羅 凌 張福增 王黎明 梅紅偉 關(guān)志成 李立浧

(1.清華大學(xué)深圳研究生院 深圳 518055 2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 廣州 510080)

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高壓直流瓷和玻璃絕緣子金屬附件電解腐蝕試驗(yàn)方法

羅 凌1張福增2王黎明1梅紅偉1關(guān)志成1李立浧1

(1.清華大學(xué)深圳研究生院 深圳 518055 2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 廣州 510080)

分別采用噴水法、鹽霧法、電解法和固體污層法對(duì)絕緣子的鐵帽、鋼腳進(jìn)行電解腐蝕模擬試驗(yàn)研究，并對(duì)不同試驗(yàn)方法的等效性和可行性進(jìn)行分析。通過(guò)與金屬附件的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比，并綜合考慮各種方法的可操作性，推薦采用噴水法和鹽霧法進(jìn)行絕緣子金屬附件電解腐蝕的模擬試驗(yàn)研究。采用噴水法進(jìn)行鐵帽腐蝕試驗(yàn)時(shí)，鹽溶液的電導(dǎo)率取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量控制在8～10 L/h范圍內(nèi)；進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)時(shí)，溶液電導(dǎo)率取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量為2～3 L/h。采用鹽霧法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，鹽水溶液的電導(dǎo)率調(diào)配為10～12 mS/cm，單個(gè)噴嘴的噴霧流量為0.25～0.4 L/h。

直流瓷和玻璃絕緣子 金屬附件 電解腐蝕 試驗(yàn)方法 噴水法 鹽霧法

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，高壓直流輸電技術(shù)得到了快速發(fā)展[1-4]。多條高壓、特高壓直流輸電工程投入運(yùn)行，為我國(guó)電力能源的優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用[5-8]。盤(pán)形懸式瓷和玻璃絕緣子因其機(jī)電特性穩(wěn)定、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富而在高壓直流輸電工程上被廣泛應(yīng)用[9-12]。

自2011年10月以來(lái)，我國(guó)±800 kV楚穗直流、向上直流等特高壓直流輸電工程投運(yùn)不足兩年即陸續(xù)出現(xiàn)大面積的瓷和玻璃絕緣子金屬附件腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)南方電網(wǎng)公司2012年2月的排查結(jié)果，楚穗直流云南曲靖區(qū)段共有20 000余片瓷絕緣子出現(xiàn)鐵帽腐蝕現(xiàn)象[13]。幾乎同一時(shí)間，國(guó)家電網(wǎng)公司在向上直流湖北恩施區(qū)段也發(fā)現(xiàn)了2 000余片瓷絕緣子出現(xiàn)了鐵帽腐蝕[14]。此外，南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局發(fā)現(xiàn)其轄區(qū)內(nèi)的±500 kV高肇、興安、天廣等高壓直流線路也存在鐵帽腐蝕問(wèn)題。對(duì)線路運(yùn)行絕緣子進(jìn)行解剖檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)抽取的82片正極性側(cè)絕緣子均存在鋼腳腐蝕現(xiàn)象。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，金屬附件腐蝕絕緣子的數(shù)量也日益增加，威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

早期文獻(xiàn)對(duì)金屬附件腐蝕的研究主要集中在鋼腳方面[15，16]。直到近年來(lái)我國(guó)出現(xiàn)大面積的鐵帽腐蝕現(xiàn)象，該問(wèn)題才引起研究人員的注意[17，18]。

對(duì)于絕緣子金屬附件的腐蝕問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外通常在鐵帽和鋼腳處安裝保護(hù)鋅環(huán)、鋅套加以抑制。但由于不同類型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)存在較大差異，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也未對(duì)鋅環(huán)、鋅套的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。此外，尚無(wú)合適的模擬試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此，無(wú)法對(duì)不同類型絕緣子金屬附件的耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)判，更無(wú)法指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。這給特高壓直流盤(pán)形懸式瓷和玻璃絕緣子的生產(chǎn)和運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不便。因此，亟需對(duì)模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究，選擇有效適用的試驗(yàn)方法對(duì)金屬附件的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行研究，為實(shí)際工程提供參考。

