500 kV線路玻璃絕緣子集中自爆原因分析

黃松泉，周學明，胡丹輝，姚 堯，劉正云

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.國網(wǎng)湖北省輸變電工程公司，湖北 武漢 430077）

500 kV線路玻璃絕緣子集中自爆原因分析

黃松泉1，周學明2，胡丹輝2，姚 堯2，劉正云3

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.國網(wǎng)湖北省輸變電工程公司，湖北 武漢 430077）

玻璃絕緣子集中自爆事件已在全國范圍內(nèi)多次發(fā)生，嚴重影響玻璃絕緣子在輸電線路上的應(yīng)用。針對玻璃絕緣子集中自爆特征，深入開展原因分析工作，對有效采取防護措施具有重要意義。通過深入分析導致玻璃絕緣子集中自爆的因素，并結(jié)合實際案例分析玻璃絕緣子集中自爆的具體原因，認為絕緣子表面污穢嚴重而引起的泄漏電流是導致玻璃絕緣子集中自爆的主要原因。

玻璃絕緣子；集中自爆；污穢；泄漏電流

0 引言

鋼化玻璃絕緣子因具有零值自爆特性、減少人工測零工作、自爆不掉串等優(yōu)點，獲得廣大輸電線路運維人員認可，目前已在輸電線路上獲得了廣泛應(yīng)用。但在應(yīng)用過程中，玻璃絕緣子亦發(fā)生了多起集中自爆事件，如文獻[1]對江蘇省內(nèi)多條500 kV玻璃絕緣子集中自爆情況進行了統(tǒng)計，并結(jié)合案例分析了境內(nèi)玻璃絕緣子集中自爆根本原因為瓷瓶污穢所致。清華大學針還專門針對500 kV玻璃絕緣子表面生長苔蘚現(xiàn)象開展了模擬試驗，研究了表面生長苔蘚的玻璃絕緣子的電氣性能和機械特性，并認為其電氣性能會受到一定的污穢影響[2]。因此，針對玻璃絕緣子大規(guī)模應(yīng)用與多次發(fā)生集中自爆事件的現(xiàn)實情況，需深入而系統(tǒng)地分析導致玻璃絕緣子集中自爆的因素，對有效開展玻璃絕緣子集中自爆原因分析和采取防護措施具有重要意義。

1 玻璃絕緣子自爆特征

1.1 玻璃絕緣子自爆基本規(guī)律

玻璃絕緣子的玻璃件壓模成型后，會進行逐只鋼化處理，以形成玻璃表面永久的預壓應(yīng)力和內(nèi)部的張應(yīng)力，鋼化的溫度、冷風的流速、流量和風冷的覆蓋面和均勻性，決定了玻璃件的鋼化質(zhì)量。其后，在絕緣子整個壽命期間，玻璃件表面的預壓應(yīng)力和內(nèi)部的張應(yīng)力是平衡的，如果有外加的機械應(yīng)力或電應(yīng)力（如大電流、嚴重粉塵污穢引起的泄漏電流及工頻火花等）的破壞，玻璃傘裙就會完全破碎。

成型后的玻璃件要經(jīng)過至少兩次熱冷/冷熱沖擊和一次特殊的熱處理，以淘汰含有雜質(zhì)的玻璃件或者鋼化不好的玻璃件，確保出廠后的鋼化玻璃絕緣子具有很低的自爆率。但無論經(jīng)過幾次冷熱沖擊和特殊處理，仍然有一定的自爆率，這是鋼化玻璃絕緣子自身所帶的基本特點，其自爆率由采用的技術(shù)和工藝決定。

作為鋼化玻璃絕緣子的自爆，亦有其自身規(guī)律[3]：1）從時間上看，運行前期，尤其是投運后的第一至第3年，自爆率會比較高，但自爆的時間是分散的，隨著運行時間的推移，自爆率會呈下降的趨勢；2）從自爆產(chǎn)品的分布看，自爆的絕緣子會分散在整條線路的不同串上，而不會集中在一串上或者很小的范圍內(nèi)有大量的自爆。

1.2 玻璃絕緣子自爆殘錘基本特征

鋼化玻璃絕緣子自爆后的傘盤玻璃碎散落后形成殘錘，如圖1所示。

圖1 玻璃絕緣子自爆殘錘Tab.1 Self-blast residual hammer of glass insulator

（1）若殘錘上的碎玻璃渣呈放射性形狀時，則自爆起始位置位于玻璃件的頭部，該情況下的自爆是玻璃件自身質(zhì)量引起，如配料、溶制工序等。

圖2 自爆起始點位置在頭部的碎玻璃渣形狀Tab.2 Shape of broken glass which start self-blast in steel cap head

