一起330 kV輸電線路復(fù)合絕緣子斷裂故障失效

張素慧,滕玉林,謝金鵬,蔣 菲,張 麗,周云飛,賀煒文,呂巖婷,吳金花

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院,蘭州 730070;2.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司,蘭州 730070)

0 引言

當(dāng)前電網(wǎng)輸電線路,復(fù)合絕緣子由于硅橡膠材料獨(dú)特的憎水性和增稅遷移性,以其優(yōu)異的防污閃性能,再加上重量輕、沒有零值等一些列優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)的架空輸電線路,并已成為大趨勢(shì)[1-8]。

復(fù)合絕緣子的應(yīng)用有效的解決了困擾電網(wǎng)多年的污閃問題,大大減輕了清掃及零值檢測(cè)等運(yùn)維檢修工作[9-17]。但斷串問題卻時(shí)有發(fā)生,復(fù)合絕緣子一旦發(fā)生斷串,只有準(zhǔn)確找到斷串原因,總結(jié)處置方式,對(duì)復(fù)合絕緣子入網(wǎng)有著重要的意義[18-23]。運(yùn)行中復(fù)合絕緣子斷串給社會(huì)安全帶來巨大威脅,影響線路可靠性,對(duì)電力系統(tǒng)帶來十分嚴(yán)重的危害[24-31]。

筆者主要以一起±330 kV重要輸電線路故障:復(fù)合絕緣子掉串為研究對(duì)象,根據(jù)一系列試驗(yàn),分析發(fā)生故障的原因,并提出防范措施,為今后此線路運(yùn)行及掛網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)運(yùn)維提供參考。

1 事故概況

2021年6月23日某330 kV重要輸電線路開關(guān)跳閘,重合閘不成功,經(jīng)巡視發(fā)現(xiàn)145號(hào)塔中相復(fù)合絕緣子導(dǎo)線側(cè)第5片傘裙出芯棒斷裂掉串,導(dǎo)線掉落,懸掛在塔材上。故障現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 330 kV輸電線路故障圖Fig.1 Fault diagram of 330 kV transmission line

此線路全長75.772 km,180基,2010年06月投運(yùn),2013年07月01日開斷。復(fù)合絕緣子型號(hào)為FXBW-330/100,結(jié)構(gòu)高度:3 690 mm,爬距10 560 mm,額定機(jī)械破壞負(fù)荷:100 kN,呼高22 m,海拔高度2 283.43 m;144號(hào)塔為ZM1型直線角鋼塔,呼高25 m,海拔高度2 264.88 m。

2 故障絕緣子掉串試驗(yàn)分析

2.1 絕緣子外觀檢查

330 kV某線路絕緣子斷裂部位圖像見圖2(a)及圖2(b),斷裂區(qū)域位于絕緣子從下往上數(shù)第5至第6傘裙之間,從下至上第1片至第3片芯棒護(hù)套表面存在較厚的一層灰白色的附著物,表面不平整,存在軸向溝槽,見圖2(c);第4片以上芯棒護(hù)套表面附著物厚度逐漸減薄,最下一片傘裙下表面與芯棒護(hù)套結(jié)合處存在一條肉眼可見的環(huán)向裂紋,長度約25 mm,其中部位置存在兩條沿徑向發(fā)展的小裂紋,裂紋內(nèi)部硅橡膠斷面顏色較淺,與新擴(kuò)展區(qū)域存在明顯差異,見圖2(d),且此裂紋位置與上端斷口啟裂位置基本處于同一方向。

圖2 絕緣子外觀檢查Fig.2 Insulator appearance inspection

2.2 絕緣子斷口檢查

針對(duì)運(yùn)行中斷裂絕緣子斷口進(jìn)行檢查,結(jié)果見圖3。圖3(a)為上側(cè)斷口,圖3(b)為下側(cè)斷口;斷口直徑為36.28 mm,芯棒直徑為24 mm。下側(cè)斷口凹陷處芯棒與橡膠位于同一平面,與軸向垂直。此處芯棒外部硅橡膠斷口色澤不均,靠近芯棒部位顏色發(fā)白,且有放射狀微小裂紋,斷面存有同心且平行的貝殼紋及放射狀撕裂臺(tái)階,硅橡膠區(qū)域裂紋發(fā)展方向由靠近芯棒部位向外邊緣擴(kuò)展。