對(duì)于鋼腳腐蝕模擬試驗(yàn)，A.W.Bardeen等[19]在20世紀(jì)50年代將針式瓷絕緣子置于相對(duì)濕度高于95%的高濕度氣候箱中，同時(shí)將二氧化硫等氣體通入氣候箱中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重工業(yè)區(qū)絕緣子鋼腳腐蝕現(xiàn)象的近似模擬。絕緣子串施加44 kV直流電壓，整個(gè)鋼腳腐蝕試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)了20年。I.M.Crabtree等[15]給出了絕緣子鋼腳腐蝕的等效電解電路，認(rèn)為可以在電解池中對(duì)鋼腳腐蝕進(jìn)行模擬試驗(yàn)。文獻(xiàn)[20]采用電解法對(duì)支柱絕緣子下部金屬附件進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究時(shí)，將可溶性硫酸鹽和鹽酸鹽等作為溶質(zhì)，并按一定比例進(jìn)行調(diào)配，以達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)絕緣子表面污穢成分相近的目的，之后將試品絕緣子置于電解池中進(jìn)行試驗(yàn)。文獻(xiàn)[21]把絕緣子浸入到污穢懸浮液中，以在絕緣子表面形成一層均勻的固體污穢層。之后將試品置于容器內(nèi)進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)，并采用噴霧的方式對(duì)污穢層進(jìn)行周期性濕潤(rùn)。這一試驗(yàn)方法同樣被俄羅斯高壓直流輸電研究院用于長(zhǎng)棒形瓷絕緣子金屬附件電解腐蝕的模擬試驗(yàn)研究[22]。張俊鋒等[23]分別采用鹽霧法、固體污層法及電解法對(duì)爬距較小的小噸位絕緣子進(jìn)行了鋼腳腐蝕模擬試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)3種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，文獻(xiàn)[23]中還提到，美國(guó)OB公司采用十字轉(zhuǎn)輪法對(duì)絕緣子金具進(jìn)行電解腐蝕模擬試驗(yàn)。試品絕緣子固定在間歇旋轉(zhuǎn)的十字架上，依次經(jīng)過(guò)鹽水池浸沒(méi)、滴干、施加直流電壓及冷卻4個(gè)環(huán)節(jié)，周而復(fù)始地進(jìn)行人工加速腐蝕試驗(yàn)。施加直流電壓為5 kV，產(chǎn)生約100 mA的泄漏電流。

盡管早期文獻(xiàn)采用了不同模擬試驗(yàn)方法對(duì)直流盤(pán)形懸式絕緣子的鋼腳腐蝕進(jìn)行了一定研究，但均在20世紀(jì)90年代之前，當(dāng)時(shí)主要采用爬距較小的小噸位絕緣子進(jìn)行試驗(yàn)，且早期絕緣子的制造工藝與現(xiàn)在存在一定差異，很多試驗(yàn)方法難以在現(xiàn)代絕緣子上取得類似的模擬效果，故其參考價(jià)值有限。

本文在參考國(guó)內(nèi)外早期模擬試驗(yàn)方法研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合楚穗直流工程的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況，以當(dāng)前特高壓直流工程用的同型號(hào)絕緣子為試品，分別采用噴水法、鹽霧法、電解池法和固體污層法對(duì)其鐵帽、鋼腳進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比來(lái)選擇合適的模擬試驗(yàn)方法，并確定試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1 腐蝕情況和研究思路

高壓直流輸電工程上的鐵帽腐蝕絕緣子均位于負(fù)極性側(cè)，且其懸掛方式均為Ⅴ型串。腐蝕部位為Ⅴ型懸掛方式下絕緣子鐵帽最低點(diǎn)的滴水檐處，如圖1所示。

圖1 絕緣子鐵帽腐蝕Fig.1 Corrosion of insulators’ iron caps

鋼腳腐蝕Ⅴ型串瓷和玻璃絕緣子均位于正極性側(cè)。腐蝕部位為鋼腳保護(hù)鋅套在水泥與空氣交界處的環(huán)形區(qū)域，并且V串懸掛方式下保護(hù)鋅套最低點(diǎn)腐蝕較其他部位更為嚴(yán)重，如圖2所示。

圖2 絕緣子鋼腳腐蝕Fig.2 Corrosion of insulators’ pins

導(dǎo)致絕緣子金屬附件出現(xiàn)腐蝕的主要原因是電解腐蝕。運(yùn)行絕緣子在降雨、濃霧、凝露等天氣條件下，絕緣子受潮后的表面液體環(huán)境、鐵帽、鋼腳以及施加在鐵帽和鋼腳上的電位差共同形成了電解回路。根據(jù)法拉第電解定律，與電源正極相連的陽(yáng)極金屬會(huì)被電解。在直流線路上，負(fù)極性側(cè)的鐵帽和正極性側(cè)的鋼腳均為陽(yáng)極，因此會(huì)出現(xiàn)腐蝕。

