某330 kV线路复合绝缘子芯棒断裂故障原因分析

欧阳玉洁，张 烁，云 峰，付宣蓉，陈莲君，严 斌，李学义,樊 超

(1.青海电研科技有限责任公司，青海 西宁 810008；2. 国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810008 )

0 引言

某330 kV线路复合绝缘子发生断裂，导致接地故障。绝缘子中间B相为单联V串，如图1所示。故障杆塔距离相邻小号侧塔894 m，距离相邻大号侧塔932 m。故障杆塔为自立式直线塔，中相(B相)V串左侧复合绝缘子在连接金具处芯棒发生断裂，大小号侧塔位地势较为平坦。断裂绝缘子靠近杆塔侧如图2所示，断裂绝缘子悬挂导线侧如图3所示。

图1 断裂绝缘子

图2 断裂绝缘子靠近杆塔侧图片

图3 断裂绝缘子悬挂导线侧图片

1 断口形貌分析

线路复合绝缘子在连接金具处发生断裂，部分绝缘子芯棒断在了连接金具内。为全面分析本次线路复合绝缘子的断裂原因，需要对绝缘子本体侧断口与绝缘子连接金具侧断口进行形貌分析。

1.1 绝缘子本体侧断口形貌分析

线路复合绝缘子芯棒断口及硅橡胶材料无放电痕迹，硅橡胶护套断口均为新撕裂形貌，无陈旧痕迹，可以排除断裂是因为硅橡胶护套发生破损导致芯棒与空气接触发生老化。断裂后伞裙侧芯棒断口如图4所示，断口放大如图5所示。图中较矮的部位断口颜色发白，较为平整，约占芯棒截面的50%；断口较高的部位，颜色鲜亮，纤维凸凹不平，是瞬间拉断的形貌特征。

图4 断裂绝缘子伞裙侧芯棒断口图片

图5 断裂绝缘子伞裙侧芯棒断口放大图片

对断口进行切割超声波清洗，断口整体分为三个区域，如图6-a所示。断口的三个区域分别是起始区(Ⅰ)、裂纹扩展区(Ⅱ)、瞬时断裂区(Ⅲ)，裂纹起始区断口相对平整，裂纹扩展区台阶特征明显，是受到垂直于芯棒剪切力作用的结果，最后断裂的为瞬时断裂区，此区域断口凸凹不平，纤维拉断形貌突出。

断裂部位横截面如图6-b所示。横截面下半部分为裂纹起始区和裂纹扩展区，无纵向裂纹；上半部分为瞬时断裂区，纵向裂纹明显。下半部分裂纹开始扩展时，由于芯棒自身的刚度，导线晃动对纵向裂纹不敏感，而芯棒同时受到较大的扭转剪切应力，导致芯棒与压接金具结合部位芯棒产生了横向裂纹，随着横向裂纹向芯棒芯部的不断扩展，芯棒整体刚度降低，导线来回晃动致使芯棒上半部分的纵向裂纹快速扩展并发生瞬时断裂。如图6-c所示。

图6 断口切割清洗后图片

1.2 绝缘子连接金具侧断口形貌分析

绝缘子芯棒从压接金具的结合部位发生断裂，如图7所示断口分两部分，将断裂绝缘子金具侧芯棒断口放大，如图8所示，高的一部分断口平整，有台阶状裂纹，矮的一部分断口纤维凸凹明显，从此断口形貌可以得出，高的部分为先断区，矮的部分为后期瞬断区。与绝缘子本体侧断口形貌特征相符。

图7 断裂绝缘子金具侧芯棒断口图片

图8 断裂绝缘子金具侧芯棒断口放大图片

2 金具变形受力分析

断裂绝缘子与U型环连接部位的圆环发生显著弯曲，如图9所示。弯曲部位内外侧锌层发生脱落，金属发生显著锈蚀，说明此弯曲状态发生时间较长。

图9 断裂绝缘子连接金具图片

同时与绝缘子相连接的U型环也发生了明显扭转变形，说明绝缘子受到了较大的扭转力，由于此绝缘子两端均采用的是环形连接，绝缘子无法自身发生旋转，在安装或运行过程中绝缘子受力发生旋转，则芯棒将受到剪切力，并且此剪切力在压接金具与芯棒的结合部位应力最大，极易使芯棒纤维受伤发生断裂。

3 有限元建模分析

通过有限元分析软件对断裂绝缘子进行建模受力分析，建立模型如图10所示，根据对连接金具及断口形貌的分析，绝缘子受到了扭转剪切应力，对金具受力进行分析，U型环沿绝缘子轴向扭转变形。在有限元建模分析中，对挂接导线的连接板施加了重力及沿绝缘子轴向旋转的应力，应变如图11所示，U型环发生明显变形，通过总变形图12可以看出绝缘子的金属圆环也发生了一定程度弯曲，与现场实物相一致。剪切应力如图13所示，在绝缘子压接金具与芯棒的结合部位出现剪切应力集中现象，通过图14的剖面图可以直观的看到当绝缘子芯棒受到扭转剪切应力时，在金属与芯棒的结合部位外表面剪切应力最大，正是此剪切应力的作用下致使芯棒外表最先发生疲劳开裂，随着裂纹不断向内扩展，当芯棒截面积无法承受重力时，发生了芯棒突然断裂。

图10 断裂绝缘子力学性能有限元建模图片

图11 应变图

图12 总变形图

图13 剪切应力图

图14 剖面剪切应力图

4 绝缘子力学性能试验

断裂绝缘子为中间B相V串左侧复合绝缘子，采用拉力机对中间B相V串悬挂的另一侧完好绝缘子进行力学性能试验，如图15所示。试验首先加力到210 kN保持1分钟，绝缘子未发生破坏，然后继续加力至288 kN时，绝缘子发生破坏，压接的环形金属件发生断裂，如图16所示。

图15 完好绝缘子拉伸试验图片

图16 完好绝缘子破坏后图片

通过对完好同批次的绝缘子进行力学性能试验，结果表明其力学性能满足标准要求，破坏发生在压接金具上，芯棒未发生破坏，说明同批次绝缘子的芯棒强度满足使用运行。

5 结论

(1)通过对断裂绝缘子芯棒断口形貌分析结合金具受力分析，连接金具发生显著扭曲变形，证明绝缘子受到了扭转剪切应力，在此力作用下，芯棒与连接金具结合部位芯棒产生了横向裂纹；同时芯棒在导线自重及来回舞动的共同作用下通过横向裂纹继续沿纵向开裂，随着横向裂纹向芯棒芯部的不断扩展，芯棒整体刚度降低，导致横向裂纹扩展至芯棒芯部时芯棒沿纵向裂纹迅速扩展发生瞬时断裂。

(2)通过有限元建模分析，在绝缘子受到扭转时，芯棒与压接金具处外表面剪切应力最集中，产生横向剪切应力，同时，由于复合绝缘子芯棒所采用的是纤维增强的复合材料，能够承受较大的纵向拉力，但无法承受横向剪切应力，本次事故中剪切应力是绝缘子发生断裂的主要原因。

(3)通过对完好同批次的绝缘子进行力学性能试验，其力学性能满足标准要求，破坏发生在压接金具上，芯棒未发生破坏，说明此绝缘子的芯棒强度满足运行要求。