圖3 故障絕緣子斷口Fig.3 Fault insulator fracture

芯棒部分?jǐn)嗝娲笾聻槠矫?存在多處高低不等的臺(tái)階,由斷面紋理發(fā)展方向判斷,芯棒斷口由外邊緣向內(nèi)側(cè)發(fā)展,沿徑向擴(kuò)展約14 mm后又沿軸向擴(kuò)展12 mm,然后又沿水平方向繼續(xù)發(fā)展至距對(duì)側(cè)邊緣3 mm處,開始沿軸向撕裂。造成玻璃纖維由絕緣子上部橡膠護(hù)套內(nèi)部抽出,在絕緣子上部斷面上形成空洞。

從芯棒橫向斷口看,存在較多深淺不一臺(tái)階,非單一斷面,縱向斷面有大量較短的橫向裂紋。芯棒與橡膠護(hù)套結(jié)合處有約為0.3 mm間隙;芯棒斷口大部分區(qū)域顏色較深,靠近最終斷裂的玻璃纖維區(qū)域斷口表面顏色較淺,見圖3(c)、圖 3(d)。

另外,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),斷口上部芯棒取樣過程中,發(fā)現(xiàn)除斷口附近橡膠護(hù)套與芯棒件存在間隙外,其余部位橡膠護(hù)套和芯棒結(jié)合良好,較難剝離。

2.2.2 左相絕緣子耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后斷口

為研究斷口形式,特選取同號(hào)塔外發(fā)生斷裂的左相絕緣子進(jìn)行耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)4 h后發(fā)生斷裂,為不合格試樣。并將左相絕緣子剝離外部護(hù)套后,在1 mol/L硝酸溶液中加載67%的拉力進(jìn)行耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),4 h后試樣發(fā)生斷裂,斷裂后的斷口形貌見圖4。從圖4(a)可知,試樣外層環(huán)氧樹脂及玻璃纖維均發(fā)生斷裂,試驗(yàn)芯部玻璃纖維形態(tài)上完整,系從斷口另一側(cè)芯棒中抽出(抽芯),抽出長度最長為91 mm。

圖4 左相絕緣子耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后斷口Fig.4 Fracture of left phase insulator after stress corrosion test

在斷口附近可見大量沿著縱向及環(huán)向的裂紋,其中縱向裂紋較長,貫穿整個(gè)樣品護(hù)套剝除部分芯棒,但縱向裂紋在延伸過程中有部分區(qū)域會(huì)沿軸向拓展,見圖4(b)。

見圖4(c)及圖4(d),試驗(yàn)芯棒斷口存在多處深淺不一的臺(tái)階,與運(yùn)行中斷裂的中相絕緣子芯棒斷口形貌非常相似。

由表17可知，企業(yè)的流動(dòng)比率、速動(dòng)比率都不高，增減幅度不大，但在2014～2016年四年間企業(yè)資產(chǎn)的流動(dòng)比率和速動(dòng)比率一直處于下降，直到2017年，才開始逐漸上升，說明企業(yè)資產(chǎn)的流動(dòng)性不強(qiáng)，短期償債能力總體來說處于弱勢(shì)，但2017年其流動(dòng)比率和速動(dòng)比率相較于之前是處于增加的狀態(tài)，有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

2.2.3 未斷出斷口檢查

對(duì)左相絕緣子耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后距斷口133 mm處芯棒端面及中相絕緣子距斷口630 mm處端面進(jìn)行觀察,見圖5。從圖5(a)中可以看出,經(jīng)過耐應(yīng)力試驗(yàn)之后芯棒橫截面可觀察到多處裂紋,裂紋大多呈不規(guī)則的環(huán)狀,靠近外圈的4條較長的裂紋一直貫穿到芯棒外表面。而中相距斷口630 mm處橫截面大部分區(qū)域均勻密實(shí),無裂紋及其他缺陷,但在傘裙合縫大致垂直方向一側(cè)芯棒邊緣部位存在一處明顯的開裂,由表面向內(nèi)部延伸約1 mm,見圖5(b)。

