220 kV避雷器瓷套管基座断裂事故分析

王 琼，辛力坚，陈 浩，燕宝峰，张慧芬，温 冰

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

220 kV避雷器瓷套管基座断裂事故分析

王 琼，辛力坚，陈 浩，燕宝峰，张慧芬，温 冰

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

避雷器基座瓷套裂纹缺陷容易被忽视。根据现场设备损坏情况、事发当天天气状况、瓷套管断裂位置及其断面形貌特点，分析认为基座瓷套开裂是YSD变电站220 kV避雷器断裂事故的直接原因。为探究该避雷器瓷套断裂的根本诱因，实验利用能谱分析仪对比检测了断面沟壑积污与瓷套母材的成分组成及其含量，利用扫描电子显微镜检测了瓷套断面的微观结构；综合实验检测结果和湿法制瓷工艺流程，分析认为真空练泥机挤坯和胶装过程工艺管控不严格是基座法兰处大面积开裂的根本原因。结合分析推断结果和国标要求，提出了提高瓷套安全稳定运行的可行性建议。

避雷器；瓷套管；机械强度；断面；制瓷工艺

0 引言

避雷器空心瓷套起着设备外绝缘、支撑和固定等作用。瓷套就制瓷方法而言，分为湿法制瓷和干法制瓷两种；其中，湿法制瓷大概可分为原料球磨粉碎、真空练泥挤制成段、泥段电阴干、数控机床修坯成型、坯件烘干、表面上釉和砂、入窑烧制和胶装等关键流程，任何一个环节工艺控制欠佳都有可能导致瓷套管缺陷、难以满足设备使用要求。GB/T23752-2009《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》5.1规定：空心瓷套管设计时需应兼顾套管的电气和机械性能，同时需严格选择胶合剂和附件材料；10.5指出：出厂空心绝缘件需耐受逐个内压力、逐个弯曲试验检验，外观无损坏瓷绝缘件方合格。可见，瓷套管的机械性能与其电气性能同等重要，良好的机械性能同样是设备健康运行的可靠保障。

多年来，伴随电瓷行业的发展，瓷套一次成型技术、瓷套原料配方和胶粘剂配方等制瓷工艺和瓷质微观检测方法不断优化改进[1-6]。为满足电力行业发展需要，部分科研机构和高校就瓷套管抗震性能、高原型避雷器设计、瓷套电位分布、特高压输变电系统套管研制等新领域和新技术方面做了深入分析和研究[7-15]。结合生产实际需求，各电网公司借助避雷器典型事故案例及其网内避雷器运行情况，总结出了宝贵的设备缺陷分析、故障诊断和状态评估经验，对避雷器安全稳定运行起到了不容小觑的指导作用[16-22]。

虽然有不少文献提到瓷套裂纹缺陷是导致瓷套机械性能下降、进而诱发现场事故的重要原因，但是，鲜有文献结合瓷套管制作工艺剖析避雷器断裂事故。因此，笔者依托220 kV YSD变电站219C相避雷器瓷套管断裂事故，借助扫描电子显微镜和能谱分析仪试验检测结果，综合事故现场情况、设备运行状况及瓷套管湿法制作工艺，提出了该起避雷器断裂事故的根本诱因、直接和间接原因。

1 事故介绍

YSD 220 kV变电站地处内蒙古锡林浩特市，属北方高寒地区，大陆性半干旱气候。该站220 kV侧采用双母接线形式，Ⅰ、Ⅱ段母线经212母联断路器并列运行。1号主变经201断路器、BYⅡ线经251断路器接于Ⅰ段母线；Ⅰ段母线避雷器型号为Y10WZ-200/520 W，2006年4月出厂、2007年9月投入使用。2016年4月2日12时19分55秒330毫秒、19分56秒210毫秒，220 kV母线保护Ⅰ屏和Ⅱ屏BP-2B保护装置C相Ⅰ母差动保护相继动作，跳开了 201、251、212断路器，220 kVⅠ段母线失电，1号和2号主变高压侧解列运行。