本文主要從與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況的等效性及可操作性兩個(gè)方面對(duì)不同模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而選擇等效性、可操作性均較好的模擬試驗(yàn)方法。等效性方面是通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)絕緣子進(jìn)行等電荷量條件下的模擬試驗(yàn)，對(duì)比兩者腐蝕區(qū)域的參數(shù)及形狀。

現(xiàn)場(chǎng)絕緣子的腐蝕電荷量主要根據(jù)法拉第電解定律對(duì)金屬附件腐蝕區(qū)域解剖測(cè)量得到。首先用橡皮泥對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行復(fù)原填充，得到腐蝕區(qū)域的體積。需重復(fù)測(cè)量5次，取其平均值

(1)

式中，V為腐蝕區(qū)域的體積，cm3；m1為橡皮泥的質(zhì)量，mg；ρ0為橡皮泥的密度，mg/cm3。

之后計(jì)算金屬附件腐蝕損失質(zhì)量

m=ρV

(2)

式中，m為金屬附件的腐蝕損失質(zhì)量，mg；ρ為金屬附件的密度，mg/cm3。

最后根據(jù)法拉第電解定律，計(jì)算出腐蝕電荷量

Q=m/ω

(3)

式中，ω為金屬附件的電化學(xué)當(dāng)量，g/C。

以所求得的腐蝕電荷量對(duì)金屬附件進(jìn)行等量模擬試驗(yàn)，并將腐蝕區(qū)域的相關(guān)參數(shù)和腐蝕形狀與現(xiàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行對(duì)比，判斷其等效性的優(yōu)劣。

對(duì)于可操作性，即從試驗(yàn)過(guò)程中影響試驗(yàn)進(jìn)度的電解電流大小和試品準(zhǔn)備繁瑣程度來(lái)進(jìn)行評(píng)判。

2 噴水法

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

采用噴水法進(jìn)行鐵帽、鋼腳電解腐蝕模擬試驗(yàn)的平臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中，將NaCl溶液噴至絕緣子表面形成腐蝕所需的電解液環(huán)境。進(jìn)行鐵帽腐蝕試驗(yàn)時(shí)，在鋼腳側(cè)施加負(fù)極性電壓；進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)時(shí)，在鋼腳側(cè)施加正極性電壓。

1—調(diào)壓器；2—變壓器；3—全橋整流器；4—保護(hù)電阻；5—濾波電容；6—分壓器；7—穿墻電纜；8—懸掛支架；9—噴水裝置；10—電流測(cè)量裝置；11—模擬試驗(yàn)房圖3 基于噴水法的模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 The experimental set-up with spray water method

2.2 試品準(zhǔn)備

圖4 試品絕緣子的準(zhǔn)備過(guò)程Fig.4 Preparation procedure for the test insulators

采用噴水法進(jìn)行金屬附件電解腐蝕模擬試驗(yàn)之前，需對(duì)試品絕緣子進(jìn)行前期準(zhǔn)備。對(duì)于鐵帽腐蝕試品，需在絕緣件上表面距離鐵帽帽檐5 cm處粘貼固定銅片電極，以短接下表面及部分上表面爬距。為避免電極在水流沖擊下脫離絕緣件表面，在用強(qiáng)力膠粘貼電極后還需采用防水膠進(jìn)一步固定，之后將電極另一端的金屬線纏繞固定在鋼腳上，如圖4a、圖4b所示。進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)前，同樣需要將銅片電極粘貼固定于絕緣件下表面，電極端部與鋼腳側(cè)絕緣件的邊緣相距1 cm，之后將金屬線纏繞固定于鐵帽的緊鎖銷上，如圖4c、圖4d所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 鐵帽腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

為了便于討論和分析，對(duì)鐵帽腐蝕區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度、深度進(jìn)行了定義，如圖5所示。

圖5 鐵帽腐蝕區(qū)域參數(shù)定義Fig.5 Parameters definition of the corrosion area

在5 200 C等腐蝕電荷量條件下，不同溶液電導(dǎo)率、噴水流速時(shí)的模擬試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕尺寸的對(duì)比如圖6所示。

