未来绝缘子发展的关键问题

硅胶复合绝缘子的应用在过去的30年里有了显著的增长。持续增长背后的一个关键因素将是电力公司对它们表现出的信心。清华大学梁希东教授和阎志鹏教授探讨了一些关键问题，并提出一些现有的IEC测试方法和技术标准可能需要进一步改进。他们还回顾了在中国使用的测试方法——中国拥有世界上最大的绝缘子市场。此外，由于运行条件不同，他们解释可能需要为不同类型的复合绝缘子，特别是变电站绝缘子制定特定的检测技术要求

自20世纪80年代以来，中国的电力工业经历了快速增长，随着特高压交流和特高压直流线路的发展，发电量和国家高架网的长度都出现了激增。图1和图2分别描绘了1980 - 2016年和1985 - 2016年架空输电线路的发电量和长度的增长。

绝缘子的发展离不开整个电力行业的发展。例如，架空线路长度的快速增长和向更高电压水平的移动，不仅带来了对绝缘子需求的巨大增加，而且对绝缘子的性能提出了新的更高的要求。由于硅橡胶复合绝缘子在湿闪、污闪性能优越、重量轻、强重比高、运输安装方便、抗破坏等方面的优势，中国硅橡胶复合绝缘子的应用实现了显著增长。

2012年1月- 2017年9月国家电网公司购买线路绝缘子数量统计见图3。该数据涵盖110kv至1000kv交流，±800kv直流以及70 kN至550 kN SML(瓷、玻璃和硅树脂复合绝缘子)和1000 kN SML复合绝缘子。在此期间，国家电网采购了3410万瓷绝缘子、2530万玻璃绝缘子和513万串硅胶复合绝缘子。如果换算成串的数量，可以直接比较，瓷的约为248万串，玻璃的约为185万串。因此，陶瓷、玻璃和复合绝缘子串的购买比例分别为26%、20%和54%。新安装绝缘子中复合绝缘子串数大于其他两种绝缘子串数之和。这证实了中国已经成为第一个在超高压和特高压架空线路中使用硅橡胶绝缘体的国家。

复合绝缘体在世界范围内的使用也有了显著的增长，基于试验应用，现在主导了所有特高压线路。此外，在制造和测试方面都取得了重大改进。尽管如此，考虑到这项技术的快速发展，未来复合绝缘子的关键问题是电力公司对其预期使用寿命和性能仍然有信心。这意味着复合绝缘子的未来发展(如图4所示)将取决于:是否有合适的测试方法来验证长期性能;对站内绝缘子建立不同的要求;开发最好的材料和维修技术。

测试方法和长期性能

为确保复合绝缘子的性能而发布的技术标准是IEC 62217，室内和室外用聚合物高压绝缘子-一般定义、试验方法和验收标准，其范围包括绝缘体由一种或多种有机材料组成的聚合物绝缘子。本标准涵盖的聚合物绝缘子包括用于额定电压大于1000V的架空线路或室内和室外设备的实心和空心绝缘子。不幸的是，IEC 62217中的试验方法不能保证绝缘体在整个使用寿命内都具有令人满意的性能。例如，一些通过标准测试的复合绝缘体在运行时，即使在类似的环境中，也会展示出不同的性能。一个很具代表性的问题是，这样的测试还不足以充分筛选界面质量、杆质量和棚到外壳的界面质量。

棒料试验

目前的IEC标准仅规定了染料渗透测试和棒材料的水扩散测试。但在使用过程中，杆类损坏仍然是绝缘子失效的主要原因，如脆性断裂和衰变状断裂。例如，如表1所示，芯棒故障一直是服务故障的主要原因，约占所有此类事故的22.3%。这说明芯棒的质量远远不能令人满意，需要更多的测试方法来保证质量，防止此类损坏。

在用复合绝缘子中发生脆性断裂的比例很低，但会导致绝缘子突然掉落，造成严重后果。通常，受影响的绝缘体在低机械负载下，仅在使用几个月或几年后就会失效。这种情况下的断口表面通常平坦光滑，如图5所示。