（2）若殘錘上的碎玻璃渣呈魚鱗狀，則自爆起始位置位于玻璃件靠近鐵帽底部附近，該情況下的自爆原因有兩種可能，即由于產(chǎn)品自身的缺陷的自爆或者外力引起的玻璃破碎，這種外力可以是機械應(yīng)力,也可以是電應(yīng)力，如持續(xù)的電火花打擊,工頻大電流以及不均勻的泄漏電流引發(fā)的玻璃件的破碎等。

圖3 自爆起始位置在鋼帽底部附近的碎玻璃渣形狀Tab.3 Shape of broken glass which start self-blast in steel cap bottom

（3）若殘錘上的碎玻璃渣呈魚鱗狀和射性形狀同時存在，則自爆起始點位于玻璃件的傘裙上，該情況下的自爆，內(nèi)因及外因都有可能導致。

圖4 自爆起始位置在傘盤上的碎玻璃渣形狀Tab.4 Shape of broken glass which start self-blast in umbrella skirt

2 玻璃絕緣子自爆主要因素

2.1 外力破壞

主要表現(xiàn)為外力的機械應(yīng)力打擊，比如石塊擊打或槍擊（鳥槍，氣槍等），這些情況多發(fā)生在牧區(qū)（如青海，西藏等地區(qū)）或者槍支沒有管制的地區(qū)（如北美地區(qū)）。

2.2 工頻電弧的影響

當線路產(chǎn)生工頻電弧時（必須出現(xiàn)閃絡(luò)才能引發(fā)工頻電?。?，國家標準和電力行業(yè)標準規(guī)定，絕緣子所能接受的工頻電流量和持續(xù)時間分別為20 kA和0.12 s，如果工頻電流大于20 kA或者電弧持續(xù)的時間超過0.12 s，就可能引發(fā)鋼化玻璃絕緣子多片破碎。

圖5 因工頻電弧引起的玻璃絕緣子自爆Tab.5 Glass insulator self-blast caused by power frequency arc

是否由于工頻電弧引發(fā)的鋼化玻璃絕緣子多片破碎，可以檢查“殘錘”的鐵帽、鋼腳和碎玻璃有無電弧燒灼的痕跡。

2.2 嚴重的粉塵污穢

鋼化玻璃絕緣子受嚴重的粉塵污穢引起集中時間和地點多片的破碎，主要基于兩個方面的誘發(fā)因素：

（1）電應(yīng)力導致的機械方式破壞。由于粉塵污穢，在絕緣子電場集中的鋼腳部位，產(chǎn)生間斷的電暈放電，隨著粉塵污穢度的增加，間斷的電暈放電演變?yōu)槌掷m(xù)的電暈放電，進一步發(fā)展為持續(xù)的火花放電，長期的火花放電逐漸擊碎玻璃件靠近鋼腳的內(nèi)棱，這種電火花持續(xù)打擊和損傷玻璃件到一定程度，鋼化層被破壞，絕緣子發(fā)生時間比較集中、地點比較集中的多片破碎。

圖6 因持續(xù)火花放電導致的機械方式破壞Tab.6 Damage caused by on-going sparkle

（2）玻璃表面極不均勻溫差導致的熱破壞[4]。玻璃絕緣子積污嚴重，在受潮的情況下，污穢堆積物被浸濕變成導電體并產(chǎn)生泄露電流。泄露電流產(chǎn)生的熱使玻璃件上的水蒸發(fā)，在玻璃件表面形成局部“干帶”，而“干帶”常出現(xiàn)在鋼腳附近。電壓引起“干帶”產(chǎn)生局部電弧，長時間的局部電弧會造成玻璃體局部受熱不均勻，進而引起熱破壞。

3 一起玻璃絕緣子集中自爆案例分析

3.1 玻璃絕緣子自爆總體情況

2016年8月1日，某500 kV線路69號、70號(同塔另一回線路70號、71號)跨江處兩基桿塔多串玻璃絕緣子發(fā)生自爆，兩基大跨越桿塔的12相玻璃絕緣子中11相均有不同程度的絕緣子自爆，其中單串自爆最多的達16片，合計自爆140片。

該線路于2004年2月9日正式投入運行，采用了玻璃絕緣子，并于2009年涂覆了PRTV，同批玻璃絕緣子共投運1 632片。

圖7 發(fā)生玻璃絕緣子集中自爆的桿塔Tab.7 The tower that glass insulator concentrated self-blast

