绝缘子腐 蚀现象对 中国高压 直流输电 线路的影 响

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2011年3月,位于中国南部的世界首条 ± 800 kV楚穗特高压直流输电线路出 现了盘型绝缘子串铁帽腐蚀现象。该输 电线路以云南省的楚雄换流站和东部沿 海广东省的穗东换流站为端点,输送距 离为1200km,所跨越地形多为山地。

前述铁帽腐蚀现象多集中于负极性 侧的V型串绝缘子。同时,对于正极 性侧绝缘子,钢脚保护锌套与水泥的 交界处,也存在不同程度的腐蚀。

本文由清华大学深圳研究生院的 梅红伟博士撰写,介绍了腐蚀机 理,并对腐蚀现象进行了模拟试 验以分析其对绝缘子的影响。


楚雄和穗东±800 kV 换流站为楚穗直流线路的两个终端。

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引言目前,

对于包括中国在内的世界各 国, 特高压直流输电技术在远距离 输电领域发挥的作用越来越重要。 这主要是因为它具有传输容量大、电 能损耗低、输电稳定性高、节省输电 走廊、短路电流低等优点。

目前, 硅橡胶复合绝缘子因其良好 的污秽特性而广泛应用于中国的特 (超) 高压直流输电线路上。但在山 林冰区等一些特殊线路段上, 倾向 于采用机电特性较好的V串瓷绝缘 子, 在这种情况下, 铁帽缝隙在潮湿 或降雨条件下易被水滴桥接而导致 铁帽出现电解腐蚀。

图1:V串绝缘子帽檐最低处的
腐蚀原理图

截至2011年10月 (线路投运不久), 楚 穗直流线路负极性侧的20000余片V 串瓷绝缘子出现了铁帽腐蚀问题, 瓷 件上出现了明显的锈迹。此外, 2012 年2月, ±800 kV复奉直流、±500 kV 天广、高肇、兴安等多条特 (超) 高压 直流输电线路负极性侧V串绝缘子 也出现了铁帽腐蚀现象。绝缘子铁 帽的大面积腐蚀严重威胁到高压 直流输电工程的安全运行, 该腐蚀 问题也成为了现阶段的研究热点。

直流悬式绝缘子的金具腐蚀并非 新出现的问题, 其在多年前就已引 起众多研究人员的关注。其中, 新 西兰的IM.Crabtree等研究人员在 上世纪90年代解释了污秽运行环 境下钢脚的腐蚀原因, 并分别对有 无保护锌套的钢脚进行了试验研 究。此外, V.I.Galanov等人研究认 为长棒型瓷绝缘子的耐腐蚀特性要 优于钢脚未安装保护锌套的盘形瓷 绝缘子。同时, 我国西安交通大学的 学者研究了污秽条件下直流支柱绝 缘子金具的腐蚀机理及影响因素, 王炫在试验研究的基础上, 认为污 秽潮湿的环境下, 绝缘子金具会出 现电解腐蚀, 并且腐蚀的速度与绝缘子泄漏电流、金具的材料以及制 造工艺等因素有关。

铁帽腐蚀瓷绝缘子样品
钢脚腐蚀瓷绝缘子样品

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运行环境的影响

楚穗直流线路铁帽腐蚀V串绝缘子 的瓷件表面有明显的锈迹通道。同 理, 正极性侧绝缘子的钢脚存在类 似的腐蚀现象。

表1统计了两个腐蚀程度严重地区的 绝缘子铁帽腐蚀比例。

腐蚀程度最严重区段的地理环境如 图2所示。

图2: 楚穗直流线路401#-414#塔的周边环境

腐蚀原因

绝缘子金具电解腐蚀的基本原理如 图3所示。电解回路由直流电压源、 金属电极和电解液构成。与电源正 极相连的金属失去电子发生阳极腐 蚀, 负极性绝缘子的铁帽和正极性绝 缘子的钢脚均为电解回路的阳极, 通 过氧化反应形成的亚铁离子最终转 化成铁锈。

图3 直流电解腐蚀过程原理图

对金具腐蚀绝缘子进行了常规机 电特性试验, 结果表明铁帽腐蚀绝 缘子依然满足线路运行要求, 但是 注意的是, 盘形瓷绝缘子表面的锈 迹可能会加速绝缘子污秽的积累。

为了对此进行评估, 从楚穗直流铁 帽腐蚀严重区段的407#塔上取下3 片瓷绝缘子, 其表面被分为图4所示 的3个区域, 区域A是上表面腐蚀产 物集中区域, 区域B是上表面无腐蚀 产物区域, 区域C是绝缘子下表面。

表1 ±800kV楚穗直流线路铁帽电解腐蚀瓷绝缘子统计

绝缘子表面积污情况的测量结果如 表2所示。

由表2可知:

( 1 ) 区域B 和C 的等值盐密在 0.0053~0.0113 mg/cm2之间, 这说明绝缘子表面的污秽程度 对铁帽的腐蚀程度没有影响。
( 2 ) 腐蚀产物集中的区域A, 其等值 盐密和灰密均高于区域B和C。

另一个值得关注的问题是钢脚腐蚀 可能降低绝缘子的机械强度, 导致绝 缘子机械方面的故障。

表2 楚穗直流线路铁帽腐蚀绝缘子污秽度测量结果

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绝缘子金具电解腐蚀模拟试验

可以用喷水法来对瓷绝缘子的铁帽 腐蚀进行模拟试验。采用该方法进 行试验时, 绝缘子下表面和部分上 表面爬距被导线短接, 并用铜电极 粘贴到绝缘子上表面, 如图5所示。 为了避免铜电极在试验过程中脱离 绝缘子表面, 还需用密封胶对电极 进行固定。

图4 对绝缘子表面进行划分以 评估污秽的积累水平
绝缘子钢脚腐蚀可能降低其机械强度
图5 采用喷水法进行试验时 试品绝缘子的准备

可以采用电解槽法对绝缘子的钢脚 腐蚀进行模拟试验, 首先用导线缠绕 在钢脚上, 之后用密封胶对导线以及 钢脚不腐蚀的部位进行密封处理, 最 后将准备好的试品绝缘子置于电解 槽中进行试验, 如图6所示。

图6 将缠绕导线的试品绝缘子
置于电解槽中进行钢脚电解腐蚀
模拟试验
安装锌环抑制绝缘子铁帽的电解腐蚀

考虑到锌的防腐活性强于铁, 线路 新生产绝缘子应安装锌环, 并且锌环 与铁帽应紧密接触并浇注为一体。

对于钢脚腐蚀, 可通过加厚保护锌 套和提高其密封性能进行抑制。

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结论

本文对直流绝缘子金具电解腐蚀问 题及其试验方法进行了研究, 得到以 下几点结论:

(1) 铁帽和钢脚腐蚀绝缘子仍然保 持较好的电介质特性。
(2) 绝缘子表面的污秽水平对金具 的腐蚀过程没有明显影响, 然 而绝缘子表面的锈迹通道会加 速该区域污秽的积累。
(3) 可以分别采用喷水法和电解法对 绝缘子铁帽和钢脚的电解腐蚀 问题进行试验研究。
(4) 安装锌环可以有效地解决绝缘 子铁帽的电解腐蚀, 对于钢脚 腐蚀, 则可以通过增厚保护锌 套的方法进行抑制。

 

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