500kV輸電線路合成絕緣子斷裂原因分析

苗振鵬

山東電力集團(tuán)公司檢修公司 山東 濟(jì)南 250021

1 概況

2011年2月27日，500kV東嶗Ⅰ線＃19塔A相（中相）復(fù)合絕緣子斷裂，導(dǎo)線落至塔窗內(nèi)平口處。東嶗Ⅰ線#19塔型為ZB41-36，三相采用單串，為德國(guó)赫斯特公司生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子（4360/50/CS225）。1999年生產(chǎn)，主要參數(shù)：額定機(jī)械強(qiáng)度為225kN，結(jié)構(gòu)高度為4360mm；導(dǎo)線為 4*LGJX400/35；＃18～＃19 塔檔距 475m，＃19～＃20 塔檔距 431m。

2 合成絕緣子的斷裂特征

2.1 對(duì)斷裂的復(fù)合絕緣子查看發(fā)現(xiàn)以下破損

從復(fù)合絕緣子臨近導(dǎo)線掛點(diǎn)處第一片傘裙開(kāi)始，直到第15傘裙間的護(hù)套連續(xù)有12個(gè)破損孔，第15傘裙直到鐵塔掛點(diǎn)處，傘裙和護(hù)套均沒(méi)有看到破損現(xiàn)象。其中第0～1傘2個(gè)、1～2傘1個(gè)、2～3傘 1個(gè)、3～4傘 2 個(gè)、4～5傘 1 個(gè)、6～7傘 1 個(gè)、10～11傘 1個(gè)、11～12傘 1個(gè)、13～14傘 1個(gè)，14～15傘1個(gè)。護(hù)套穿孔如下圖1：

圖1 復(fù)合絕緣子護(hù)套穿孔

2.2 在斷裂截面處

絕緣子護(hù)套有一個(gè)破損孔；裸露的芯棒表面起毛、發(fā)白，芯棒斷裂面不是整齊斷裂，而是呈掃帚狀，且顏色呈淡黃色，斷裂處芯棒有粉化現(xiàn)象，顏色變白，玻璃纖維外露。如下圖2：

圖2 復(fù)合絕緣子斷裂處的斷面

2.3 檢查護(hù)套與芯棒粘結(jié)情況

護(hù)套與芯棒間的界面粘接松動(dòng)，從導(dǎo)線掛點(diǎn)側(cè)第一個(gè)傘裙開(kāi)始傘裙與護(hù)套進(jìn)行剝離檢查，前面的幾個(gè)傘裙與護(hù)套很容易剝離，當(dāng)剝離到第10個(gè)傘裙開(kāi)始覺(jué)得剝離困難，一直到第15個(gè)傘裙，剝離難度很大，同剝正常絕緣子一樣困難，同時(shí)看到剝離出的芯棒表面開(kāi)始正常，無(wú)起毛、發(fā)白、粉化現(xiàn)象，橡膠傘群柔軟度、彈性度也趨于正常。如圖3所示。

圖3 傘套解剖芯棒異常情況

3 絕緣子斷裂原因分析

3.1 依據(jù)斷裂特征進(jìn)行分析

在脆斷情況下，復(fù)合絕緣子玻璃纖維裂紋表面明顯呈平面狀，并延芯棒的軸向垂直延伸，脆斷表面的典型特征是一個(gè)光滑部分及已粗糙部分共同組成。本次斷裂在截面處看到，芯棒斷裂處截面參差不齊，斷裂的玻璃纖維像掃帚形狀，不光滑，由此可以斷定芯棒為正常斷裂，不是脆斷；在復(fù)合絕緣子斷裂處的硅橡膠護(hù)套破損孔處，經(jīng)觸摸查看，感覺(jué)到該孔周圍的護(hù)套不柔軟，而是明顯發(fā)硬，有電燒腐蝕痕跡，斷定該處發(fā)生過(guò)電場(chǎng)局部放電；復(fù)合絕緣子芯棒表面絮狀粉化、起毛發(fā)白、玻璃纖維露出，說(shuō)明該處滲進(jìn)水份受潮水解；斷裂處外露的芯棒呈黃色，說(shuō)明芯棒在酸蝕的作用下發(fā)生質(zhì)變，玻璃纖維受到損傷，造成機(jī)械強(qiáng)度下降。

