1、2010年第1期(总第233期) 2010年2月 电 瓷 避 雷 器 Insulators and Surge Arresters No12010(SerNo233) Feb2010 文章编号：10038337(2010)01001903 一起复合绝缘子芯棒脆断原因分析及对策 摘要：介绍了一起复合 及脆断面形成机理等方面分析 陷使得端部密封不良造成酸 生，从加强检验、连接方式、 靠运行 关键词：高压输电线路： 中图分类号：TM216 郭清滔，廖福旺。黄海鲲 (福建省电力试验研究院，福州350007) 绝缘子脆断的发生过程 了脆断原因发现芯棒脆 蚀并最终导致芯棒机械性 材料工艺、存储安装等方 通
2、过解剖 断的原因 能下降而 面提出了 复合绝缘子；脆断；芯棒；硅橡胶 文献标识码：A 和相关电气、机械性能试验。以 是运行环境的恶劣加之结构的缺 发生脆断。为防止脆断事故的发 相应的对策保证电网的安全可 Analysis on Cause of Core Brittle Fracture of Composite Insulators and Its Preventive Measures GUO Qing-tao，LIAO Fu-wang，HUANG Hai-kun (fujian Electric Power Test&Research Institute，Fuzhou 350007，Ch
3、ina，) Abstract：The process of orle case of core brittle fracture was introduced，and its causes were an alyzed through dissecting，relevant electrical and mechanical performance tests and the mechanism of brittle fracture surfaceIt is found out that core brittle fracture was caused by awful operating
4、environ ment and defect structure，which leads to incompletely sealed terminal。acid corrosion which lead to de cline in core mechanical properties was caused and brittle fracture occuredTo avoid the brittle fracture accident，correspounding preventive measures was proposed from strengthening inspectio
5、n，connection styles，material technology，storage keep，etcto ensure safe and reliable grid operation Key words：high voltage transmission line；composite insulators；brittle fracture；core；silicone rubber 0引言 复合绝缘子体积小、重量轻、易安装、强度 高、耐污性能优异，已广泛应用于电力系统。据不 完全统计至2008年底仅福建电网即有近万只运 行。复合绝缘子的脆断事故除芯棒本身质量外与 绝缘子的端部密封也
6、直接相关其安全运行要求金 属端部附件和芯棒可靠连接。近年来福建省内发 生了数起复合绝缘子脆断故障。其中：2009年2 月3日23：06福州电业局220kV江城路两套主 保护动作，B相发生短路故障，重合不成功城头 变902保护装置测距显示l01 km江田变902保 护装置测距为52 km603测距537 km故障录 波测距为529 km。2009年2月4日1时31分 江城路强送不成功，显示B相发生永久性故障 江田变902保护装置测距44km603保护装置测 距48 km。 2009年2月4日经送电部巡视发现220 kV 收稿日期：20090902 作者简介：郭清滔(1983一)，男，工程师，从事
7、高压方面的研究工作。 2010年第1期 一起复合绝缘子芯棒脆断原因分析及对策 (总第233期) 江城路10号塔B相复合绝缘子发生断裂掉串。 ，断点在下端第二、第三片伞裙之间，导线掉落在下 横担上 经送电部抢修于2009年2月4日17：45 分抢修完成并恢复送电 220 kV江城路起点为220 kV江田变终点 为220 kV城头变线路总长1262 km与220 kV 江城I路同塔架设。导线型号2*LGJX一30025， 于1998年12月投产 10#塔为双回路直线塔塔 型220SZ402(呼称高211TI)，大、小号侧档距分别 为359 m和622 ITI水平档距4905 m垂直档距 960 m
