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ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００８￣０１９８２０１４０２００１０２２０ｋＶ管母支柱绝缘子断裂原因分析及对策Ｆａｕｌｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｏｆｐｏｓｔｉｎｓｕｌａｔｏｒｓｆｏｒ２２０ｋＶｔｕｂｕｌａｒｂｕｓｂａｒ李欣ꎬ刘兴文ꎬ邓集ꎬ黎治宇ꎬ何智强(国网湖南省电力公司电力科学研究院ꎬ湖南长沙４１０００７)摘 要:针对１例２２０ｋＶ管母用支柱绝缘子断裂事故ꎬ通过理论分析和计算ꎬ指出此次事故的主要原因是水泥胶装不严实、管母固定方式错误和大风荷载作用ꎬ从而造成支柱绝缘子底部法兰由微裂纹发展为断裂ꎮ针对上述原因ꎬ提出了有针对性的处置措施ꎮ关键词:管母ꎻ支柱绝缘子ꎻ底部法兰ꎻ固定金具ꎻ超声波探伤中图分类号:ＴＭ２１６ 文献标志码:Ｂ 文章编号:１００８￣０１９８(２０１４)０２￣００３３￣０３收稿日期:２０１３￣０８￣１６ 瓷支柱绝缘子作为软硬母线和隔离开关的支撑设备ꎬ对保证电气设备安全运行和电网可靠供电具有重要的作用〔１－２〕ꎮ但由于瓷支柱绝缘子大多运行于户外ꎬ运行环境恶劣ꎬ且操作频繁〔３〕ꎬ极易发生断裂事故ꎬ尤其管母用支柱绝缘子ꎬ一旦发生故障ꎬ停电范围大ꎬ波及面广ꎬ将给电网和社会造成巨大的经济损失ꎮ据１９９６—２００１年不完全统计ꎬ国内共发生３８８起支柱绝缘子断裂事故ꎬ其中２２０ｋＶ瓷支柱绝缘子事故概率达５２５８％ꎬ由此可见２２０ｋＶ支柱绝缘子极易出现事故〔２〕ꎮ据统计分析ꎬ我国瓷支柱绝缘子断裂９５％以上都发生在法兰口内３ｃｍ到第一伞裙之间ꎬ为此ꎬ超声波探伤技术应运而生ꎬ对及时发现底部法兰缺陷发挥了巨大作用ꎮ但２０１１—２０１３年湖南省内共发生３起２２０ｋＶ瓷支柱绝缘子断裂事故ꎬ仅依靠停电超声探伤难以从根本上杜绝事故的发生ꎮ截止２０１３年５月１０日ꎬ湖南省在运的２２０ｋＶ管母瓷支柱绝缘子使用超过１０年的共３１５４支ꎬ占总数逾３/４ꎬ存在严重的安全隐患ꎬ为防止事故再次发生ꎬ亟需探明事故原因和提出解决方法ꎮ１ 事故概况及现场情况调查１１ 事故概况２０１２年３月１０日３时２８分ꎬ２２０ｋＶ某变电站所在地区出现了大风灾害性天气ꎬ最大风力达１０级ꎬ风速为２７３ｍ/ｓꎮ站内２２０ｋＶＩ母Ａ相东端６１４间隔管母用支柱绝缘子在大风作用下折断ꎬ造成从东至西６根支柱绝缘子断裂ꎬ第７根变形ꎬ第１根上、下２节和第４根下节绝缘子坠地ꎮ断裂事故直接导致２２０ｋＶＩ母Ａ相母线东端弯曲并跌落接地ꎬ跌落过程中搭接至运行于ＩＩ母的相邻间隔６１２１刀闸上ꎬ造成双母接地ꎬ双套母差保护动作ꎬ全站失压ꎮ１２ 