从欧洲到中国，很多国家都有脆性断裂的报道，但目前还没有相关的IEC测试。由于这种破坏背后的机制显然是应力腐蚀，中国电力工业标准DL/T 810-2002(2012年修订)已经开发并采用了这种测试方法。具体来说，本标准要求玻璃钢棒必须是耐酸的(即使用无硼玻璃)。自本标准公布以来，没有新安装的具有耐酸棒的复合绝缘子脆性断裂的报告。这类测试有助于确认可消除芯棒的这种风险。像断裂一样的衰变是另一种杆失效机制。尽管这种现象的发生率甚至低于脆性断裂，但问题同样严重。受影响的绝缘子在低机械负荷下也会发生故障，仅在使用几年之后。但在这种情况下，断裂表面是脆的，像死木，如图6。此外，在受影响绝缘子棚的表面出现了白垩现象，并发现玻璃纤维与棒中的树脂分离。在中国，这类故障主要发生在500kv线路上，值得注意的是，这类故障在过去10年中有所增加。

目前IEC标准中的测试不能保证防止衰变样断裂，因为一些芯棒材料已经通过，但随后在运行中失败了。此外，这背后的确切机制仍不完全清楚。经验表明，在故障发生之前，可以通过红外成像来检测局部温度的升高。但这只允许检测。为了防止这一问题，需要对棒材进行更多的筛分试验。

伞料试验

在IEC标准中，伞柱/伞的试验包括4个部分:硬度试验、加速风化试验、跟踪和侵蚀试验(1000h盐雾试验)和可燃性试验。根据国家电网和南方电网的经验，这些试验需要改进。例如，目前的IEC标准没有考虑疏水性及其转移。此外，跟踪和侵蚀的测试方法应该改进，而多应力测试似乎不适合材料，如硅橡胶。疏水性及其传递性是疏水性传递材料复合绝缘子最重要的特性，但在IEC中尚未提及。为此，清华大学提出了一种硅橡胶绝缘子的疏水性及其转移的测试方法，该方法在中国已经使用了15年。地方标准DL/810-2002提出，该试验分为4个部分:疏水性试验、疏水性损失试验、疏水性恢复试验和疏水性转移试验。每个都有自己的测试方法和验收标准。

目前的IEC跟踪腐蚀试验，在方法和效果上还存在一些问题。例如，在5000h盐雾试验中，盐雾指向绝缘子，就恶劣使用条件下复合绝缘子的实际技术要求而言，似乎具有误导性。旋转车轮倾角测试是评估跟踪和侵蚀性能的另一种选择，但不幸的是，在不同的实验室中，结果存在较大的分散。还有一个问题是测试更大的绝缘子直径，这是目前正在发展的复合站绝缘子所必需的。此外，随着复合绝缘子在高压直流线路和换流站的应用越来越多，我国已经规定了直流电压下的跟踪和耐腐蚀试验，但IEC中还没有明确规定。

为保证伞体材料的长期性能，IEC推荐了加速风化试验。不幸的是，根据迄今为止中国的经验，这对硅橡胶没有影响。具体来说，目前的试验没有充分模拟不溶性污染物对硅橡胶材料的影响和疏水性变化过程。因此，提出了一种改进的5000h测试程序——THU 5000h测试程序应于实际操作中。本试验程序(见图7)包含两个重点的修改，1：用混合污染雾(NaCl和硅藻土)代替盐雾;为雾室中的疏水性损失和放电活动提供足够的时间，也为紫外光室中的疏水性转移提供足够的时间(如图8所示)。

测试接口

复合绝缘子界面粘附不良或界面耦合失效会导致不同类型的问题，如界面穿孔、界面泄漏电流引起的局部温升，最终导致衰变状断裂。此外，还可能存在界面粘合力弱与脆性断裂的关系。有证据表明，这可能是一个日益增长的问题，因为杆和梭口之间的界面总是复合绝缘子的关键区域。IEC 62217和其他标准提供了接口和连接的试验，包括参考干工频率试验、预应力试验和验证试验。试验主要采用1000kV/μs陡前冲击电压试验。有限的测试不能保证界面在户外运行几十年的性能。事实上有关shed-rod接口失效的记录要追溯至1900年的一项调查中，调查报告显示有203个绝缘子因为接口问题而失效。 (见表1)如果回顾过去30年的情况，这个界面问题是非常重要的。事实上，在这段时间内在中国进行的一项调查也显示了类似的结果。