3.2 現(xiàn)場巡視情況

2016年6月30日、7月3日和7月19日，運維人員分別針對以上兩基跨江塔進行了正常巡視，未發(fā)現(xiàn)絕緣子自爆情況。8月1日，再次巡視時發(fā)現(xiàn)以上兩基桿塔多串絕緣子發(fā)生自爆。從巡視結(jié)果來看，以上兩基桿塔的玻璃絕緣子自爆時間主要集中在7月20日～7月31日。

從玻璃絕緣子集中自爆地區(qū)7月1日～7月31日的天氣情況來看，7月1日～7月20日本地區(qū)天氣主要為持續(xù)雨天，7月21日～7月31日沙洋地區(qū)天氣主要為持續(xù)晴天，其中7月19日-20日出現(xiàn)了大到暴雨天氣。

3.3 現(xiàn)場污源情況

經(jīng)調(diào)查，69號桿塔右側(cè)約3 km處有采石場和水泥廠各一座，采石場和水泥廠的部分運輸車輛會經(jīng)過69號桿塔旁邊的縣道。由于灰塵的長期污染，此處絕緣子積灰程度較嚴重。

國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院檢測人員針對更換下來的玻璃絕緣子進行了污穢度測量，平均鹽密為0.174 mg/cm2，灰密為2.506 mg/cm2，根據(jù)QGDW1152.1—2014《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標準 第1部分 交流系統(tǒng)》，其積污等級達到e級。

3.4 玻璃絕緣子集中自爆原因分析

3.4.1 本次玻璃絕緣子積污情況分析

本次集中自爆的玻璃絕緣子均于2009年涂覆了PRTV，運維期間未進行過清掃，表面積污嚴重。經(jīng)鹽密和灰密度檢測表明，該絕緣子積污達到e級。

圖8 積污嚴重的玻璃絕緣子Tab.8 The glass insulator that polluted seriously

69號桿塔右側(cè)約3 km處有采石場和水泥廠各一座，屬于典型的空氣污染源。采石場和水泥廠的部分車輛經(jīng)過69號桿塔旁邊的縣道，揚塵十分嚴重，使得69號桿塔附近空氣污染物濃度相對較高。另外，由于斗山線69-70號塔跨越漢江，周圍空氣濕度較大，使得絕緣子更易于積污；另一方面，69-70號塔玻璃絕緣子于2009年涂覆了PRTV，已運行7年，表面PRTV圖層存在脫落和起皮現(xiàn)象，防污性能明顯減弱，在濕潤的條件下對空氣粉塵等微粒更具有吸附作用。日積月累，致使69-70號塔絕緣子積污嚴重。

相對于69-70號塔的相鄰桿塔，69號和70號跨江，周圍空氣潮濕，且為直線型桿塔；而相鄰的68號和71號桿塔離江相對較遠，且為耐張塔，絕緣子積污相對69號和70號塔絕緣子較輕。

3.4.2 本次玻璃絕緣子積污情況分析

從本次自爆玻璃絕緣子“殘錘”來看，殘錘上的碎玻璃渣呈明顯的魚鱗狀，可初步判斷自爆起始位置位于玻璃件靠近鐵帽底部附近。

3.4.3 本次玻璃絕緣子自爆原因排查

該批玻璃絕緣子已運行近13年，本次自爆時間和地點非常集中，數(shù)量較大，且從自爆玻璃絕緣子“殘錘”形狀來看，自爆起始位置位于玻璃件靠近鐵帽底部附近，而非玻璃件的頭部，不符合鋼化玻璃絕緣子一般自爆的規(guī)律，可以排除屬于產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題引發(fā)的自爆。

對本次自爆玻璃絕緣子的“殘錘”以及還沒有破碎的絕緣子進行仔細地檢查，（1）未發(fā)現(xiàn)有任何外力打擊破壞的痕跡，排除產(chǎn)品遭外來機械應(yīng)力打擊破壞的可能性；（2）未發(fā)現(xiàn)有任何工頻大電弧的跡象，與線路沒有發(fā)生閃絡(luò)的情況是一致的，故可以排除工頻電弧引發(fā)鋼化玻璃絕緣子集中破碎的可能性；（3）未發(fā)現(xiàn)玻璃件內(nèi)棱上有損傷痕跡，可排除因電應(yīng)力對玻璃絕緣子的機械方式破壞的可能性。

