某330 kV線路復(fù)合絕緣子芯棒斷裂故障原因分析

歐陽玉潔，張 爍，云 峰，付宣蓉，陳蓮君，嚴(yán) 斌，李學(xué)義,樊 超

(1.青海電研科技有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008；2. 國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008 )

0 引言

某330 kV線路復(fù)合絕緣子發(fā)生斷裂，導(dǎo)致接地故障。絕緣子中間B相為單聯(lián)V串，如圖1所示。故障桿塔距離相鄰小號(hào)側(cè)塔894 m，距離相鄰大號(hào)側(cè)塔932 m。故障桿塔為自立式直線塔，中相(B相)V串左側(cè)復(fù)合絕緣子在連接金具處芯棒發(fā)生斷裂，大小號(hào)側(cè)塔位地勢較為平坦。斷裂絕緣子靠近桿塔側(cè)如圖2所示，斷裂絕緣子懸掛導(dǎo)線側(cè)如圖3所示。

圖1 斷裂絕緣子

圖2 斷裂絕緣子靠近桿塔側(cè)圖片

圖3 斷裂絕緣子懸掛導(dǎo)線側(cè)圖片

1 斷口形貌分析

線路復(fù)合絕緣子在連接金具處發(fā)生斷裂，部分絕緣子芯棒斷在了連接金具內(nèi)。為全面分析本次線路復(fù)合絕緣子的斷裂原因，需要對(duì)絕緣子本體側(cè)斷口與絕緣子連接金具側(cè)斷口進(jìn)行形貌分析。

1.1 絕緣子本體側(cè)斷口形貌分析

線路復(fù)合絕緣子芯棒斷口及硅橡膠材料無放電痕跡，硅橡膠護(hù)套斷口均為新撕裂形貌，無陳舊痕跡，可以排除斷裂是因?yàn)楣柘鹉z護(hù)套發(fā)生破損導(dǎo)致芯棒與空氣接觸發(fā)生老化。斷裂后傘裙側(cè)芯棒斷口如圖4所示，斷口放大如圖5所示。圖中較矮的部位斷口顏色發(fā)白，較為平整，約占芯棒截面的50%；斷口較高的部位，顏色鮮亮，纖維凸凹不平，是瞬間拉斷的形貌特征。

圖4 斷裂絕緣子傘裙側(cè)芯棒斷口圖片

圖5 斷裂絕緣子傘裙側(cè)芯棒斷口放大圖片

對(duì)斷口進(jìn)行切割超聲波清洗，斷口整體分為三個(gè)區(qū)域，如圖6-a所示。斷口的三個(gè)區(qū)域分別是起始區(qū)(Ⅰ)、裂紋擴(kuò)展區(qū)(Ⅱ)、瞬時(shí)斷裂區(qū)(Ⅲ)，裂紋起始區(qū)斷口相對(duì)平整，裂紋擴(kuò)展區(qū)臺(tái)階特征明顯，是受到垂直于芯棒剪切力作用的結(jié)果，最后斷裂的為瞬時(shí)斷裂區(qū)，此區(qū)域斷口凸凹不平，纖維拉斷形貌突出。

斷裂部位橫截面如圖6-b所示。橫截面下半部分為裂紋起始區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，無縱向裂紋；上半部分為瞬時(shí)斷裂區(qū)，縱向裂紋明顯。下半部分裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，由于芯棒自身的剛度，導(dǎo)線晃動(dòng)對(duì)縱向裂紋不敏感，而芯棒同時(shí)受到較大的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，導(dǎo)致芯棒與壓接金具結(jié)合部位芯棒產(chǎn)生了橫向裂紋，隨著橫向裂紋向芯棒芯部的不斷擴(kuò)展，芯棒整體剛度降低，導(dǎo)線來回晃動(dòng)致使芯棒上半部分的縱向裂紋快速擴(kuò)展并發(fā)生瞬時(shí)斷裂。如圖6-c所示。

圖6 斷口切割清洗后圖片

1.2 絕緣子連接金具側(cè)斷口形貌分析

絕緣子芯棒從壓接金具的結(jié)合部位發(fā)生斷裂，如圖7所示斷口分兩部分，將斷裂絕緣子金具側(cè)芯棒斷口放大，如圖8所示，高的一部分?jǐn)嗫谄秸?，有臺(tái)階狀裂紋，矮的一部分?jǐn)嗫诶w維凸凹明顯，從此斷口形貌可以得出，高的部分為先斷區(qū)，矮的部分為后期瞬斷區(qū)。與絕緣子本體側(cè)斷口形貌特征相符。