变电站运行人员赶赴现场发现，220 kVⅠ段母线219避雷器C相断裂坠落。事故发生时风速约为12 m/s，环境温度8℃、湿度30%RH。变电站内无操作、无设备异常，且无外部故障。如图1（a）所示，219整体式避雷器C相瓷外套自下至上分断裂为了三段：固定于水泥支撑的基座（断面与基座法兰表面几乎齐平），接带计数器的下节瓷套管，于根部断裂的上节瓷套管；断裂位置为基座法兰和上节瓷套管根部法兰两处，法兰螺栓均未松动。避雷器下节瓷套内的氧化锌阀片及其绝缘包覆并未断裂，仍与上节瓷套内阀片成串悬吊于引线上；该避雷器引线和阀片外露部分紧邻219C相电压互感器及其接地引下线，且电压互感器引下线存在放电灼伤痕迹，如图1（b）。

图2中，避雷器两处断面形貌差异明显：上节瓷套管根部法兰处断裂面平滑、整个断面形态一致、无异常，如图2（a）；而基座断面呈现两种形态:约1/2断面表面有鳞状突起、鳞状沟壑间有浅黄色积污（图2（a）-（b）），另 1/2 断面表面较为平整、有外力掰裂、脆性断裂痕迹，二种断面之间有可识别分界（见图2（d））；图 2（e）为瓷套管水泥胶合断面，水泥胶合剂粗糙、有肉眼可见小鼓包，且瓷套外壁和法兰内壁未见沥青缓冲层。

图1 事故现场Fig.1 Accident scene

2 事故起因分析和推断

219 C相避雷器上节瓷套根部断面较平整，而基座断面存在鳞状突起、沟壑积污和法兰工装工艺粗糙等问题；而且，219 C相电压互感器接地引下线存在放电灼伤点和大面积放电碳化痕迹。所以事故起因极可能是避雷器基座断裂倾倒的瞬间冲击力拉断了上节瓷套；而上节瓷套及其连带的阀片与引线紧固连接，因此整支避雷器最终断为三段。也正是由于上节瓷套及其连带的阀片与引线连接紧固，所以避雷器瓷套断裂瞬间与电压互感器接地引下线短路，导致Ⅰ段母线C相发生单相接地短路故障。随后，220 kV母线保护BP-2B保护装置C相Ⅰ母差动保护动作，跳开201、251、212断路器，故障切除。

图2 基座断面实物图Fig.2 Pictures of base section

其次，DL/T 804-2014《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》3.1正常运行条件规定避雷器在风速不大于35 m/s时，应能正常运行。事发当日最大风速为12 m/s、西北风，若避雷器瓷套无裂纹缺陷，应当无事故发生；反之，若避雷器瓷套存在裂纹缺陷，则大风天气容易间接导致避雷器断裂。即：大风天气是避雷器基座断裂的间接原因。

再次，查阅站内设备试验和巡检记录发现：219避雷器C相交接试验和例行试验均合格；避雷器外观巡视无裂纹，计数器指示数正常，监视电流表持续电流值与同等运行条件相比无明显差异，红外成像检测无异常温升。试验和记录结果表明，219 C相避雷器电气性能良好，且人为可观测能力范围内无裂纹缺陷。但是，套管端部喷砂后胶装法兰，瓷套法兰表面齐平位置较为特殊，因此例行检查难以发现该位置是否存在裂纹缺陷。

综合上述分析，该起事故起因是：在219 C相避雷器基座瓷套和法兰胶装处瓷套已存在严重裂纹缺陷（鳞状表面面积约1/2）的情况下，避雷器瓷套在当日大风天气中机械强度不足，基座瓷套折断；基座瓷套折断瞬间，悬吊于高压引线的上节瓷套和阀片对临近电压互感器接地引下线放电，Ⅰ段母线C相接地短路从而引发该次事故。

