復(fù)合絕緣子酥朽斷裂及內(nèi)擊穿故障的關(guān)聯(lián)性分析

盧 明，伍 川，盛從兵，江 渺，高 超，李 黎

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，河南 濮陽(yáng) 457000；3.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

復(fù)合絕緣子因其優(yōu)異的防污閃性能在我國(guó)具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而，隨著運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子逐漸暴露出一系列不同于以往的新問(wèn)題，例如酥朽斷裂、界面擊穿等[3-7]。一方面，這些問(wèn)題往往會(huì)引起嚴(yán)重的事故，例如導(dǎo)線掉線、短路跳閘等，危害電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；另一方面，目前對(duì)引發(fā)這些問(wèn)題的機(jī)理尚未研究透徹，無(wú)法從根本上提出相應(yīng)的預(yù)防措施和解決方案。因此，針對(duì)這些新問(wèn)題的研究具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

酥朽斷裂這一概念最早于2016年由清華大學(xué)梁曦東等人[3]提出，通過(guò)對(duì)一起復(fù)合絕緣子斷裂事故的分析，發(fā)現(xiàn)其與所知的通常斷裂和脆性斷裂表現(xiàn)出不同的斷裂模式，將其命名為“酥朽斷裂”，給出了酥朽斷裂的主要特征、定義及判據(jù)，并討論了相應(yīng)的預(yù)防措施和檢測(cè)方法，但沒(méi)有詳細(xì)分析酥朽斷裂的形成機(jī)理。界面擊穿俗稱內(nèi)擊穿，屬于比較嚴(yán)重的絕緣子事故，它不像沿面閃絡(luò)故障一樣往往可以重合閘成功，一旦發(fā)生內(nèi)擊穿，就可能造成全線停運(yùn)[8-9]。內(nèi)擊穿是一類容易判明的故障，但對(duì)具體原因目前尚無(wú)統(tǒng)一說(shuō)法。針對(duì)這兩種事故類型，由于事故發(fā)生頻率低，事故案例少，目前的研究多作為偶然事故進(jìn)行判別，缺乏系統(tǒng)深入的分析，這對(duì)從根本上杜絕此類惡性事故的發(fā)生是不利的。

本研究在對(duì)多起復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿事故案例分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)酥朽斷裂和內(nèi)擊穿存在較多相似點(diǎn)，進(jìn)而推測(cè)二者具有某種內(nèi)在聯(lián)系。本研究通過(guò)關(guān)聯(lián)分析酥朽斷裂和內(nèi)擊穿故障，歸納并提煉出主要特征，試圖說(shuō)明復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿只是在不同電壓等級(jí)下，由酥朽老化引發(fā)的故障的不同表現(xiàn)形式，其內(nèi)在機(jī)理和本質(zhì)是相同的。

1 酥朽斷裂事故分析

1.1 事故概況

2013年10月10日，河南地區(qū)500 kV洹獲Ι線N111塔中相V串右側(cè)前(小號(hào)側(cè))串在靠近導(dǎo)線端第一片大傘裙處斷裂。經(jīng)停電檢修，將斷裂絕緣子、及同相剩余三支中兩支更換為新絕緣子。對(duì)更換下的絕緣子進(jìn)行初步外觀檢查，兩支完整絕緣子無(wú)明顯異常，斷裂絕緣子情況為高壓端芯棒呈不規(guī)則狀斷裂，芯棒嚴(yán)重劣化，絕緣子護(hù)套從第十二片大傘裙以下出現(xiàn)不同程度龜裂老化。同時(shí)對(duì)相鄰N110桿塔絕緣子進(jìn)行登塔檢查，中相V串兩支絕緣子導(dǎo)線端絕緣子護(hù)套發(fā)現(xiàn)有龜裂；兩基桿塔上所裝設(shè)其他絕緣子未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。斷裂事故絕緣子現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1、圖2所示。

圖1 巡視現(xiàn)場(chǎng)拍攝N111照片F(xiàn)ig.1 Photo of the N111 tower taken during inspection

圖2 斷裂絕緣子現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Photo of the broken insulator

