一起调试期间500 kV SF6断路器灭弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龙

（国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003）

一起调试期间500 kV SF6断路器灭弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龙

（国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003）

针对一起处于基建调试阶段尚未投入运行的500 kV SF6断路器灭弧室瓷套爆炸事故，通过对瓷套爆炸现场检查，以及对瓷套高低温情况下的适应能力、烧制过程是否存在裂纹、内部承压能力、机械载荷能力、瓷质结构是否致密及均匀等进行的一系列验证试验，分析认为瓷套爆炸的根本原因是瓷套在生产制造或运输等过程中产生裂纹所致。为减少瓷套裂纹产生的可能性，提出了在瓷套坯件烧制过程中要消除残余应力以及在瓷套运输过程中应避免碰撞的措施。

高压断路器；灭弧室；瓷套；爆炸

0 引言

高压断路器在工作过程中，要经受电、热、机械力的作用，运行时还要承担着控制、保护的双重功能，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用[1-2]。高压断路器在投入运行带电后，由于触头接触不良、电力系统过电压、内部发生燃弧以及无法正常开断电流等原因，可能会造成断路器灭弧室瓷套发生爆炸[3-6]。而高压断路器处在基建调试阶段，尚未带电运行的情况下发生灭弧室瓷套爆炸的情况实属罕见。

本文论述一起某500 kV变电站尚未投入运行的新扩建间隔500 kV SF6断路器灭弧室瓷套爆炸事故，并对起因进行分析。

1 事故概述和现场检查情况

某500 kV变电站新扩建间隔的500 kV SF6断路器B相中的一侧灭弧室瓷套，在正午12：00左右突然发生爆炸。发生瓷套爆炸的断路器，不久前才基建安装完毕，处于调试期间尚未投运送电，爆炸前半个小时试验人员刚完成此台断路器的交接试验项目并撤离现场。爆炸后新扩建间隔的500 kV SF6断路器B相发生爆炸的灭弧室动触头部件已暴露在空气中，静触头部件及均压环已掉落在地上，如图1和图2所示。爆炸所产生的瓷套碎片遍布在相邻开关间隔内，碎片散落的最远处距爆炸点约50 m，相邻开关的支柱绝缘子和机构箱被爆炸产生的瓷套碎片撞击破损和变形。

现场检查核实，断路器爆炸时SF6气体压力为0.8 MPa（处于额定压力状态下），当日上午刚进行断路器机械特性、主回路电阻、SF6气体含水量等全部交接试验项目合格。检查断路器的生产、装配和出厂试验原始记录表，记录表明该断路器出厂前一切正常。对爆炸后的灭弧室动、静触头进行检查，未发现异常碰撞摩擦痕迹。从断路器出厂、交接试验以及现场检查情况来看，在爆炸前此台断路器的机械部件及SF6气体压力等处于正常状态。检查爆炸后散落的瓷套碎片，未发现瓷件内部有生烧和夹层的现象（图3）。

图1 爆炸后动触头部件暴露在空气中Fig.1 Moving contact parts are exposed to air

图2 爆炸后静触头部件及均压环掉落在地上Fig.2 Static contact parts and grading ring are exposed to air

图3 爆炸后产生的瓷套碎片Fig.3 Fragments of porcelain sleeve produced after the explosion

2 验证试验

为了进一步确定瓷套爆炸的原因，以及验证此批次瓷套是否均存在家族性质量问题，对爆炸后的500 kV SF6断路器A、B、C三相剩余5支完整瓷套的性能进行验证试验，5支瓷套的试验编号为A1、A2、B1、C1、C2。按照国标《额定电压高于1 000 V的电器设备用承压和非承压空心瓷和玻璃绝缘子》（GB/ T 23752-2009）要求，将5支瓷套逐一进行冷热温度循环试验、例行内压力试验、四向弯曲试验、超声波探伤试验。然后选取其中的4支瓷套逐一进行内压力破坏性试验，1支瓷套进行弯曲破坏性试验，并在破坏性试验后的瓷套碎片和现场爆炸的瓷套碎片进行孔隙性试验。