现场情况调查事故调查人员检查３节绝缘子断口宏观形貌ꎬ发现绝缘子陶瓷材质为脆性材料ꎬ瓷件断裂面均为典型脆性断口ꎬ呈现出不规则、不连续状态ꎬ地面上有多个碎片溅落ꎮ在所有断面形态中ꎬ以第１根绝缘子下节情况最为严重ꎬ判断从东至西第１根支柱绝缘子最先发生断裂ꎬ其余绝缘子断裂是由于第１根断裂所造成的连锁反应ꎮ图１为第１根绝缘子下节底部断面和底座断面概貌ꎮ (ａ)底部断面 (ｂ)底座断面图１ 支柱绝缘子断面示意图从图１可以看出ꎬ端面可分为裂纹扩展Ｎ区３３ 第３４卷第２期湖 南 电 力ＨＵＮＡＮＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ ２０１４年４月和最终断裂Ｍ区ꎬ二者宽度分别约为２０ｍｍ和９５ｍｍꎮ其中ꎬ裂纹扩展Ｎ区呈现高低起伏状ꎬ有多条明显的细碎棱线ꎬ并组成多个微小不连续断面ꎬ为裂纹扩展痕迹ꎬ且棱线多为圆弧形ꎬ表明为多源性疲劳断裂ꎻ最终断裂Ｍ区表面较平整ꎬ无棱线ꎬ表明为瞬断区域ꎮ上述现象表明ꎬ第１根绝缘子先经长时间的裂纹扩展ꎬ最终才发展为瞬时断裂ꎮ现场检查未断裂的支柱绝缘子底部法兰ꎬ发现其底部法兰水泥胶装处有多处疏松孔隙ꎬ表明制造厂家胶装工艺不良ꎬ密封性能欠佳ꎬ水气可从孔隙处进入法兰与瓷件的胶装部位ꎬ导致胶装水泥发生腐蚀、膨胀ꎬ造成底部法兰铸铁、胶装水泥和瓷件本体三者之间发生松动ꎬ从而导致水泥胶装剂脱落ꎮ２ 事故原因分析２１ 瓷瓶等效受力模型从支柱绝缘子裂纹扩展区断面形状可以判断ꎬ断口主要起始于底部法兰右下角附近ꎬ参见图１ꎮ底部法兰的右下角存在许多薄瓷碎片ꎬ证明了绝缘子断裂为疲劳所致ꎻ断裂扩展区集中在底部法兰对角线的一侧ꎬ表明底部法兰断裂处在平行于管母方向和垂直于管母方向分别存在集中应力Ｆｘ和Ｆｙꎬ２个方向力的共同作用导致了这一显著断面特征ꎬ如图２所示ꎮ图２ 断面受力示意图由上述断面受力情况可以判定ꎬ事故前支柱绝缘子应受平行于管母方向力Ｆｘ和垂直于管母方向力Ｆｙ共同作用ꎬ二者分别来源于管母热胀冷缩和风力荷载对底部法兰产生的弯矩ꎬ如图３所示ꎮ现场勘查风向为北风ꎬ垂直于管母线ꎬ事故处风力明显比变电站西部高ꎬ风力荷载对垂直于管母方向的底部法兰产生弯矩ꎻ此外ꎬ管母固定金具为“紧”固定ꎬ伸缩节不能起到缓冲作用ꎬ气温较低时ꎬ管母收缩ꎬ造成支柱绝缘子底部法兰沿管母方向应力集中ꎬ上述运行和环境状况与支柱绝缘子断面受力情况一致ꎮ图３ 支柱绝缘子等效受力模型２２ 断裂原因分析１)水泥胶装不严产生微裂纹ꎮ支柱绝缘子本身水泥胶装缺陷是断裂故障的内因ꎮ由于水泥胶装存在间隙空洞ꎬ密封不严密ꎬ雨水和水汽易进入内部ꎬ促进水泥老化或铸铁锈蚀ꎻ水泥中的氧化镁等物质具有水合作用ꎬ吸水后导致水泥胶装剂膨胀ꎬ并加速水泥的腐蚀老化和风化开裂倾向ꎻ铸铁法兰锈蚀体积也将发生膨胀ꎮ但由于水泥、瓷件和法兰铸铁３种材质的膨胀系数各不相同ꎬ使法兰胶合处应力增大且分布不均ꎬ冬夏交替ꎬ周而复始ꎬ产生累积损伤ꎬ导致产生微裂纹ꎮ这也正是东北地区瓷支柱绝缘子事故概率较高的重要原因之一〔２〕ꎮ２)管母固定方式错误致底部法兰应力集中ꎮ分析坠落的一段管母线可知ꎬ４对管母线金具装配方式为中间２松ꎬ两端２紧ꎬ现场安装方式如图４所示ꎮ图４ 