0 引言

目前瓷质绝缘套管广泛应用于超高压变电站输变电设备中，在极端条件下瓷质套管内部存在击穿风险，放电电流发生电热化学反应，导致瓷质套管内部压力急剧增大、温度升高，当超过设计耐受极限时，瓷质套管瞬间就会发生爆炸，导致瓷质碎片四散飞溅，对周围输变电一次设备造成损害，甚至伤及人员。

套管爆炸后瓷质碎片分散范围广、飞行速度快，是事故危害扩大的主要因素。为降低爆炸后瓷质碎片的危害程度，应考虑以下2点：一是减少瓷质碎片的数量；二是减小瓷质碎片的动能。防污闪复合涂料（以下简称PRTV）可用于提高瓷质绝缘子的防污闪性能^[1]，本文对一种具有防爆破飞溅作用的PRTV涂料在500 kV断路器瓷质套管上的应用进行了分析，通过理论计算与试验验证，为防爆破飞溅涂料应用积累经验，也为瓷质套管防爆处理提出合理措施和建议。

1 技术路线与试验对象 1.1 技术路线

本项目以如何在设备瓷质套管发生爆裂时将危险降到最低为研究目的，提出在瓷质套管表面涂刷防爆破飞溅涂料的防爆方法，将套管爆破时瓷质碎片飞溅范围控制在安全范围内（不损坏相邻间隔的设备），使得瓷质碎片数量减少、裂块均匀，减小瓷质碎块飞溅释放动能，并减少锋利的边角，保证飞溅的瓷质碎片不会对周边其他设备以及人员造成伤害。

为检验涂敷厚度对防爆效果的影响，对2支500 kV断路器瓷质套管进行试验，涂敷厚度分别为1.3 mm和2 mm。为了模拟实际套管爆裂过程，试验采取模拟枪击动能冲击的方式，以电镐冲击套管局部，造成局部开裂，进而引起整支套管爆裂。根据瓷质套管爆裂现场瓷质碎片飞溅分布情况，对防爆破飞溅涂料的性能和效果进行分析和验证。

1.2 试验对象 1.2.1 防爆破飞溅涂料

在污秽条件下，运行绝缘子表面常涂敷一层常温固化硅橡胶防污闪涂料（简称RTV涂料），能显著提高瓷质绝缘子的污闪电压^[2]。RTV涂料和PRTV涂料的主要成分都是硅橡胶，但PRTV涂料具有优于RTV涂料的憎水性、憎水迁移性、憎油性和良好的不黏性^[3]；缺点是两者的机械性能都较差，抗外力、抗撕裂能力不足。

剪切强度、抗撕裂强度、拉伸强度和扯断伸长率是考量硅橡胶涂料机械性能的主要指标，通过测试剪切应力、撕裂应力、拉伸应力^[4-6]3种在外力作用下试品发生物理破坏时的耐受值，结合其他参量计算得出机械性能主要指标。要提高硅橡胶涂料的机械强度，需要通过配置工艺筛选加入最佳的补强填充剂^[7]。某公司通过在PRTV涂料中添加补强剂，研制出一种防爆破飞溅涂料。通过专业性能检测，主要电气性能和机械性能指标均满足DL/T 627— 2012《绝缘子用常温固化硅橡胶涂料》^[8]的要求（见表 1所示）。

由表 1可知，在试验瓷板表面涂敷防爆破飞溅涂料后，试验瓷板的剪切强度、抗撕裂强度、拉伸强度和扯断伸长率分别提升了4.67%、127%、101%和47.2%。由此可以推断，在瓷质套管表面涂敷防爆破飞溅涂料后，瓷质套管的剪切强度、抗撕裂强度、拉伸强度及扯断伸长率也会有所提升，瓷质套管发生爆炸后瓷质碎片的数量会相应减少、动能将有所降低。

1.2.2 试验套管

本次试验套管为国内某制造厂家生产的2支500 kV断路器瓷质套管，试验套管与目前500 kV变电站在运套管属同批次采购，生产日期为2012年。作为备用器件，设备型号和参数与在运瓷质套管一致，瓷质套管内部釉面光滑，外表面无破损痕迹，在网内无使用记录。瓷质套管相关参数见表 2。在运500 kV瓷质套管尺寸如图 1所示。

2 飞散轨迹理论计算

对2支试验套管在立式状态下实施爆破，试验套管炸裂后，忽略空气阻力，瓷质碎片的运动轨迹可以抽象为以一定的初速度抛出、只受重力作用的抛体运动，如图 2所示。

图 2中，以顶端碎片为例，V₀为瓷质碎片初速度，H为瓷质碎片对地的垂直高度，S为瓷质碎片落地后的水平距离。为了便于估算，假定试验套管和在运套管炸裂时的碎片做平抛运动，各碎片初速度均相同，套管顶端碎片飞溅水平距离最远。实际运行时500 kV瓷质套管碎片飞出的水平距离为S₁（相对距离），试验套管碎片飞出的水平距离为S₂（相对距离），基于牛顿第二定律及推论，在运套管和试验套管发生爆炸后的碎片飞溅距离关系如公式（1）所示。

(1)

式中H₁—在运套管爆炸时飞溅瓷质碎片的初始高度，H₁∈[2784，6844]；

H₂—试验套管爆炸时飞溅瓷质碎片的初始高度，H₂∈[200，4800]；

T_H—瓷质碎片飞行距离系数。

在运套管爆炸时飞溅瓷质碎片的初始高度H₁∈[2784，6844]，如图 3所示，其中sinθ=0.8826。

由图 3中的几何关系建立瓷质套管碎片飞行距离系数T_H，如公式（2）所示。

(2)