1.2 故障特征分析

對(duì)斷裂絕緣子進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂處芯棒質(zhì)地變酥、形如朽木，表面存在粉化顆粒；斷口附近護(hù)套呈不同程度龜裂老化，導(dǎo)線端一側(cè)護(hù)套嚴(yán)重劣化，裂紋從斷口處一直延伸至球頭處，大面積芯棒裸露；低壓端一側(cè)護(hù)套表面出現(xiàn)若干電蝕孔，且越靠近斷口侵蝕程度越嚴(yán)重。護(hù)套表面裂紋和蝕孔如圖3所示。

圖3 斷口附近護(hù)套表面裂紋和電蝕孔Fig.3 Cracks and electrical corrosion on the surface of the sheath near the fracture

分別從絕緣子靠近斷口位置和低壓側(cè)對(duì)稱位置解剖護(hù)套，發(fā)現(xiàn)斷裂端的芯棒已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的電腐蝕現(xiàn)象，芯棒表面發(fā)黑且有硅橡膠殘屑附著；界面粘接基本失效，護(hù)套能夠輕易從芯棒表面剝落。斷裂對(duì)端位置的芯棒及護(hù)套外觀相對(duì)完好，未發(fā)現(xiàn)明顯劣化痕跡，如圖4所示。

圖4 絕緣子靠近斷口端和低壓側(cè)對(duì)稱位置解剖圖Fig.4 Anatomical view of the position near the fracture and the symmetrical position at low voltage site

進(jìn)一步利用X射線光電子能譜以及傅里葉紅外光譜分析斷裂處芯棒的元素含量和化學(xué)組分變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。測(cè)試樣本分別取自斷口處芯棒和靠近低壓側(cè)未受劣化侵蝕的正常位置芯棒。

圖5 絕緣子X(jué)射線光電子能譜檢測(cè)圖Fig.5 X-ray photoelectron spectrum of the insulator

圖6 絕緣子紅外光譜檢測(cè)圖Fig.6 FTIR spectrum of the insulator

由圖5可知，斷裂處芯棒C元素含量下降而O元素含量顯著上升，表明環(huán)氧樹(shù)脂遭到嚴(yán)重氧化降解；同時(shí)N元素含量小幅增加，推測(cè)此處有硝酸根離子的生成。從圖6可以更清晰地看出，波數(shù)1 380 cm-1附近出現(xiàn)新的吸收峰，表明斷裂芯棒處確實(shí)產(chǎn)生了硝酸根離子。除此之外，波數(shù)2 970～2 920 cm-1、1 200～1 000 cm-1、480～400 cm-1處的吸收峰明顯低于正常位置，分別對(duì)應(yīng)芯棒中甲基、脂肪族結(jié)構(gòu)中的C-C、C-O-C等基團(tuán)含量減少，表明環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了燒蝕裂解；波數(shù)3 600～3 200 cm-1處的吸收峰高于正常位置，即斷裂芯棒中-OH含量增加，表明玻璃纖維發(fā)生了離子交換和水解現(xiàn)象。上述化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理分別為[3]

1)硝酸根離子的生成：

(1)

(2)

2)環(huán)氧樹(shù)脂基體的燒蝕降解：

(3)

3)玻璃纖維的離子交換(其中X代表玻璃纖維含有的金屬元素，如Ca，Na等)：

(4)

4)玻璃纖維的水解：

(5)

通過(guò)以上分析，本次斷裂事故絕緣子的故障形貌和微觀性態(tài)完全符合酥朽斷裂的特征，可以斷定該絕緣子發(fā)生了酥朽斷裂。

2 內(nèi)擊穿事故分析

2.1 事故概況

2007年8月12日，河南地區(qū)220 kV駐沙線雙高頻保護(hù)動(dòng)作跳閘，選相C相，重合失敗，強(qiáng)送不成功。隨后，巡視人員發(fā)現(xiàn)112-116號(hào)接地裝置有燒傷痕跡，絕緣子表面未發(fā)現(xiàn)有明顯閃絡(luò)痕跡。經(jīng)登塔檢查，發(fā)現(xiàn)115號(hào)桿C相絕緣子已擊穿，立即向地調(diào)匯報(bào)，申請(qǐng)搶修。根據(jù)更換下的絕緣子外觀形態(tài)可以判定，事故原因?yàn)閺?fù)合絕緣子內(nèi)擊穿，如圖7所示。

