摘要：作为架空线路主要防污闪产品的复合绝缘子已广泛应用于电网，但现有检测方法不能有效检测复合绝缘子的隐蔽性缺陷(内部缺陷)，一定程度上构成电网安全运行的隐患。通过理论分析和大量试验、并与实际运行相结合，提出改进的水扩散试验方法及参数作为新绝缘子及运行绝缘子的抽检试验项目，以有效检测复合绝缘子的内部缺陷及老化状况;同时提出利用机载红外成像设备定期巡视、检测运行复合绝缘子内部缺陷，以确保电网安全运行。

　　关键词：复合绝缘子;内部缺陷;检测;水扩散试验;红外成像

　　1　研究背景
　　为解决架空输电线路的污闪问题，电力系统于20世纪80年代中后期引入硅橡胶有机复合绝缘子。目前，全国电网已应用上百万支不同厂家﹑不同工艺(压接﹑内楔﹑外楔;灌胶﹑挤包护套﹑整体注射等)﹑不同用途(悬垂串、跳线串﹑耐张串及相间间隔棒等)﹑不同运行时间的复合绝缘子。该类绝缘子在运行中发挥优良防污闪性能的同时，出现下述问题，应予重视。

　　1.1　绝缘子的内部缺陷导致脆断、内绝缘击穿等恶性事故
　　完全采用有机材料制造的复合绝缘子在运行中出现脆断﹑内绝缘击穿等由绝缘子内部缺陷(隐蔽性缺陷)引发的恶性事故，一定程度上构成电网安全稳定运行的隐患。

　　(1) 脆断
　　脆断不属于严格意义上的机械故障，一般性的解释为：复合绝缘子在正常机械负荷和运行电压作用下，酸性液体侵蚀芯棒导致芯棒纤维丝逐步断裂，最终引发断串甚至掉线的恶性事故。一般认为酸性溶液来自酸雨;或由于芯棒表面空气在高场强下发生局部放电产生氮氧化物，遇水生成硝酸;或由于芯棒生产过程中表面残留有酸的晶体，吸水后形成酸液。上述假设有一个共同的前提条件：须由外界提供水份。一般认为是硅橡胶护套或密封胶破损为水份提供了通道，但对脆断绝缘子的检查及CIGRE绝缘子工作组的调查表明一些脆断绝缘子上并未发现明显的密封破坏痕迹;如果这样，可以认为内部质量偏低或内部存在隐蔽性缺陷可能是复合绝缘子发生脆断的重要原因之一。此外，500kV等级的脆断数量大大高于220kV及以下等级以及脆断主要发生于绝缘子端部的事实表明：高场强也是导致脆断的可能因素之一。

　　(2) 内绝缘击穿
　　内绝缘击穿也是复合绝缘子的恶性故障形式之一。关于内绝缘击穿的机理，比较一致的看法是复合绝缘子内部(界面或芯棒)存在隐蔽性缺陷，因缺陷处的局部场强较大、导致局部放电形成炭化通道并逐渐发展成贯穿性击穿;也不排除护套或端部密封破坏，水份沿界面或芯棒处的缺陷进入绝缘子内部，导致击穿的可能。

　　1.2　缺乏有效的内部缺陷(隐蔽性缺陷)检测手段
　　复合绝缘子缺少类似瓷、玻璃绝缘子的简单、有效的隐蔽性缺陷检测手段，包括实验室手段和在线检测手段。对于传统的无机材质绝缘子，若瓷绝缘子存在内绝缘问题，可通过简单的零值检测找出缺陷绝缘子;玻璃绝缘子则更简单，内绝缘的问题通过自爆即可直接显露，无需检测。但对于全有机材质的复合绝缘子，实心的内部结构曾经是它的优势，号称不可击穿型结构，无内绝缘问题，但运行结果表明：复合绝缘子的实心结构不能等同于支柱瓷绝缘子的实心结构，复合绝缘子不仅存在内绝缘问题，可造成脆断和内绝缘击穿等恶性事故，而且内绝缘缺陷在发展过程中难以通过简单有效的手段检测出来，构成电网安全运行的隐患。