圖6 鐵帽試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況的對(duì)比Fig.6 Comparison of iron caps between test results and field corrosion insulators

由圖6可知，當(dāng)噴水溶液的電導(dǎo)率和流量在一定范圍內(nèi)時(shí)，鐵帽腐蝕所形成銹坑的尺寸與實(shí)際運(yùn)行絕緣子的腐蝕尺寸具有較好的等效性。從等效性和試驗(yàn)過(guò)程中絕緣子沿面放電等方面進(jìn)行綜合考慮，采用噴水法進(jìn)行鐵帽電解腐蝕試驗(yàn)時(shí)，噴水溶液的電導(dǎo)率宜取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量宜取8～10 L/h。對(duì)于溶液溫度不是20℃的情況，其電導(dǎo)率應(yīng)按式(4)進(jìn)行折算。

σθ=σ20/[1-b(θ-20)]

(4)

式中，θ為溶液溫度，℃；σθ為θ時(shí)的體積電導(dǎo)率，mS/cm；σ20為溶液溫度為20℃時(shí)的體積電導(dǎo)率，mS/cm；b為取決于溫度θ的因數(shù)，b=-3.200×10-8θ3+1.032×10-5θ2-8.272×10-4θ+3.544×10-2。

2.3.2 鋼腳腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

由于運(yùn)行絕緣子鋼腳腐蝕區(qū)域的尺寸分散性較大，無(wú)法像鐵帽那樣進(jìn)行尺寸測(cè)量和等價(jià)性驗(yàn)證。因此，對(duì)于鋼腳腐蝕，只能采用近似的觀測(cè)。等量腐蝕電荷量條件下，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況對(duì)比如圖7所示。

圖7 鋼腳腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)比Fig.7 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

從模擬等效性方面考慮，采用噴水法進(jìn)行鋼腳電解腐蝕試驗(yàn)時(shí)，溶液的電導(dǎo)率宜取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量宜取2～3 L/h。對(duì)于溶液溫度不是20℃的情況，其電導(dǎo)率也按式(4)進(jìn)行折算。

采用噴水法對(duì)XZP2-300型瓷絕緣子進(jìn)行模擬試驗(yàn)，不同腐蝕電荷量條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？煽吹?，4.2 mm厚的保護(hù)鋅套約能耐受45 000 C的腐蝕電荷量。

圖8 不同試驗(yàn)電荷量條件下鋼腳的腐蝕情況Fig.8 Corrosion condition of pins under different test electric charges

3 鹽霧法

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

基于鹽霧法的金屬附件電解腐蝕試驗(yàn)仍在加速電解腐蝕試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)安裝在底部的4個(gè)霧化噴頭將鹽霧噴至整個(gè)試驗(yàn)空間，如圖9所示。

1—調(diào)壓器；2—變壓器；3—全橋整流器；4—保護(hù)電阻；5—濾波電容；6—分壓器；7—穿墻電纜；8—懸掛支架；9—噴水裝置；10—電流測(cè)量裝置；11—模擬試驗(yàn)房圖9 基于鹽霧法的模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 The experimental set-up with salt fog method

試驗(yàn)室鹽霧的產(chǎn)生方式包括高壓噴射法和超聲霧化法兩類。高壓噴射法以壓縮空氣的方式對(duì)鹽霧溶液產(chǎn)生6～10個(gè)大氣壓而使其霧化，此法產(chǎn)生鹽霧顆粒的粒徑為50～150 μm。超聲霧化法利用1～3 MHz超聲波的空化作用使液體分子作用力破壞，從液體表面脫出來(lái)而霧化，此法產(chǎn)生鹽霧顆粒的粒徑普遍在1～20 μm范圍內(nèi)。兩種霧化方式的原理示意圖如圖10所示。

圖10 鹽霧發(fā)生裝置原理圖Fig.10 The experimental set-up of salt fog production

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用鹽霧法進(jìn)行鐵帽電解腐蝕試驗(yàn)，當(dāng)腐蝕電荷量為5 200 C時(shí)，鐵帽的腐蝕情況如圖11b所示。

圖11 基于鹽霧法的鐵帽腐蝕試驗(yàn)Fig.11 Test result of iron cap with salt fog method

由圖11可知，采用鹽霧法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，鐵帽腐蝕部位沒(méi)有噴水法那么集中。大部分腐蝕電荷量作用在滴水檐處，但有一部分腐蝕電荷量作用在帽檐的其他部位。這說(shuō)明，若按照滴水檐處的集中腐蝕電荷量進(jìn)行模擬試驗(yàn)，宜采用噴水法；若按照整個(gè)鐵帽帽檐的腐蝕電荷量進(jìn)行試驗(yàn)，則應(yīng)采用鹽霧法。