圖7 內(nèi)擊穿故障絕緣子Fig.7 The internal breakdown insulator

2.2 故障特征分析

內(nèi)擊穿復(fù)合絕緣子的故障特征較為明顯。由于故障時(shí)芯棒內(nèi)流過(guò)強(qiáng)大的擊穿電流，整支芯棒會(huì)出現(xiàn)不同程度的灼蝕痕跡，其中高壓端蝕損最為嚴(yán)重，如圖8所示?？梢钥闯?，放電通道從球頭貫穿高壓端，芯棒表面嚴(yán)重酥朽發(fā)黑，芯棒與護(hù)套間出現(xiàn)較寬間隙，界面粘接完全失效。此外，短路沖擊電流的熱效應(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致傘裙和護(hù)套“炸裂”，粘接不良處護(hù)套硅橡膠成塊脫落，芯棒外露。斷裂的玻璃纖維呈長(zhǎng)條狀從芯棒內(nèi)拉出，與硅橡膠碎塊一起殘留在護(hù)套表面，如圖9所示。

圖8 高壓端芯棒電流灼痕Fig.8 Damage traces of current searing at high voltage end

圖9 開(kāi)裂的護(hù)套和芯棒殘屑Fig.9 The cracked sheath and debris of the core rod

內(nèi)擊穿事故屬于一類容易判明的事故類型，因此無(wú)需進(jìn)行微觀特性檢測(cè)，通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)情況及絕緣子內(nèi)部放電痕跡足以判定。目前關(guān)于內(nèi)擊穿機(jī)理比較一致的看法是，復(fù)合絕緣子內(nèi)部存在缺陷，包括芯棒自身缺陷和界面粘接缺陷。缺陷處過(guò)高的局部場(chǎng)強(qiáng)會(huì)引發(fā)局部放電，放電在芯棒表面產(chǎn)生碳化通道，并逐漸沿軸向發(fā)展，內(nèi)絕緣強(qiáng)度隨之不斷下降，最終在線路過(guò)電壓乃至正常電壓下發(fā)生不可逆絕緣擊穿[9]。

3 關(guān)聯(lián)性分析

以上兩例分別為河南省內(nèi)近幾年發(fā)生的典型絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿事故。通過(guò)筆者對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)故障案例的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，酥朽斷裂和內(nèi)擊穿的事故模式及故障特征均比較相似，因此可以認(rèn)為上述兩起案例具有代表性。接下來(lái)重點(diǎn)探討復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿兩種故障形式的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，旨在揭示二者具有同一的故障根源，只是同一種老化現(xiàn)象在不同電壓等級(jí)下的不同表現(xiàn)。

3.1 故障特征關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)前兩章的分析，可以歸納出酥朽斷裂和內(nèi)擊穿絕緣子的共同特征主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

1)故障點(diǎn)主要集中在高壓端。酥朽斷裂絕緣子的斷口位置即位于高壓端，且酥朽痕跡從斷口一直發(fā)展到球頭附近，而相應(yīng)的低壓對(duì)端位置則未見(jiàn)芯棒和護(hù)套劣化現(xiàn)象。內(nèi)擊穿絕緣子雖然整支芯棒均承受了短路電流，但仍可明顯觀察到球頭及高壓端處芯棒燒蝕痕跡更為嚴(yán)重，且燒蝕部位表現(xiàn)出酥朽特征，表明該處芯棒在擊穿前發(fā)生過(guò)類似酥朽老化過(guò)程。

