220 kV输电线路支柱绝缘子断裂故障研究分析

孔小红，温　生，刘桂林，陈祥睿，武永泉，赵　轩，杨红杰

(1. 国网江苏省电力公司南京供电公司，南京　210000；2. 国网湖北省电力公司荆门供电公司,湖北 荆门　448000)

电缆终端塔是架空线路与电缆线路连接的基本形式，塔上支柱绝缘子用于支撑、固定导线引下线，使得导线与杆塔之间存在足够安全距离[1-4]。由于支柱绝缘子重量轻、运行维护少，因此得到广泛使用[5-6]。支柱绝缘子根部是与杆塔连接的部位，承受着绝缘子在运行中各种作用力的弯曲复合。支柱绝缘子芯棒的脆断率为1/10 000[7]，受温度、风力、湿度等自然环境的影响下，绝缘子根部易变形或断裂，导致引流线与塔身安全距离不足，引发线路跳闸事故。2007年河南I左龙线和I首常线塔中及右侧绝缘子断裂，2006年常州220 kV金湾线复合绝缘子断流，跳闸重合不成功[8]。此外，2006年国家电网公司组织的调查分析中指出，隔离开关和母线的支柱绝缘子断裂事故也频繁发生，可见支柱绝缘子在运行中断裂是威胁电网安全运行的致命杀手[9-13]。基于电网生产实际中发生的一起典型案例，研究支柱绝缘子根部断裂的根本原因，提出应对举措及建议，避免类似故障发生，对电网安全运行具有更为重要的实际意义。

1　故障经过及保护动作情况

1.1　故障时环境情况

接地短路故障发生时，天气为小到中雨，东北风7级，温度为7～11℃，气象条件恶劣。接地点附近地势空旷，无特殊地形地貌，无高大建筑或树木，城市交通量稀少。

1.2　故障经过及查线情况

故障巡视人员发现220 kV某线路05号电缆终端塔A相电缆引下线上端支柱绝缘子接地端断裂，下端支柱绝缘子受压弯曲，致使A相电缆引下线与B相电缆引下线安全距离不足，诱发AB相短路故障，如图1所示。从现场放电路径来看，故障表现为导线对杆塔构件放电，在通道内、导线上未发现异物灼烧的残留痕迹，如图2所示。

综上判断，本次故障跳闸的原因为恶劣天气下绝缘子底座断裂导致安全距离不足，形成放电回路引起的。

图1　220 kV某线路05号塔故障现场

图2　导线对杆塔构件放电痕迹

1.3　保护动作情况

故障时，220 kV某线路两侧开关主保护动作跳闸，A相接地短路故障，110 ms后转成AB相间短路，三跳重合不成功。

2　支柱绝缘子断裂原因分析

2.1　故障现场分析

根据故障现场断裂绝缘子测量可知，该绝支柱缘子结构总长2.90 m，接地端根部厚68 mm、宽9.7 mm，双伞伞裙结构，大伞群直径150 mm，小伞裙直径115 mm，伞裙长度2.50 m。由运行的支柱绝缘子可知，绝缘子安装后变形较大，长期承受较大的扭曲弯矩，绝缘子棒芯已疲劳损伤。按线路设计规范、运行经验，抢修更换的绝缘子结构长2.45 m，断裂绝缘子比设计规范绝缘子长度明显增长。

2.2　绝缘子安装选型分析

根据绝缘子型号的追溯，设计单位当时要求厂家提供两种类型的绝缘子，一种型号为FFP-220/2.0，全长2.90 m,用于悬垂绝缘子安装；另一种型号为FS-220/2.0，全长2.45 m，用于支柱绝缘子安装。根部断裂绝缘子型号为FFP-220/2.0，总长2.90 m。由此可以初步判断，在施工过程中，施工单位误将悬垂式绝缘子安装成支柱式绝缘子。

