悬式瓷绝缘子炸裂的分析及改进措施

2013-07-20苏冬冬上海铁路局调度所

上海铁道增刊 2013年2期

苏冬冬上海铁路局调度所

1 悬式瓷绝缘子炸裂事故

悬式绝缘子的作用，一是用于悬挂导线，二是用来对带电导线起绝缘作用。它具有良好的绝缘性能、抗气候变化的性能、耐热性和组装灵活等优点，广泛用于接触网线索下锚、水平拉杆、软横跨、隧道内、馈线、锚段关节等处。悬式瓷绝缘子是属于可击穿型的，它是采用水泥将物理、化学性能各异的瓷件与金属件胶装而构成的，在长期经受电场、机械负荷和大自然的阳光、风、雨、雪、雾等的作用，会逐步劣化，对接触网的安全运行带来威胁。特别是含有劣化绝缘子的绝缘子串发生闪络（由于雷击或污闪等原因）时，可能会使劣化的绝缘子头部瞬间发热爆炸，造成接触网事故，严重扰乱了运输秩序。

近几年来，管内接触网悬式瓷绝缘子炸裂故障的典型案例的统计和照片，见表1，图1，图2，图3：

表1 悬式绝缘子炸裂引起接触网故障的统计

图1 绝缘子钢帽炸裂

图2 瓷伞裙炸裂

图3 接触网坠坨落地

2 悬式绝缘子炸裂故障的原因分析

（1）如果瓷件在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均匀，焙烧火力不足等，则瓷件易形成吸湿性气孔，而结构不合理或者成型时失误、受力不均等，也会使瓷件内部产生内应力，在使用过程中内应力释放，引起微裂纹，并在载荷作用下逐渐扩大失稳导致断裂。制作瓷绝缘子一般用水泥作为胶合剂，水泥本身吸收水分和CO2后体积会变大，水泥吸收水分后也会反复冻结和融解，促使瓷件劣化。而水泥干燥、凝结不但会形成吸湿性气孔，还会产生很多的裂纹。

（2）陶瓷、水泥、铸铁紧密粘结在一起组成绝缘子，而3 种材料的线膨胀系数和导热系数都是不同的，绝缘子受到冷热变化时，各部件的热膨胀不同，使瓷件受到过大的应力，在运行过程中受日光、雨露和冰雪等自然条件的作用会产生吸湿和冷热变化，造成不均匀的结构应力，使陶瓷材料自然老化，引起原有的性能的逐步降低，同时，由于严重吸湿而会加速胶合剂的老化形成强度降低的恶性循环。例如，夏季烈日，突然又降暴雨时，绝缘子的各部分来不及同时胀缩，绝缘子的局部位置(如头部)将承受很大的机械应力，甚至使瓷件开裂。此时，如果瓷件的体积较大，结构较复杂，则开裂的可能性和严重性更大。长期的运行经验表明，质量不好的绝缘子，在夏季，特别是烈日曝晒后又突降大雨的天气中，绝缘子的劣化率往往比冬季高数倍。同样，直接受日照，且受到雨淋的多层针式绝缘子的上层瓷裙和头部，以及绝缘子的胶装部位都是劣化率较高的部位。而在高寒地区，由于存在内应力，可导致瓷件产生裂纹、气隙，乃至劣化。

（3）运行中的绝缘子承受长期运行电压的作用和短时过电压的作用，在潮湿污秽的地区，也常常会出现电晕甚至引起局部电弧，也是造成瓷件局部发热、龟裂以至击穿的原因之一。另外，绝缘子在运行中承受长期机械负荷的作用，同一吨位的绝缘子承受机械负荷愈大，劣化率愈高，统计在各电压等级下的线路上运行的绝缘子，耐张串的劣化率明显高于直线串就是例证。同时, 用于V 型串的绝缘子，也由于受到机械振动较大，其劣化率往往高于直线串。此外，绝缘子在运输、施工过程中，如果没有妥善的措施，受到外力的冲击较大，也会造成劣化率增加。

对于接触网线路中的悬式绝缘子运行中劣化主要表现是绝缘电阻下降和绝缘击穿，也表现为瓷盘脱落或裂纹以及表面烧伤等；绝缘击穿及绝缘降低的绝缘子又常称为“零”值或“低”值绝缘子。如绝缘子串中出现“零值”，有时在一串中能检出2～3 片，“零值”，则相当于部分绝缘被短路，相应地也减少了绝缘子串的整体爬电距离，因而大大增加了该串绝缘子的闪络概率。如果带“零值”的绝缘子串发生了污闪，工频短路电流将会通过"零值"绝缘子的内部流过，强大的短路电流所产生的热效应，往往会造成悬式绝缘子钢帽炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的断串和接触网落地或坠坨落地等一系列严重事故。