2)故障形貌存在相似之處。兩起事故案例中，故障處芯棒均表現(xiàn)為質(zhì)地變酥、表面發(fā)黑、有硅橡膠殘屑附著；護(hù)套表面出現(xiàn)裂紋和貫穿性的蝕孔；芯棒和護(hù)套界面粘接基本失效。當(dāng)然，二者也存在一定的差異，例如內(nèi)擊穿絕緣子由于受到強(qiáng)沖擊電流作用，護(hù)套幾乎完全裂開(kāi)，直接從芯棒表面脫離，而酥?jǐn)嘟^緣子護(hù)套雖然也出現(xiàn)裂痕，但仍能保持與芯棒的粘附，需要施加外力才能剝落。不過(guò)總的來(lái)看，酥朽斷裂與內(nèi)擊穿絕緣子在故障形貌上表現(xiàn)出高度的相似性。

3.2 故障機(jī)理關(guān)聯(lián)性分析

基于復(fù)合絕緣子酥朽斷裂與內(nèi)擊穿故障特征的相似性，很自然地推測(cè)二者具有相似的故障機(jī)理。下面分別分析絕緣子酥朽斷裂與內(nèi)擊穿故障的形成原因及發(fā)展過(guò)程，重點(diǎn)探討二者的相似點(diǎn)和差異之處。

文獻(xiàn)[3]指出，護(hù)套與芯棒間界面失效是復(fù)合絕緣子酥朽斷裂的主要誘因。引發(fā)界面失效的原因較多，包括制造工藝的缺陷、運(yùn)行過(guò)程中脫模劑的滲出等[10-11]。一旦出現(xiàn)界面缺陷，電場(chǎng)在此區(qū)域會(huì)發(fā)生增強(qiáng)畸變，極易引發(fā)局部放電[12-13]。放電電流緩慢燒蝕芯棒，劣化環(huán)氧樹(shù)脂基體；若絕緣子處于潮濕環(huán)境中，則水分可能侵入界面缺陷處，在放電作用下生成酸性介質(zhì)，腐蝕切割玻璃纖維。隨著老化反應(yīng)的推進(jìn)，芯棒表層環(huán)氧基體裂解碳化，玻璃纖維斷裂，內(nèi)層完好芯棒暴露出來(lái)，在電流和酸性介質(zhì)作用下繼續(xù)被腐蝕，如此逐層深入，宏觀表現(xiàn)為酥朽老化沿芯棒徑向由外至內(nèi)發(fā)展。芯棒的劣化，尤其是玻璃纖維的斷裂將導(dǎo)致絕緣子機(jī)械強(qiáng)度不可逆下降，最終因無(wú)法承受線路機(jī)械負(fù)荷而發(fā)生酥朽斷裂。絕緣子酥朽老化發(fā)展為斷裂是一個(gè)緩慢的過(guò)程，對(duì)近年來(lái)酥朽斷裂事故的統(tǒng)計(jì)表明，缺陷絕緣子從掛網(wǎng)到發(fā)生事故，期間平均運(yùn)行年限在7～10年[14-15]。

內(nèi)擊穿事故的根本原因同樣是絕緣子出廠時(shí)或運(yùn)行中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，且初始位置多位于靠近高壓端芯棒護(hù)套粘接界面處[16]。由于界面耐電蝕性能較弱，缺陷處的局部放電容易沿著界面發(fā)展。電流流過(guò)芯棒表面的燒蝕作用使得芯棒逐漸碳化，電阻率下降，同時(shí)界面粘接被破壞后內(nèi)部缺陷逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致電流進(jìn)一步增強(qiáng)。隨著局部放電和界面缺陷沿軸向發(fā)展推進(jìn)，在芯棒表面形成連續(xù)的碳化通道，絕緣性能也不斷下降，最終因無(wú)法承受線路電壓而發(fā)生內(nèi)擊穿。內(nèi)擊穿也是一種漸進(jìn)性的故障類型，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從絕緣子投運(yùn)到發(fā)生事故的平均發(fā)展時(shí)間為5～8年[17]。