　　2　复合绝缘子隐蔽性缺陷检测方法研究
　　京津唐电网历年来的复合绝缘子抽检试验、特别是发生恶性事故后的抽检试验结果几乎无一例外：同批次产品无明显劣化迹象，即认为发生的事故仅是偶然现象。但恶性事故仍时有发生，于是复合绝缘子陷入了“问题反复出，反复检测无问题”的怪圈。2004年6—7月的连续2周内2个单位相继发生了2起复合绝缘子内绝缘击穿事故(其中涉及1条220 kV紧凑型线路)，且是同一厂家同一时期产品，这就不得不使人怀疑现有复合绝缘子标准或规程中的试验方法在检测隐蔽性缺陷方面的有效性。而试验方法有效性较差的原因可能有二：其一是该方法完全无效，甚至从原理上就行不通，但作为已纳入正式标准的试验方法——这种可能性不大;其二是该方法不完善，例如：试验条件或判据过于宽松，以致不能有效拦截缺陷绝缘子。从快速寻求有效检测方法的角度考虑，应当按照第二个思路来解决问题，即从已有标准、规程中找出最有希望的试验方法进行完善，最终使之成为有效的、用于检测复合绝缘子内部隐蔽性缺陷的手段。比较有希望的两个试验方法是：①陡波试验;②水扩散试验。

　　以2004年6～7月的连续两起复合绝缘子内绝缘击穿事故为契机，华北电网有限公司提出要全面掌握华北电网复合绝缘子的运行状况，防止出现大批量、大范围的复合绝缘子事故，同时寻求一种或多种能够有效检测复合绝缘子隐蔽性缺陷的检测手段。为此，在华北电网范围内抽取110～500kV运行复合绝缘子试品共计181支，其中：500kV绝缘子76支;220kV绝缘子53支;110kV绝缘子52支。另有用于性能对比的两个厂家的新绝缘子9支。研究中除采用常规检测项目，重点围绕陡波试验及水扩散试验方法进行研究。

　　2.1　常规检测方法
　　依据GB/T19519-2004《标称电压高于1000V的交流架空线路用复合绝缘子——定义﹑试验方法及验收准则》，DL/T864-2004《标称电压高于1000V的交流架空线路用复合绝缘子使用导则》，调网[1997]93号《复合绝缘子使用指导性意见》等国家、行业标准、企业或地方性技术规程，选取下列常规试验项目检查复合绝缘子状况：外观检查、1min机械耐受与破坏负荷试验、96小时机械耐受试验、端部密封试验、2m跌落试验、伞裙护套的憎水性及憎水迁移性试验、伞裙90°弯折试验、陡波前冲击电压试验(含42h水煮过程)、工频电压干、湿耐受试验等。

　　采用上述常规或标准试验方法的结果与以往各次复合绝缘子抽检试验结果相类似，除发现一些表面的或明显的缺陷，未能检测出任何有隐蔽性缺陷的复合绝缘子，即使是多次发生由隐蔽性缺陷导致恶性事故的复合绝缘子批次，也均能通过上述检测。

　　2.2 更高陡度的陡波前冲击电压试验
　　陡波试验是复合绝缘子的设计试验和抽检试验项目，其初衷是用于检查绝缘子的内部缺陷，原理是在极短时间内在绝缘子上施加幅值很高的电压波，即该电压上升速度极快，使绝缘子的外部不能象在工频等稳态电压作用时在较低的电压幅值下就发生沿面闪络。这样，在外部不闪络的情况下，绝缘子内部也能够承受到相应的高电压幅值，以该高电压幅值来检验绝缘子的内部质量。如果内部存在隐蔽性缺陷，只要电压足够高，则将发生全部或局部的内绝缘击穿，这取决于缺陷的具体情况。即陡波试验的本质是电压幅值——波头越陡，则施加在绝缘子内部介质上的电压就能够达到更高，检测出内部缺陷的概率相应就更大。

