分享：悬式瓷绝缘子断裂原因
摘 要:在某500kV变电站运行过程中,其悬式瓷绝缘子发生断裂。采用宏观观察、渗透检测、 扫描电镜及能谱分析等方法对该悬式瓷绝缘子断裂的原因进行分析。结果表明:该悬式瓷绝缘子 瓷件本体存在夹杂、裂纹缺陷,且瓷件和铁帽胶合部位发生开裂;在长期露天环境下运行,受环境和 载荷等外在因素的影响,水分子通过胶合开裂部位进入瓷体,引起瓷体发热,瓷件内部的热效应作 用诱导裂纹加速扩展,瓷件强度显著下降,最终瓷绝缘子在应力最为集中的颈部位置发生断裂。
关键词:悬式瓷绝缘子;胶合开裂;夹杂;应力集中
中图分类号:TB32;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)07-0061-03
悬式绝缘子是输电线路、发电厂、变电站母线等 与其他电气设备连接的绝缘件,其主要作用是悬挂 导线和绝缘,其中球窝连接状盘型悬式绝缘子具有 装卸方便、可带电更换等优点,在高压、超高压和特 高压工程中得到了广泛应用[1]。悬式绝缘子的主要 材料类型有陶瓷、玻璃和复合材料等,在变电工程 中,瓷绝缘子应用较多,其运行环境通常极为恶劣, 且受电场强度、运行环境和机械载荷等多重因素的 影响[2],因此悬式瓷绝缘子的安全性应重点关注。 运行过程中,瓷绝缘子除了要承受因载荷影响而产 生的拉应力,还要承受导线舞动所带来的振动载荷; 在季风季,受飓风影响,瓷绝缘子还将承受冲击载 荷[3],易发生断裂等故障[4]。
某500kV变电站在运行过程中悬式瓷绝缘 子发生断裂,该瓷绝缘子在断裂之前曾被检出过 发热故障(见图1),发生发热故障的悬式瓷绝缘子 温度为41.6℃,环境温度为20.1 ℃,对其余瓷绝 缘子进行红外测温,温度均约为34℃。笔者采用一系列理化检验方法查明了该瓷绝缘子断裂的原 因,并 提 出 了 改 进 建 议,以 避 免 该 类 事 故 再 次 发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂悬式瓷绝缘子的宏观形貌如图2所示。 由图2可知:瓷绝缘子沿颈部平整断裂,铁帽(球 头挂环)镶嵌瓷件部分和盘型瓷件本体发生整体 分离,断口形貌符合载荷作用下的拉应力失效特 征;铁帽镶嵌瓷件区域的内、外侧水泥胶合剂均存 在大小不等的孔洞,且内侧胶合剂和瓷件部位发 生部分脱离;盘型瓷件本体区域断口外侧可见夹 杂缺陷,内圈近腔口处有疑似裂纹,且瓷件腔内表 面碰磨痕迹明显。
1.2 渗透检测
对盘型瓷件断口部位进行渗透检测,渗透时间 约为15min,结果如图3所示,可见断口处有2条 长度分别约为6mm和9mm的裂纹,9mm裂纹区 域附近还有多条微小裂纹;断口外侧可见夹杂缺陷, 缺陷表面存在疏松、开裂现象。
1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析
将断裂瓷件中间厚实部位击碎,对碎片断面进 行SEM 分析,结果如图4所示,可见瓷件主要由晶 体相、玻璃相和气体组成,微观形貌无异�！�
采用能谱仪对SEM 试样进行分析,发现瓷件 断面主要含有 C、O、Al、Si等元素。说明该绝缘子 属于硅质瓷[5]。
2 综合分析
泥料制备是瓷绝缘子生产过程中的首道工序, 在泥料制备过程中,泥料中存在杂质(与泥料成分不 同)、硬泥核(与泥料成分相同,软硬不同)以及真空 练泥机等设备揉练不彻底、搅拌不均匀等因素,均有 可能造成瓷件内部产生夹杂缺陷[6]。瓷绝缘子是由 各种硅酸盐原料在高温下烧结而成的无机绝缘材料 体,泥料中含有无机物等杂质,在煅烧过程中这类杂 质作为气体排放,真空练泥机真空度不足、干燥过程 工艺控制不当、泥料粒度不均等因素,可能导致瓷绝 缘子产生裂纹缺陷[7]。瓷件内侧和外侧的夹杂、裂 纹等缺陷会显著降低瓷绝缘子的强度[8]。