管母安装方式当温度变化时ꎬ管母向中间收缩ꎬ伸缩节将失去缓冲作用ꎬ则不利于消除管母线轴向伸缩带来的应力作用Ｆｘꎬ当温度变化３０℃时ꎬＦｘ可达４０ｋＮ〔４￣６〕ꎬ该力通过支柱绝缘子高度产生的弯矩Ｍｘ长期作用于底部法兰处ꎬ造成底部法兰疲劳受力ꎮ３)风力荷载加速裂纹扩展至断裂ꎮ变电站刮风引起的母线振动加剧了支柱绝缘子的疲劳受力和微裂纹扩展速度ꎮ管母线固有频率约８０Ｈｚ左右ꎬ随跨距略有变化ꎬ当风速为４ｍ/ｓ时ꎬ母线即产生８５６Ｈｚ的振动ꎬ接近一阶自振频率〔７〕ꎬ且母线边部的振幅最大ꎬ因此断裂的母线支柱绝缘子多为开阔地带的边相绝缘子瓷瓶ꎮ本次事故最先断裂的绝缘子即位于母线最东端和边相Ａ相ꎮ４３第３４卷第２期湖 南 电 力２０１４年４月３ 预防措施３１ 加强支柱绝缘子设计、选型和验收管控１)变电站在设计阶段ꎬ应考虑支柱绝缘子运行最恶劣工况ꎬ选择合适的抗弯强度和抗扭强度ꎮ目前ꎬ支柱绝缘子在抗弯强度计算方面ꎬ基本上以管母所受短路电动力为基准〔７－８〕ꎬ而忽略大风载荷、管母热胀冷缩、管母附件重力以及隔离倒闸机械操作等影响ꎬ导致支柱绝缘子机械强度选取不足ꎮ２)固定金具选型应正确ꎬ使管母在固定金具内可自由滑动ꎬ以保证伸缩节起到缓冲作用ꎮ固定金具作为管母的附属部件ꎬ产品型号多ꎬ某些产品安装后ꎬ热胀冷缩时管母无法在固定金具内自由滑动ꎬ造成支柱绝缘子疲劳受力ꎮ因此ꎬ应选用ＭＧＧꎬＭＧＧＨꎬＭＧＧ１/２ꎬＭＧＧＺＱ等型号金具〔９〕ꎬ以确保管母和固定金具正确匹配ꎮ３)严把支柱绝缘子质量关ꎬ杜绝缺陷设备入网ꎮ用户在入厂监造时ꎬ应重点关注底部法兰胶装工艺ꎬ法兰底部应铺衬缓冲层ꎬ水泥胶装应密实无孔隙ꎬ与空气的接触面应可靠密封ꎬ以防止水汽进入ꎮ设备出厂时ꎬ应逐一核查型式试验报告ꎬ尤应关注是否有超声波探伤报告ꎬ并核对报告内容与设备型号批次是否一致ꎮ３２ 确保管母固定金具正确安装对新建变电站ꎬ应加强管母固定金具安装方式监督ꎬ保证固定金具“一紧三松”ꎬ以使管母在固定金具内自由滑动ꎬ伸缩节可靠起到缓冲作用ꎮ对已有变电站ꎬ应利用停电机会ꎬ普查管母固定金具型号和安装方式ꎬ对不满足要求的应及时进行彻底整改ꎬ以确保管母和支柱绝缘子安全运行ꎮ３３ 加强支柱绝缘子日常运行维护目前对于运行中的绝缘子检查ꎬ主要是采用外观检查和超声探伤ꎬ因此ꎬ应充分利用变电站常规巡视和专业化巡视机会ꎬ密切关注管母和支柱绝缘子运行状态ꎬ若发现歪曲和倾斜应立即停电处理ꎮ在停电检修时ꎬ应检查支柱绝缘子底部法兰胶装剂和密封处是否完好ꎬ并结合超声探伤技术ꎬ检查是否存在孔隙和裂纹ꎮ４ 