圖5 芯棒端面圖Fig.5 Core rod end face

綜上可知,未斷裂處斷口雖存在一處開裂,但其斷口形貌為平整切割斷口;運(yùn)行中斷裂中相絕緣子芯棒斷口大致為平面,存在多處高低不等的臺(tái)階,以及較多徑向及軸向裂紋,而經(jīng)過耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后的芯棒斷口亦存在多處深淺不一的臺(tái)階與大量不規(guī)則的環(huán)狀裂紋,由此可見,經(jīng)過耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后絕緣子芯棒斷口形貌與運(yùn)行中斷裂的中相絕緣子芯棒斷口形貌非常相似。

2.3 絕緣子斷口微觀形貌檢查

通過對(duì)運(yùn)行中斷裂絕緣子上部端口斷面觀察發(fā)現(xiàn),斷口處硅橡膠與芯棒結(jié)合部位存在色澤變淺、老化開裂現(xiàn)象,見圖6(a)。斷口上110 mm處芯棒及護(hù)套橫截面護(hù)套硅橡膠組織均勻,未發(fā)現(xiàn)異常,但斷口啟裂方向芯棒截面靠近邊緣部位存在裂紋、組織不均勻、疏松等微觀缺陷,見圖6(b)。

圖6 絕緣子微觀形貌圖Fig.6 Micromorphology of insulator

在對(duì)運(yùn)行中斷裂絕緣子距斷口630 mm處橫截面部分觀察發(fā)現(xiàn),此截面處芯棒與護(hù)套結(jié)合良好,見圖6(c)及圖6(d)。又對(duì)運(yùn)行中斷裂絕緣子護(hù)套及傘裙進(jìn)行檢查,見圖6(e)及圖6(f),絕緣子護(hù)套及傘裙表面硅橡膠組織均勻,未發(fā)現(xiàn)開裂、老化等異?，F(xiàn)象。

2.4 絕緣子滲透檢測(cè)

從運(yùn)行中斷裂絕緣子斷口上部截取110 mm長一段試樣,將表面硅橡膠層剝離后,進(jìn)行滲透檢測(cè),發(fā)現(xiàn)裂紋源方向,芯棒兩端橫截面均存在方向不規(guī)則的裂紋和疏松,見圖7(a)及圖7(b);在開裂源方向芯棒外表面存在大量沿軸向的裂紋,另外在靠近斷口部位存在個(gè)別長度較短的軸向裂紋,見圖7(c);在距離斷口上部730 mm處,滲透檢測(cè)結(jié)果顯示,芯棒與橡膠結(jié)合面有少量滲透劑回滲,但芯棒材質(zhì)總體較致密,未見明顯缺陷顯示,見圖7(d);最下一片傘裙下表面與芯棒護(hù)套結(jié)合處存在一條肉眼可見的環(huán)向裂紋,其中部位置存在兩條沿徑向發(fā)展的小裂紋,見圖7(e);芯棒端頭硅橡膠與金屬球頭側(cè)結(jié)合部位有少量滲透劑回滲,兩者之間存有一定的間隙,見圖7(f)。

圖7 絕緣子滲透檢測(cè)圖Fig.7 Insulator penetration testing diagram

2.5 絕緣子芯棒透照試驗(yàn)

在強(qiáng)光照射下觀察,發(fā)現(xiàn)中相斷口附近芯棒靠近起裂部位方向內(nèi)部材質(zhì)不均勻,存在大量軸向裂紋,見圖8(a)及圖8(b)。 而左相絕緣子耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后距斷口附近芯棒內(nèi)部材質(zhì)基本均勻,但存在大量環(huán)向及縱向裂紋,見圖8(c)。在中相絕緣子距斷口630 mm附近芯棒內(nèi)部材質(zhì)均勻,但存在一處縱向開裂,其所處位置與斷面開裂位置相對(duì)應(yīng),在試樣中長度為76 mm,其上端部與原斷口位置的距離為601 mm,見圖8(d)。

圖8 絕緣子芯棒透照檢查圖Fig.8 Insulator mandrel transillumination inspection diagram

2.6 傘裙邵氏硬度試驗(yàn)

對(duì)運(yùn)行中掉串絕緣子斷口上部由芯棒剝離的硅橡膠傘裙上隨機(jī)抽取4個(gè)部位進(jìn)行邵氏A硬度試驗(yàn),結(jié)果見表1,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Shore hardness test results HA