3 瓷套断面检测及其制作工艺分析

为明确断面沟壑浅黄色积污来源，实验利用能谱分析仪比对了沟壑积污物质成分和基座瓷套母材物质的构成组分及其含量；实验还利用扫描电子显微镜对基座断面及沟壑内浅黄色积污物质的微观形貌进行了检测，以探寻瓷套机械强度不足的诱因。综合实验检测结果和瓷套管制作工艺，下文将针对避雷器基座断面缺陷逐一解释分析。

第一，图2中瓷套基座表面鳞状突起沟壑间的浅黄色积污仅在沟壑位置存在、并非成片状出现，所以可以排除套管在烧制前就存在较大裂缝。

第二，该避雷器裂纹缺陷有可能是制作过程中部分工艺环节管控不严格而存在先天缺陷，在后期运行中缺陷逐步劣化导致产品机械强度不足。结合断面形貌特征和断裂位置，隐患可能在如下制瓷环节中已被埋下。

1）真空练泥机挤坯过程中要求加泥要均匀；需切割下厚10 mm左右厚度的薄泥片，用于检查泥段质量，再用硬度计快速测定泥料水分。相较常见瓷套脆性断裂面特征，该基座断面鳞状区域面积占总断面的1/2，有可能是真空练泥过程中基座部分夹杂了硬泥，导致瓷套该部分自身密实程度偏差，从而容易大面积开裂。

2）瓷套端部在喷砂上釉烧制完成后，再利用水泥胶合剂粘接法兰和瓷套。由于胶装连同需粘合的金属法兰和瓷套共计三种不同材质，因此，三者热胀冷缩系数之间存在配合关系，以避免瓷套降温过程中因应力挤压瓷套而裂纹。此外，为缓解材质热胀冷缩程度不同所产生的应力，法兰内侧和瓷套外侧需涂覆沥青缓冲层；文献[22]中也提及沥青缓冲层对于降低温度导致的内应力作用非常明显。检查基座断面，未见水泥缓冲层，可见胶装过程中未使用沥青缓冲层也是造成瓷套于法兰处开裂的起因之一。

第三，沟壑积污来源可能是在瓷套存在开裂缺陷的前提下，瓷质受潮而逐步劣化形成，也有可能是吹入裂缝处的沙土残留。基于此，为确定积污物质来源，实验对比了沟壑积污物质和基座瓷套母材物质的构成组分及其含量的差异，检测结果见表1。

1）瓷套管以黏土、长石、石英等主要矿物为原料，其主要物质成分为二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）及少量的碱金属氧化物（如氧化钾K2O、氧化钠Na2O）和碱土金属氧化物（如氧化钙CaO、氧化镁MgO）等；而普通沙土的化成分成主要为二氧化硅，一般普通沙土中不会含有大量的Al2O3、K2O和Na2O物质。

表1 构成元素含量对比Table 1 Composition elements content comparison（wt%）

2）表1中，沟壑内浅黄色积污和瓷套管母材成分组成及其含量无明显差异；若积污为沙土，则积污物质成分检测中SiO2应明显高于母材，同时铝、钾和钙等成分含量应明显低于母材。检测结果表明，基座瓷套积污物质组成和瓷套母材成分组成及其含量基本一致，可排除积污为沙土的可能；即断面鳞状突起由于受侵蚀风沙形成的可能性极小。

3）前文提到该避雷器多次预防性试验和例行试验均为发现基座绝缘电阻异常，加之北方地区气候干燥、基座断裂位置隐蔽，所以断面长期遭受雨雪侵袭的概率不高。但是瓷套在高寒低温环境中运行多年没有沥青缓冲层保护，若先天还存在硬泥、瓷质密实程度差的缺陷，则在逐年雨雪累积侵蚀下，断面鳞状区域面积高达总面积的1/2也属正常。

