李欣，劉興文，鄧集，黎治宇，何智強

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙 410007）

220 kV管母支柱絕緣子斷裂原因分析及對策

Fault analysis and countermeasure of post insulators for 220 kV tubular busbar

李欣，劉興文，鄧集，黎治宇，何智強

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙 410007）

針對1例220 kV管母用支柱絕緣子斷裂事故，通過理論分析和計算，指出此次事故的主要原因是水泥膠裝不嚴實、管母固定方式錯誤和大風荷載作用，從而造成支柱絕緣子底部法蘭由微裂紋發(fā)展為斷裂。針對上述原因，提出了有針對性的處置措施。

管母;支柱絕緣子;底部法蘭;固定金具;超聲波探傷

瓷支柱絕緣子作為軟硬母線和隔離開關的支撐設備，對保證電氣設備安全運行和電網可靠供電具有重要的作用〔1-2〕。但由于瓷支柱絕緣子大多運行于戶外，運行環(huán)境惡劣，且操作頻繁〔3〕，極易發(fā)生斷裂事故，尤其管母用支柱絕緣子，一旦發(fā)生故障，停電范圍大，波及面廣，將給電網和社會造成巨大的經濟損失。

據1996—2001年不完全統(tǒng)計，國內共發(fā)生388起支柱絕緣子斷裂事故，其中220 kV瓷支柱絕緣子事故概率達52.58%，由此可見220 kV支柱絕緣子極易出現事故〔2〕。據統(tǒng)計分析，我國瓷支柱絕緣子斷裂95%以上都發(fā)生在法蘭口內3 cm到第一傘裙之間，為此，超聲波探傷技術應運而生，對及時發(fā)現底部法蘭缺陷發(fā)揮了巨大作用。但2011—2013年湖南省內共發(fā)生3起220 kV瓷支柱絕緣子斷裂事故，僅依靠停電超聲探傷難以從根本上杜絕事故的發(fā)生。截止2013年5月10日，湖南省在運的220 kV管母瓷支柱絕緣子使用超過10年的共3 154支，占總數逾3/4，存在嚴重的安全隱患，為防止事故再次發(fā)生，亟需探明事故原因和提出解決方法。

1 事故概況及現場情況調查

1.1 事故概況

2012年3月10日3時28分，220 kV某變電站所在地區(qū)出現了大風災害性天氣，最大風力達10級，風速為27.3 m/s。站內220 kV I母A相東端614間隔管母用支柱絕緣子在大風作用下折斷，造成從東至西6根支柱絕緣子斷裂，第7根變形，第1根上、下2節(jié)和第4根下節(jié)絕緣子墜地。斷裂事故直接導致220 kV I母A相母線東端彎曲并跌落接地，跌落過程中搭接至運行于II母的相鄰間隔6121刀閘上，造成雙母接地，雙套母差保護動作，全站失壓。

1.2 現場情況調查

事故調查人員檢查3節(jié)絕緣子斷口宏觀形貌，發(fā)現絕緣子陶瓷材質為脆性材料，瓷件斷裂面均為典型脆性斷口，呈現出不規(guī)則、不連續(xù)狀態(tài)，地面上有多個碎片濺落。在所有斷面形態(tài)中，以第1根絕緣子下節(jié)情況最為嚴重，判斷從東至西第1根支柱絕緣子最先發(fā)生斷裂，其余絕緣子斷裂是由于第1根斷裂所造成的連鎖反應。圖1為第1根絕緣子下節(jié)底部斷面和底座斷面概貌。

圖1 支柱絕緣子斷面示意圖

從圖1可以看出，端面可分為裂紋擴展N區(qū)和最終斷裂M區(qū)，二者寬度分別約為20 mm和95 mm。其中，裂紋擴展N區(qū)呈現高低起伏狀，有多條明顯的細碎棱線，并組成多個微小不連續(xù)斷面，為裂紋擴展痕跡，且棱線多為圓弧形，表明為多源性疲勞斷裂;最終斷裂M區(qū)表面較平整，無棱線，表明為瞬斷區(qū)域。上述現象表明，第1根絕緣子先經長時間的裂紋擴展，最終才發(fā)展為瞬時斷裂。