2.3　绝缘子断裂面断口形貌分析

支柱绝缘子底座的断口形貌如图3所示。断面基本平齐，表面均布有浅黄的锈迹，未见明显的陈旧性裂纹，表明开裂是在瞬时发生的，浅黄色的锈迹是断裂后在潮湿的环境中快速形成的。根据断口上的撕裂棱走向，判断开裂是在上表面中间部位先开始的，裂纹迅速扩展导致断裂。

图3　绝缘子根部断口形貌

2.4　根部材料成分检测、性能试验

制造厂提供的图纸显示，发生断裂的金属底座(图纸所示上附件)材料牌号为ZG310-570，为了判断断裂金属底座的材料成分和力学性能是否符合标准要求，对其性能进行了分析和检测。

2.4.1材料成分检测

采用OBLF 750-Ⅱ直读光谱仪对支柱绝缘子材料成分进行分析，对照GB/T 11352—2009 《一般工程用铸造碳钢》，检测样品的成分符合ZG310-570的标准要求，见表1。

表1　材料成分检测结果(质量分数)

2.4.2材料力学性能实验

在断裂件的平板上取样，进行材料的力学性能试验，试验项目包括拉伸强度、断后伸长率、冲击吸收能量，试验结果见表2。

从材料力学性能试验结果来看，断裂金属底座的材料性能(除冲击吸收能量，见表2备注)符合ZG310-570标准要求。

表2　材料力学性能试验结果

2.5　断裂点受力分析

根据绝缘子安装情况，绝缘子底座固定端方板水平安装，呈悬臂梁受力状态，断口宽度60 mm，板厚度8 mm，绝缘子大伞裙直径为150 mm。结构受力主要来源三部分：一是自身的重力，方向为垂直向下；二是风载荷作用力，由于绝缘子安装高度在15 m以下，在此高度的风受地面影响多为水平方向，因此风载荷也为水平方向；三是端部固定导线的重量载荷，方向为垂直向下。因此，绝缘子结构的受力俯视图如图4所示。

图4　绝缘子受力结构俯视图

(1)计算参数

绝缘子实际重量自重：m1=15 kg；

7级风计算风速：V=16.8 m/s；(按现场提供的数据)

远端导线重量m2=1 kg；

断口宽度b=60 mm，厚度h=8 mm；

绝缘子安装长度：l=2 900 mm；

绝缘子风荷载最小作用面积：2 540 mm×150 mm。

(2)断口点受力计算

支柱绝缘子断裂点受力情况如图5所示，远端主要承受由自重弯矩、导线与风载荷引起的拉应力，根部主要承受由自重弯矩、导线与风载荷引起的压应力。可见，根部是整根绝缘子承受拉应力最大的部位，远端是承受压应力最大的部位。

图5　断裂点受力图

支柱绝缘子自重在断裂点引起的应力为：

可得σ1=339.8 N/mm2。

远端导线自重在断裂点产生的最大应力为：

可得σ2=45.3 N/mm2。

依据DL/T5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术》规定，绝缘子风荷载计算公式为

WI=WoμzB1AI

式中Wo——基本风压(计算风速取7级风)，16.8 m/s；μz——风压高度变化系数，按B类地形15 m高，取1.14；BI——覆冰风荷载增大系数，无覆冰现象，取1；AI——绝缘子串承受风压计算面积，取投影面积2 540 mm×150 mm。

风荷载在断口处产生的弯矩为

此弯矩产生的最大应力为

可得σ334.1 N/mm2。

对于断裂点最大应力为：

σ=σ1+σ2+σ3=419 N/mm2

(3)受力结果分析

通过受力分析可以看出，在绝缘子断裂点，由绝缘子自重及导线自重产生的应力占主要部分，高达90%，不同风速下的断口处应力曲线见图6。

根据材料ZG310-570的性能参数，其屈服强度为310 N/mm2，抗拉强度570 N/mm2，由于材料是铸钢，根据常规安全系数取1.5～2.5。如取1.5估算，材料的许用应力为380 N/mm2。由此可见，此结构的应力基本都已超过了许用应力，也就是说，结构在运行时均已超出了安全系数。

