摘 要:在某500kV變電站運行過程中,其懸式瓷絕緣子發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、滲透檢測、 掃描電鏡及能譜分析等方法對該懸式瓷絕緣子斷裂的原因進行分析。結(jié)果表明:該懸式瓷絕緣子 瓷件本體存在夾雜、裂紋缺陷,且瓷件和鐵帽膠合部位發(fā)生開裂;在長期露天環(huán)境下運行,受環(huán)境和 載荷等外在因素的影響,水分子通過膠合開裂部位進入瓷體,引起瓷體發(fā)熱,瓷件內(nèi)部的熱效應作 用誘導裂紋加速擴展,瓷件強度顯著下降,最終瓷絕緣子在應力最為集中的頸部位置發(fā)生斷裂。 

關鍵詞:懸式瓷絕緣子;膠合開裂;夾雜;應力集中 

中圖分類號:TB32;TG115.2                                文獻標志碼:B                               文章編號:1001-4012(2023)07-0061-03

懸式絕緣子是輸電線路、發(fā)電廠、變電站母線等 與其他電氣設備連接的絕緣件,其主要作用是懸掛 導線和絕緣,其中球窩連接狀盤型懸式絕緣子具有 裝卸方便、可帶電更換等優(yōu)點,在高壓、超高壓和特 高壓工程中得到了廣泛應用[1]。懸式絕緣子的主要 材料類型有陶瓷、玻璃和復合材料等,在變電工程 中,瓷絕緣子應用較多,其運行環(huán)境通常極為惡劣, 且受電場強度、運行環(huán)境和機械載荷等多重因素的 影響[2],因此懸式瓷絕緣子的安全性應重點關注。 運行過程中,瓷絕緣子除了要承受因載荷影響而產(chǎn) 生的拉應力,還要承受導線舞動所帶來的振動載荷; 在季風季,受颶風影響,瓷絕緣子還將承受沖擊載 荷[3],易發(fā)生斷裂等故障[4]。 

某500kV變電站在運行過程中懸式瓷絕緣 子發(fā)生斷裂,該瓷絕緣子在斷裂之前曾被檢出過 發(fā)熱故障(見圖1),發(fā)生發(fā)熱故障的懸式瓷絕緣子 溫度為41.6℃,環(huán)境溫度為20.1 ℃,對其余瓷絕 緣子進行紅外測溫,溫度均約為34℃。筆者采用一系列理化檢驗方法查明了該瓷絕緣子斷裂的原 因,并 提 出 了 改 進 建 議,以 避 免 該 類 事 故 再 次 發(fā)生。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

斷裂懸式瓷絕緣子的宏觀形貌如圖2所示。 由圖2可知:瓷絕緣子沿頸部平整斷裂,鐵帽(球 頭掛環(huán))鑲嵌瓷件部分和盤型瓷件本體發(fā)生整體 分離,斷口形貌符合載荷作用下的拉應力失效特 征;鐵帽鑲嵌瓷件區(qū)域的內(nèi)、外側(cè)水泥膠合劑均存 在大小不等的孔洞,且內(nèi)側(cè)膠合劑和瓷件部位發(fā) 生部分脫離;盤型瓷件本體區(qū)域斷口外側(cè)可見夾 雜缺陷,內(nèi)圈近腔口處有疑似裂紋,且瓷件腔內(nèi)表 面碰磨痕跡明顯。

1.2 滲透檢測 

對盤型瓷件斷口部位進行滲透檢測,滲透時間 約為15min,結(jié)果如圖3所示,可見斷口處有2條 長度分別約為6mm和9mm的裂紋,9mm裂紋區(qū) 域附近還有多條微小裂紋;斷口外側(cè)可見夾雜缺陷, 缺陷表面存在疏松、開裂現(xiàn)象。

1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析 

將斷裂瓷件中間厚實部位擊碎,對碎片斷面進 行SEM 分析,結(jié)果如圖4所示,可見瓷件主要由晶 體相、玻璃相和氣體組成,微觀形貌無異常。 

采用能譜儀對SEM 試樣進行分析,發(fā)現(xiàn)瓷件 斷面主要含有 C、O、Al、Si等元素。說明該絕緣子 屬于硅質(zhì)瓷[5]。

2 綜合分析 

泥料制備是瓷絕緣子生產(chǎn)過程中的首道工序, 在泥料制備過程中,泥料中存在雜質(zhì)(與泥料成分不 同)、硬泥核(與泥料成分相同,軟硬不同)以及真空 練泥機等設備揉練不徹底、攪拌不均勻等因素,均有 可能造成瓷件內(nèi)部產(chǎn)生夾雜缺陷[6]。瓷絕緣子是由 各種硅酸鹽原料在高溫下燒結(jié)而成的無機絕緣材料 體,泥料中含有無機物等雜質(zhì),在煅燒過程中這類雜 質(zhì)作為氣體排放,真空練泥機真空度不足、干燥過程 工藝控制不當、泥料粒度不均等因素,可能導致瓷絕 緣子產(chǎn)生裂紋缺陷[7]。瓷件內(nèi)側(cè)和外側(cè)的夾雜、裂 紋等缺陷會顯著降低瓷絕緣子的強度[8]。 