現場檢查未斷裂的支柱絕緣子底部法蘭，發(fā)現其底部法蘭水泥膠裝處有多處疏松孔隙，表明制造廠家膠裝工藝不良，密封性能欠佳，水氣可從孔隙處進入法蘭與瓷件的膠裝部位，導致膠裝水泥發(fā)生腐蝕、膨脹，造成底部法蘭鑄鐵、膠裝水泥和瓷件本體三者之間發(fā)生松動，從而導致水泥膠裝劑脫落。

2 事故原因分析

2.1 瓷瓶等效受力模型

從支柱絕緣子裂紋擴展區(qū)斷面形狀可以判斷，斷口主要起始于底部法蘭右下角附近，參見圖1。底部法蘭的右下角存在許多薄瓷碎片，證明了絕緣子斷裂為疲勞所致;斷裂擴展區(qū)集中在底部法蘭對角線的一側，表明底部法蘭斷裂處在平行于管母方向和垂直于管母方向分別存在集中應力Fx和Fy，2個方向力的共同作用導致了這一顯著斷面特征，如圖2所示。

圖2 斷面受力示意圖

由上述斷面受力情況可以判定，事故前支柱絕緣子應受平行于管母方向力Fx和垂直于管母方向力Fy共同作用，二者分別來源于管母熱脹冷縮和風力荷載對底部法蘭產生的彎矩，如圖3所示?，F場勘查風向為北風，垂直于管母線，事故處風力明顯比變電站西部高，風力荷載對垂直于管母方向的底部法蘭產生彎矩;此外，管母固定金具為“緊”固定，伸縮節(jié)不能起到緩沖作用，氣溫較低時，管母收縮，造成支柱絕緣子底部法蘭沿管母方向應力集中，上述運行和環(huán)境狀況與支柱絕緣子斷面受力情況一致。

圖3 支柱絕緣子等效受力模型

2.2 斷裂原因分析

1)水泥膠裝不嚴產生微裂紋。支柱絕緣子本身水泥膠裝缺陷是斷裂故障的內因。由于水泥膠裝存在間隙空洞，密封不嚴密，雨水和水汽易進入內部，促進水泥老化或鑄鐵銹蝕;水泥中的氧化鎂等物質具有水合作用，吸水后導致水泥膠裝劑膨脹，并加速水泥的腐蝕老化和風化開裂傾向;鑄鐵法蘭銹蝕體積也將發(fā)生膨脹。但由于水泥、瓷件和法蘭鑄鐵3種材質的膨脹系數各不相同，使法蘭膠合處應力增大且分布不均，冬夏交替，周而復始，產生累積損傷，導致產生微裂紋。這也正是東北地區(qū)瓷支柱絕緣子事故概率較高的重要原因之一〔2〕。

2)管母固定方式錯誤致底部法蘭應力集中。分析墜落的一段管母線可知，4對管母線金具裝配方式為中間2松，兩端2緊，現場安裝方式如圖4所示。

圖4 管母安裝方式

當溫度變化時，管母向中間收縮，伸縮節(jié)將失去緩沖作用，則不利于消除管母線軸向伸縮帶來的應力作用 Fx，當溫度變化30℃時，Fx可達40 kN〔4-6〕，該力通過支柱絕緣子高度產生的彎矩Mx長期作用于底部法蘭處，造成底部法蘭疲勞受力。

3)風力荷載加速裂紋擴展至斷裂。變電站刮風引起的母線振動加劇了支柱絕緣子的疲勞受力和微裂紋擴展速度。管母線固有頻率約8.0 Hz左右，隨跨距略有變化，當風速為4 m/s時，母線即產生8.56 Hz的振動，接近一階自振頻率〔7〕，且母線邊部的振幅最大，因此斷裂的母線支柱絕緣子多為開闊地帶的邊相絕緣子瓷瓶。本次事故最先斷裂的絕緣子即位于母線最東端和邊相A相。

