一起330 kV输电线路复合绝缘子断裂故障失效

张素慧,滕玉林,谢金鹏,蒋 菲,张 丽,周云飞,贺炜文,吕岩婷,吴金花

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院,兰州 730070;2.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司,兰州 730070)

0 引言

当前电网输电线路,复合绝缘子由于硅橡胶材料独特的憎水性和增税迁移性,以其优异的防污闪性能,再加上重量轻、没有零值等一些列优点,广泛应用于各电压等级的架空输电线路,并已成为大趋势[1-8]。

复合绝缘子的应用有效的解决了困扰电网多年的污闪问题,大大减轻了清扫及零值检测等运维检修工作[9-17]。但断串问题却时有发生,复合绝缘子一旦发生断串,只有准确找到断串原因,总结处置方式,对复合绝缘子入网有着重要的意义[18-23]。运行中复合绝缘子断串给社会安全带来巨大威胁,影响线路可靠性,对电力系统带来十分严重的危害[24-31]。

笔者主要以一起±330 kV重要输电线路故障:复合绝缘子掉串为研究对象,根据一系列试验,分析发生故障的原因,并提出防范措施,为今后此线路运行及挂网运行复合绝缘子的生产运维提供参考。

1 事故概况

2021年6月23日某330 kV重要输电线路开关跳闸,重合闸不成功,经巡视发现145号塔中相复合绝缘子导线侧第5片伞裙出芯棒断裂掉串,导线掉落,悬挂在塔材上。故障现场见图1。

图1 330 kV输电线路故障图Fig.1 Fault diagram of 330 kV transmission line

此线路全长75.772 km,180基,2010年06月投运,2013年07月01日开断。复合绝缘子型号为FXBW-330/100,结构高度:3 690 mm,爬距10 560 mm,额定机械破坏负荷:100 kN,呼高22 m,海拔高度2 283.43 m;144号塔为ZM1型直线角钢塔,呼高25 m,海拔高度2 264.88 m。

2 故障绝缘子掉串试验分析

2.1 绝缘子外观检查

330 kV某线路绝缘子断裂部位图像见图2(a)及图2(b),断裂区域位于绝缘子从下往上数第5至第6伞裙之间,从下至上第1片至第3片芯棒护套表面存在较厚的一层灰白色的附着物,表面不平整,存在轴向沟槽,见图2(c);第4片以上芯棒护套表面附着物厚度逐渐减薄,最下一片伞裙下表面与芯棒护套结合处存在一条肉眼可见的环向裂纹,长度约25 mm,其中部位置存在两条沿径向发展的小裂纹,裂纹内部硅橡胶断面颜色较浅,与新扩展区域存在明显差异,见图2(d),且此裂纹位置与上端断口启裂位置基本处于同一方向。

图2 绝缘子外观检查Fig.2 Insulator appearance inspection

2.2 绝缘子断口检查

针对运行中断裂绝缘子断口进行检查,结果见图3。图3(a)为上侧断口,图3(b)为下侧断口;断口直径为36.28 mm,芯棒直径为24 mm。下侧断口凹陷处芯棒与橡胶位于同一平面,与轴向垂直。此处芯棒外部硅橡胶断口色泽不均,靠近芯棒部位颜色发白,且有放射状微小裂纹,断面存有同心且平行的贝壳纹及放射状撕裂台阶,硅橡胶区域裂纹发展方向由靠近芯棒部位向外边缘扩展。

图3 故障绝缘子断口Fig.3 Fault insulator fracture

芯棒部分断面大致为平面,存在多处高低不等的台阶,由断面纹理发展方向判断,芯棒断口由外边缘向内侧发展,沿径向扩展约14 mm后又沿轴向扩展12 mm,然后又沿水平方向继续发展至距对侧边缘3 mm处,开始沿轴向撕裂。造成玻璃纤维由绝缘子上部橡胶护套内部抽出,在绝缘子上部断面上形成空洞。

从芯棒横向断口看,存在较多深浅不一台阶,非单一断面,纵向断面有大量较短的横向裂纹。芯棒与橡胶护套结合处有约为0.3 mm间隙;芯棒断口大部分区域颜色较深,靠近最终断裂的玻璃纤维区域断口表面颜色较浅,见图3(c)、图 3(d)。

