220 kV避雷器瓷套管基座斷裂事故分析

王 瓊，辛力堅(jiān)，陳 浩，燕寶峰，張慧芬，溫 冰

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

220 kV避雷器瓷套管基座斷裂事故分析

王 瓊，辛力堅(jiān)，陳 浩，燕寶峰，張慧芬，溫 冰

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

避雷器基座瓷套裂紋缺陷容易被忽視。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損壞情況、事發(fā)當(dāng)天天氣狀況、瓷套管斷裂位置及其斷面形貌特點(diǎn)，分析認(rèn)為基座瓷套開裂是YSD變電站220 kV避雷器斷裂事故的直接原因。為探究該避雷器瓷套斷裂的根本誘因，實(shí)驗(yàn)利用能譜分析儀對(duì)比檢測(cè)了斷面溝壑積污與瓷套母材的成分組成及其含量，利用掃描電子顯微鏡檢測(cè)了瓷套斷面的微觀結(jié)構(gòu)；綜合實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和濕法制瓷工藝流程，分析認(rèn)為真空練泥機(jī)擠坯和膠裝過程工藝管控不嚴(yán)格是基座法蘭處大面積開裂的根本原因。結(jié)合分析推斷結(jié)果和國(guó)標(biāo)要求，提出了提高瓷套安全穩(wěn)定運(yùn)行的可行性建議。

避雷器；瓷套管；機(jī)械強(qiáng)度；斷面；制瓷工藝

0 引言

避雷器空心瓷套起著設(shè)備外絕緣、支撐和固定等作用。瓷套就制瓷方法而言，分為濕法制瓷和干法制瓷兩種；其中，濕法制瓷大概可分為原料球磨粉碎、真空練泥擠制成段、泥段電陰干、數(shù)控機(jī)床修坯成型、坯件烘干、表面上釉和砂、入窯燒制和膠裝等關(guān)鍵流程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)工藝控制欠佳都有可能導(dǎo)致瓷套管缺陷、難以滿足設(shè)備使用要求。GB/T23752-2009《額定電壓高于1 000 V的電器設(shè)備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子》5.1規(guī)定：空心瓷套管設(shè)計(jì)時(shí)需應(yīng)兼顧套管的電氣和機(jī)械性能，同時(shí)需嚴(yán)格選擇膠合劑和附件材料；10.5指出：出廠空心絕緣件需耐受逐個(gè)內(nèi)壓力、逐個(gè)彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)，外觀無(wú)損壞瓷絕緣件方合格?？梢姡商坠艿臋C(jī)械性能與其電氣性能同等重要，良好的機(jī)械性能同樣是設(shè)備健康運(yùn)行的可靠保障。

多年來(lái)，伴隨電瓷行業(yè)的發(fā)展，瓷套一次成型技術(shù)、瓷套原料配方和膠粘劑配方等制瓷工藝和瓷質(zhì)微觀檢測(cè)方法不斷優(yōu)化改進(jìn)[1-6]。為滿足電力行業(yè)發(fā)展需要，部分科研機(jī)構(gòu)和高校就瓷套管抗震性能、高原型避雷器設(shè)計(jì)、瓷套電位分布、特高壓輸變電系統(tǒng)套管研制等新領(lǐng)域和新技術(shù)方面做了深入分析和研究[7-15]。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，各電網(wǎng)公司借助避雷器典型事故案例及其網(wǎng)內(nèi)避雷器運(yùn)行情況，總結(jié)出了寶貴的設(shè)備缺陷分析、故障診斷和狀態(tài)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)，對(duì)避雷器安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了不容小覷的指導(dǎo)作用[16-22]。

雖然有不少文獻(xiàn)提到瓷套裂紋缺陷是導(dǎo)致瓷套機(jī)械性能下降、進(jìn)而誘發(fā)現(xiàn)場(chǎng)事故的重要原因，但是，鮮有文獻(xiàn)結(jié)合瓷套管制作工藝剖析避雷器斷裂事故。因此，筆者依托220 kV YSD變電站219C相避雷器瓷套管斷裂事故，借助掃描電子顯微鏡和能譜分析儀試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，綜合事故現(xiàn)場(chǎng)情況、設(shè)備運(yùn)行狀況及瓷套管濕法制作工藝，提出了該起避雷器斷裂事故的根本誘因、直接和間接原因。