目前根据IEC 62217和IEC 61109进行的陡前冲击电压试验似乎不能保证接口质量，因此近年来测试进行了修改。施加电压由1000kv /ms变为30kv /cm，对接口性能要求更高。一个新的接口测试方法似乎是必要的。其中一种可能性是界面电阻率测量，最近由清华大学提出，用于测试硅橡胶和玻璃钢棒之间的介电性能。

低价格和长期性能

由于激烈的竞争，硅橡胶绝缘子相对于其他类型的市场价格是非常有吸引力的。在高电压的情况下尤其如此。例如，中国110kv - 1000kv交流绝缘子、±500kv直流绝缘子和±800kv直流绝缘子的陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子的成本比较分别见图9a和图b。每串绝缘子的成本是根据在一般使用环境中的应用计算的。可以很容易地看到，硅橡胶复合绝缘子总是比陶瓷或玻璃绝缘子便宜得多，而且这种成本优势随着电压或机械水平的提高而增加。在直流输电的情况下，成本差异甚至更大。

虽然较低的购置成本是硅橡胶复合绝缘子的优势之一，但过低的价格可能会增加质量较低和长期性能较差的风险。根据中国使用HTV硅橡胶的经验，一些绝缘体运行没有问题超过15年，但许多早期产品不得不在10年内更换。由于目前的使用年限通常少于20年，这可能会影响用户对复合绝缘体的认知和信心。新一代合成橡胶复合绝缘子预计将运行更长时间。但是，由于公用事业公司希望购买可靠且成本较低的绝缘子，由于制造商需要控制生产成本，目前的绝缘子标准不足以满足所有这些利益。

对标准的建议修改

对现行标准中的测试方法进行修改是迫切需要的，但首先确定必须满足的技术要求也是重要的。技术标准必须指导绝缘子制造商正确理解室外绝缘的要求，避免任何成分或生产过程的随机变化。同时，另一个要求是指导公用事业采购过程。复合绝缘子的质量取决于材料、设计和制造工艺。因此，为了改进性能，可能需要将材料、设计和制造方面的测试纳入未来的标准。以中国为例，DL/T 810-2002已经使用了15年，从第一代硅橡胶复合绝缘子到第二代硅橡胶复合绝缘子有了明显的变化。如上所述，为了防止脆性断裂，进行了应力腐蚀试验，同时定义了HTM材料的疏水性和疏水性传递试验。其他内容包括高压直流输电跟踪和侵蚀试验，以及对硅橡胶和玻璃钢棒的几项材料试验。对30kV/cm的陡前冲击电压试验进行了改进，以满足我国特高压交流和特高压直流的要求。

对站内绝缘子有不同要求

变电站是复合绝缘子新的主要应用领域，虽然近20年来复合绝缘子的体积和应用比例远远低于线路绝缘子。这种情况现在正在改变。虽然硅橡胶复合绝缘子现在被用于变电站的原因之一是它们在架空线路上的成功，但线路绝缘子和站内绝缘子在不同的条件下运行。线路绝缘子的位置分散在整个线路上，使得监控它们成为一个挑战。此外，由于线路绝缘子的单位值相对较低，不认为需要对线路绝缘子进行全部老化监测。同样，由于绝缘子和塔之间的连接相对简单，线路绝缘子可以单独更换或批量更换，因此修复任何发现的局部损坏通常都不划算。这使得在运行过程中，可以对线路总体内的一些绝缘子甚至部分绝缘子进行抽样，以进行监测和研究。相比之下，站内绝缘子的相对集中为进行各种监测提供了优势。此外，由于站式绝缘子的个体值较高，因此值得发展监测技术，发现的任何局部损伤都值得修复。同时，在服务期间进行研究的抽样几乎是不可能的。变电站绝缘子常应用于高压设备，更换不方便。例如，由于特点不同，站内绝缘子可分为两种类型:I型——便于更换;和II型-难以替代。I型绝缘子的主要例子是母线站柱。II型绝缘子包括GIS套管，墙套管，电力变压器套管，CTs和PTs的空心绝缘子，以及氧化锌避雷器的空心外壳。