在等量腐蝕電荷量條件下，分別采用兩種鹽霧發(fā)生方式進(jìn)行鋼腳電解腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況的對(duì)比如圖12所示。

圖12 鋼腳腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)比Fig.12 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

從模擬試驗(yàn)結(jié)果看，采用鹽霧法進(jìn)行鐵帽、鋼腳電解腐蝕試驗(yàn)時(shí)，噴水溶液的電導(dǎo)率宜取10～12 mS/cm(20℃)，每個(gè)噴嘴的噴霧流量控制在 0.25～0.4 L/h范圍內(nèi)。對(duì)于溶液溫度不是20℃的情況，其電導(dǎo)率仍按式(4)進(jìn)行折算。

4 電解池法

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)和試品準(zhǔn)備

電解池法只適用于鋼腳腐蝕的模擬試驗(yàn)，而不適合于鐵帽。因?yàn)榇朔▎?wèn)題在于電解池中的金屬附件均會(huì)發(fā)生腐蝕，金屬附件腐蝕部位的形狀很難與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相近。只有將金屬附件不腐蝕的部位用密封材料進(jìn)行密封，將待腐蝕部位暴露在電解液中，才能近似模擬現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕情況。對(duì)于鐵帽，難以通過(guò)密封等前期處理使其得到與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕較接近的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于鋼腳，首先將金屬線纏繞在鋼腳上，之后用防水密封膠將鋼腳不發(fā)生腐蝕的部位和金屬線密封起來(lái)，只露出保護(hù)鋅套待腐蝕的環(huán)形區(qū)域，待密封膠干燥后進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)的試品準(zhǔn)備及試驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。

圖13 基于電解池法的試品準(zhǔn)備和試驗(yàn)平臺(tái)Fig.13 The experimental set-up and preparation process of pin with salt fog method

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同腐蝕電荷量條件下，鋼腳的腐蝕結(jié)果如圖14所示。

圖14 基于電解法的鋼腳腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test results of pins with electrolytic method

由圖14可知，鋼腳腐蝕部位的形狀及尺寸與鋼腳密封后外露部分的形狀密切相關(guān)。采用電解法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，金屬附件腐蝕部位的形狀、尺寸受人為因素影響較大，而與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況存在較大的差異。因此，該法等效性較差，不宜采用。

5 固體污層法

5.1 試品準(zhǔn)備

固體污層法是在絕緣子表面涂覆污層，之后將其懸掛于電解腐蝕試驗(yàn)室內(nèi)噴清潔霧進(jìn)行加壓試驗(yàn)。本文分別采用NaCl和高嶺土、NaCl和硅藻土作為固體污層，對(duì)絕緣子進(jìn)行人工涂污?？紤]到V串絕緣子金屬附件滴水檐處的腐蝕程度較其他區(qū)域更為嚴(yán)重，故將絕緣子表面劃分為圖15所示的兩部分區(qū)域，A區(qū)域?yàn)樯舷卤砻嫘∩刃螀^(qū)域，其按照0.25 mg/cm2的鹽密進(jìn)行涂污，B區(qū)域?yàn)榇笊刃螀^(qū)域，其按照0.05 mg/cm2的鹽密進(jìn)行涂污。A、B兩個(gè)區(qū)域均按照鹽灰比1∶6的比例進(jìn)行灰密的涂覆。

圖15 絕緣子表面涂污區(qū)域的劃分Fig.15 Division of the pollution surface of insulator

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

污層干燥后進(jìn)行懸掛試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中清潔霧充斥整個(gè)試驗(yàn)室，鐵帽側(cè)接地，鋼腳側(cè)施加-3 kV的直流電壓，進(jìn)行鐵帽電解腐蝕模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，流經(jīng)絕緣子的電解電流如圖16所示。

圖16 試驗(yàn)過(guò)程中絕緣子鐵帽的電解電流Fig.16 Electrolytic current on insulator in test process