1 事故介紹

YSD 220 kV變電站地處內(nèi)蒙古錫林浩特市，屬北方高寒地區(qū)，大陸性半干旱氣候。該站220 kV側(cè)采用雙母接線形式，Ⅰ、Ⅱ段母線經(jīng)212母聯(lián)斷路器并列運(yùn)行。1號(hào)主變經(jīng)201斷路器、BYⅡ線經(jīng)251斷路器接于Ⅰ段母線；Ⅰ段母線避雷器型號(hào)為Y10WZ-200/520 W，2006年4月出廠、2007年9月投入使用。2016年4月2日12時(shí)19分55秒330毫秒、19分56秒210毫秒，220 kV母線保護(hù)Ⅰ屏和Ⅱ屏BP-2B保護(hù)裝置C相Ⅰ母差動(dòng)保護(hù)相繼動(dòng)作，跳開了 201、251、212斷路器，220 kVⅠ段母線失電，1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)解列運(yùn)行。

變電站運(yùn)行人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，220 kVⅠ段母線219避雷器C相斷裂墜落。事故發(fā)生時(shí)風(fēng)速約為12 m/s，環(huán)境溫度8℃、濕度30%RH。變電站內(nèi)無(wú)操作、無(wú)設(shè)備異常，且無(wú)外部故障。如圖1（a）所示，219整體式避雷器C相瓷外套自下至上分?jǐn)嗔褳榱巳危汗潭ㄓ谒嘀蔚幕〝嗝媾c基座法蘭表面幾乎齊平），接帶計(jì)數(shù)器的下節(jié)瓷套管，于根部斷裂的上節(jié)瓷套管；斷裂位置為基座法蘭和上節(jié)瓷套管根部法蘭兩處，法蘭螺栓均未松動(dòng)。避雷器下節(jié)瓷套內(nèi)的氧化鋅閥片及其絕緣包覆并未斷裂，仍與上節(jié)瓷套內(nèi)閥片成串懸吊于引線上；該避雷器引線和閥片外露部分緊鄰219C相電壓互感器及其接地引下線，且電壓互感器引下線存在放電灼傷痕跡，如圖1（b）。

圖2中，避雷器兩處斷面形貌差異明顯：上節(jié)瓷套管根部法蘭處斷裂面平滑、整個(gè)斷面形態(tài)一致、無(wú)異常，如圖2（a）；而基座斷面呈現(xiàn)兩種形態(tài):約1/2斷面表面有鱗狀突起、鱗狀溝壑間有淺黃色積污（圖2（a）-（b）），另 1/2 斷面表面較為平整、有外力掰裂、脆性斷裂痕跡，二種斷面之間有可識(shí)別分界（見圖2（d））；圖 2（e）為瓷套管水泥膠合斷面，水泥膠合劑粗糙、有肉眼可見小鼓包，且瓷套外壁和法蘭內(nèi)壁未見瀝青緩沖層。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Accident scene

2 事故起因分析和推斷

219 C相避雷器上節(jié)瓷套根部斷面較平整，而基座斷面存在鱗狀突起、溝壑積污和法蘭工裝工藝粗糙等問題；而且，219 C相電壓互感器接地引下線存在放電灼傷點(diǎn)和大面積放電碳化痕跡。所以事故起因極可能是避雷器基座斷裂傾倒的瞬間沖擊力拉斷了上節(jié)瓷套；而上節(jié)瓷套及其連帶的閥片與引線緊固連接，因此整支避雷器最終斷為三段。也正是由于上節(jié)瓷套及其連帶的閥片與引線連接緊固，所以避雷器瓷套斷裂瞬間與電壓互感器接地引下線短路，導(dǎo)致Ⅰ段母線C相發(fā)生單相接地短路故障。隨后，220 kV母線保護(hù)BP-2B保護(hù)裝置C相Ⅰ母差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開201、251、212斷路器，故障切除。