站用绝缘子的寿命要求

对于在使用中难以更换的II型变电站绝缘子，必须密切关注其使用寿命和长期性能。例如，已经观察到只运行了15年的壁套已经严重老化(见图10)。室外部分棚面出现大面积裂缝和粉笔化现象。这些表面裂缝主要出现在外壳的上部(即暴露在阳光下)。高压侧出现硅橡胶粉化现象。由于这种粉化，表面的机械强度显著下降。此外，在大多数地区，如HV和中间部分，疏水性分类降低到HC7，表面水显示亲水性状态。芯棒材料的价格远低于本身，更换成本也远高于伞体成本。因为在服役期间不可能进行取样，所以老化过程及其各种作用机制更加难以确定。这个例子强调，与架空线路相比，监测变电站复合绝缘子的老化性能更为重要。

变电站绝缘子的试验方法

变电站绝缘子的运行条件与架空线路绝缘子的运行条件不同。此外，不同的工位设备在电场分布、弯曲刚度、扭转刚度、温度等方面都有其特定的运行条件。因此，最好采用不同的试验来检查这些不同的绝缘子，并为每种绝缘子设置不同的接受标准。

新的材料和维修技术

材料超疏水性

新型超疏水材料对于户外保温尤其具有吸引力，研究人员已经想出了各种方法来创造这些材料。例如，清华大学利用激光烧蚀模板和氟烷基硅烷改性复合涂层在硅橡胶表面制备了特定的微结构和纳米结构 (见图11)。

图12为不同微、纳米、微纳米层次纹理表面的HTV硅橡胶表面的静态接触角和滑动角测量结果。水滴在未改性HTV硅橡胶试样上的静态接触角为115±0.7°(即图12:原始和超疏水HTV试样的接触角和滑动角)。(a)接触角和滑动角;(b)具有微纳结构的高温电视试样的接触角;(c)水与具有微纳结构的HTV试样之间的气穴。分类为疏水性)。在微结构HTV硅橡胶表面下，该值增加到151.1±1.7°，滑动角为4.1°。纳米结构HTV硅橡胶表面的静态接触角为148.2°，滑动角为4.9°。微纳米结构的HTV硅橡胶试样的静态接触角最高，为153.3°，滑动角极低，为2.7°。一种超疏水硅橡胶在电场作用下受到水滴冲击时表现出优良的拒水性能。该表面还可以解决地表水膜造成的场分布不均匀和水滴造成的电场增强问题。这种大面积的样品已经成功制备，并且发现这种表面还具有防结冰和自洁性能。显然，大批量生产持久耐用、超疏水表面将是户外保温领域未来的重要发展方向。

其他新材料

还有其他的发展值得关注，如纳米填料和填料的改性。通过改进或更换纤维或基体材料，可以更好地改善复合绝缘子或FRP杆的伞片/护套。另一个有前途的发展是使用新的偶联剂或新的处理方法改善护套和杆之间的临界界面。其他的可能性包括自我诊断甚至自我修复材料。

基于非接触式监控的维护

在线监测对电网来说是一个巨大的挑战。工业机器人的发展将是一种很有前途的方式来进行绝缘的非接触监测，如寻找任何可能由表面泄漏电流引起的局部发热，内部缺陷或外壳-棒的接口退化。目前认为局部温升主要与界面的退化有关，是类似衰变断裂的早期迹象。直升机或无人机的红外检测等非接触式监测方法可以检测到局部发热，从而根据温升水平及时更换受影响的绝缘体。

基于大数据的维护

信息技术必将改变电网的发展。就复合绝缘体而言，有两种可能的特性可能满足未来智能电网的一些需求。首先是对变电站和架空线路进行大规模、实时的在线状态监测。复合绝缘子可以增加一种新的功能，即获取和传输数据。另一种是基于大数据的故障预测。每个绝缘子都需要有自己的二维码，以便获得所有信息，如制造和材料细节、运行时间、维护信息等。有了这些数据，质量维护将会数字化，故障预测也将基于大数据。

结论

复合绝缘子的使用在过去30年迅速增加。展望未来，这项技术的持续发展仍有关键问题。目前，复合绝缘子的试验方法和技术标准尚不完善，为提高复合绝缘子的质量，提高复合绝缘子的使用可靠性，对复合绝缘子进行改进是十分重要的。针对不同类型的复合变电站绝缘子，需要制定具体的测试方法和要求。此外，新材料和改进的维护技术都将有助于复合绝缘体的进一步发展。