摘 要:某110kV变电站高压支柱瓷绝缘子发生断裂,采用宏观观察、孔隙性试验、扫描电镜和 能谱分析、X射线衍射分析等方法对其断裂原因进行分析。结果表明:烧制工艺控制不当使绝缘子 心部出现黄色区域;法兰水泥胶装部位存在气孔缺陷、环境温度骤变等也是导致绝缘子强度下降的 原因。
关键词:高压支柱瓷绝缘子;气孔;胶装缺陷;断裂
中图分类号:TG115.2;TB30 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)08-0071-04
支柱瓷绝缘子是电力系统的重要组成部分,起 到支撑导线和绝缘的作用,具有耐高温、耐磨损、耐 腐蚀、抗氧化等优点[1]。支柱瓷绝缘子运行过程中 温差较大,以及导体发热等因素会使瓷绝缘子内部 产生热应力集中,从而诱发微裂纹,导致其性能及可 靠性降低[2]。支柱瓷绝缘子属于脆性材料,韧性 低[3]。
电力系统中支柱瓷绝缘子由上、下金属附件和 绝缘件 (瓷件,主要有铝质瓷和硅质瓷两种)通过胶 合剂胶合或机械卡装而成,主要分为户内和户外支 柱瓷绝缘子。高压支柱瓷绝缘子可以分为不同等 级:按额定电压分包括7.2,12,24,40.5,72.5,126, 252,362,550kV等9个等级,其中户内绝缘子仅包 括7.2~40.5kV等级;按机械强度(弯曲)分包括2, 4,8,16,25kN等5个等级。户内支柱绝缘子按结 构可分为外胶装、内胶装和联合胶装3个系列,户外 支柱绝缘子主要有针式和棒形两个系列。针式柱状 绝缘子主要用于低压配电线路和通信线路,而棒形 柱状绝缘子则主要用于高压变电站。
某110kV变电站高压支柱瓷绝缘子C相的底 部法兰附近发生断裂,同时 A、B两相支柱绝缘子的 连接导线处于应力松弛状态,没有直接受到外力作 用,支柱瓷绝缘子断裂现场如图1所示。笔者采用 一系列理化检验方法分析其断裂原因,并提出了相 应的解决措施,结果可为支柱瓷绝缘子的监督和运 行提供参考[4]。
1 理化检验
1.1 宏观观察
检查绝缘子断口,发现其断面崭新,没有陈旧的 痕迹,表面有部分被尘土污染的区域。绝缘子断面 宏观形貌如图2所示,在断面的中心,有明显发黄的圆形区域,直径约为33mm(见图3)。绝缘子水泥 胶装部位存在较多的密集型气孔缺陷,部分气孔的 长度达到12mm(见图4)。
1.2 孔隙性试验
依据 GB/T8287.1—2008《标 称 电 压 高 于 1000V系统用户内和户外支柱绝缘子 第1部 分:瓷或玻璃绝缘子的试验》,取绝缘子外缘的正 常瓷和中心黄白相间部位的绝缘子碎块(见图5) 进行孔隙性试验,试验后把试样从溶液中取出,冲 洗试样后干燥,并再次将其敲碎,观察新敲击开的 表面。中心发黄区域瓷碎块新敲击开的表面存在 较明显的染料渗透现象,而正常瓷碎块新敲击开 表面的渗透现象不明显。孔隙性试验后碎块的宏 观形貌如图6所示。
1.3 扫描电镜(SEM)和能谱分析
在支柱瓷绝缘子的正常瓷和中心发黄区域分别 切取厚度为5~8mm薄片试样,研磨并抛光试样表面。用无水乙醇溶液清洗试样15min,用体积分数 为10%的氢氟酸溶液酸蚀试样5min,之后烘干,对 试样表面进行喷金处理约100s。
用扫描电镜观察支柱瓷绝缘子的正常瓷和心部 黄色区域的显微组织,结果如图7所示,由图7可 知:心部黄色区域的气孔率明显高于正常瓷的气孔率,而且气孔的直径较大,心部黄色区域存在部分不 规则形状的气孔;黄心部位的气孔、疏松缺陷比较明 显,石英颗粒区域存在异常粗大、脱黏、微裂纹等 缺陷。