圖2 基座斷面實(shí)物圖Fig.2 Pictures of base section

其次，DL/T 804-2014《交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則》3.1正常運(yùn)行條件規(guī)定避雷器在風(fēng)速不大于35 m/s時(shí)，應(yīng)能正常運(yùn)行。事發(fā)當(dāng)日最大風(fēng)速為12 m/s、西北風(fēng)，若避雷器瓷套無(wú)裂紋缺陷，應(yīng)當(dāng)無(wú)事故發(fā)生；反之，若避雷器瓷套存在裂紋缺陷，則大風(fēng)天氣容易間接導(dǎo)致避雷器斷裂。即：大風(fēng)天氣是避雷器基座斷裂的間接原因。

再次，查閱站內(nèi)設(shè)備試驗(yàn)和巡檢記錄發(fā)現(xiàn)：219避雷器C相交接試驗(yàn)和例行試驗(yàn)均合格；避雷器外觀巡視無(wú)裂紋，計(jì)數(shù)器指示數(shù)正常，監(jiān)視電流表持續(xù)電流值與同等運(yùn)行條件相比無(wú)明顯差異，紅外成像檢測(cè)無(wú)異常溫升。試驗(yàn)和記錄結(jié)果表明，219 C相避雷器電氣性能良好，且人為可觀測(cè)能力范圍內(nèi)無(wú)裂紋缺陷。但是，套管端部噴砂后膠裝法蘭，瓷套法蘭表面齊平位置較為特殊，因此例行檢查難以發(fā)現(xiàn)該位置是否存在裂紋缺陷。

綜合上述分析，該起事故起因是：在219 C相避雷器基座瓷套和法蘭膠裝處瓷套已存在嚴(yán)重裂紋缺陷（鱗狀表面面積約1/2）的情況下，避雷器瓷套在當(dāng)日大風(fēng)天氣中機(jī)械強(qiáng)度不足，基座瓷套折斷；基座瓷套折斷瞬間，懸吊于高壓引線的上節(jié)瓷套和閥片對(duì)臨近電壓互感器接地引下線放電，Ⅰ段母線C相接地短路從而引發(fā)該次事故。

3 瓷套斷面檢測(cè)及其制作工藝分析

為明確斷面溝壑淺黃色積污來(lái)源，實(shí)驗(yàn)利用能譜分析儀比對(duì)了溝壑積污物質(zhì)成分和基座瓷套母材物質(zhì)的構(gòu)成組分及其含量；實(shí)驗(yàn)還利用掃描電子顯微鏡對(duì)基座斷面及溝壑內(nèi)淺黃色積污物質(zhì)的微觀形貌進(jìn)行了檢測(cè)，以探尋瓷套機(jī)械強(qiáng)度不足的誘因。綜合實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和瓷套管制作工藝，下文將針對(duì)避雷器基座斷面缺陷逐一解釋分析。

第一，圖2中瓷套基座表面鱗狀突起溝壑間的淺黃色積污僅在溝壑位置存在、并非成片狀出現(xiàn)，所以可以排除套管在燒制前就存在較大裂縫。

第二，該避雷器裂紋缺陷有可能是制作過程中部分工藝環(huán)節(jié)管控不嚴(yán)格而存在先天缺陷，在后期運(yùn)行中缺陷逐步劣化導(dǎo)致產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不足。結(jié)合斷面形貌特征和斷裂位置，隱患可能在如下制瓷環(huán)節(jié)中已被埋下。

1）真空練泥機(jī)擠坯過程中要求加泥要均勻；需切割下厚10 mm左右厚度的薄泥片，用于檢查泥段質(zhì)量，再用硬度計(jì)快速測(cè)定泥料水分。相較常見瓷套脆性斷裂面特征，該基座斷面鱗狀區(qū)域面積占總斷面的1/2，有可能是真空練泥過程中基座部分夾雜了硬泥，導(dǎo)致瓷套該部分自身密實(shí)程度偏差，從而容易大面積開裂。