可以發(fā)現(xiàn)，酥朽斷裂與內(nèi)擊穿事故在早期的發(fā)展規(guī)律是完全一致的，都是由界面缺陷處局部放電引發(fā)的絕緣材料緩慢老化過(guò)程。并且由于二者均伴隨電流對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體的燒蝕，因此本質(zhì)上故障原因均屬于酥朽老化。不同之處在于，在以往的研究中，根據(jù)事故形態(tài)反推故障成因，認(rèn)為在內(nèi)擊穿故障絕緣子中，芯棒劣化方向沿著界面軸向發(fā)展，最終形成貫穿性絕緣內(nèi)擊穿[9]；而對(duì)于酥朽斷裂絕緣子，芯棒劣化方向?yàn)橛杀砑袄?，最終整個(gè)芯棒橫斷面遭受侵蝕從而發(fā)生斷裂[3-4]。兩類故障形式中絕緣劣化發(fā)展方向如圖10所示。由于故障表現(xiàn)形式的外在差異，使得過(guò)去一直將酥朽斷裂與內(nèi)擊穿當(dāng)作兩種獨(dú)立的事故類型進(jìn)行分析，而忽視了其中的內(nèi)在聯(lián)系。事實(shí)上，根據(jù)解剖分析可以發(fā)現(xiàn)，在酥朽斷裂絕緣子芯棒表面也有軸向電蝕痕，而內(nèi)擊穿絕緣子起始劣化位置燒蝕痕跡也深入芯棒內(nèi)部，這表明酥朽老化的發(fā)展過(guò)程實(shí)際上是沿軸向和徑向同時(shí)推進(jìn)的。沿軸向的老化表現(xiàn)為芯棒電氣性能的下降，沿徑向的劣化表現(xiàn)為芯棒機(jī)械性能的破壞，二者中必有一個(gè)先降至故障臨界值，從而產(chǎn)生相應(yīng)的故障。也就是說(shuō)，對(duì)于正在發(fā)生酥朽老化的復(fù)合絕緣子，其同時(shí)具備發(fā)展成為酥朽斷裂或內(nèi)擊穿的可能性，而最終發(fā)展結(jié)果取決于劣化沿軸向和徑向的發(fā)展速度。若軸向劣化更快，則芯棒絕緣強(qiáng)度首先被破壞，發(fā)生內(nèi)擊穿事故，表現(xiàn)為電氣故障；反之，芯棒機(jī)械強(qiáng)度首先被破壞，發(fā)生酥朽斷裂事故，表現(xiàn)為機(jī)械故障。盡管故障形式看似有較大差別，但其故障機(jī)理和內(nèi)在本質(zhì)卻是一致的。

圖10 復(fù)合絕緣子兩類故障中絕緣劣化主導(dǎo)發(fā)展方向示意圖Fig.10 The leading directions of the degradation in the two types of faults in composite insulators

3.3 故障類型與電壓等級(jí)的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，事故類型與線路電壓等級(jí)之間存在某種規(guī)律。表1統(tǒng)計(jì)了2005～2015年間全國(guó)范圍內(nèi)有公開(kāi)報(bào)道的輸電線路復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿事故次數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)擊穿事故多發(fā)生在110 kV、220 kV等低電壓等級(jí)的輸電線路絕緣子上，而酥朽斷裂事故目前僅見(jiàn)于發(fā)生在500 kV輸電線路絕緣子上。對(duì)35 kV以下的配電線路，電氣和機(jī)械載荷均較低，絕緣子安全裕度大，難以發(fā)生相關(guān)故障；800 kV及以上特高壓輸電線路由于投運(yùn)時(shí)間不長(zhǎng)，且復(fù)合絕緣子均采用改進(jìn)生產(chǎn)工藝，界面粘接可靠，芯棒耐電蝕性能提高，目前也未見(jiàn)相關(guān)事故報(bào)道?？偟膩?lái)說(shuō)，酥朽斷裂和內(nèi)擊穿事故發(fā)生率相比其他絕緣子故障要低得多，且目前主要集中在早期掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子上。

表1 近十年國(guó)內(nèi)酥朽斷裂及內(nèi)擊穿事故次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the frequency of decay-like fracture and internal breakdown in the past decade in China

為了進(jìn)一步分析絕緣子故障形式與一定的電壓等級(jí)之間存在上述對(duì)應(yīng)關(guān)系的原因，本研究對(duì)應(yīng)用于110 kV、220 kV、500 kV輸電線路的典型復(fù)合絕緣子進(jìn)行了調(diào)研，并選取三種具有代表性的絕緣子型號(hào)，將其主要參數(shù)列于表2所示。

