一起調(diào)試期間500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龍

（國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003）

一起調(diào)試期間500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龍

（國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003）

針對一起處于基建調(diào)試階段尚未投入運(yùn)行的500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸事故，通過對瓷套爆炸現(xiàn)場檢查，以及對瓷套高低溫情況下的適應(yīng)能力、燒制過程是否存在裂紋、內(nèi)部承壓能力、機(jī)械載荷能力、瓷質(zhì)結(jié)構(gòu)是否致密及均勻等進(jìn)行的一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，分析認(rèn)為瓷套爆炸的根本原因是瓷套在生產(chǎn)制造或運(yùn)輸?shù)冗^程中產(chǎn)生裂紋所致。為減少瓷套裂紋產(chǎn)生的可能性，提出了在瓷套坯件燒制過程中要消除殘余應(yīng)力以及在瓷套運(yùn)輸過程中應(yīng)避免碰撞的措施。

高壓斷路器；滅弧室；瓷套；爆炸

0 引言

高壓斷路器在工作過程中，要經(jīng)受電、熱、機(jī)械力的作用，運(yùn)行時還要承擔(dān)著控制、保護(hù)的雙重功能，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。高壓斷路器在投入運(yùn)行帶電后，由于觸頭接觸不良、電力系統(tǒng)過電壓、內(nèi)部發(fā)生燃弧以及無法正常開斷電流等原因，可能會造成斷路器滅弧室瓷套發(fā)生爆炸[3-6]。而高壓斷路器處在基建調(diào)試階段，尚未帶電運(yùn)行的情況下發(fā)生滅弧室瓷套爆炸的情況實(shí)屬罕見。

本文論述一起某500 kV變電站尚未投入運(yùn)行的新擴(kuò)建間隔500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸事故，并對起因進(jìn)行分析。

1 事故概述和現(xiàn)場檢查情況

某500 kV變電站新擴(kuò)建間隔的500 kV SF6斷路器B相中的一側(cè)滅弧室瓷套，在正午12：00左右突然發(fā)生爆炸。發(fā)生瓷套爆炸的斷路器，不久前才基建安裝完畢，處于調(diào)試期間尚未投運(yùn)送電，爆炸前半個小時試驗(yàn)人員剛完成此臺斷路器的交接試驗(yàn)項(xiàng)目并撤離現(xiàn)場。爆炸后新擴(kuò)建間隔的500 kV SF6斷路器B相發(fā)生爆炸的滅弧室動觸頭部件已暴露在空氣中，靜觸頭部件及均壓環(huán)已掉落在地上，如圖1和圖2所示。爆炸所產(chǎn)生的瓷套碎片遍布在相鄰開關(guān)間隔內(nèi)，碎片散落的最遠(yuǎn)處距爆炸點(diǎn)約50 m，相鄰開關(guān)的支柱絕緣子和機(jī)構(gòu)箱被爆炸產(chǎn)生的瓷套碎片撞擊破損和變形。

現(xiàn)場檢查核實(shí)，斷路器爆炸時SF6氣體壓力為0.8 MPa（處于額定壓力狀態(tài)下），當(dāng)日上午剛進(jìn)行斷路器機(jī)械特性、主回路電阻、SF6氣體含水量等全部交接試驗(yàn)項(xiàng)目合格。檢查斷路器的生產(chǎn)、裝配和出廠試驗(yàn)原始記錄表，記錄表明該斷路器出廠前一切正常。對爆炸后的滅弧室動、靜觸頭進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常碰撞摩擦痕跡。從斷路器出廠、交接試驗(yàn)以及現(xiàn)場檢查情況來看，在爆炸前此臺斷路器的機(jī)械部件及SF6氣體壓力等處于正常狀態(tài)。檢查爆炸后散落的瓷套碎片，未發(fā)現(xiàn)瓷件內(nèi)部有生燒和夾層的現(xiàn)象（圖3）。

圖1 爆炸后動觸頭部件暴露在空氣中Fig.1 Moving contact parts are exposed to air

圖2 爆炸后靜觸頭部件及均壓環(huán)掉落在地上Fig.2 Static contact parts and grading ring are exposed to air

圖3 爆炸后產(chǎn)生的瓷套碎片F(xiàn)ig.3 Fragments of porcelain sleeve produced after the explosion

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定瓷套爆炸的原因，以及驗(yàn)證此批次瓷套是否均存在家族性質(zhì)量問題，對爆炸后的500 kV SF6斷路器A、B、C三相剩余5支完整瓷套的性能進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，5支瓷套的試驗(yàn)編號為A1、A2、B1、C1、C2。按照國標(biāo)《額定電壓高于1 000 V的電器設(shè)備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子》（GB/ T 23752-2009）要求，將5支瓷套逐一進(jìn)行冷熱溫度循環(huán)試驗(yàn)、例行內(nèi)壓力試驗(yàn)、四向彎曲試驗(yàn)、超聲波探傷試驗(yàn)。然后選取其中的4支瓷套逐一進(jìn)行內(nèi)壓力破壞性試驗(yàn)，1支瓷套進(jìn)行彎曲破壞性試驗(yàn)，并在破壞性試驗(yàn)后的瓷套碎片和現(xiàn)場爆炸的瓷套碎片進(jìn)行孔隙性試驗(yàn)。