2）瓷套端部在噴砂上釉燒制完成后，再利用水泥膠合劑粘接法蘭和瓷套。由于膠裝連同需粘合的金屬法蘭和瓷套共計(jì)三種不同材質(zhì)，因此，三者熱脹冷縮系數(shù)之間存在配合關(guān)系，以避免瓷套降溫過程中因應(yīng)力擠壓瓷套而裂紋。此外，為緩解材質(zhì)熱脹冷縮程度不同所產(chǎn)生的應(yīng)力，法蘭內(nèi)側(cè)和瓷套外側(cè)需涂覆瀝青緩沖層；文獻(xiàn)[22]中也提及瀝青緩沖層對(duì)于降低溫度導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力作用非常明顯。檢查基座斷面，未見水泥緩沖層，可見膠裝過程中未使用瀝青緩沖層也是造成瓷套于法蘭處開裂的起因之一。

第三，溝壑積污來(lái)源可能是在瓷套存在開裂缺陷的前提下，瓷質(zhì)受潮而逐步劣化形成，也有可能是吹入裂縫處的沙土殘留?；诖?，為確定積污物質(zhì)來(lái)源，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了溝壑積污物質(zhì)和基座瓷套母材物質(zhì)的構(gòu)成組分及其含量的差異，檢測(cè)結(jié)果見表1。

1）瓷套管以黏土、長(zhǎng)石、石英等主要礦物為原料，其主要物質(zhì)成分為二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）及少量的堿金屬氧化物（如氧化鉀K2O、氧化鈉Na2O）和堿土金屬氧化物（如氧化鈣CaO、氧化鎂MgO）等；而普通沙土的化成分成主要為二氧化硅，一般普通沙土中不會(huì)含有大量的Al2O3、K2O和Na2O物質(zhì)。

表1 構(gòu)成元素含量對(duì)比Table 1 Composition elements content comparison（wt%）

2）表1中，溝壑內(nèi)淺黃色積污和瓷套管母材成分組成及其含量無(wú)明顯差異；若積污為沙土，則積污物質(zhì)成分檢測(cè)中SiO2應(yīng)明顯高于母材，同時(shí)鋁、鉀和鈣等成分含量應(yīng)明顯低于母材。檢測(cè)結(jié)果表明，基座瓷套積污物質(zhì)組成和瓷套母材成分組成及其含量基本一致，可排除積污為沙土的可能；即斷面鱗狀突起由于受侵蝕風(fēng)沙形成的可能性極小。

3）前文提到該避雷器多次預(yù)防性試驗(yàn)和例行試驗(yàn)均為發(fā)現(xiàn)基座絕緣電阻異常，加之北方地區(qū)氣候干燥、基座斷裂位置隱蔽，所以斷面長(zhǎng)期遭受雨雪侵襲的概率不高。但是瓷套在高寒低溫環(huán)境中運(yùn)行多年沒有瀝青緩沖層保護(hù)，若先天還存在硬泥、瓷質(zhì)密實(shí)程度差的缺陷，則在逐年雨雪累積侵蝕下，斷面鱗狀區(qū)域面積高達(dá)總面積的1/2也屬正常。

第四，瓷套致密性差、可能存在硬泥是導(dǎo)致本次事故的根本原因之一，為驗(yàn)證該推斷的可能性，實(shí)驗(yàn)利用掃描電鏡檢測(cè)了基座局部斷面和溝壑積污處瓷質(zhì)的微觀形貌特征，如圖3所示。

1）陶瓷材料斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為，材料破壞起因的內(nèi)部缺陷有氣孔或多孔區(qū)、混入的雜質(zhì)、異常生長(zhǎng)的晶粒以及由于這些缺陷造成的結(jié)構(gòu)的不均勻性或各向異性；其中氣孔的危害是較大的。