8、 发生断串的复合绝缘子是淄博某复合绝缘 子电力器材厂产品(型号为FXBW一2201001998 年4月生产。契式工艺)运行时间已达10年。 1 故障绝缘子解剖情况 经检查绝缘子芯棒柱体表面及伞裙内侧都出 现了较为严重的积污同时绝缘子及其端部附件上 并未出现短路大电流贯穿的痕迹说明断裂前并未 发生绝缘子闪络现象。但在绝缘子复合外套的接地 端(靠近导线侧)表面出现多处爬电烧蚀的破损点， 于是对其进行解剖发现芯棒与硅橡胶复合外套之 间的密封性已基本丧失在芯棒的接地端表面有十 分明显的贯穿性爬电烧蚀痕迹其长度约占复合绝 缘子的二分之一左右芯棒爬电部分高压端的爬电 轨迹十分清晰而接地端则出现了弥漫性爬电
9、过 程下部电蚀程度明显严重得多且外表烧蚀破损 处与内部的爬电轨迹相对应说明在运行中芯棒与 护套之间就长期存在比较明显的爬电通道因内部 放电电蚀作用造成复合绝缘子表面护套硅橡胶出 现多处烧蚀开裂破口 为进行比较对绝缘子上部 进行解剖发现芯棒内部情况较好芯棒表面光 洁、色泽正常没有出现爬电痕迹，表面爬电劣化 只出现在中下部复合绝缘于端部结构见图l。 套 纹 图l 复合绝缘子端部结构 为进一步确认事故性质对绝缘子断裂后的其 20 余完好部分所作相关电气、机械试验f陡波试验、 100额定机械负荷试验，见表1。结果表明它仍 符合设计要求憎水性良好从而排除可能引起绝 缘子断裂的其他原因 对照国际大电网会议
10、“关于 鉴别FRP f树脂充注玻璃纤维1复合绝缘子芯棒脆性 断裂的指导性意见”中的芯棒发生脆断时断裂面的 典型特征：断裂表面光滑，元任何有机物残渣其 断面总是垂直指向芯棒轴线只有很少的玻璃纤维 被拉出ill。该绝缘子断面的情况(占断面截面积 6O 70的断裂面是平整的断口具有脆断的基 本特征，见图2)与上述特征基本一致因此可以 断定此次是一起复合绝缘子脆断故障 表1 陡波试验、100额定机械负荷试验 高压端 接地端 图2 芯棒断面的断裂特征 2 芯棒脆断面形成的机理 复合绝缘子芯棒采用环氧树脂玻璃纤维挤拉成 型玻璃纤维外表面被环氧树脂粘合着其中承受 负荷的是玻璃纤维其拉伸强度超过600 MPa
11、 绝 缘子高压端特别是场强较高的部位是最易发生脆断 的部位因为高场强加速了芯棒裸露处的饱和水介 质沿着玻璃纤维经渗透性较好的环氧树脂向浓度低 的部位扩散这样一来环氧树脂中不可能均匀残存 的酸性硫化剂又加快了水分子的渗透使场强高的 芯棒周围又有水介质存在加之端部附件在异常自 然条件或各种过电压条件下所出现的电晕使护套 表面空气中的N 生成NO ，比N 渗透性高20多 倍的NO，将从护套表面向浓度较低的内部扩散 与内部水介质反应生成硝酸另外雨水和潮气在 高压电场下也极易形成酸性液体 如果复合绝缘子 端部密封不良或外护套破坏酸液就会沿着护套和 芯棒界面渗入芯棒内部从而导致环氧树脂溶胀， 2010年第
12、1期 电 瓷 避 雷器 (总第233期) 直至开裂解体 随着环氧树脂基体的破坏酸和水 介质浸蚀环氧树脂与玻璃纤维粘接面造成粘接面 剥离使酸和水介质直接触及玻璃纤维表面即与 玻璃纤维中的CaO及MgO等碱性氧化物接触这 些碱性氧化物与酸液反应，致使碱性氧化物溶解， 在玻璃纤维的晶格中形成高应力区导致微裂纹和 玻璃纤维机械性能的下降直至断裂 ： 随着时间 推移这些酸性液体在电场作用下继续横向缓慢腐 蚀周围的环氧树脂和玻璃纤维逐渐形成完全丧失 机械性能的平整脆断面。脆断面不断扩大。芯棒有 效面积不断缩小当脆断面发展到相当比例时余 下部分承受不住导线的垂直荷载最终导致脆断。 3 脆断原因分析 调查表明
13、 发生故障绝缘子位于长乐江田镇高 山上的风口处离海边较近长期处于盐雾侵蚀的 环境运行环境较为恶劣表面积污和端部附件锈 蚀都比较严重且端部均压环已出现了严重腐蚀。 硅橡胶伞裙表面已呈现严重的粉化状态说明复合 绝缘子出现了严重老化现象加速外护套老化和芯 棒腐蚀的进程可以视为该次复合绝缘子脆断的一 大诱因。芯棒均压环出现的严重锈蚀问题见图3 (上均压环) (F均压环) 图3 芯棒均压环出现的严重锈蚀问题 从以上解剖情况可知复合绝缘子所处的运行 环境是较为恶劣的故障绝缘子的劣化应首先发生 在高压端金属附件处硅橡胶护套上。因硅橡胶伞套 出现密封不严或裂缝致使密封失效导致潮气和 污物进入芯棒表面同时界面处
14、存在气隙在纵向 强电场作用下芯棒表面产生局部放电或爬电并发 生电蚀，逐步形成炭化的导电通道且慢慢向上下 两侧发展形成越来越长的爬电轨迹 另外潮气渐 渐侵入芯棒本体，导致芯棒材质变脆、变性降低 了芯棒的机械性能和强度。在导线重力负荷的作用 下此断面上其他没有断裂的玻璃纤维丝承受的机 械负荷越来越大当剩余截面的强度不足以承受重 力负荷时，就发生绝缘子的整体断裂故障。从解剖 过程可知，即使暂时未发生断串，该支绝缘子会要 发生贯穿性放电通道而发生不可逆转的绝缘故障。 4 结论 (1)此次芯棒脆断的直接原因是复合绝缘子运 行条件恶劣，芯棒护套损伤、老化加速，导致端部 密封性能不良，使得潮气和污物进入芯棒