由圖16可知，試驗(yàn)電解電流在開(kāi)始的0.5 h內(nèi)逐漸上升，這一過(guò)程是絕緣子表面逐漸受潮的過(guò)程。污層受潮后，Na+和Cl-離子在直流電壓作用下開(kāi)始定向遷移，形成回路中的電解電流。0.5 h之后電流開(kāi)始下降，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因之一是電解液中陰、陽(yáng)離子陸續(xù)遷移到相應(yīng)的電極附近(Na+大部分已遷移至鋼腳所在的陰極附近，Cl-也已遷移到鐵帽所在的陽(yáng)極附近)，導(dǎo)致電極附近相應(yīng)種類離子的濃度增大，進(jìn)而出現(xiàn)與離子遷移方向相反的擴(kuò)散現(xiàn)象，最終離子遷移和擴(kuò)散達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)電解電流的大小不再由Na+和Cl-來(lái)體現(xiàn)，而是由鐵帽電解腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2+和OH-遷移來(lái)體現(xiàn)，此時(shí)鐵帽進(jìn)入了一個(gè)自持電解過(guò)程。為驗(yàn)證這一推論，在圖17a所示的電解池內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)研究。電解池的尺寸為25 cm×17 cm×16 cm。電解液的深度為14 cm，鐵棒和鋅棒的直徑為3 mm，兩者位于電解池中部，相距16 cm，沒(méi)入電解液中的長(zhǎng)度為13 cm。在兩個(gè)金屬棒電極上施加5 V直流電壓，鐵棒接電源正極，鋅棒接電源負(fù)極。試驗(yàn)前NaCl溶液的電導(dǎo)率調(diào)配為10 mS/cm，試驗(yàn)過(guò)程中的電解電流如圖17b所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，鐵棒所在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子后形成Fe2+，鋅棒所在陰極發(fā)生析氫還原反應(yīng)，生產(chǎn)OH-。兩者在電解液中相遇后生產(chǎn)Fe(OH)2沉淀。整個(gè)過(guò)程中Na+和Cl-未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也未流失，但整個(gè)回路的電解電流出現(xiàn)了明顯下降，這說(shuō)明Na+和Cl-已處于遷移和擴(kuò)散的平衡狀態(tài)，而Fe2+和OH-因?yàn)樯a(chǎn)沉淀，而在溶液中的濃度沒(méi)有Na+和Cl-那么大，因此電解電流變小。

圖17 試驗(yàn)過(guò)程中絕緣子的泄漏電流Fig.17 Electrolytic current on insulator in test process

電解電流降低的另一個(gè)原因是絕緣子飽和受潮后，出現(xiàn)鹽分流失。為了驗(yàn)證這一推論，對(duì)試驗(yàn)完成后絕緣子表面的污穢度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣子污穢度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Contamination degree measurement results (單位：mg/cm2)

由表1可知，試驗(yàn)完成后，絕緣子表面的污穢度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)前。這說(shuō)明絕緣子飽和受潮過(guò)程中污層的鹽分出現(xiàn)了較大程度的流失，這在一定程度上降低了電解電流。

采用固體污層法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電解電流太小，試驗(yàn)進(jìn)度太慢；且污穢流失后還需取下后重新涂污，工作量較大，試品準(zhǔn)備極為繁瑣。故此法可操作性較差，不宜采用。

6 結(jié)論

本文對(duì)高壓盤(pán)形懸式瓷和玻璃絕緣子金屬附件電解腐蝕模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，可為工程上鐵帽保護(hù)鋅環(huán)、鋼腳保護(hù)鋅套的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。

1)采用噴水法和鹽霧法對(duì)金屬附件進(jìn)行電解腐蝕試驗(yàn)，能夠取得較好地模擬效果，并且這兩種方法具有較好的可行性。

2)采用電解法進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況存在較大差異。

3)采用固體污層法進(jìn)行模擬試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)絕緣子進(jìn)行多次重復(fù)涂污，工作量較大，該方法可操作性較差。

4)采用噴水法進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)試品絕緣子進(jìn)行銅片電極固定預(yù)處理。對(duì)于鐵帽腐蝕試品，銅片電極端部距離鐵帽帽檐5 cm；對(duì)于鋼腳腐蝕試品，電極端部距離鋼腳側(cè)絕緣件邊緣1 cm。

5)采用噴水法進(jìn)行鐵帽腐蝕試驗(yàn)時(shí)，鹽溶液的電導(dǎo)率宜取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量應(yīng)控制在8～10 L/h范圍內(nèi)；進(jìn)行鋼腳腐蝕試驗(yàn)時(shí)，溶液電導(dǎo)率取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量為2～3 L/h。

6)采用鹽霧法進(jìn)行鐵帽、鋼腳電解腐蝕模擬試驗(yàn)時(shí)，鹽溶液的電導(dǎo)率宜取10～12 mS/cm，單個(gè)鹽霧噴嘴的溶液流量為0.25～0.4 L/h。

[1] 舒印彪，張文亮.特高壓輸電若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(31)：1-6. Shu Yinbiao，Zhang Wenliang.Research of key technologies for UHV transmission[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(31)：1-6.