該斷裂懸式瓷絕緣子鐵帽鑲嵌瓷件部分內(nèi)側(cè)和 外側(cè)的水泥膠合劑斷面均有大小不等的孔洞,且內(nèi) 側(cè)膠裝貼合面呈部分分離狀態(tài),結(jié)合該瓷絕緣子的 運行環(huán)境,可以判定該瓷絕緣子在運行中受串聯(lián)或 者導線自身載荷的影響,在風振作用下產(chǎn)生舞動,使 水泥膠合劑的結(jié)合強度發(fā)生變化。雨水沿鐵帽頭部 位置膠合開裂處滲入到膠合劑內(nèi),受水泥膠合劑熱 脹冷縮性能的影響,且鐵帽受風振擺動時受力不均, 最終導致膠合劑和鐵帽芯棒之間的膠合面發(fā)生部分 分離。瓷件頸部位置,即盤型法蘭內(nèi)腔部位受絕緣 子串聯(lián)擺動的影響,存在間隙的膠合位置發(fā)生碰磨, 使瓷件表面釉層受到破壞,水分子沿釉層破壞區(qū)域 進入到瓷件本體。瓷絕緣子在制造過程中本身帶有 裂紋等缺陷,且鐵帽和盤型瓷件結(jié)合位置的截面尺 寸急劇變化,是應力最為集中的區(qū)域。在長期受力 不均勻的狀態(tài)下,裂紋不斷擴展,瓷件中進入的水分 子與瓷件中的玻璃相在裂紋尖端處發(fā)生應力誘導化 學反應,進一步促進了裂紋擴展,裂紋的擴展同時還 會加劇水分子進入的數(shù)量和深度[9]。在排除絕緣子 表面污穢影響的條件下,水分子進入到絕緣子瓷件 本體內(nèi)部,其表象特征是引起瓷絕緣子發(fā)熱,原因是 在工頻電場作用下,瓷件內(nèi)部的水分子發(fā)生轉(zhuǎn)向極 化,在此過程中水分子相互摩擦,產(chǎn)生的熱量導致局 部溫度升高,最終導致瓷絕緣子發(fā)熱。

3 結(jié)論與建議 

該懸式瓷絕緣子斷裂的原因為:瓷絕緣子本體存在夾雜、裂紋缺陷,在運行過程中,受運行環(huán)境、膠 合強度等因素影響,水泥膠合部位發(fā)生分離,水分子 進入瓷件本體,進而引起發(fā)熱現(xiàn)象;瓷件發(fā)熱產(chǎn)生的 熱效應加速了裂紋的擴展,夾雜、裂紋缺陷顯著降低 了瓷絕緣子的強度,當瓷絕緣子擺動時產(chǎn)生的載荷 大于其殘余抗拉強度時,瓷絕緣子在頸部應力集中 位置發(fā)生斷裂。 

建議在制備瓷絕緣子過程中確保設備的真空 度,對練泥后泥餅的質(zhì)量進行抽檢;制備完成后,應 逐只進行溫度循環(huán)試驗,然后抽樣進行斷面形貌觀 察,并進行孔隙率測試;對服役時間較長的懸式瓷絕 緣子,應利用紅外測溫等技術(shù)手段加大巡檢力度,發(fā) 現(xiàn)瓷件有發(fā)熱跡象,應及時進行更換處理。 

參考文獻: 

[1] 高博,閆振華,周利軍,等.鋼腳輕微松動對懸式瓷絕 緣子性能的影響研究[J].電瓷避雷器,2019(4):223- 229. 

[2] 黃新波,張菲.基于曲線擬合的懸式絕緣子串外力破 損檢測技術(shù)[J].高壓電器,2015,51(11):116-121. 

[3] 龍成.特高壓輸電塔懸掛式絕緣子串(組)的風致振動 研究[D].成都:西南交通大學,2016. 

[4] 夏令志,程登峰,秦金飛,等.一起220kV架空輸電線 路雙傘型瓷絕緣子炸裂故障分析[J].電氣技術(shù),2017 (9):72-74. 

[5] 劉義敏.淺談瓷絕緣子的生產(chǎn)工藝及燒成[J].電氣技 術(shù)與經(jīng)濟,2020(4):32-33. 

[6] 孟將,陳國宏,劉俊建,等.支柱絕緣子陶瓷材料的結(jié) 構(gòu)與性能[J].理化檢驗(物理分冊),2015,51(1):8- 12. 

[7] 蔣云,王維東,蔡紅生.瓷支柱絕緣子及瓷套超聲波檢 測[M].北京:中國電力出版社,2017. 

[8] 王敏,李曉紅,鐘永和.隔離開關瓷瓶的有限元分析與 臨界裂紋尺寸計算[J].高壓電器,2006,42(3):188- 189. 

[9] 關振鐸,張中太,焦金生.無機材料物理性能[M].北 京:清華大學出版社,2011. 

<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:61-63)>