图6　断口部位应力对比图

2.6　综合分析结论

由材料成分和性能检测分析结果可知，发生断裂的金属部件材质成分和强度指标均符合对应标准的要求。

通过结构受力分析发现，绝缘子水平呈悬臂梁布置时，由于断裂点截面最小，是受力最大的部位。而此部位的应力值已超过了材料的屈服应力，也已超过了材料的许用应力，说明结构在运行时已超过了设计安全裕度。由于材料的实际性能往往高于标准要求值，因此绝缘子还能够持续运行。

此外，由于风载荷是动载荷，会使得材料出现疲劳损伤，材料的疲劳强度不仅与屈服强度和抗拉强度有关，在很大程度上更取决于韧性指标，如冲击吸收能量。铸钢ZG310-570冲击吸收能量标准要求值为15 J，同等强度的结构钢(热轧钢)Q345，冲击吸收能量在34 J以上，可见铸件的冲击耐受性能并不良好，使得其更容易因风载荷的疲劳作用而发生脆性断裂。

综上所述，本次绝缘子底座的断裂原因为施工过程安装选型错误，错误的将悬垂式绝缘子安装成支柱式绝缘子，导致悬垂式绝缘子在支撑导线引下线时，许用应力安全裕度不足，局部强风作用下材料疲劳损伤，最终导致断裂。

3　应对举措

针对此起典型故障案例，输电、电缆设备运维管理部门密切沟通，全面开展支柱绝缘子专项排查工作。根据电缆设备运维管理部门提供的数据，南京现有220 kV电缆终端塔93基，由输电部门抽调专业力量对93基电缆终端塔、542根支柱绝缘子的数量、长度、厂家信息、接地端部厚度、宽度等部位进行排查，共发现绝缘子错误安装、接地端薄弱、缺少螺栓、安装不规范等缺陷52处。根据缺陷情况分类编制了缺陷排查汇总表、相关分析报告，制定专项的整改计划，逐步完成相关整改工作。

(1)建立支柱绝缘子专项验收卡。运维部门在验收环节已建立支柱绝缘子专项验收卡，卡片内容包括外观检查、合格证、型号、长度、端部结构尺寸、爬距、受力情况、安装位置等信息。

(2)完善支柱绝缘子安装管控流程。运维部门结合此次事故进一步完善了支柱绝缘子安装管控流程，将流程细化为“施工交底—绝缘子型号核对—施工安装—安装位置检查—施工验收”。施工交底环节，告知绝缘子参数信息、安装方法、位置、注意事项等；型号核对环节，再次核对绝缘子选型是否有误；安装后，进行绝缘子位置、方向、尺寸复检；最后对绝缘子的方向、螺栓、穿钉等系统验收。

(3)施工结束后，收集绝缘子合格证，并且随同竣工资料一同进行存档，避免故障绝缘子上厂家信息无处查询的情况出现。

4　结语

建议设计单位进一步细化图纸，除明确绝缘子安装位置外，注明绝缘子的型号、用途等重要信息，以降低施工现场的安装错误概率。

由于该类绝缘子属于非标准产品，建议招标环节明确绝缘子的结构高度、爬距、受力情况、主要用途等重要信息，并且将相关信息反映在绝缘子合格证、铭牌上，便于验收、施工过程中的核实、查询、检查。

电缆终端塔上支柱绝缘子属输电室设备资产，而支柱绝缘子的安装由电缆运维部门负责。这种模式易导致管理上的盲区，建议输电室、电缆室密切沟通联系，协同管理，在今后的工作中加以重视。

南京电网220 kV输电线路支柱绝缘子断裂虽然为一起个案，但是不能排除江苏电网也存在类似缺陷，为了保障电网安全运行，建议省公司组织对江苏电网220 kV线路支柱绝缘子进行专项排查。因此深入研究220 kV支柱绝缘子根部断裂故障的典型案例，对提升输电线路安全运行水

平具有重要意义。

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