2.1 温度循环试验

温度循环试验是为了检验瓷套在高低温情况下的适应能力以及烧制过程是否存在裂纹等问题。为了加速瓷质内部应力的释放速度，本次温度循环试验将温差从GB/T 23752-2009要求的40℃提高到50℃。经过温度循环试验后，5支瓷套均未发现瓷套开裂等异常现象，试验结果见表1。

表1 温度循环试验数据Tab.1 Temperature cycling test data

2.2 例行内压力试验

例行内压力试验是为了检验瓷套是否满足断路器灭弧室气体压力及瓷套设计内部承压要求。将空心瓷套端部密封好并注满水，和液压泵相连，然后将水压平稳增加到2.4 MPa，保持时间1 min，试验后检查5支瓷套和其端部附件均无开裂，瓷套胶装处均完好，试验结果见表2。

表2 例行内压力试验数据Tab.2 Routine pressure test data

2.3 四向弯曲试验

四向弯曲试验主要是为了检验瓷套的机械载荷能力是否满足设计要求。在瓷套端部的四个位置，相邻位置相差90°，每个位置分别进行弯矩为31.5 kN·m，保持时间为10 s的试验。试验后，5支瓷套和其端部附件均无开裂，瓷套胶装处完好，试验结果见表3。

表3 四向弯曲试验数据Tab.3 Four direction bending test data

2.4 超声波试验

超声波试验为检验瓷套内部是否存在裂纹，用超声波测试仪对瓷套胶装处进行探伤，5支瓷套胶装处均未发现裂纹。

2.5 内压力破坏性试验

内压力破坏性试验是检测瓷套内部最大承压能力。选取试验编号为A1、A2、B1、C2四支瓷套进行内压力破坏性试验，水压加压到3.4 MPa，保持时间5 min，然后继续加压到至瓷套开裂，所选4支瓷套水压破坏值均大于规定破坏值3.4 MPa，试验结果见表4。其中试验编号为C2的瓷套在水压7.36 MPa仍未开裂，但此时水压值已大于3.4 MPa，故未继续加压至破坏。

表4 内压力破坏性试验数据Tab.4 Internal pressure destructive test data

2.6 弯曲破坏性试验

弯曲破坏性试验是为了检验瓷套的最大机械载荷能力。选取试验编号为C1的瓷套进行弯曲破坏试验，将前三个方向弯曲试验弯矩定为31.5 kN·m，保持时间10 s，第四个方向试验弯矩为45 kN·m，保持时间1 min后继续施加负荷至瓷套破坏，试验瓷套弯矩破坏值大于规定破坏值45 kN·m，试验结果见表5，弯曲破坏性试验后瓷套开裂情况如图4所示。

表5 弯曲破坏性试验数据Tab.5 Bending destructive test data

图4 弯曲破坏性试验后瓷套开裂情况Fig.4 The crack of porcelain sleeve after bending destructive test

2.7 孔隙性试验

孔隙性试验是为了检验瓷套的瓷质结构是否是致密和均匀。对爆炸瓷套和经破坏性试验已破碎的4支瓷套的碎块进行孔隙性试验。根据GB/T 23752—2009中7.4要求，试验溶液应采用红色或紫色3%的次甲基燃料甲醇或乙醇溶液，在不小于15 MPa的试验压力下将试品浸没在试验溶液中一段时间，并且其试验压力和时间的乘积不小于180[7]。试验后把试品从溶液中取出，冲洗后干燥，并再次敲碎，新敲击开的表面没有任何燃料渗透现象，试验结果见表6，孔隙性试验后碎块情况如图5所示。

图5 爆炸瓷套碎块（左侧3块）和其他4支瓷套碎块（右侧4块）Fig.5 Fragments of porcelain sleeve after porosity test

