绝缘子相同的发热现象。作者认为这一类型的发热机理是输电线路绝缘子发热的主要原因。

需注意的是，在一些不利于散热的外界条件下、绝缘子表面泄露电流足够大时，绝缘子会发生大范围发热现象。这是因为绝缘子表面的污秽在一定情况下可能在某处形成低电阻，从而引起发热，使该处的温度较别处的高，形成虚假的发热现象。

5 结论

（1）当绝缘子内部存在局部放电时，局部放电能够引起绝缘子发热。高压端绝缘材料导通性缺陷易引起局部放电，从而使该处发热。而中部有绝缘缺陷或未与高压端的金具连通时不发生明显的局部放电，从而不会发热。

（2）渗入缺陷的水分既会引起介质损耗导致引起绝缘子发热，又会蒸发散热。因此水分对绝缘子发热现象的影响较为复杂。高压端的绝缘材料导通性缺陷内渗入水分时，发热因素大于散热因素，绝缘子温度升高；水分越多，发热越严重。

（3）绝缘子的护套严重老化后，绝缘电阻剧烈下降，能够引起电阻损耗发热，这也是输电线路中复合绝缘子发热的主要原因。

参考文献

[1] 张畅生，王晓刚，黄立虹．500kV惠汕线合成绝缘子芯棒脆断事故

分析[J]．电网技术，2002，26(6)：71-72,76．

Zhang Changsheng，Wang Xiaogang，Huang Lihong．Analysis of composite insulator mandrill breaking on 500kV Huishan line [J]．Power System Technology，2002，26(6)：71-72,76．

[2] 谭章英，舒先民，马建国，等．500kV葛双一回复合绝缘子芯棒裂

断原因分析[J]．电网技术，2001，25(1)：67-68．

Tan Zhangying，Shu Xianmin，Ma Jianguo et al．Analysis of a polymeric insulator core fracture on 500kV Ge-Shuang No.1 transmission line[J]．Power System Technology，2001，25(1)：67-68．[3] 张鸣，陈勉．500kV罗北甲线合成绝缘子芯棒脆断原因分析[J]．电

网技术，2003，27(12)：51-53．

Zhang Ming，Chen Mian．Analysis on core brittle fracture of composite insulators in a certain 500kV transmission line[J]．Power System Technology，2003，27(12)：51-53．

[4] 梁曦东，王成胜，范炬．合成绝缘子芯棒脆断性能及试验方法的

研究[J]．电网技术，2003，27(1)：34-37．

Liang Xidong，Wang Chengsheng，Fan Ju．Research on brittle fracture of FRP rods and the test method[J]．Power System Technology，2003，27(1)：34-37．

[5] 易辉，崔江流，宿志一．浅谈我国合成绝缘子的应用与展望[J]．高

电压技术，1999，25(1)：78-81．

Yi Hui，Cui Jiangliu，Su Zhiyi．The application and prospect of composite insulators in China[J]．High Voltage Engineering，1999，25(1)：78-81．

[6] 龚文权，钟连宏，李金法．复合绝缘子运行与评价[J]．高电压技

术，2002，28(5)：46-48．

Gong Wenquan，Zhong Lianhong，Li Jinfa．Operation and evaluation of composite insulator[J]．High Voltage Engineering，2002，28(5)：46-48．

[7] Vaillancourt G H，Hamel M，Frate J．Experience with two fault

composite insulators detection methods in Hydro-Quebec[C]．10th International Symposium on High Voltage Engineering．Montreal，Quebec，Canada，1997，2：1467-1471．

[8] Spangenterg E，Riquel G．In service diagnostic of composite insulators

EDF’s test results[C]．10th International Symposium on High Voltage Engineering．Montreal，Quebec，Canada，1997，2：139-142．[9] 王祖林，黄涛，刘艳，等．合成绝缘子故障的红外热像在线检测

[J]．电网技术，2003，27(2)：17-20．

Wang Zulin，Huang Tao，Liu Yan et al．Online inspection of defective composite insulators by infrared temperature measurement[J]．Power System Technology，2003，27(2)：17-20．

[10] 王祖林，黄松波．合成绝缘子击穿事故及缺陷的在线检测[J]．高

电压技术，2002，28(4)：51-52．

Wang Zulin，Huang Songbo．Insulation break down fault of composite insulator in service and defect on-line inspection[J]．High Voltage Engineering，2002，28(4)：51-52．

[11] 申兴忠，胡世征．红外技术在河北南网中的应用[J]．电网技术，

1996，20(2)：52-53,．

Shen Xingzhong，Hu Shizheng．Application of infrared imagery technology in south power network in Hebei province[J]．Power System Technology，1996，20(2)：52-53,．

[12] 胡世征．劣化绝缘子的发热机理及热象特征[J]．电网技术，1997，

21(10)：44-46．

Hu Shizheng．Heating mechanism and thermograph of degradated insulators[J]．Power System Technology，1997，21(10)：44-46．[13] 程养春，李成榕，王晓刚，等．DL-1型合成绝缘子检测仪现场测

试分析[J]．高电压技术，2003，29(5)：42-44．

Cheng Yangchun，Li Chengrong，Wang Xiaogang et al．Analysis of field test of DL-1 type composite insulator detector[J]．Hith Voltage Engineering，2003，29(5)：42-44．

　　　　收稿日期：2004-11-11。　

　　　　作者简介：　

程养春（1974-），男，博士研究生，副教授，从事电力设备绝缘检测技术方面的研究工作（chych@ncepubj.edu.cn）；

李成榕（1957-），男，教授，博士生导师，从事高电压绝缘技术及电磁测量方面的教学与科研工作；

陈勉（1967-），男，高级工程师，从事输配电工作；

陈润华（1969-），男，工程师，从事输配电工作。下载本文