3.2 試驗(yàn)情況

在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)該復(fù)合絕緣子進(jìn)行芯棒耐應(yīng)力腐蝕能力和拉伸破壞強(qiáng)度分散性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)性能下降；傘裙的硬度值較大，傘裙已明顯變硬、變脆，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)合絕緣子本身存在缺陷。

3.3 護(hù)套破損分析

對(duì)整個(gè)絕緣子進(jìn)行檢查，端部金具與護(hù)套界面結(jié)合處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)受損，說(shuō)明不是因?yàn)槎瞬棵芊獠粐?yán)滲水引起芯棒受潮。檢查發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子從導(dǎo)線側(cè)端部到15傘裙，護(hù)套均有破損孔且均勻分布在傘裙中間。復(fù)合絕緣子在運(yùn)輸過(guò)程中裝卸時(shí)如果不注意可能造成護(hù)套破損。絕緣子如果安裝方法不當(dāng)也可能造成絕緣子損傷，過(guò)去安裝時(shí)大多采用絕緣子裸露且單點(diǎn)起吊，500kV線路合成絕緣子長(zhǎng)度一般超過(guò)4米，屬細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)起吊時(shí)中間彎矩很大，在起吊過(guò)程中很容易發(fā)生與鐵塔摩擦等受傷情況，這種外力受傷情況在同一只絕緣子上造成這么集中和如此多破損點(diǎn)可能性不大，所以推測(cè)不是外力破壞而致，應(yīng)是絕緣子本身缺陷造成斷裂。

3.4 斷裂的原因分析

1）環(huán)境原因

500kV輸電線路由于電壓高，極易把導(dǎo)線周圍的空氣電離，形成電暈。500kV東嶗線靠近黃海，由于季風(fēng)作用，風(fēng)把大海上面的鹽霧氣體吹到靠近大海的陸地上空，造成500kV東嶗線所處的空氣中鹽霧密度較大，空氣中的鹽霧氣體和氮?dú)庠趯?dǎo)線周圍強(qiáng)電場(chǎng)的作用下電離成氯離子和氮離子，與空氣中的水分子結(jié)合后生成弱鹽酸和弱硝酸，同時(shí)其他酸性物質(zhì)與雨水結(jié)合在大氣中形成弱酸性溶液，由于復(fù)合絕緣子護(hù)套在制造過(guò)程中存在缺陷，弱酸性溶液在缺陷處通過(guò)電場(chǎng)作用對(duì)護(hù)套產(chǎn)生電蝕損，進(jìn)而滲進(jìn)芯棒，導(dǎo)致芯棒的環(huán)氧樹(shù)脂水解、粉化，失去對(duì)玻璃纖維的保護(hù)；由于玻璃纖維對(duì)酸性物質(zhì)較為敏感，纖維中的鈣和鋁易被濾出，所以其在泄漏電流和酸性溶液的長(zhǎng)期作用下老化、變質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度下降、纖維斷裂，芯棒斷面整體機(jī)械強(qiáng)度下降，在正常機(jī)械負(fù)荷作用下引起斷裂。

2）天氣原因

當(dāng)時(shí)正在下著中雨，護(hù)套破損處進(jìn)入雨水，雨水中的酸性溶液和電場(chǎng)共同作用，在護(hù)套破損處的護(hù)套與芯棒之間的界面產(chǎn)生局部放電，由于芯棒材料密度達(dá)不到要求，界面放電后，易被電蝕炭化，形成碳化通道，碳化通道沿電場(chǎng)方向發(fā)展，當(dāng)碳化通道發(fā)展到一定長(zhǎng)度時(shí)，復(fù)合絕緣子護(hù)套內(nèi)、外的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)變得不同，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)差值達(dá)到一定數(shù)值，護(hù)套被擊穿破損，形成孔洞，使護(hù)套內(nèi)、外電場(chǎng)強(qiáng)制性一致。此時(shí)復(fù)合絕緣子仍處在強(qiáng)電場(chǎng)當(dāng)中，滲進(jìn)護(hù)套的酸性溶液在電場(chǎng)的作用下變成強(qiáng)酸，使得護(hù)套與芯棒界面的局部繼續(xù)放電，當(dāng)碳化通道發(fā)展到一定長(zhǎng)度時(shí)，再次造成護(hù)套擊穿，形成護(hù)套破損孔。如此循環(huán)往復(fù)，隨著放電的不斷發(fā)展，在復(fù)合絕緣子護(hù)套上形成多個(gè)擊穿孔。復(fù)合絕緣子存在導(dǎo)線形成的電場(chǎng)中，絕緣子導(dǎo)線端電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，電暈最為嚴(yán)重，向中部逐漸減弱，隨著電場(chǎng)的減弱，放電逐漸停止，電場(chǎng)不能把護(hù)套擊穿破損，這就是為什么本次從導(dǎo)線側(cè)15片傘裙以后就沒(méi)有發(fā)現(xiàn)破損孔的原因。芯棒材料在護(hù)套破損后易被燒蝕炭化，使其機(jī)械強(qiáng)度降低也是造成芯棒斷裂的原因之一。