其中，t为瓷质套管轴向某点距瓷质套管底部的距离，t∈[0, 4600]。

涂敷有防爆破飞溅涂料的瓷质套管发生爆炸后，在假定理想条件下，若试验套管某处碎片飞出的距离S₂已测出，则在运套管发生爆炸后相同位置碎片飞出的距离的倍数可以根据公式（2）计算得出。根据本次试验假定条件，最远飞溅碎片位于套管顶端，即t=4600，测算出T_H=1.19，因此在运套管顶端碎片水平飞溅距离S₁为试验套管顶端碎片水平飞溅距离S₂的1.19倍。

3 试验过程 3.1 试验准备

本次试验地点选取内蒙古自治区呼和浩特市郊区空旷地带，四周地势平坦，试验区域无建筑物和树木遮挡。试验当天天气晴朗，无风，温度20 ℃。测试对象为2支表面涂刷有防爆破飞溅涂料的500 kV断路器瓷质套管，涂层厚度分别为2 mm和1.3 mm。瓷质套管底端对地距离为200 mm，顶端对地距离为4800 mm，上下法兰与套管采用螺栓连接，中间加石棉垫，结合面涂敷液体密封胶密封。下法兰设有充气孔，连接充气管、气压表和球阀开关等气路组件。为了模拟套管在实际运行下的状态，2支试验套管内均充有0.6 MPa空气，与在运套管额定气体压力一致。试验由图 4所示的电动机构触发。触发机构尖端高度约1 m，位置处于套管直径较大部位。

3.2 试验经过

套管爆破现场要求人员撤离到安全距离以外，开启录像设备，接通电镐电源，连续冲击套管瓷体，直至套管爆裂。图 5所示涂层厚度为2 mm的试验套管在冲击爆破时碎片飞溅过程。

3.3 试验结果

（1）由瓷质碎片飞溅过程可知，瓷质套管爆破瞬间内部喷出一圈白色瓷质粉末，瓷质材料几乎未膨胀即发生了爆裂，瓷质碎片在内部气体压力作用下初速度达到最大值后立即向四周飞散。碎片形态分布如图 6a所示。瓷质绝缘子均沿着上下方向的轴向和圆周方向的周向分解爆裂，且几乎所有的瓷质碎片轴向长度均大于周向长度，碎片呈现有多个伞裙的长条立体形态。

（2）涂有防爆破飞溅涂料的套管炸裂后，碎片大部分尺寸较大（见图 6b）。从图 6b可以看出，防爆破飞溅涂料起到了碎片间的粘连作用，即使伞裙出现裂痕，碎片间的粘连作用仍十分明显。通过对涂有不同涂层厚度的瓷质套管进行比较，涂有2 mm涂层的瓷质套管炸裂后，瓷质碎片单块体积明显大于1.3 mm涂层，且碎片数量也明显少于1.3 mm涂层。

（3）套管破碎后产生飞散碎片，基本以测试套管为圆心随机分布。大块瓷质碎片的体积较大，初始速度小，风阻大，飞散距离较近，然而仍有小块瓷质碎片飞出。涂层厚度为1.3 mm的套管小块碎片飞出最远距离为36 m，涂层厚度为2 mm的套管小块碎片飞出最远距离为26 m。

（4）在假定理想条件下，根据公式（2）计算得出，实际运行套管发生爆炸后碎片飞出的距离S₁是试验套管碎片飞出的距离S₂的1.19倍。由此可以估算，涂层厚度为1.3 mm时，在运套管炸裂时小块碎片飞出的最远距离为42.84 m；涂层厚度为2 mm时，在运套管炸裂时小块碎片飞出的最远距离为30.94 m。

4 结论和建议

目前，国内未涂防爆破飞溅涂料的瓷质套管发生爆炸后，碎片分布区域多为60~70 m。涂敷防爆破飞溅涂料的试验套管涂层厚度为2 mm时，估算实际运行瓷质套管炸裂时小块碎片飞出的最远距离为30.94 m，防爆破飞溅涂料对减小瓷质碎片的动能、减少瓷质碎片数量起到了较大作用，但防护作用和效果与预期相比仍存在差距。具体分析如下。

（1）防爆破飞溅涂料能够起到碎片间的粘连作用，涂层厚度越大，瓷质套管发生爆炸后碎片间的粘连作用越强，碎片数量越少，飞溅距离也越短，增加涂层的厚度会明显增强对碎片飞溅的抑制作用，应当从爬电距离、电气绝缘、污秽等级、经济性等方面综合考虑涂层厚度。

（2）试验套管的涂层表面凹凸不平、较为粗糙，喷涂工艺存在厚度不均的缺陷，难以保证防爆破飞溅涂料对套管保护作用的最大化，因此需进一步完善喷涂工艺，保证现场喷涂的施工质量。

（3）近年来，复合套管已在国家电网、南方电网的特高压工程中大量应用，复合套管发生爆炸后，环氧树脂纤维仅会被撕裂，不产生碎片，因此建议将运行风险较大、有家族性缺陷的瓷质套管分批次、分型号更换为复合套管。

5 结语

瓷质套管的爆炸故障是由套管机械强度不足、套管设计制造工艺存在缺陷造成的，涂敷防爆破飞溅涂料或更换复合套管等技术方案只是降低瓷质套管爆炸危害的备选方案，不能完全杜绝类似事故发生^[9]。为避免瓷质套管爆炸，首先，制造厂家应当优化套管设计，提高套管选材质量和制造工艺，认真落实各项反事故措施，提高产品合格率；其次，运维单位应当做好套管和主设备的技术监督工作，应用在线监测、红外测温等技术手段加强对设备运行状态的掌握力度，实现对套管设备状态的动态评估，对有缺陷的套管要及时进行更换，以消除设备隐患，保证电网安全稳定运行。