[2] 李立浧.特高壓直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)和工程應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(24)：5-6. Li Licheng.Technology and application of UHVDC transmission line[J].Automation of Electric Power Systems，2005，29(24)：5-6.

[3] 張文亮，周孝信，郭劍波，等.±1 000 kV特高壓直流在我國(guó)電網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(28)：1-5. Zhang Wenliang，Zhou Xiaoxin，Guo Jianbo，et al.Feasibility of ±1 000 kV ultra HVDC in the power grid of China[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(28)：1-5.

[4] 李興源，趙睿，劉天琪，等.傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(10)：288-300. Li Xingyuan，Zhao Rui，Liu Tianqi，et al.Research of conventional high voltage direct current transmission system stability analysis and control[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(10)：288-300.

[5] 吳萍，張健，屠競(jìng)哲，等.溪洛渡—浙西特高壓直流投運(yùn)后系統(tǒng)穩(wěn)定特性及協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(7)：1873-1878. Wu Ping，Zhang Jian，Tu Jingzhe，et al.Stability characteristics and coordinated control strategy of grid-integrated UHVDC transmission line from Xiluodu to Zhexi[J].Power System Technology，2014，38(7)：1873-1878.

[6] Li Fengqi，She Zhengqiu，Lou Dianqiang，et al.Fault analysis of DC voltage dividers in Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV UHVDC project[J].High Voltage Engineering，2012，38(12)：3244-3248.

[7] 饒宏.云南—廣東±800 kV特高壓直流輸電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究[J].高電壓技術(shù)，2012，38(12)：3113-3118. Rao Hong.System design and research of Yunnan-Guangdong ±800 kV UHVDC project[J].High Voltage Engineering，2012，38(12)：3113-3118.

[8] 汪沨，易暢，張廣東，等.特高壓直流耐壓實(shí)驗(yàn)用防風(fēng)抗暈導(dǎo)線的設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(11)：247-254. Wang Feng，Yi Chang，Zhang Guangdong，et al.Design of anti-wind and anti-corona 24-bundle conductors for UHVDC voltage withstand test[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(11)：247-254.

[9] 王黎明，汪創(chuàng)，袁田，等.高壓直流輸電線路耐張串用長(zhǎng)棒型懸式瓷絕緣子的機(jī)械特性[J].高電壓技術(shù)，2012，38(3)：655-662. Wang Liming，Wang Chuang，Yuan Tian，et al.Mechanical characteristics of porcelain long rod suspension insulators for tension strings on HVDC transmission lines[J].High Voltage Engineering，2012，38(3)：655-662.

[10]關(guān)志成，劉瑛巖，周遠(yuǎn)翔，等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：19-20，55-56.

[11]李靖，彭宗仁，廖晉陶，等.特高壓變電站中帶跳線II形耐張瓷絕緣子串的均壓特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(4)：16-21. Li Jing，Peng Zongren，Liao Jintao，et al.Voltage-sharing characteristics of II-shaped tension ceramic insulator string with jumpers in UHVDC substation[J].Power System Technology，2012，36(4)：16-21.

[12]Chandrasekar S，Kalaivanan C，Cavallina A，et al.Investigations on leakage current and phase angle characteristics of porcelain and polymeric insulator under contaminated conditions[J].IEEE Transactions on Dielectrics Electrical Insulation，2009，16(2)：574-583.

[13]張福增，廖一帆，羅凌，等.特高壓直流瓷絕緣子鐵帽加速電腐蝕實(shí)驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(2)：311-315. Zhang Fuzeng，Liao Yifan，Luo Ling，et al.Accelerated electrolytic erosion test of metal cap of DC porcelain insulator for UHVDC transmission line[J].Power System Technology，2014，38(2)：311-315.