表2 不同電壓等級(jí)的三種絕緣子主要參數(shù)Table 2 Main parameters of three types of insulators applied in different voltage levels

可以看出，隨著線路電壓等級(jí)升高，絕緣子各項(xiàng)性能指標(biāo)也相應(yīng)地增加，以匹配增長(zhǎng)的電氣和機(jī)械負(fù)荷。其中，具體來(lái)看，公稱爬電距離反映了該絕緣子的外絕緣水平，絕緣距離(即最小干弧距離)反映內(nèi)絕緣水平，而機(jī)械強(qiáng)度主要由芯棒直徑及玻璃纖維含量決定[18]。由于同類型復(fù)合絕緣子的材料成分和制造工藝基本一致，為簡(jiǎn)化討論，可以忽略玻璃纖維含量差異的影響，即認(rèn)為三種絕緣子除了在結(jié)構(gòu)高度和芯棒直徑上的區(qū)別以外，其余部分均是完全相同的。

絕緣子內(nèi)部酥朽對(duì)絕緣子性能的影響可以分為兩個(gè)方面。其一，由于缺陷處局部放電作用，老化會(huì)沿著局放電流通道發(fā)展，同時(shí)碳化芯棒表層。芯棒表面碳化后絕緣性能基本喪失，等效于減小了絕緣子內(nèi)部有效絕緣距離。隨著碳化通道逐漸伸長(zhǎng)，有效絕緣距離不斷縮短，最終在某一電壓下發(fā)成內(nèi)擊穿事故。其二，由于環(huán)氧樹(shù)脂基體被分解，芯棒最外層玻璃纖維暴露出來(lái)，在水汽和局放生成的酸性介質(zhì)作用下，發(fā)生水解和離子交換等反應(yīng)，微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使玻璃纖維斷裂。斷裂的玻璃纖維不再承擔(dān)絕緣子機(jī)械載荷，等效于減小了芯棒有效負(fù)載直徑。隨著水汽和酸滲入芯棒內(nèi)部，逐層切割玻璃纖維，芯棒有效直徑不斷縮小，最終當(dāng)無(wú)法承受線路載荷時(shí)，即發(fā)生酥朽斷裂事故。

絕緣子酥朽老化過(guò)程中，對(duì)芯棒的碳化和玻璃纖維的切割作用是同時(shí)進(jìn)行的，可以分別等效為絕緣距離和芯棒直徑的減小。又根據(jù)前述簡(jiǎn)化條件，可以認(rèn)為酥朽老化發(fā)展速度在不同電壓等級(jí)的絕緣子中是相同的。因此，絕緣子初始絕緣距離和芯棒直徑的相對(duì)大小，決定了沿哪個(gè)方向的酥朽老化首先達(dá)到極限。圖11反應(yīng)了絕緣子事故類型與芯棒直徑和絕緣距離之間的關(guān)系。

圖11 絕緣子事故類型與芯棒直徑及絕緣距離的關(guān)系Fig.11 Correlation between the type of accidents and the diameter of the core rod as well as the insulation distance of the composite insulator

由圖11可以清晰看出，事故類型與電壓等級(jí)間表現(xiàn)出的特定規(guī)律，實(shí)際上與絕緣子有效絕緣距離與芯棒直徑的比值有關(guān)。定義該比值為絕緣子的長(zhǎng)徑比，則該比值即決定了絕緣子更大概率最終表現(xiàn)出何種事故形式。具體來(lái)看，對(duì)于110 kV和220 kV絕緣子，由于其長(zhǎng)徑比相對(duì)數(shù)值小，在酥朽老化發(fā)展過(guò)程中，有效絕緣距離將首先下降至臨界值，因此必定發(fā)生內(nèi)擊穿事故，而此時(shí)沿芯棒內(nèi)部的劣化遠(yuǎn)未發(fā)展到酥朽斷裂的地步；對(duì)于500 kV絕緣子，由于其長(zhǎng)徑比較大，沿徑向的劣化必然首先達(dá)到臨界值，即發(fā)生酥朽斷裂，而此時(shí)芯棒表面雖然同時(shí)存在較長(zhǎng)的碳化通道，但由于本身絕緣距離大，在正常電壓下仍不至于發(fā)生內(nèi)擊穿。不過(guò)，當(dāng)線路遭受高幅值的雷電或工頻過(guò)電壓時(shí)，有極小概率使得存在碳化通道的劣化絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)加內(nèi)擊穿的組合擊穿，此時(shí)的擊穿路徑見(jiàn)圖12。在這種情形下，原本將發(fā)生酥朽斷裂的絕緣子轉(zhuǎn)化為內(nèi)擊穿故障形式。由此也解釋了在表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，存在500 kV復(fù)合絕緣子內(nèi)擊穿實(shí)際案例的原因。