圖9 本次自爆玻璃絕緣子的“殘錘”Tab.9 The residual hammer of glass insulator this time

3.4.4 本次玻璃絕緣子自爆原因分析

本次自爆玻璃絕緣子“殘錘”上的碎玻璃渣呈明顯的魚鱗狀，可初步判斷自爆起始位置位于玻璃件靠近鐵帽底部附近。

69號和70號桿塔附近存在采石場和水泥場等污染源，日積月累，使得玻璃絕緣子積污嚴重。本次集中自爆的玻璃絕緣子均涂覆了PRTV涂料，長時間的泄漏電流使PRTV涂層逐漸劣化，劣化的PRTV涂料在潮濕的天氣更容易快速積污。

7月1日～7月20日事發(fā)地區(qū)天氣主要為持續(xù)雨天，特別是19日～20日出現(xiàn)了大到暴雨，足夠的水量將鐘罩型絕緣子內(nèi)表面的污穢物浸濕，使其變成導電體并產(chǎn)生更大的泄露電流；泄露電流產(chǎn)生的熱使玻璃件上的水蒸發(fā)，在玻璃件表面形成局部“干帶”，由于絕緣子內(nèi)表面積污嚴重使得“干帶”集中出現(xiàn)在鋼腳附近，電壓引起“干帶”產(chǎn)生局部電弧，長時間的局部電弧造成玻璃絕緣子表面泄漏電流分布極不均勻，使得玻璃體局部受熱極不均勻，從而導致了集中在一段時間內(nèi)、地點集中的玻璃絕緣子大量自爆。

4 結(jié)語

玻璃絕緣子嚴重積污是引起集中自爆的根本原因。嚴重粉塵污穢的鋼化玻璃絕緣子自爆前由于持續(xù)的雨水將鐘罩型絕緣子內(nèi)表面的污穢物浸濕，使其變成導電體并產(chǎn)生更大的泄露電流，絕緣子表面泄漏電流分布極不均勻，造成玻璃表面的溫度極不均勻，從而導致了時間集中、地點集中的玻璃絕緣子大量自爆。

玻璃絕緣子涂覆的PRTV涂料容易劣化，劣化PRTV涂料不僅會喪失應(yīng)有的防污性能，而且還會導致絕緣子自潔性能變差，造成絕緣子積污更加嚴重。因此，在雨水較多、潮濕的微地形區(qū)域不建議線路瓷、玻璃絕緣子涂覆PRTV涂料。同時，對于已涂覆PRTV的線路應(yīng)加強監(jiān)視和運維清掃力度，結(jié)合狀態(tài)檢修周期仍應(yīng)做到逢停必掃。

（References）

[1]謝洪平.500 kV輸電線路鋼化玻璃絕緣子集中自爆現(xiàn)象分析[J].江蘇電機工程，2006，25（2）：55-57.XIE Hongping.Analysis of the Concentrated Selfblast Phenomenon of Toughened Glass Insulator on 500 kV Transmission Lines[J].Jiangsu Electrical Engineering,2006,25(2):55-57.

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[4]程登峰，傅中，季坤.一起玻璃絕緣子自爆原因分析[J].電瓷避雷器，2012，249（5）：29-32.CHENG Dengfeng,FU Zhong,JI Kun.The Cause Analysis of a Self-Shattering Fault of Glass Insulator [J].Insulators and Surge Arresters,2012,(5):29-33.

Analysis of the Concentrated Self-blast Cause of Glass Insulator on 500 kV Transmission Line

HUANG Songquan1,ZHOU Xueming2,HU Danhui2,YAO Yao2,LIU Zhengyun3
(1.State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei430077，China；2.State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei430077，China；3.Hubei Electric Transmission&Distribution Engineering Company，Wuhan Hubei430077，China)

The concentrated self-blast phenomenon of glass insulator have occurred many times in the country，which seriously affects the application of glass insulator in transmission line.So it is of great significance for taking effective prevention measures after in-depth analysis work base on the self-blast feature of glass insulator.The factor element of concentrated self-blast on glass insu?lator is analyzed in this paper,and the reason of concentrated self-blast is analyzed by connecting with a practical case.The leakage current caused by serious pollution is the main factor element that lead to concentrated self-blast of glass insulator.

glass insulator;concentrated self-blast;pollution;leakage current

TM216

A

1006-3986(2017)04-0005-04

2017-03-06

黃松泉（1966—），男，湖北鄂州人，高級工程師。

10.19308/j.hep.2017.04.002