该断裂悬式瓷绝缘子铁帽镶嵌瓷件部分内侧和 外侧的水泥胶合剂断面均有大小不等的孔洞,且内 侧胶装贴合面呈部分分离状态,结合该瓷绝缘子的 运行环境,可以判定该瓷绝缘子在运行中受串联或 者导线自身载荷的影响,在风振作用下产生舞动,使 水泥胶合剂的结合强度发生变化。雨水沿铁帽头部 位置胶合开裂处渗入到胶合剂内,受水泥胶合剂热 胀冷缩性能的影响,且铁帽受风振摆动时受力不均, 最终导致胶合剂和铁帽芯棒之间的胶合面发生部分 分离。瓷件颈部位置,即盘型法兰内腔部位受绝缘 子串联摆动的影响,存在间隙的胶合位置发生碰磨, 使瓷件表面釉层受到破坏,水分子沿釉层破坏区域 进入到瓷件本体。瓷绝缘子在制造过程中本身带有 裂纹等缺陷,且铁帽和盘型瓷件结合位置的截面尺 寸急剧变化,是应力最为集中的区域。在长期受力 不均匀的状态下,裂纹不断扩展,瓷件中进入的水分 子与瓷件中的玻璃相在裂纹尖端处发生应力诱导化 学反应,进一步促进了裂纹扩展,裂纹的扩展同时还 会加剧水分子进入的数量和深度[9]。在排除绝缘子 表面污秽影响的条件下,水分子进入到绝缘子瓷件 本体内部,其表象特征是引起瓷绝缘子发热,原因是 在工频电场作用下,瓷件内部的水分子发生转向极 化,在此过程中水分子相互摩擦,产生的热量导致局 部温度升高,最终导致瓷绝缘子发热。
3 结论与建议
该悬式瓷绝缘子断裂的原因为:瓷绝缘子本体存在夹杂、裂纹缺陷,在运行过程中,受运行环境、胶 合强度等因素影响,水泥胶合部位发生分离,水分子 进入瓷件本体,进而引起发热现象;瓷件发热产生的 热效应加速了裂纹的扩展,夹杂、裂纹缺陷显著降低 了瓷绝缘子的强度,当瓷绝缘子摆动时产生的载荷 大于其残余抗拉强度时,瓷绝缘子在颈部应力集中 位置发生断裂。
建议在制备瓷绝缘子过程中确保设备的真空 度,对练泥后泥饼的质量进行抽检;制备完成后,应 逐只进行温度循环试验,然后抽样进行断面形貌观 察,并进行孔隙率测试;对服役时间较长的悬式瓷绝 缘子,应利用红外测温等技术手段加大巡检力度,发 现瓷件有发热迹象,应及时进行更换处理。
参考文献:
[1] 高博,闫振华,周利军,等.钢脚轻微松动对悬式瓷绝 缘子性能的影响研究[J].电瓷避雷器,2019(4):223- 229.
[2] 黄新波,张菲.基于曲线拟合的悬式绝缘子串外力破 损检测技术[J].高压电器,2015,51(11):116-121.
[3] 龙成.特高压输电塔悬挂式绝缘子串(组)的风致振动 研究[D].成都:西南交通大学,2016.
[4] 夏令志,程登峰,秦金飞,等.一起220kV架空输电线 路双伞型瓷绝缘子炸裂故障分析[J].电气技术,2017 (9):72-74.
[5] 刘义敏.浅谈瓷绝缘子的生产工艺及烧成[J].电气技 术与经济,2020(4):32-33.
[6] 孟将,陈国宏,刘俊建,等.支柱绝缘子陶瓷材料的结 构与性能[J].理化检验(物理分册),2015,51(1):8- 12.
[7] 蒋云,王维东,蔡红生.瓷支柱绝缘子及瓷套超声波检 测[M].北京:中国电力出版社,2017.
[8] 王敏,李晓红,钟永和.隔离开关瓷瓶的有限元分析与 临界裂纹尺寸计算[J].高压电器,2006,42(3):188- 189.
[9] 关振铎,张中太,焦金生.无机材料物理性能[M].北 京:清华大学出版社,2011.
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