结论文中分析了１例２２０ｋＶ管母支柱绝缘子断裂事故的原因ꎬ通过理论分析ꎬ指明了造成此次事故的主要原因是支柱绝缘子底部法兰水泥胶装不严、管母固定方式错误和大风载荷引起管母振动ꎮ针对上述原因ꎬ提出了加强支柱支柱绝缘子设计、选型和验收管控、确保固定金具正确安装和加强运行维护等预防和整改措施ꎮ参考文献〔１〕蒋云ꎬ王维东ꎬ蔡红生ꎬ等.支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测〔Ｍ〕.北京:中国电力出版社ꎬ２０１０:１３３￣１３７.〔２〕吴光亚ꎬ姚忠森ꎬ何宏明ꎬ等.高压支柱绝缘子运行事故分析〔Ｊ〕.电瓷避雷器ꎬ２００２(５):２２￣２４ꎬ２６.〔３〕吴旭涛ꎬ危鹏.一起２２０ｋＶ隔离开关支柱瓷绝缘子断裂事故的原因分析〔Ｊ〕.电瓷避雷器ꎬ２０１１(６):１１￣１４ꎬ２０.〔４〕闫斌ꎬ丁辉.支柱瓷绝缘子断裂失效分析〔Ｊ〕.青海电力ꎬ２００３(１):１￣６.〔５〕闫东ꎬ卢明ꎬ姜国庆ꎬ等.２２０ｋＶ支柱绝缘子断裂原因分析及对策〔Ｊ〕.高压电器ꎬ２００５ꎬ４１(６):４６６￣４６７ꎬ４７０.〔６〕闫东ꎬ卢明ꎬ张健壮.管母金具不当导致支柱绝缘子断裂的原因分析〔Ｊ〕.河南电力ꎬ２００９(３):２４￣２６ꎬ４５.〔７〕西北电力设计院.电力工程电气设计手册(第１版)〔Ｍ〕.北京:水利电力出版社ꎬ１９８９.〔８〕秦征.支持式管母线用支柱绝缘子抗弯强度校验〔Ｊ〕.广西电力工程ꎬ２００１(２):３６￣３７.〔９〕懂吉谔.电力金具手册(第２版)〔Ｓ〕.北京:中国电力出版社ꎬ２００１:３２８￣３３１.(上接第３０页)４ 结论避雷器全电流带电检测技术操作简单、应用方便ꎬ加强对避雷器泄漏电流的巡视是发现缺陷的基础ꎬ定期对避雷器泄漏电流进行分析ꎬ能有效发现避雷器缺陷ꎬ避雷器带电检测为避雷器状态检修工作提供较好的检测手段ꎮ在避雷器全电流带电检测异常的条件下ꎬ结合避雷器停电例行试验ꎬ可对避雷器健康状况进行有效判断ꎮ参考文献〔１〕李文利ꎬ潘华ꎬ梁勇超ꎬ等.湖南超高压电网设备状态检修〔Ｊ〕.湖南电力ꎬ２０１１ꎬ３１(Ａ０１):１４０￣１４２.〔２〕漆铭钧ꎬ汤美云ꎬ李喜桂ꎬ等.状态检修现状分析及发展趋势预测〔Ｊ〕.湖南电力ꎬ２０１１ꎬ３１(Ａ０１):１１０￣１１２ꎬ１１９.〔３〕ＤＬ/Ｔ４７４５—２００６现场绝缘试验实施导则〔Ｓ〕.北京:中国标准出版社ꎬ２００６.〔４〕ＧＢ１１０３２—２０１０交流无间隙金属氧化物避雷器〔Ｓ〕.北京:中国出版社ꎬ２０１０.〔５〕Ｑ/ＧＤＷ１６８—２００８输变电设备状态检修试验规程〔Ｓ〕.北京:中国电力出版社ꎬ２００８.５３第３４卷第２期李欣等:２２０ｋＶ管母支柱绝缘子断裂原因分析及对策２０１４年４月