　　从原理上分析：陡波试验用于检查绝缘子内部缺陷是正确的。那么陡波试验的具体参数是否合理呢?现有标准GB/T19519-2004规定：复合绝缘子陡波试验的陡度为1000～1500kV/µS。从三个方面分析，可以认为这一参数过于偏低：

　　①陡波试验的实际应用效果不佳：京津唐电网出于防污闪需要，于90年代早中期使用了大批量早期产品，这些产品中的一部分可能因工艺不成熟或运行中逐渐老化，目前从芯棒材料质量到界面质量均较差，甚至水扩散试验的芯棒电流已接近或达到极为宽松的1mA阈值，实际运行中也时有恶性事故发生，但陡波试验却能轻易通过。

　　②现有陡波试验参数是IEC在早期缺乏运行经验、未能准确了解产品性能的实际需要、且复合绝缘子整体水平偏低的情况下制订的，是不成熟的。该参数的确定是依据早期国外复合绝缘子的状况制订的，而目前看来国外复合绝缘子的总体质量和性能并不是很高，早期研究人员可能是为了保证一定的试验通过率而将参数调整到较低的水平，是制订标准时的“平衡”结果。但是搞“平衡”的前提应当是产品质量已足够高，能够确保长期安全运行，而现有参数的陡波试验却难以满足这一要求。

　　③同为线路绝缘子的盘形悬式瓷(玻璃)绝缘子的陡波参数要大大高于复合绝缘子：国家电网公司的招标文件要求瓷(玻璃)绝缘子的陡波参数大于2500 kV/µS ，DL/T557规定的幅值法要求更为严格。简单对比来看：瓷(玻璃)绝缘子与复合绝缘子在运行中承受同样的运行条件，因此没有理由单独给复合绝缘子一个大大降低的检验条件。事实上，国产复合绝缘子近年来无论是在芯棒上还是制造工艺上均有较大提高，应该是能够承受一定程度的高要求的。

　　至于是应当将复合绝缘子的陡波参数提高至2500kV/µS亦或是将电压幅值大幅度提高，我们没有进一步探究，因为要推翻一个广为熟悉、长期以来被认为理所当然的试验参数是比较困难的。

　　2.3　水扩散试验
　　2.3.1　采用水扩散试验的原因
　　水扩散试验是复合绝缘子的设计试验项目，其初衷是用以检验芯棒质量——将耐老化性相对较弱的芯棒(长30mm)直接暴露于0.1%浓度的盐水中沸煮100h，然后在芯棒上施加工频电压(12kV)，要求芯棒泄漏电流不大于1mA。

　　原理上该试验能够有效检验芯棒质量，但有两个问题值得商榷：

　　(1)IEC及国家标准要求：水煮后的芯棒泄漏电流不大于1mA。这一要求现在看来明显过于偏低，该指标的取值很有可能是IEC更多地考虑国外早期绝缘子芯棒的制造水平﹑而非考虑复合绝缘子实际运行需要的结果。事实上，标准制订时复合绝缘子的运行经验可能并不充足，因此也不可能知道运行中需要什么样的芯棒和绝缘子。实际上，当芯棒电流达到0.3mA时就已能感觉到明显的发热，这种芯棒已不适合于复合绝缘子。但这一参数一经写入IEC标准，数十年不再改变，显然是不合适的。

　　(2)芯棒—护套界面易成为复合绝缘子的薄弱点，京津唐电网发生的8起内绝缘击穿事故中，其中4起为界面击穿。如果能将水扩散试验由单纯的芯棒扩展到绝缘子，即以带护套的芯棒试品替代单一的芯棒试品，意义更大——不仅能够考察芯棒质量，而且能够考察芯棒—护套界面的质量。事实上，即使芯棒自身质量良好，生产过程中、包括包覆硅橡胶护套过程中是否会造成芯棒的损坏也是应当考虑的问题，即有必要对已形成成品的复合绝缘子的芯棒做检验，而改进的水扩散试验恰好可以达到该目的。