2）文獻(xiàn)[5]認(rèn)為：瓷顯微結(jié)構(gòu)的均勻性程度是保證電瓷質(zhì)量和性能的關(guān)鍵；坯料顆粒細(xì)度控制≥20 μm 顆粒度量占 6.0%～10.0%，≥10 μm 顆粒度量占20%～24%時(shí)，有助于改善坯料組織及瓷質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的均勻性。而圖3中基座斷面氣孔形狀不規(guī)則、最大氣孔約為 220 μm*200 μm，氣孔量約 15%；圖4所示的溝壑微觀結(jié)構(gòu)圖表明，溝壑中存在100～200 μm大小不等的獨(dú)立顆粒。斷面微觀結(jié)果證實(shí)了瓷套致密性差的事實(shí)。

第五，GB/T23752-2009《額定電壓高于1 000 V的電器設(shè)備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子》中具體規(guī)定了非承壓空心瓷套管的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目和要求，但是追溯標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源和頒布時(shí)間發(fā)現(xiàn)，GB/T23752由IEC62155-2003轉(zhuǎn)化而來(lái)，2009年首次制定。那么，2006年生產(chǎn)的219 C相避雷器瓷套出廠試驗(yàn)項(xiàng)目不盡完善實(shí)屬正常。

圖3 微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure

4 結(jié)論

綜合上述解釋和分析，認(rèn)為：

1）事故直接和間接原因：YSD變電站219 C相避雷器基座瓷套管開裂面積高達(dá)50%，導(dǎo)致套管機(jī)械強(qiáng)度大幅下降；事故當(dāng)日大風(fēng)天氣間接促使套管斷裂，斷裂瞬間上節(jié)瓷套高電位部分與相鄰接地引下線短路，從而引發(fā)本次事故。

2）事故根本誘因：真空練泥機(jī)擠坯過程中濕坯可能夾雜硬泥、瓷套致密性差、膠裝過程水泥膠合劑粗糙、未涂覆瀝青緩沖層等是導(dǎo)致219 C相避雷器瓷套在高寒環(huán)境中容易出現(xiàn)裂紋缺陷的可能原因。

3）避雷器基座法蘭處瓷套開裂缺陷難以被發(fā)現(xiàn)，建議有針對(duì)性的檢查套管根部水泥膠合劑外觀狀態(tài)，來(lái)輔助判斷法蘭處瓷套是否存在開裂缺陷。

4）制作工藝決定著瓷套管的性能，建議加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)造力度，提高對(duì)瓷套出廠試驗(yàn)的重視程度，以從根本上剔除不合格瓷套，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Fracture Accident Analysis of 220 kV Arrester Porcelain Bushing Base

WANG Qiong，XIN Lijian，CHEN Hao，YAN Baofeng，ZHANG Huifen，WEN Bing
（Inner Mongolia Electric Power Science&Research Institute，Hohhot 010020，China）

Porcelain bushing crack defect of arrester base is easy to be ignored.According to the damage of the equipments，the weather condition，the fracture position and the fracture surface of the porcelain bushing，the direct reason of the 220 kV arrester fault accident in YSD substation has been found in this paper，which is the cracking of its base porcelain bushing.Thus，in order to determine the root cause of the cracking，two experiments have been done:the one compared the composition of the section waste and the base metal of the porcelain bushing，by using the energy spectrum analyzer;the other experiment，the microstructure of porcelain bushing base section is detected by scanning electron microscope.In the light of the experimental test results and wet-process of porcelain bushing，the analysis shows that:because of the inexactitude process control of vacuum scouring mud machine extruding and cementing，the cracking area of the base porcelain bushing is serious.Moreover，based on the analysis results and national standard requirements，the suggestions are also given，which for improving the safety and stable operation of the porcelain bushing.

arrester；porcelain bushing；mechanicalstrength；section；porcelain making technology

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.028

2016-08-07

王瓊 （1986—），女，工程師，碩士，主要從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷方面工作。