2.7 絕緣子護(hù)套厚度檢查

圖9為絕緣子截面圖,可見絕緣子芯棒周邊硅橡膠護(hù)套厚度不均勻,從12點(diǎn)鐘方向開始,按照順時(shí)針方向護(hù)套厚度依次為5.14 mm,4.94 mm,5.10 mm,6.20 mm,其中5點(diǎn)鐘方向?yàn)樽o(hù)套厚度最薄處,為4.86 mm,9點(diǎn)鐘方向?yàn)樽詈裉?為6.20 mm。

圖9 絕緣子厚度測(cè)量截面圖Fig.9 Cross section of insulator thickness measurement

3 復(fù)合絕緣子故障綜合分析

1)中相絕緣子下部第1片傘裙下存在宏觀裂紋,致使外部環(huán)境的腐蝕介質(zhì)及放電產(chǎn)生的二氧化氮的水解產(chǎn)物硝酸(HNO3)通過護(hù)套裂隙進(jìn)入絕緣子芯棒部位。

2)因斷裂絕緣子芯棒表面及內(nèi)部存在缺陷,在其下端斷口附近局部區(qū)域內(nèi)材料組織不均勻,存在軸向裂紋和孔隙,使得從護(hù)套開裂處進(jìn)入的腐蝕性介質(zhì)得以沿芯棒表面及內(nèi)部缺陷向上擴(kuò)散。

3)絕緣子斷裂部位位于其下部場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)位置,當(dāng)腐蝕性介質(zhì)沿芯棒缺陷進(jìn)入該區(qū)域時(shí),絕緣子芯棒所承受的拉應(yīng)力及腐蝕性介質(zhì)使得芯棒材質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。同時(shí),較強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)使得該區(qū)域發(fā)生電暈放電,進(jìn)一步加劇了芯棒材質(zhì)劣化及護(hù)套有機(jī)硅橡膠老化,產(chǎn)生周向及軸向裂紋。

4)絕緣子芯棒應(yīng)力腐蝕損傷部位存在應(yīng)力集中,在長期運(yùn)行過程中的交變應(yīng)力作用下,應(yīng)力腐蝕裂紋沿環(huán)向及縱向拓展,同時(shí)也使得護(hù)套老化的硅橡膠產(chǎn)生裂紋,并由界面向外部拓展,當(dāng)芯棒剩余截面不足以承受重力載荷時(shí),造成芯棒及外部硅橡膠撕裂,導(dǎo)致絕緣子斷裂失效。

4 復(fù)合絕緣子故障總結(jié)

通過試驗(yàn)檢測(cè)可知,該絕緣子在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)4 h后斷裂,為不合格試樣。此330 kV中相復(fù)合絕緣子斷裂的主要原因是:故障絕緣子本身存在原生缺陷,在運(yùn)行過程中,水汽由此裂紋進(jìn)入護(hù)套與芯棒的間隙,斷裂部位正好處于高電場(chǎng)作用范圍,而發(fā)生電暈,水汽、空氣、粘結(jié)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成酸性物質(zhì),從而對(duì)芯棒產(chǎn)生腐蝕,加之芯棒耐酸性極差,在長期運(yùn)行過程中,逐漸腐蝕,導(dǎo)致芯棒承載能力下降,最終發(fā)生脆斷。脆斷雖然發(fā)生概率小,但危害極其嚴(yán)重,在運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)排查,及時(shí)更換不合格絕緣子,使其退出電網(wǎng)運(yùn)行,并加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè),確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

1)對(duì)該線路所用同一線路、同一廠家的復(fù)合絕緣子進(jìn)行更換、檢查、試驗(yàn),確定是否存在相同問題。

2)加大對(duì)省內(nèi)在運(yùn)復(fù)合絕緣子的抽檢工作,避免不耐酸等不合格的絕緣子投入使用,以免造成更大損失。

3)運(yùn)維單位應(yīng)繼續(xù)深入開展復(fù)合絕緣子的隱患排查,利用紅外測(cè)溫等多種手段加強(qiáng)巡視,特別是早期復(fù)合絕緣子應(yīng)重點(diǎn)防范。