　　此外，改进的水扩散试验比复合绝缘子设计试验中的水煮加陡波试验更加严酷(不仅是水扩散试验的水煮时间远比后者长，更重要的是后者的芯棒和界面受硅橡胶护套保护而不直接暴露于盐水，而水扩散试验直接将最薄弱的芯棒和界面置于盐水中)，因此检测效果更加显著。

　　2.3.2　水扩散试验数据及分析
　　2004年6～7月，唐山供电公司和廊坊供电公司相继发生两起220kV复合绝缘子内绝缘击穿事故。华北电科院首次采用水扩散试验方法对同批次的无事故绝缘子做试验分析研究;到目前为止，已对110余支复合绝缘子进行了该项试验，其中500kV绝缘子49支，220kV绝缘子34支，110kV绝缘子29支，包括两个厂家的新绝缘子试品。

　　每支绝缘子取6个试件：两端和中段各取两个试件——其中一个带护套，一个不带护套。主要考察三个参数：芯棒试品的泄漏电流(I1)，带护套芯棒试品的泄漏电流(I2)，带护套芯棒试品的泄漏电流与芯棒试品泄漏电流的比值(I2/I1)或差值(I2-I1)。I1用于考察芯棒质量;I2主要是界面电流与芯棒电流之和;而I2/I1或I2-I1用于体现界面质量的优劣，理论上I2/I1应是一个大于1的数(因数据分散性或如果芯棒质量过差，可能出现小于1的比值)，该值越接近1，表明界面质量越好。

　　总体上，能够轻松通过陡波试验﹑工频耐压试验等常规检测的不同时期﹑不同厂家的复合绝缘子在水扩散试验中却表现出很大差异，这种差异一定程度上体现了不同时期﹑不同厂家复合绝缘子质量的差异，只要合理解读并利用这种差异，对于确保甚至提高复合绝缘子产品质量可能有重要意义。

　　2.3.2.1　2004年唐山﹑廊坊供电公司内绝缘击穿绝缘子的同批产品试验

　　针对2004年6～7月唐山供电公司和廊坊供电公司相继发生的两起220kV复合绝缘子内绝缘击穿事故，抽取10支事故绝缘子的同批次产品(保定厂1994年产品)作为试品;此外，抽取两个厂家(含事故绝缘子厂家)同种工艺的新产品(2004～2005年生产)11支(含2支芯棒)作对比试验。

　(1)事故同批次产品的I1为0.015～0.070mA(30个试件的均值为0.039mA)，I2为0.028～0.820mA(28个试件的均值为0.130 mA，且未计2个I2超过1mA的试件);I2/I1为1.27～9.68(8个绝缘子的均值为3.92，且未计2支I2超标的绝缘子)。该批绝缘子的芯棒电流I1虽然小于现有标准规定值(1mA)的10%，但芯棒—护套的界面电流却远远超过芯棒电流，均值接近芯棒电流的300%，即界面质量不良，这与唐山﹑廊坊供电公司的2支内绝缘击穿绝缘子的击穿通道在界面上的情况相吻合。而导致界面质量不良的可能原因是：该批绝缘子的界面处理工艺不佳;或经过10年运行，界面质量有所劣化。

　　(2)新产品的芯棒电流I1为0.009～0.028mA，带护套芯棒电流I2为0.012～0.034mA，I1﹑I2小于现有标准规定值(1mA)的5%(0.05mA);I2/I1为1.04～1.44(小于1.5)，即界面电流小于芯棒电流I1的50%。