对故障支柱瓷绝缘子材料进行能谱分析,结果 如图8所示。由图8可知:SiO2 的质量分数约为 72%,Al2O3 的质量分数约为19%,其他氧化物的 质量分数约为9%,可知该绝缘子材料属于硅质瓷。
1.4 X射线衍射(XRD)分析
分别取故障绝缘子心部黄色区域瓷和正常瓷部 分制作试样,对其进行研磨、抛光、清洗、烘干处理, 采用 X射线衍射仪对试样进行 XRD分析,分析图 谱如图9,10所示,试样物相的 XRD定量分析结果 如表1所示。由表1可知:两个试样的主要晶相为 莫来石相、石英相和少量刚玉相,两者晶相含量差别 不大,心部黄色区域瓷的 Fe2O3 含量略高于正常 瓷,且正常瓷的FeO含量略高于心部黄色区域瓷。
2 综合分析
气孔的数量、大小、形态在一定程度上能够反映 出材料的质量问题。因为材料气孔部位容易产生应 力集中,增加介电损耗,对支柱绝缘子的力学性能有明显弱化作用。同时,气孔的形状也会影响到材料 中莫来石相的生长,并形成尺寸较大的莫来石相,从 而降低电瓷材料的强度。
支柱瓷绝缘子材料主要有铝质瓷和硅质瓷两 种。铝质瓷晶体主要由刚玉相、莫来石相等组成,硅 质瓷晶体主要由莫来石相、石英颗粒相等组成。由 能谱分 析 结 果 可 知,该 绝 缘 子 氧 化 硅 含 量 约 为 70%,属于硅质瓷。硅质瓷绝缘子的结构比较疏松, 气孔相含量较高,石英相颗粒与基体的界面结合不 紧密,常出现脱黏现象。石英颗粒具有脆性大、与基 体的热膨胀系数不匹配等特征[5],在其周围容易伴 生显微裂纹,并发生裂纹聚集扩展,从而使材料的强 度下降。该故障绝缘子的显微组织形貌表明,其存 在较多的气孔缺陷,石英颗粒较粗大,存在与基体脱 黏、微裂纹等缺陷,这些缺陷均会降低支柱绝缘子的 力学性能。另外,刚玉的弹性模量要比石英的弹性 模量高得多,同时也高于莫来石的弹性模量[6](见表 2),随着刚玉晶相含量的降低,支柱瓷绝缘子的强度 也会随之降低。因此,故障瓷绝缘子的力学性能和 稳定性也低于高强度铝质瓷绝缘子。
瓷质绝缘子材料中的铁氧化物均为变价氧化 物,在烧成过程中,其会随炉内气氛的不同生成不同 价的氧化物。在瓷的整个烧制过程中,高温阶段瓷 都处在强还原气氛条件下,直到冷却前,铁的氧化物 均以低价态FeO存在。当还原气氛不足、时间不够 或冷却速率过快时,支柱绝缘子表面Fe2O3 尚可被 还原成FeO,瓷质呈正常的灰白色;而瓷质中心部 分还没来得及被还原,仍以 Fe2O3 的形式存在, Fe3+ 呈黄棕色或红色,与灰白色瓷质结合容易呈现 浅黄色,从而在瓷质心部出现发黄的现象。
调取故障发生时变电站的温度情况,发现在故 障前两天存在最大22℃的温度突变。同时该绝缘 子已经运行了27a,运行过程中环境温度变化会使 其心部与外缘之间发生应力集中和损伤积累,最终 导致材料在外界温度变化的诱因下发生断裂。
瓷质坯体中铁氧化物 Fe2O3 的热膨胀系数低 于FeO的热膨胀系数,如果运行过程中环境温度骤 变,二者热膨胀系数的不同会导致材料产生内应 力[7-9]。
3 结论及建议
支柱绝缘子心部出现黄色区域,绝缘子法兰胶 装部位气孔缺陷、温度骤变造成其产生内应力集中 和损伤累积,使支柱绝缘子的力学性能下降,进而导 致其发生断裂。针对故障原因,提出以下3条改进 建议。
(1)严格控制绝缘子生产制造环节的工艺,把 控产品质量,加强产品出厂前的型式试验和验收。
(2)推荐选用高强度铝质瓷作为支柱绝缘子的 材料,铝质瓷在显微组织、稳定性、力学性能等方面 显著优于硅质瓷。
(3)建议在支柱绝缘子的运行维护过程中,加 强检测预防手段,从而预防断裂事故的发生。
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