3 改进措施

3.1 采用新型绝缘子

3.1.1 采用钢化玻璃绝缘子

近年来，钢化玻璃悬式绝缘子在电气化铁道中有所应用。它由铁帽、钢化玻璃绝缘件和钢脚组成，并用水泥胶合剂胶合为一体。其特点如下：

（1）零值自破、便于检测。即当绝缘子失去绝缘性能或机械过负荷时，伞裙就会自动破裂脱落，容易发现，可及时进行更换，且无需等杆逐片检测，降低了工人的劳动强度。

（2）耐电弧和耐振动性能好。在运行中，玻璃绝缘子遭受雷电烧伤的新表面仍是光滑的玻璃体，并有钢化内应力保护层，因此，它仍保持了足够的绝缘性能和机械强度。

（3）自洁性能好，不易老化。玻璃绝缘子不易积污和易于清扫，人工清扫的周期比瓷绝缘子长，降低了维护费用。对典型地区线路上的玻璃绝缘子定期取样测定运行后的机电性能，统计数据表明35 年后的玻璃绝缘子的机电性能与出厂时基本一致，未出现老化现象。

（4）主容量大，成串电压分布均匀。玻璃的介电常数为7～8，使玻璃绝缘子具有较大的主电容，成串的电压分布均匀，有利于降低导线侧和接地侧附近绝缘子所承受的电压，从而达到减少无线电干扰、降低电晕损耗和延长使用寿命的目的。缺点是裙件遇外力破坏易炸裂，损坏率比瓷绝缘子高。玻璃绝缘子的自爆率属早期暴露，随着运行时间的延长，自爆率呈逐年下降趋势。

普通的钢化玻璃绝缘子型号为LX-4.5，其技术数据见表2。

表2 钢化玻璃绝缘子技术数据

3.1.2 采用复合绝缘子

复合绝缘子的基本绝缘部件由芯棒和伞套组成，芯棒用玻璃纤维素经树脂浸渍而成，具有很高的抗拉强度，芯棒外部的护套和伞裙一般由硅橡胶和乙丙橡胶材料制成，护套包裹在芯棒外表面，一方面提供良好的外绝缘性能，另一方面保护芯棒免受大气侵蚀。主要技术参数见表3。

表3 复合绝缘子主要技术参数

复合绝缘子的优点为：

①机械强度大，抗拉、抗弯、耐受冲击性能好。

②自身重量较轻，只有瓷绝缘子重量的1/10 左右，方便运输、安装。

③绝缘性能好，硅橡胶是憎水性材料，特别是在严重污染和大气潮湿情况下的绝缘性能十分优越，从而减少防污清扫量。

④耐电弧性能好。

缺点是：

①其价格较为昂贵。

②缺乏简单有效的现场检测技术。

3.1.3 采用棒形悬式瓷绝缘子

采用棒形悬式瓷绝缘子，来防止雷闪、污闪情况下的掉串事故，因为棒形悬式瓷绝缘子是一种外装球窝式的不可击穿结构，其电气性能好，不存在零值、低值绝缘子，且寿命长，价格便宜及耐电弧性能好。因此在雷闪、污闪情况下，内部不会有通道，只会发生沿面闪络，也就不会发生绝缘子炸裂造成接触网塌网事故。但由于棒形悬式瓷绝缘子挂网时间短，运行经验少，必须经过长期运行的考核检验。

我们对各种绝缘子的性能作了分析和比较，结合不同的场合，不同的用途，日常工作中可以参考一下（见表4）。

表4 不同类型线路绝缘子的性能比较

3.2 改进施工和现场维护检测

绝缘子瓷体易碎，安装、运输中应特别注意。绝缘子连接件不允许机械加工和热加工处理。绝缘子在安装使用前应严格检查，当发现绝缘子瓷体与连接件间的水泥浇注物有辐射状裂纹及瓷体表面破损面积超过300 mm2时，应禁止使用该绝缘子。

绝缘子的电气性能随着时间的推移，其绝缘强度会逐渐下降，因此，在使用中每年至少进行一次绝缘电压分布测量，以检查绝缘子的性能是否正常可靠。为了保证绝缘子性能可靠，应对每个绝缘子按具体情况进行定期或不定期的清扫和检查。特别是在雨、雪、雾、霜天气以及混合牵引区段，应经常观察绝缘子的状态，及时清扫防患于未然。