　　(3)运行绝缘子的芯棒电流明显大于新产品，可能的原因是：该批绝缘子芯棒质量比新绝缘子相对偏低;或经过10年运行，芯棒质量有所劣化。目前，各主要复合绝缘子厂家已基本不使用10年前的芯棒厂家产品。

　　(4)2001年8月广东佛山供电公司在线路上发现7支与上述2支事故绝缘子同厂家﹑同时期生产(1994年)﹑同电压等级(220kV)的有内部缺陷的复合绝缘子，一定程度上说明该厂家生产的同批次产品存在一定的质量缺陷(至少经过多年运行，目前已存在质量缺陷)，同时进一步验证了这种水扩散试验方法的有效性。

　　(5)按照现行水扩散试验标准(仅考察芯棒泄漏电流，且电流阈值为1mA)：以上10支运行绝缘子的30个无护套芯棒试件均符合要求，合格率100%。但考虑到该批次绝缘子(同厂家﹑同时期生产﹑同电压等级)实际运行中出现的严重问题，可以认为仅考察芯棒质量是不够的，且1mA的阈值过于宽松。而上述新产品的数据得自于保定和淄博泰光两个厂家生产的11支新的220～500kV产品，具有一定的代表性。建议以新产品的数据为依据制订新的水扩散试验标准，并将该试验作为复合绝缘子新产品的抽检项目之一，以确保绝缘子的运行效果。

　　具体参数如下：对于Φ35mm及以下芯棒，带护套芯棒的泄漏电流不允许超过75μA，无护套芯棒的泄漏电流不允许超过50μA;且带护套芯棒电流的平均值与不带护套芯棒电流的平均值的差值不大于25μA。

　　上述参数同时考察带护套芯棒及无护套芯棒的质量，并从泄漏电流的绝对值和泄漏电流的相对差值两个角度进行绝缘子质量把关，其中差值I2-I1的意义在于：当芯棒电流较小时(例如：10μA)，避免界面电流偏大(例如：65μA)。

　　2.3.2.2　扩大的水扩散试验
　　扩大的水扩散试验共101支试品： 29支110kV绝缘子;30支220kV绝缘子;42支500kV绝缘子。

　　(1)按照现行水扩散试验标准，101支运行绝缘子试品中仅有2支500kV绝缘子不合格，合格率为98%，这显然与某些早期复合绝缘子不佳的实际运行状况不符。

　　(2)按照前述建议的新绝缘子的水扩散试验标准，考虑到近年来国内复合绝缘子制造工艺的进步，预计一些主要复合绝缘子厂家的新产品(至少500kV的新产品)合格率是较高的;但对于本次抽检的101支98年底以前投运的绝缘子，情况则不容乐观，总合格率为23%，其中500kV合格率为12%，220kV合格率为27%，110kV合格率为34%。

　　(3)鉴于以上情况，本文提出：运行复合绝缘子的水扩散抽检试验参数如下：对于Φ35mm及以下芯棒，带护套芯棒的泄漏电流不允许超过300μA，无护套芯棒的泄漏电流不允许超过200μA;且带护套芯棒电流的平均值与不带护套芯棒电流的平均值的差值不大于100μA。即以水扩散试验加压后手感试件表面微热的电流值(300μA)为基准，其它参数按比例做相应调整。按上述参数考察绝缘子的结果总合格率为66%，其中500kV合格率为52%，220kV合格率为73%，110kV合格率为79%。

　　2.4　红外成像技术
　　改进的水扩散试验能够有效检测复合绝缘子的隐蔽性缺陷(内部缺陷)，包括其它手段难以发现的芯棒材质缺陷及界面缺陷。但该方法仅适合于实验室检测，对于运行中的复合绝缘子则无能为力。因此，有必要寻求一种或多种可用于在线检测复合绝缘子缺陷的方法。