另外,经观察发现,断口上部芯棒取样过程中,发现除断口附近橡胶护套与芯棒件存在间隙外,其余部位橡胶护套和芯棒结合良好,较难剥离。

2.2.2 左相绝缘子耐应力腐蚀试验后断口

为研究断口形式,特选取同号塔外发生断裂的左相绝缘子进行耐应力腐蚀试验,在试验4 h后发生断裂,为不合格试样。并将左相绝缘子剥离外部护套后,在1 mol/L硝酸溶液中加载67%的拉力进行耐应力腐蚀试验,4 h后试样发生断裂,断裂后的断口形貌见图4。从图4(a)可知,试样外层环氧树脂及玻璃纤维均发生断裂,试验芯部玻璃纤维形态上完整,系从断口另一侧芯棒中抽出(抽芯),抽出长度最长为91 mm。

图4 左相绝缘子耐应力腐蚀试验后断口Fig.4 Fracture of left phase insulator after stress corrosion test

在断口附近可见大量沿着纵向及环向的裂纹,其中纵向裂纹较长,贯穿整个样品护套剥除部分芯棒,但纵向裂纹在延伸过程中有部分区域会沿轴向拓展,见图4(b)。

见图4(c)及图4(d),试验芯棒断口存在多处深浅不一的台阶,与运行中断裂的中相绝缘子芯棒断口形貌非常相似。

由表17可知，企业的流动比率、速动比率都不高，增减幅度不大，但在2014～2016年四年间企业资产的流动比率和速动比率一直处于下降，直到2017年，才开始逐渐上升，说明企业资产的流动性不强，短期偿债能力总体来说处于弱势，但2017年其流动比率和速动比率相较于之前是处于增加的状态，有逐渐增强的趋势。

2.2.3 未断出断口检查

对左相绝缘子耐应力腐蚀试验后距断口133 mm处芯棒端面及中相绝缘子距断口630 mm处端面进行观察,见图5。从图5(a)中可以看出,经过耐应力试验之后芯棒横截面可观察到多处裂纹,裂纹大多呈不规则的环状,靠近外圈的4条较长的裂纹一直贯穿到芯棒外表面。而中相距断口630 mm处横截面大部分区域均匀密实,无裂纹及其他缺陷,但在伞裙合缝大致垂直方向一侧芯棒边缘部位存在一处明显的开裂,由表面向内部延伸约1 mm,见图5(b)。

图5 芯棒端面图Fig.5 Core rod end face

综上可知,未断裂处断口虽存在一处开裂,但其断口形貌为平整切割断口;运行中断裂中相绝缘子芯棒断口大致为平面,存在多处高低不等的台阶,以及较多径向及轴向裂纹,而经过耐应力腐蚀试验后的芯棒断口亦存在多处深浅不一的台阶与大量不规则的环状裂纹,由此可见,经过耐应力腐蚀试验后绝缘子芯棒断口形貌与运行中断裂的中相绝缘子芯棒断口形貌非常相似。

2.3 绝缘子断口微观形貌检查

通过对运行中断裂绝缘子上部端口断面观察发现,断口处硅橡胶与芯棒结合部位存在色泽变浅、老化开裂现象,见图6(a)。断口上110 mm处芯棒及护套横截面护套硅橡胶组织均匀,未发现异常,但断口启裂方向芯棒截面靠近边缘部位存在裂纹、组织不均匀、疏松等微观缺陷,见图6(b)。

图6 绝缘子微观形貌图Fig.6 Micromorphology of insulator

在对运行中断裂绝缘子距断口630 mm处横截面部分观察发现,此截面处芯棒与护套结合良好,见图6(c)及图6(d)。又对运行中断裂绝缘子护套及伞裙进行检查,见图6(e)及图6(f),绝缘子护套及伞裙表面硅橡胶组织均匀,未发现开裂、老化等异常现象。

2.4 绝缘子渗透检测

从运行中断裂绝缘子断口上部截取110 mm长一段试样,将表面硅橡胶层剥离后,进行渗透检测,发现裂纹源方向,芯棒两端横截面均存在方向不规则的裂纹和疏松,见图7(a)及图7(b);在开裂源方向芯棒外表面存在大量沿轴向的裂纹,另外在靠近断口部位存在个别长度较短的轴向裂纹,见图7(c);在距离断口上部730 mm处,渗透检测结果显示,芯棒与橡胶结合面有少量渗透剂回渗,但芯棒材质总体较致密,未见明显缺陷显示,见图7(d);最下一片伞裙下表面与芯棒护套结合处存在一条肉眼可见的环向裂纹,其中部位置存在两条沿径向发展的小裂纹,见图7(e);芯棒端头硅橡胶与金属球头侧结合部位有少量渗透剂回渗,两者之间存有一定的间隙,见图7(f)。

