220 kV管母支柱絕緣子斷裂原因分析及對策

李欣，劉興文，鄧集，黎治宇，何智強(qiáng)

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)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(qiáng)

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)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(jì)算，指出此次事故的主要原因是水泥膠裝不嚴(yán)實(shí)、管母固定方式錯(cuò)誤和大風(fēng)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(guān)的支撐設(shè)備，對保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行和電網(wǎng)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(yùn)行于戶外，運(yùn)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(wǎng)和社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)1996—2001年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)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(dá)52.58%，由此可見220 kV支柱絕緣子極易出現(xiàn)事故〔2〕。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我國瓷支柱絕緣子斷裂95%以上都發(fā)生在法蘭口內(nèi)3 cm到第一傘裙之間，為此，超聲波探傷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對及時(shí)發(fā)現(xiàn)底部法蘭缺陷發(fā)揮了巨大作用。但2011—2013年湖南省內(nèi)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(yùn)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(shù)逾3/4，存在嚴(yán)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(xiàn)場情況調(diào)查

1.1 事故概況

2012年3月10日3時(shí)28分，220 kV某變電站所在地區(qū)出現(xiàn)了大風(fēng)災(zāi)害性天氣，最大風(fēng)力達(dá)10級，風(fēng)速為27.3 m/s。站內(nèi)220 kV I母A相東端614間隔管母用支柱絕緣子在大風(fēng)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(dǎo)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(yùn)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(hù)動作，全站失壓。

1.2 現(xiàn)場情況調(diào)查

事故調(diào)查人員檢查3節(jié)絕緣子斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)絕緣子陶瓷材質(zhì)為脆性材料，瓷件斷裂面均為典型脆性斷口，呈現(xiàn)出不規(guī)則、不連續(xù)狀態(tài)，地面上有多個(gè)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(yán)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(yīng)。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(kuò)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(kuò)展N區(qū)呈現(xiàn)高低起伏狀，有多條明顯的細(xì)碎棱線，并組成多個(gè)微小不連續(xù)斷面，為裂紋擴(kuò)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(xiàn)象表明，第1根絕緣子先經(jīng)長時(shí)間的裂紋擴(kuò)展，最終才發(fā)展為瞬時(shí)斷裂。

現(xiàn)場檢查未斷裂的支柱絕緣子底部法蘭，發(fā)現(xiàn)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(jìn)入法蘭與瓷件的膠裝部位，導(dǎo)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(dǎo)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(kuò)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(kuò)展區(qū)集中在底部法蘭對角線的一側(cè)，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(yīng)力Fx和Fy，2個(gè)方向力的共同作用導(dǎo)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(yīng)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(fēng)力荷載對底部法蘭產(chǎn)生的彎矩，如圖3所示?，F(xiàn)場勘查風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，垂直于管母線，事故處風(fēng)力明顯比變電站西部高，風(fēng)力荷載對垂直于管母方向的底部法蘭產(chǎn)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(shí)，管母收縮，造成支柱絕緣子底部法蘭沿管母方向應(yīng)力集中，上述運(yùn)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(yán)產(chǎn)生微裂紋。支柱絕緣子本身水泥膠裝缺陷是斷裂故障的內(nèi)因。由于水泥膠裝存在間隙空洞，密封不嚴(yán)密，雨水和水汽易進(jìn)入內(nèi)部，促進(jìn)水泥老化或鑄鐵銹蝕;水泥中的氧化鎂等物質(zhì)具有水合作用，吸水后導(dǎo)致水泥膠裝劑膨脹，并加速水泥的腐蝕老化和風(fēng)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(zhì)的膨脹系數(shù)各不相同，使法蘭膠合處應(yīng)力增大且分布不均，冬夏交替，周而復(fù)始，產(chǎn)生累積損傷，導(dǎo)致產(chǎn)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(cuò)誤致底部法蘭應(yīng)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(xiàn)場安裝方式如圖4所示。

圖4 管母安裝方式

當(dāng)溫度變化時(shí)，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(yīng)力作用 Fx，當(dāng)溫度變化30℃時(shí)，F(xiàn)x可達(dá)40 kN〔4-6〕，該力通過支柱絕緣子高度產(chǎn)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(fēng)力荷載加速裂紋擴(kuò)展至斷裂。變電站刮風(fēng)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(kuò)展速度。管母線固有頻率約8.0 Hz左右，隨跨距略有變化，當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，母線即產(chǎn)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(yù)防措施

3.1 加強(qiáng)支柱絕緣子設(shè)計(jì)、選型和驗(yàn)收管控

1)變電站在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮支柱絕緣子運(yùn)行最惡劣工況，選擇合適的抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。目前，支柱絕緣子在抗彎強(qiáng)度計(jì)算方面，基本上以管母所受短路電動力為基準(zhǔn)〔7-8〕，而忽略大風(fēng)載荷、管母熱脹冷縮、管母附件重力以及隔離倒閘機(jī)械操作等影響，導(dǎo)致支柱絕緣子機(jī)械強(qiáng)度選取不足。

2)固定金具選型應(yīng)正確，使管母在固定金具內(nèi)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(chǎn)品型號多，某些產(chǎn)品安裝后，熱脹冷縮時(shí)管母無法在固定金具內(nèi)自由滑動，造成支柱絕緣子疲勞受力。因此，應(yīng)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(yán)把支柱絕緣子質(zhì)量關(guān)，杜絕缺陷設(shè)備入網(wǎng)。用戶在入廠監(jiān)造時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底部法蘭膠裝工藝，法蘭底部應(yīng)鋪襯緩沖層，水泥膠裝應(yīng)密實(shí)無孔隙，與空氣的接觸面應(yīng)可靠密封，以防止水汽進(jìn)入。設(shè)備出廠時(shí)，應(yīng)逐一核查型式試驗(yàn)報(bào)告，尤應(yīng)關(guān)注是否有超聲波探傷報(bào)告，并核對報(bào)告內(nèi)容與設(shè)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(yīng)加強(qiáng)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(nèi)自由滑動，伸縮節(jié)可靠起到緩沖作用。對已有變電站，應(yīng)利用停電機(jī)會，普查管母固定金具型號和安裝方式，對不滿足要求的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行徹底整改，以確保管母和支柱絕緣子安全運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)支柱絕緣子日常運(yùn)行維護(hù)

目前對于運(yùn)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(yīng)充分利用變電站常規(guī)巡視和專業(yè)化巡視機(jī)會，密切關(guān)注管母和支柱絕緣子運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)歪曲和傾斜應(yīng)立即停電處理。在停電檢修時(shí)，應(yīng)檢查支柱絕緣子底部法蘭膠裝劑和密封處是否完好，并結(jié)合超聲探傷技術(shù)，檢查是否存在孔隙和裂紋。

4 結(jié)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(yán)、管母固定方式錯(cuò)誤和大風(fēng)載荷引起管母振動。針對上述原因，提出了加強(qiáng)支柱支柱絕緣子設(shè)計(jì)、選型和驗(yàn)收管控、確保固定金具正確安裝和加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)等預(yù)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.

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1008-0198(2014)02-0033-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.0010

2013-08-16