3 預防措施

3.1 加強支柱絕緣子設計、選型和驗收管控

1)變電站在設計階段，應考慮支柱絕緣子運行最惡劣工況，選擇合適的抗彎強度和抗扭強度。目前，支柱絕緣子在抗彎強度計算方面，基本上以管母所受短路電動力為基準〔7-8〕，而忽略大風載荷、管母熱脹冷縮、管母附件重力以及隔離倒閘機械操作等影響，導致支柱絕緣子機械強度選取不足。

2)固定金具選型應正確，使管母在固定金具內可自由滑動，以保證伸縮節(jié)起到緩沖作用。固定金具作為管母的附屬部件，產品型號多，某些產品安裝后，熱脹冷縮時管母無法在固定金具內自由滑動，造成支柱絕緣子疲勞受力。因此，應選用MGG，MGGH，MGG1/2，MGGZQ 等型號金具〔9〕，以確保管母和固定金具正確匹配。

3)嚴把支柱絕緣子質量關，杜絕缺陷設備入網。用戶在入廠監(jiān)造時，應重點關注底部法蘭膠裝工藝，法蘭底部應鋪襯緩沖層，水泥膠裝應密實無孔隙，與空氣的接觸面應可靠密封，以防止水汽進入。設備出廠時，應逐一核查型式試驗報告，尤應關注是否有超聲波探傷報告，并核對報告內容與設備型號批次是否一致。

3.2 確保管母固定金具正確安裝

對新建變電站，應加強管母固定金具安裝方式監(jiān)督，保證固定金具“一緊三松”，以使管母在固定金具內自由滑動，伸縮節(jié)可靠起到緩沖作用。對已有變電站，應利用停電機會，普查管母固定金具型號和安裝方式，對不滿足要求的應及時進行徹底整改，以確保管母和支柱絕緣子安全運行。

3.3 加強支柱絕緣子日常運行維護

目前對于運行中的絕緣子檢查，主要是采用外觀檢查和超聲探傷，因此，應充分利用變電站常規(guī)巡視和專業(yè)化巡視機會，密切關注管母和支柱絕緣子運行狀態(tài)，若發(fā)現歪曲和傾斜應立即停電處理。在停電檢修時，應檢查支柱絕緣子底部法蘭膠裝劑和密封處是否完好，并結合超聲探傷技術，檢查是否存在孔隙和裂紋。

4 結論

文中分析了1例220 kV管母支柱絕緣子斷裂事故的原因，通過理論分析，指明了造成此次事故的主要原因是支柱絕緣子底部法蘭水泥膠裝不嚴、管母固定方式錯誤和大風載荷引起管母振動。針對上述原因，提出了加強支柱支柱絕緣子設計、選型和驗收管控、確保固定金具正確安裝和加強運行維護等預防和整改措施。

〔1〕蔣云，王維東，蔡紅生，等.支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測〔M〕.北京:中國電力出版社，2010:133-137.

〔2〕吳光亞，姚忠森，何宏明，等.高壓支柱絕緣子運行事故分析〔J〕.電瓷避雷器，2002(5):22-24，26.

〔3〕吳旭濤，危鵬.一起220 kV隔離開關支柱瓷絕緣子斷裂事故的原因分析〔J〕.電瓷避雷器，2011(6):11-14，20.

〔4〕閆斌，丁輝.支柱瓷絕緣子斷裂失效分析〔J〕.青海電力，2003(1):1-6.

〔5〕閆東，盧明，姜國慶，等.220 kV支柱絕緣子斷裂原因分析及對策〔J〕.高壓電器，2005，41(6):466-467，470.

〔6〕閆東，盧明，張健壯.管母金具不當導致支柱絕緣子斷裂的原因分析〔J〕.河南電力，2009(3):24-26，45.

〔7〕西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊 (第1版)〔M〕.北京:水利電力出版社，1989.

〔8〕秦征.支持式管母線用支柱絕緣子抗彎強度校驗〔J〕.廣西電力工程，2001(2):36-37.

〔9〕懂吉諤.電力金具手冊 (第2版)〔S〕.北京:中國電力出版社，2001:328-331.

TM216

B

1008-0198(2014)02-0033-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.0010

2013-08-16