15、表面致 使芯棒材质变性降低了芯棒的机械性能和强度。 (2)端部附件结构设计存在严重缺陷是主要原 因本复合绝缘子端部附件是内锲式结构芯棒本 身的完整性被破坏应力分布不均匀造成拉移芯 棒破坏其密封性，使芯棒暴露在恶劣运行环境中 进而发生应力腐蚀问题 (3)绝缘子高压端特别是场强较高的部位是最 易发生脆断的部位其高场强和各种过电压条件下 所出现的电晕加速了芯棒内部水介质反应生成硝 酸进而产生腐蚀作用因此长期的高场强作用加 速了脆断的发生进程 5 对策 此类绝缘子故障的发生在我省乃至全国发生 的数量不算太多属于概率事件但是早期投入生 产运行的复合绝缘子存在着结构缺陷加之国内对 复合绝缘子运行的经验还不
16、够丰富致使此类故障 的发生其后果较为严重可能导致单相或者三相短 路故障，影响了电网的安全可靠运行因此对于此 类故障要给予足够的重视下面提出了以下几点对 策。 f1)加强检查各单位要组织对运行8年及以上 的淄博某复合绝缘子厂生产的所有复合绝缘子进行 普查，并按批次抽样检测 f21采用双串安装对运行年限未达十年的内契 式复合绝缘子500 kV等级应采取单改双措施： 处于大档距、高落差、重要跨越点和重要线路上的 220 kV等级的内契式复合绝缘子也应进行单改双 串措施。 f3)材料和工艺新购复合绝缘子应推荐选用 压接式、耐酸芯棒、端部密封采用高温硫化硅橡胶 以及多层密封工艺的产品 f41加强运行检测
17、结合必要的检测手段(如红 (下转第25页) 21 2010年第1期 电 瓷 避 雷 器 (总第233期) 分析计算采用有限元法采用的有限元分析软 表5 结构静力动力叠加的最大应力、位移和安全系数 件是ANSYS 100。 根据避雷器结构特点，及所关心的重要部位， 主要计算分析了 休、芯体、均压罩和绝缘支撑四 个构件的应力和 。通过静力计算，结构在自重 载荷作用下最大应力、位移和安全系数见表4。 表4 静载荷下结构最大应力、位移和安全系数 通过对模型进行反应谱分析及时间历程动力响 应分析得到动应力和动变形随地震波时间历程的 响应特性。 在时程分析中采用了两种加速度地震波形同 时施加水平和竖直两个
18、方向的地震加速度波形进 行瞬态动力分析。两种地震波形为：E1 centro波 和共振正弦5拍波将水平方向和竖直方向的加速 度峰值分别调整到02 g和O13 g。由于谱分析和 时间历程分析均未考虑自重的影响在进行结构安 全评估时应考虑其自重(静力)动力分析和静力 分析的叠加结果用于安全评估是偏于安全的 静力分析和动力分析的叠加结果见表5 由 以上计算分析结果表明：GIS避雷器结构的静力计 算、动力分析和静力分析的叠加计算表明结构各构 件的强度满足要求。安全系数高 3 结论 通过对1 000 kV GIS避雷器芯体结构、均压结 构的设计、计算及分析，可以得出以下结论。 f11采用梯度为350Vmm
19、 370Vaim高性能 金属氧化物电阻片设计的避雷器基本可以达到世 界先进制造水平具有一定的创新性： f21通过对1 000 kVGIS避雷器均压结构的仿 真计算，当均压结构的罩人深度在合适的范围时。 电位分布不均匀系数均可控制在10以内 f3)通过对电位分布的实测，确定了均压结构 的最佳罩人深度可以将避雷器的电位分布不均匀 系数有效地控制在85以内： f4)通过对1 000 kV GIS避雷器芯体结构、均 压结构进行的抗震性能仿真计算证明电位分布优 化后的避雷器各构件强度满足要求安全系数高。 参考文献： 1前瞻资讯行业研究中心中国绝缘子避雷器制造行业 产销需求与投资分析报告R北京：前瞻资讯行
20、业研 究中心2008 (上接第页21) 外成像技术)应尽快开展带电登杆检查工作对发 现异常的绝缘子进行及时更换消除隐患避免缺 陷长期存在，杜绝断串事故 (51存储和施工安装方面。在复合绝缘子存储 过程中防止小动物(如老鼠)咬噬：拆开包装箱后不 要随便堆置，防止外物划伤：施工过程中防止工器 具碰伤和机械损伤：在安装过程中严禁踩踏复合绝 缘子以免破坏伞裙和护套：另外特别注意不能将 均压环装反 参考文献： 1沈苋，卢明，等复合绝缘子芯棒脆断故障调查及原 因分析J河南电力，2007，9(19)：1922 2张呜陈勉500 kV罗北甲线复合绝缘子芯棒脆断原 因分析J电网技术，2003，12(27)：5153 3关志成，等绝缘子及输变电设备外绝缘M北京：清华 大学出版社2004 4谭章英，马建国，舒先民，等500 kV葛双一回复合 绝缘子芯棒裂断原因分析J电网技术，2001，25(1)：67 25