第四，瓷套致密性差、可能存在硬泥是导致本次事故的根本原因之一，为验证该推断的可能性，实验利用扫描电镜检测了基座局部断面和沟壑积污处瓷质的微观形貌特征，如图3所示。

1）陶瓷材料断裂力学的观点认为，材料破坏起因的内部缺陷有气孔或多孔区、混入的杂质、异常生长的晶粒以及由于这些缺陷造成的结构的不均匀性或各向异性；其中气孔的危害是较大的。

2）文献[5]认为：瓷显微结构的均匀性程度是保证电瓷质量和性能的关键；坯料颗粒细度控制≥20 μm 颗粒度量占 6.0%～10.0%，≥10 μm 颗粒度量占20%～24%时，有助于改善坯料组织及瓷质显微结构的均匀性。而图3中基座断面气孔形状不规则、最大气孔约为 220 μm*200 μm，气孔量约 15%；图4所示的沟壑微观结构图表明，沟壑中存在100～200 μm大小不等的独立颗粒。断面微观结果证实了瓷套致密性差的事实。

第五，GB/T23752-2009《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》中具体规定了非承压空心瓷套管的出厂试验项目和要求，但是追溯标准该标准来源和颁布时间发现，GB/T23752由IEC62155-2003转化而来，2009年首次制定。那么，2006年生产的219 C相避雷器瓷套出厂试验项目不尽完善实属正常。

图3 微观结构Fig.3 Microstructure

4 结论

综合上述解释和分析，认为：

1）事故直接和间接原因：YSD变电站219 C相避雷器基座瓷套管开裂面积高达50%，导致套管机械强度大幅下降；事故当日大风天气间接促使套管断裂，断裂瞬间上节瓷套高电位部分与相邻接地引下线短路，从而引发本次事故。

2）事故根本诱因：真空练泥机挤坯过程中湿坯可能夹杂硬泥、瓷套致密性差、胶装过程水泥胶合剂粗糙、未涂覆沥青缓冲层等是导致219 C相避雷器瓷套在高寒环境中容易出现裂纹缺陷的可能原因。

3）避雷器基座法兰处瓷套开裂缺陷难以被发现，建议有针对性的检查套管根部水泥胶合剂外观状态，来辅助判断法兰处瓷套是否存在开裂缺陷。

4）制作工艺决定着瓷套管的性能，建议加强设备监造力度，提高对瓷套出厂试验的重视程度，以从根本上剔除不合格瓷套，保证电力系统安全稳定运行。

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Fracture Accident Analysis of 220 kV Arrester Porcelain Bushing Base

WANG Qiong，XIN Lijian，CHEN Hao，YAN Baofeng，ZHANG Huifen，WEN Bing
（Inner Mongolia Electric Power Science&Research Institute，Hohhot 010020，China）

Porcelain bushing crack defect of arrester base is easy to be ignored.According to the damage of the equipments，the weather condition，the fracture position and the fracture surface of the porcelain bushing，the direct reason of the 220 kV arrester fault accident in YSD substation has been found in this paper，which is the cracking of its base porcelain bushing.Thus，in order to determine the root cause of the cracking，two experiments have been done:the one compared the composition of the section waste and the base metal of the porcelain bushing，by using the energy spectrum analyzer;the other experiment，the microstructure of porcelain bushing base section is detected by scanning electron microscope.In the light of the experimental test results and wet-process of porcelain bushing，the analysis shows that:because of the inexactitude process control of vacuum scouring mud machine extruding and cementing，the cracking area of the base porcelain bushing is serious.Moreover，based on the analysis results and national standard requirements，the suggestions are also given，which for improving the safety and stable operation of the porcelain bushing.

arrester；porcelain bushing；mechanicalstrength；section；porcelain making technology

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.028

2016-08-07

王琼 （1986—），女，工程师，硕士，主要从事电气设备在线监测与故障诊断方面工作。