2.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)瓷套在高低溫情況下的適應(yīng)能力以及燒制過程是否存在裂紋等問題。為了加速瓷質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力的釋放速度，本次溫度循環(huán)試驗(yàn)將溫差從GB/T 23752-2009要求的40℃提高到50℃。經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后，5支瓷套均未發(fā)現(xiàn)瓷套開裂等異?，F(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 溫度循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature cycling test data

2.2 例行內(nèi)壓力試驗(yàn)

例行內(nèi)壓力試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)瓷套是否滿足斷路器滅弧室氣體壓力及瓷套設(shè)計(jì)內(nèi)部承壓要求。將空心瓷套端部密封好并注滿水，和液壓泵相連，然后將水壓平穩(wěn)增加到2.4 MPa，保持時間1 min，試驗(yàn)后檢查5支瓷套和其端部附件均無開裂，瓷套膠裝處均完好，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 例行內(nèi)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Routine pressure test data

2.3 四向彎曲試驗(yàn)

四向彎曲試驗(yàn)主要是為了檢驗(yàn)瓷套的機(jī)械載荷能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。在瓷套端部的四個位置，相鄰位置相差90°，每個位置分別進(jìn)行彎矩為31.5 kN·m，保持時間為10 s的試驗(yàn)。試驗(yàn)后，5支瓷套和其端部附件均無開裂，瓷套膠裝處完好，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 四向彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Four direction bending test data

2.4 超聲波試驗(yàn)

超聲波試驗(yàn)為檢驗(yàn)瓷套內(nèi)部是否存在裂紋，用超聲波測試儀對瓷套膠裝處進(jìn)行探傷，5支瓷套膠裝處均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.5 內(nèi)壓力破壞性試驗(yàn)

內(nèi)壓力破壞性試驗(yàn)是檢測瓷套內(nèi)部最大承壓能力。選取試驗(yàn)編號為A1、A2、B1、C2四支瓷套進(jìn)行內(nèi)壓力破壞性試驗(yàn)，水壓加壓到3.4 MPa，保持時間5 min，然后繼續(xù)加壓到至瓷套開裂，所選4支瓷套水壓破壞值均大于規(guī)定破壞值3.4 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中試驗(yàn)編號為C2的瓷套在水壓7.36 MPa仍未開裂，但此時水壓值已大于3.4 MPa，故未繼續(xù)加壓至破壞。

表4 內(nèi)壓力破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Internal pressure destructive test data

2.6 彎曲破壞性試驗(yàn)

彎曲破壞性試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)瓷套的最大機(jī)械載荷能力。選取試驗(yàn)編號為C1的瓷套進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)，將前三個方向彎曲試驗(yàn)彎矩定為31.5 kN·m，保持時間10 s，第四個方向試驗(yàn)彎矩為45 kN·m，保持時間1 min后繼續(xù)施加負(fù)荷至瓷套破壞，試驗(yàn)瓷套彎矩破壞值大于規(guī)定破壞值45 kN·m，試驗(yàn)結(jié)果見表5，彎曲破壞性試驗(yàn)后瓷套開裂情況如圖4所示。

表5 彎曲破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Bending destructive test data

圖4 彎曲破壞性試驗(yàn)后瓷套開裂情況Fig.4 The crack of porcelain sleeve after bending destructive test

2.7 孔隙性試驗(yàn)

孔隙性試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)瓷套的瓷質(zhì)結(jié)構(gòu)是否是致密和均勻。對爆炸瓷套和經(jīng)破壞性試驗(yàn)已破碎的4支瓷套的碎塊進(jìn)行孔隙性試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 23752—2009中7.4要求，試驗(yàn)溶液應(yīng)采用紅色或紫色3%的次甲基燃料甲醇或乙醇溶液，在不小于15 MPa的試驗(yàn)壓力下將試品浸沒在試驗(yàn)溶液中一段時間，并且其試驗(yàn)壓力和時間的乘積不小于180[7]。試驗(yàn)后把試品從溶液中取出，沖洗后干燥，并再次敲碎，新敲擊開的表面沒有任何燃料滲透現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果見表6，孔隙性試驗(yàn)后碎塊情況如圖5所示。

圖5 爆炸瓷套碎塊（左側(cè)3塊）和其他4支瓷套碎塊（右側(cè)4塊）Fig.5 Fragments of porcelain sleeve after porosity test

3 原因分析

根據(jù)5支瓷套的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為此批瓷套的高低溫適應(yīng)能力、內(nèi)部承壓能力、機(jī)械載荷能力等均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對爆炸瓷套和所選取的其他4支瓷套碎塊孔隙性試驗(yàn)，證明瓷套的瓷質(zhì)結(jié)構(gòu)是致密和均勻的，故可排除此批瓷套存在家族性的質(zhì)量問題。