3 原因分析

根据5支瓷套的验证试验结果，可以认为此批瓷套的高低温适应能力、内部承压能力、机械载荷能力等均达到标准要求。通过对爆炸瓷套和所选取的其他4支瓷套碎块孔隙性试验，证明瓷套的瓷质结构是致密和均匀的，故可排除此批瓷套存在家族性的质量问题。

经爆炸现场检查，断路器灭弧室瓷套爆炸时，断路器的SF6压力和机械部件正常，即SF6气体压力以及之前进行的断路器分、合闸操作所产生的机械和震动负荷应在瓷套正常承受能力范围内。此外，通过对爆炸后散落的瓷套碎片进行现场拼装和对碎片断面和瓷套两个端部的断面检查，可确认爆炸起始点是在瓷套中间部位。

综上所述，本次500 kV SF6断路器B相瓷套爆炸直接原因应是瓷套承受不住SF6气体额定压力所致，而爆炸起始点是在瓷套中间部位，说明瓷套中间部位内部应存在内压力薄弱处。从电瓷行业的微观结构上分析，瓷套应力集中部位在外力、温度等作用下可能会产生微裂纹，这个微裂纹在外力进一步作用下可能会逐渐延伸，最终导致瓷套内部存在内压力薄弱处。

根据瓷套裂纹产生的可能性分析，导致瓷套爆炸的根本原因可能是：（1）爆炸瓷套在坯件经过高温烧成冷却阶段可能会存在残余的集中应力，这个应力集中部位在之后切割研磨、搬运、装配以及温度变化的作用下会产生微裂纹，这个微裂纹在出厂试验前后均有可能产生，出厂进行的例行试验还无法检测出此裂纹。由于经过断路器装配以及运输、安装及多次断路器分、合闸操作产生的机械负荷和震动负荷下，使此裂纹扩展延伸，最终在SF6气体压力下和高温的作用下（爆炸时刻正好为正午，现场温度达38℃以上）发生爆炸。（2）爆炸瓷套可能是在制造厂出厂试验完成后的运输以及断路器装配等过程中发生碰撞而产生裂纹，这个裂纹在现场进行多次断路器分、合操作产生的机械负荷和震动负荷作用下进一步扩展延伸，最终因瓷套承在裂纹处薄弱处承受不住SF6气体压力而发生爆炸。

4 结论

瓷套本身有裂纹是导致此次爆炸的根本起因，针对瓷套裂纹产生的原因，应采取以下几点防范措施：

（1）从消除瓷套内部残余应力的情况分析，瓷套坯件在烧制过程中可以加高装窑的耐火垫与窑车的底板距离，加大耐火垫中间通孔直径，这两项措施均可以增加冷却气流在产品内孔的流通性，进而减少或消除冷却过程中产生的残余应力。

（2）避免瓷套在运输过程中产生碰撞，改进瓷套包装方式，增加对法兰部位的固定要求，运输过程还应加装三维冲撞记录仪，监视瓷套在运输过程是否发生剧烈震动或碰撞。

（References）

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Lin Xin.Modern High Voltage Apparatus Technology[M]. 2 ed.Beijing:China Machine Press，2012.

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Liu Shaojun.High Voltage Apparatus[M].Beijing:China Machine Press，1988.

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Xie Guangrun.Over-voltage in the power system[M].Bei⁃jing:China Water power Press，1985.

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[6]王朗珠，蒋燕.一起热备用中500 kV SF6断路器爆炸原因探讨[J].高压电器，2012,48（7）：99-104.

Wang Langzhu，Jiang Yan.Analysis of an Explosion Oc⁃curred in a Warm Stand-by 500 kV SF6Circuit Breaker[J]. High Voltage Apparatus，2012,48（7）：99-104.

[7]GB/T 23752—2009.额定电压高于1 000 V的电器设备用承压和非承压空心瓷和玻璃绝缘子[S].北京：中国标准出版社，2009.

GB/T 23752—2009.Hollow pressureized and unpressurized ceramic and glass insulators for use in electrical equip⁃ment with rated voltages greater than 1 000 V[S].Beijing: China Standard Press，2009.

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

于建龙（1962），男，江苏金湖人，高级工程师。