4 結(jié)論

本次斷裂的絕緣子為99年批次德國(guó)赫斯特公司生產(chǎn)。500kV濰嶗線#277塔復(fù)合絕緣子在2008年發(fā)生過(guò)斷裂，經(jīng)查證也是本批次絕緣子，本批次絕緣子在其他線路上，在2009年使用紅外測(cè)溫儀也被查出同樣缺陷，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)出問(wèn)題的絕緣子性能都存在下降現(xiàn)象，達(dá)不到目前國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)芯棒的性能，在這么短的時(shí)間內(nèi)因?yàn)橥瑯拥娜毕葸B續(xù)發(fā)生三次故障事故，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，可視為家族性缺陷。

輸電線路合成絕緣子受損后，水氣、酸等腐蝕氣體從缺陷處進(jìn)入，同時(shí)在軸向電場(chǎng)作用下，水氣分解形成酸性物質(zhì)逐漸腐蝕和水解芯棒，使芯棒的機(jī)械性能大大下降；在電場(chǎng)的作用下，護(hù)套被擊穿后，芯棒易被燒蝕炭化，使其機(jī)械強(qiáng)度降低；在這兩方面的共同作用之下，芯棒機(jī)械強(qiáng)度不斷降低，最終在正常機(jī)械負(fù)荷作用下引起斷裂。

5 為防止合成絕緣子斷裂建議采取以下措施

1）加強(qiáng)對(duì)在線運(yùn)行的合成絕緣子的檢測(cè)，目前有觀察法、紫外成像法、紅外成像法和電場(chǎng)法等多種檢測(cè)方法?，F(xiàn)在常用的就是紅外成像法，利用合成絕緣子受潮后，在泄漏電流作用下，介電損耗或電阻損耗都可引起絕緣子局部溫度升高，通過(guò)觀察局部熱點(diǎn)發(fā)出的紅外線可發(fā)現(xiàn)某些缺陷，對(duì)于在紅外檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)局部過(guò)熱的復(fù)合絕緣子及時(shí)更換。

2）采用耐酸性材料做合成絕緣子芯棒材料，根據(jù)不同的地理環(huán)境和氣候，選擇不同等級(jí)的耐酸材料做為芯棒材料，在沿海、鹽霧多的地方選用耐酸強(qiáng)度高的材料。

3）通過(guò)質(zhì)量監(jiān)造和供應(yīng)商評(píng)價(jià)體系，要求供應(yīng)商提高合成絕緣子生產(chǎn)質(zhì)量，避免出現(xiàn)由于合成絕緣子材料抗拉強(qiáng)度不夠、材質(zhì)差、制造工藝不當(dāng)和落后而造成合成絕緣子斷裂。要求廠家購(gòu)置先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備，加強(qiáng)檢測(cè)，杜絕缺陷絕緣子入網(wǎng)。

4）加強(qiáng)合成絕緣子在運(yùn)輸、安裝環(huán)節(jié)的管理，避免合成絕緣子受到損傷形成缺陷，使合成絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)受潮和遭到酸性雨水的滲透，導(dǎo)致斷裂。在運(yùn)輸裝卸過(guò)程中不拆包裝，做到輕裝輕卸。帶包裝起吊和安裝，送電運(yùn)行前再拆去包裝，避免絕緣子摩擦塔材受傷、鳥(niǎo)啄等其他外力破壞。

5）對(duì)于發(fā)生斷裂事故的同一批次合成絕緣子，除加強(qiáng)監(jiān)測(cè)外，建議通過(guò)技改逐批進(jìn)行更換，對(duì)于暫時(shí)不能更換的單串運(yùn)行的合成絕緣子，加裝一串合成絕緣子，改為雙掛點(diǎn)雙串結(jié)構(gòu)，以降低因合成絕緣子斷裂而導(dǎo)致導(dǎo)線掉落事故的發(fā)生。

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