圖7 斷裂絕緣子金具側(cè)芯棒斷口圖片

圖8 斷裂絕緣子金具側(cè)芯棒斷口放大圖片

2 金具變形受力分析

斷裂絕緣子與U型環(huán)連接部位的圓環(huán)發(fā)生顯著彎曲，如圖9所示。彎曲部位內(nèi)外側(cè)鋅層發(fā)生脫落，金屬發(fā)生顯著銹蝕，說明此彎曲狀態(tài)發(fā)生時(shí)間較長。

圖9 斷裂絕緣子連接金具圖片

同時(shí)與絕緣子相連接的U型環(huán)也發(fā)生了明顯扭轉(zhuǎn)變形，說明絕緣子受到了較大的扭轉(zhuǎn)力，由于此絕緣子兩端均采用的是環(huán)形連接，絕緣子無法自身發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在安裝或運(yùn)行過程中絕緣子受力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則芯棒將受到剪切力，并且此剪切力在壓接金具與芯棒的結(jié)合部位應(yīng)力最大，極易使芯棒纖維受傷發(fā)生斷裂。

3 有限元建模分析

通過有限元分析軟件對(duì)斷裂絕緣子進(jìn)行建模受力分析，建立模型如圖10所示，根據(jù)對(duì)連接金具及斷口形貌的分析，絕緣子受到了扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，對(duì)金具受力進(jìn)行分析，U型環(huán)沿絕緣子軸向扭轉(zhuǎn)變形。在有限元建模分析中，對(duì)掛接導(dǎo)線的連接板施加了重力及沿絕緣子軸向旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力，應(yīng)變?nèi)鐖D11所示，U型環(huán)發(fā)生明顯變形，通過總變形圖12可以看出絕緣子的金屬圓環(huán)也發(fā)生了一定程度彎曲，與現(xiàn)場實(shí)物相一致。剪切應(yīng)力如圖13所示，在絕緣子壓接金具與芯棒的結(jié)合部位出現(xiàn)剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過圖14的剖面圖可以直觀的看到當(dāng)絕緣子芯棒受到扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力時(shí)，在金屬與芯棒的結(jié)合部位外表面剪切應(yīng)力最大，正是此剪切應(yīng)力的作用下致使芯棒外表最先發(fā)生疲勞開裂，隨著裂紋不斷向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)芯棒截面積無法承受重力時(shí)，發(fā)生了芯棒突然斷裂。

圖10 斷裂絕緣子力學(xué)性能有限元建模圖片

圖11 應(yīng)變圖

圖12 總變形圖

圖13 剪切應(yīng)力圖

圖14 剖面剪切應(yīng)力圖

4 絕緣子力學(xué)性能試驗(yàn)

斷裂絕緣子為中間B相V串左側(cè)復(fù)合絕緣子，采用拉力機(jī)對(duì)中間B相V串懸掛的另一側(cè)完好絕緣子進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，如圖15所示。試驗(yàn)首先加力到210 kN保持1分鐘，絕緣子未發(fā)生破壞，然后繼續(xù)加力至288 kN時(shí)，絕緣子發(fā)生破壞，壓接的環(huán)形金屬件發(fā)生斷裂，如圖16所示。

圖15 完好絕緣子拉伸試驗(yàn)圖片

圖16 完好絕緣子破壞后圖片

通過對(duì)完好同批次的絕緣子進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明其力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，破壞發(fā)生在壓接金具上，芯棒未發(fā)生破壞，說明同批次絕緣子的芯棒強(qiáng)度滿足使用運(yùn)行。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)斷裂絕緣子芯棒斷口形貌分析結(jié)合金具受力分析，連接金具發(fā)生顯著扭曲變形，證明絕緣子受到了扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，在此力作用下，芯棒與連接金具結(jié)合部位芯棒產(chǎn)生了橫向裂紋；同時(shí)芯棒在導(dǎo)線自重及來回舞動(dòng)的共同作用下通過橫向裂紋繼續(xù)沿縱向開裂，隨著橫向裂紋向芯棒芯部的不斷擴(kuò)展，芯棒整體剛度降低，導(dǎo)致橫向裂紋擴(kuò)展至芯棒芯部時(shí)芯棒沿縱向裂紋迅速擴(kuò)展發(fā)生瞬時(shí)斷裂。

(2)通過有限元建模分析，在絕緣子受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，芯棒與壓接金具處外表面剪切應(yīng)力最集中，產(chǎn)生橫向剪切應(yīng)力，同時(shí)，由于復(fù)合絕緣子芯棒所采用的是纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，能夠承受較大的縱向拉力，但無法承受橫向剪切應(yīng)力，本次事故中剪切應(yīng)力是絕緣子發(fā)生斷裂的主要原因。

(3)通過對(duì)完好同批次的絕緣子進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，其力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，破壞發(fā)生在壓接金具上，芯棒未發(fā)生破壞，說明此絕緣子的芯棒強(qiáng)度滿足運(yùn)行要求。