    红外成像技术是在带电情况下，根据绝缘子不同部位的发热情况判断绝缘子内绝缘缺陷的一种试验方法。2001年8月，佛山供电公司采用红外成像仪检测运行复合绝缘子，发现7支某厂1994年绝缘子温度异常。从线路上取下后送实验室做工频耐受电压试验，其中5支发生局部或贯穿性击穿。

　　可见，红外成像技术对于内部已形成明显缺陷的复合绝缘子有较好的检出作用，可用于运行绝缘子的在线检测。但由于红外成像设备的昂贵及线路地面巡视存在的实际困难，红外成像技术很难在线路绝缘子的检测中推广普及。

　　近年来，华北电网开展了直升机航巡作业，为线路绝缘子普及红外检测技术奠定了基础。2002年3月～2005年8月，北京超高压公司利用直升机航巡的机载红外成像设备在华北地区共发现复合绝缘子发热异常21支次，其中安北线51号左相大号侧复合绝缘子红外成像图如图1所示。绝缘子导线侧的第1、3、4片伞裙的杆处发热，最高点温度为60.3℃，比其它位置的温度26.7℃高33.6℃。后将安北线51号左相大号侧、丰万一回345号塔中相导线等3支复合绝缘子取下送华北电科院复测，复测手段包括红外成像、电位分布测试及解剖，复测结果表明红外成像在线检测结果完全正确。

　　但一部分现场红外检测异常的复合绝缘子，取回实验室的复测结果表明并无内部缺陷，这应当是在当时运行环境下，潮湿等气象条件导致复合绝缘子外表面发热所致，即红外检测方法可能出现相当比例的误判，将外部发热而无内部缺陷的绝缘子判为有缺陷绝缘子。

　　现场红外检测与实验室复检结果表明：作为复合绝缘子内部缺陷的在线检测手段，特别是带电检测手段，红外成像技术具有较好的可行性。与直升机航巡相结合后，值得全国电网推广，但应利用华北电网现有直升机航巡的优势，进一步积累经验，形成一套完备的红外在线检测复合绝缘子的技术条件及规章制度，以更好地发挥作用。

　　3　结论
　　3.1 新产品的抽检试验中增加改进的水扩散试验
35 mm及以下芯棒，带护套芯棒的泄漏电流不超过75 μA，无护套芯棒的泄漏电流不超过50 μA，且带护套芯棒电流的平均值与不带护套芯棒电流的平均值差值不大于25 μA。复合绝缘子新产品的抽检试验中增加改进的水扩散试验，作为检测内部隐蔽性缺陷的手段。为了将有缺陷的、甚至没有严格意义上的缺陷、但是在材料或工艺上偏低一些的绝缘子批次阻于电网门外。

　　3.2　运行产品的抽检试验中增加改进的水扩散试验。
35 mm及以下芯棒，带护套芯棒的泄漏电流不超过300 μA，无护套芯棒的泄漏电流不超过200 μA，且带护套芯棒电流的平均值与不带护套芯棒电流的平均值差值不大于100 μA。复合绝缘子运行产品的抽检试验中增加改进的水扩散试验，作为检测内部隐蔽性缺陷及判断产品老化状况的手段。随着运行时间的延长，所有产品均有一个老化过程，因此在保证安全的前提下，对于运行绝缘子适当放宽要求是允许的。

　　3.3　与直升机航巡相结合，将红外成像技术应用于运行复合绝缘子的缺陷检测
　　与直升机航巡相结合，将红外成像技术应用于运行复合绝缘子的缺陷检测。与水扩散试验相比，作为一种非接触式测量手段，红外成像只能检测内部已出现明显缺陷的复合绝缘子，而且具有一定的误判率，但对于运行绝缘子仍然意义重大。与水扩散试验的作用不尽相同，红外检测方法只要能在复合绝缘子造成最终掉闸前将其检出并及时更换就足够了。直升机航巡的快速性、定期性及能确保昂贵的红外成像设备的安全等优势使得将红外技术作为运行复合绝缘子的常规检测项目成为可能。