經(jīng)爆炸現(xiàn)場檢查，斷路器滅弧室瓷套爆炸時，斷路器的SF6壓力和機(jī)械部件正常，即SF6氣體壓力以及之前進(jìn)行的斷路器分、合閘操作所產(chǎn)生的機(jī)械和震動負(fù)荷應(yīng)在瓷套正常承受能力范圍內(nèi)。此外，通過對爆炸后散落的瓷套碎片進(jìn)行現(xiàn)場拼裝和對碎片斷面和瓷套兩個端部的斷面檢查，可確認(rèn)爆炸起始點(diǎn)是在瓷套中間部位。

綜上所述，本次500 kV SF6斷路器B相瓷套爆炸直接原因應(yīng)是瓷套承受不住SF6氣體額定壓力所致，而爆炸起始點(diǎn)是在瓷套中間部位，說明瓷套中間部位內(nèi)部應(yīng)存在內(nèi)壓力薄弱處。從電瓷行業(yè)的微觀結(jié)構(gòu)上分析，瓷套應(yīng)力集中部位在外力、溫度等作用下可能會產(chǎn)生微裂紋，這個微裂紋在外力進(jìn)一步作用下可能會逐漸延伸，最終導(dǎo)致瓷套內(nèi)部存在內(nèi)壓力薄弱處。

根據(jù)瓷套裂紋產(chǎn)生的可能性分析，導(dǎo)致瓷套爆炸的根本原因可能是：（1）爆炸瓷套在坯件經(jīng)過高溫?zé)衫鋮s階段可能會存在殘余的集中應(yīng)力，這個應(yīng)力集中部位在之后切割研磨、搬運(yùn)、裝配以及溫度變化的作用下會產(chǎn)生微裂紋，這個微裂紋在出廠試驗(yàn)前后均有可能產(chǎn)生，出廠進(jìn)行的例行試驗(yàn)還無法檢測出此裂紋。由于經(jīng)過斷路器裝配以及運(yùn)輸、安裝及多次斷路器分、合閘操作產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷和震動負(fù)荷下，使此裂紋擴(kuò)展延伸，最終在SF6氣體壓力下和高溫的作用下（爆炸時刻正好為正午，現(xiàn)場溫度達(dá)38℃以上）發(fā)生爆炸。（2）爆炸瓷套可能是在制造廠出廠試驗(yàn)完成后的運(yùn)輸以及斷路器裝配等過程中發(fā)生碰撞而產(chǎn)生裂紋，這個裂紋在現(xiàn)場進(jìn)行多次斷路器分、合操作產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷和震動負(fù)荷作用下進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，最終因瓷套承在裂紋處薄弱處承受不住SF6氣體壓力而發(fā)生爆炸。

4 結(jié)論

瓷套本身有裂紋是導(dǎo)致此次爆炸的根本起因，針對瓷套裂紋產(chǎn)生的原因，應(yīng)采取以下幾點(diǎn)防范措施：

（1）從消除瓷套內(nèi)部殘余應(yīng)力的情況分析，瓷套坯件在燒制過程中可以加高裝窯的耐火墊與窯車的底板距離，加大耐火墊中間通孔直徑，這兩項(xiàng)措施均可以增加冷卻氣流在產(chǎn)品內(nèi)孔的流通性，進(jìn)而減少或消除冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

（2）避免瓷套在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生碰撞，改進(jìn)瓷套包裝方式，增加對法蘭部位的固定要求，運(yùn)輸過程還應(yīng)加裝三維沖撞記錄儀，監(jiān)視瓷套在運(yùn)輸過程是否發(fā)生劇烈震動或碰撞。

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Analysis of an Explosion of the Porcelain Sleeve of 500 kV SF6Circuit Breaker during the Commissioning Period

YU Jianlong
（State Grid Fujian Electric Power Co.Ltd.,Fuzhou Fujian 350003，China）

Acording to an explosion accident of the porcelain sleeve of 500 kV SF6Circuit Break?er during the Commissioning Period，based on the inspection of explosion site and a series of verifi?cation test of porcelain sleeve,and a series of validation experiments on the adaptability of the por?celain bushing under high and low temperature conditions,crack in the firing process,internal pressure level,mechanical loading capacity,the compact structure and the uniformity of porcelain are carried out.Finally the reason of the explosion of the porcelain sleeve proves to be the crack of porcelain sleeve produced in manufacturing or transportation process.Two measures for avord?ing to produce the crack of the porcelain sleeve are proposed in this paper.

high-voltage circuit breaker；interrupter；porcelain sleeve；explosion

TM561.3

B

1006-3986(2016)04-0032-04

10.19308/j.hep.2016.04.008

2016-03-09

于建龍（1962），男，江蘇金湖人，高級工程師。