[14]曾忱，李勇，王品.±800 kV復(fù)奉線重冰區(qū)段絕緣子鐵帽銹蝕分析及建議[J].湖北電力，2012，36(5)：66-67. Zeng Chen，Li Yong，Wang Pin.Analysis and recommendations of insulator gossans corrosion of heavy ice zone in ±800 kV Fufeng line[J].Hubei Power，2012，36(5)：66-67.

[15]Crabtree I M，Mackey K J，Kito K，et al.Studies on electrolytic corrosion of hardware of DC line insulators[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1985，104(3)：645-654.

[16]Taniguchi T，Watanabe M，Watanabe Y.Electrolytic corrosion of metal hardware of HVDC line and station insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6(3)：1224-1233.

[17]宿志一.直流盤(pán)形絕緣子金具腐蝕研究中值得關(guān)注的問(wèn)題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(7)：2047-2052. Su Zhiyi.Research on electrolytic corrosion on fittings of DC cap and pin insulators[J].Power System Technology，2013，37(7)：2047-2052.

[18]高理迎，孫濤，趙江濤，等.直流盤(pán)形懸式瓷絕緣子鐵帽采用鋅環(huán)防電解腐蝕特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(12)：3381-3385. Gao Liying，Sun Tao，Zhao Jiangtao，et al.Experimental research on anti-electrolytic corrosion characteristics of insulator cap for DC porcelain cap and pin insulator by zinc collar[J].Power System Technology，2013，37(12)：3381-3385.

[19]Bardeen A W，Sheadel J M.Corrosion as it affects insulator and conductor hardware[C].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，New York，1956：491-501.

[20]王烜，曹曉瓏，徐曼.高壓直流支柱絕緣子電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32(3)：31-33. Wang Xuan，Cao Xiaolong，Xu Man.Study and test of electrochemical corrosion for HVDC support insulator[J].High Voltage Engineering，2006，32(3)：31-33.

[21]金毅，蔡煒.直流絕緣子耐腐蝕性能分析[J].電瓷避雷器，2004，8(5)：17-21. Jin Yi，Cai Wei.Evaluation on corrosion proof performance of DC insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2004，8(5)：17-21.

[22]Galanov V I，Koshcheev L A，Dimitrev V L，et al.Research on the corrosion property of long bar porcelain insulators under HVDC[R].St Petersburg，Russia：DC Transmission Technology Research Center of Russia，1999：31-38.

[23]張俊鋒，繆海平.對(duì)高壓直流懸式絕緣子鋼腳進(jìn)行人工加速腐蝕實(shí)驗(yàn)的探討[J].電瓷避雷器，1989(6)：19-23.

Test Methods for Hardware Electrolytic Corrosion of Porcelain and Glass Insulators on HVDC Transmission Lines

LuoLing1ZhangFuzeng2WangLiming1MeiHongwei1GuanZhicheng1LiLicheng1

(1.Graduate School at Shenzhen Tsinghua University Shenzhen 518055 China 2.Electric Power Research Institute China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China)

In recent years，lots of porcelain and glass insulators on several HVDC transmission lines appeared hardware corrosion phenomena in China.The spray water method，the salt fog method，the electrolytic method，and the solid dirt layer method are used to carry out the corrosion tests for iron caps and pins of the insulators in this paper.Also，the equivalence and feasibility of those test methods are compared and analyzed.The spray water method and the salt fog method are proposed to research the electrolytic corrosion problem of hardware based on the comparison between the test results and the field corrosion.The conductivity and flow velocity of the solution are 8～10 mS/cm(20℃) and 8～10 L/h respectively while carrying on iron cap corrosion test with spray water method.For pin corrosion，these parameters are set as 2～3 mS/cm(20℃) and 2～3 L/h.The conductivity and flow velocity of the solution are 10～12 mS/cm(20℃) and 0.25～0.4 L/h per sprinkler for both iron cap and pin with salt fog method.

DC porcelain and glass insulator，hardware，electrolytic corrosion，test method，spray water method，salt fog method

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB209406)，特高壓工程技術(shù)(昆明、廣州)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金重點(diǎn)項(xiàng)目(NEL201203、NEL201301)和南方電網(wǎng)公司基礎(chǔ)性、前瞻性科技項(xiàng)目(SEPRI-K133003)資助。

2015-01-08 改稿日期2015-02-12

TM85

羅 凌 男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鹘^緣子金屬附件電解腐蝕機(jī)理及其抑制措施。(通信作者)

王黎明 男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏和饨^緣和電工電能新技術(shù)等。