圖12 過(guò)電壓下的可能擊穿路徑Fig.12 The probable breakdown path under overvoltage

3.4 故障本質(zhì)分析

綜合前述分析，本研究指出，復(fù)合絕緣子酥朽斷裂和內(nèi)擊穿兩種事故類型實(shí)質(zhì)上是同一故障因素在發(fā)展最終階段形成的不同外在表現(xiàn)形式。二者的共同本質(zhì)即是由芯棒與護(hù)套界面缺陷誘發(fā)的酥朽老化。劣化起始階段通常以單點(diǎn)故障形式存在，隨后在局部放電和酸性介質(zhì)等因素作用下逐漸向附近擴(kuò)展。其中，沿芯棒表面軸向的發(fā)展將削弱絕緣子的電氣性能，沿芯棒截面徑向的發(fā)展將損害絕緣子的機(jī)械性能；二者中率先降至額定載荷以下的一方將決定絕緣子的最終故障形式。通常情況下，長(zhǎng)徑比相對(duì)值大的絕緣子機(jī)械性能首先破壞，即發(fā)生酥朽斷裂；長(zhǎng)徑比相對(duì)值小的絕緣子電氣性能首先破壞，發(fā)生內(nèi)擊穿。在極偶然情形下，例如高幅值雷電或工頻過(guò)電壓、強(qiáng)橫風(fēng)天氣等，電氣或機(jī)械負(fù)荷突增，此時(shí)即可能發(fā)生酥朽斷裂與內(nèi)擊穿事故的互相轉(zhuǎn)化。圖13給出了復(fù)合絕緣子酥朽斷裂與內(nèi)擊穿的相互關(guān)系、故障機(jī)理及發(fā)展過(guò)程示意圖。

圖13 酥朽斷裂與內(nèi)擊穿的相互關(guān)系及發(fā)展過(guò)程Fig.13 Correlation between decay-like fracture and internal breakdown and their development

4 結(jié) 論

1)復(fù)合絕緣子酥朽斷裂與內(nèi)擊穿兩類事故具有相同的故障本質(zhì)，均是由內(nèi)部缺陷引起的酥朽老化緩慢發(fā)展最終導(dǎo)致的。二者的故障特征也表現(xiàn)出極大的相似性，均存在芯棒發(fā)酥變黑、護(hù)套穿孔、界面粘接失效等現(xiàn)象。

2)在酥朽老化發(fā)展過(guò)程中，沿軸向和徑向的劣化侵蝕是同時(shí)推進(jìn)的。沿軸向的劣化表現(xiàn)為電氣性能的下降，對(duì)應(yīng)潛在的內(nèi)擊穿事故；沿徑向的劣化表現(xiàn)為機(jī)械性能的下降，對(duì)應(yīng)潛在的酥朽斷裂事故。實(shí)際最終會(huì)演變成哪一種事故，取決于該絕緣子的絕緣距離與芯棒直徑比值的相對(duì)大小。

3)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)擊穿事故多發(fā)生于110 kV、220 kV復(fù)合絕緣子，酥朽斷裂事故僅發(fā)生于500 kV復(fù)合絕緣子。這一現(xiàn)象的本質(zhì)是由于不同電壓等級(jí)下絕緣子的長(zhǎng)徑比存在差異所造成的。此結(jié)論同時(shí)為本文的理論提供了實(shí)際支撐。