图7 绝缘子渗透检测图Fig.7 Insulator penetration testing diagram

2.5 绝缘子芯棒透照试验

在强光照射下观察,发现中相断口附近芯棒靠近起裂部位方向内部材质不均匀,存在大量轴向裂纹,见图8(a)及图8(b)。 而左相绝缘子耐应力腐蚀试验后距断口附近芯棒内部材质基本均匀,但存在大量环向及纵向裂纹,见图8(c)。在中相绝缘子距断口630 mm附近芯棒内部材质均匀,但存在一处纵向开裂,其所处位置与断面开裂位置相对应,在试样中长度为76 mm,其上端部与原断口位置的距离为601 mm,见图8(d)。

图8 绝缘子芯棒透照检查图Fig.8 Insulator mandrel transillumination inspection diagram

2.6 伞裙邵氏硬度试验

对运行中掉串绝缘子断口上部由芯棒剥离的硅橡胶伞裙上随机抽取4个部位进行邵氏A硬度试验,结果见表1,符合标准要求。

表1 邵氏硬度试验结果Table 1 Shore hardness test results HA

2.7 绝缘子护套厚度检查

图9为绝缘子截面图,可见绝缘子芯棒周边硅橡胶护套厚度不均匀,从12点钟方向开始,按照顺时针方向护套厚度依次为5.14 mm,4.94 mm,5.10 mm,6.20 mm,其中5点钟方向为护套厚度最薄处,为4.86 mm,9点钟方向为最厚处,为6.20 mm。

图9 绝缘子厚度测量截面图Fig.9 Cross section of insulator thickness measurement

3 复合绝缘子故障综合分析

1)中相绝缘子下部第1片伞裙下存在宏观裂纹,致使外部环境的腐蚀介质及放电产生的二氧化氮的水解产物硝酸(HNO3)通过护套裂隙进入绝缘子芯棒部位。

2)因断裂绝缘子芯棒表面及内部存在缺陷,在其下端断口附近局部区域内材料组织不均匀,存在轴向裂纹和孔隙,使得从护套开裂处进入的腐蚀性介质得以沿芯棒表面及内部缺陷向上扩散。

3)绝缘子断裂部位位于其下部场强最强位置,当腐蚀性介质沿芯棒缺陷进入该区域时,绝缘子芯棒所承受的拉应力及腐蚀性介质使得芯棒材质产生应力腐蚀开裂。同时,较强的电场也会使得该区域发生电晕放电,进一步加剧了芯棒材质劣化及护套有机硅橡胶老化,产生周向及轴向裂纹。

4)绝缘子芯棒应力腐蚀损伤部位存在应力集中,在长期运行过程中的交变应力作用下,应力腐蚀裂纹沿环向及纵向拓展,同时也使得护套老化的硅橡胶产生裂纹,并由界面向外部拓展,当芯棒剩余截面不足以承受重力载荷时,造成芯棒及外部硅橡胶撕裂,导致绝缘子断裂失效。

4 复合绝缘子故障总结

通过试验检测可知,该绝缘子在应力腐蚀试验4 h后断裂,为不合格试样。此330 kV中相复合绝缘子断裂的主要原因是:故障绝缘子本身存在原生缺陷,在运行过程中,水汽由此裂纹进入护套与芯棒的间隙,断裂部位正好处于高电场作用范围,而发生电晕,水汽、空气、粘结剂发生化学反应,生成酸性物质,从而对芯棒产生腐蚀,加之芯棒耐酸性极差,在长期运行过程中,逐渐腐蚀,导致芯棒承载能力下降,最终发生脆断。脆断虽然发生概率小,但危害极其严重,在运行中应当重点排查,及时更换不合格绝缘子,使其退出电网运行,并加强日常监测,确保电网安全稳定运行。

5 结论

1)对该线路所用同一线路、同一厂家的复合绝缘子进行更换、检查、试验,确定是否存在相同问题。

2)加大对省内在运复合绝缘子的抽检工作,避免不耐酸等不合格的绝缘子投入使用,以免造成更大损失。

3)运维单位应继续深入开展复合绝缘子的隐患排查,利用红外测温等多种手段加强巡视,特别是早期复合绝缘子应重点防范。