0 引言

绝缘子是架空输电线路的重要组成部分, 在架空线路中起到机械固定和电气绝缘的双重作用。绝缘子一般由绝缘体、金属附件和胶合剂3部分组成, 按绝缘体介质材料可分为瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子3种。瓷绝缘子具有良好的绝缘性、耐热性和组装灵活的特点, 广泛应用于不同电压等级架空输电线路^[1]。

瓷绝缘子常年暴露在大气环境中, 受雷击、鸟害、污秽、雨雪等多重因素影响, 长时间运行后其绝缘性能和机械性能下降, 容易产生低值、零值绝缘子, 严重时会导致输电线路绝缘闪络, 发生短路故障。本文针对某110 kV FH线1号塔L3相瓷绝缘子串炸裂事故, 对故障绝缘子进行外观检查及电气、材料性能试验, 综合瓷绝缘子运行状况、事故现场排查情况, 分析瓷绝缘子炸裂事故原因, 并提出相应的防范措施^[2-4]。

1 事故概况

2018-07-24T11:52, 110 kV FH线跳闸。某变电站FH线零序过流Ⅰ段保护动作, 重合不成功, 保护测距0.1 km, 故障相L3相, 故障电流58.9 A, TA (电流互感器)变比600/5, 对侧无信息。

现场检查发现, 110 kV FH线1号钢管杆大号侧L3相(下)绝缘子串, 自横担侧起, 第2-8片绝缘子伞裙炸裂, 除第6片外, 伞裙均坠落地面且铁帽出现不同程度烧蚀, 横担侧第1片绝缘子有明显放电烧蚀痕迹, 如图 1所示。

110 kV FH线于2006年6月投运, 位于内蒙古乌兰察布市境内, 处于高海拔、高寒地区, 冬夏温差较大。线路全长3.348 km, 杆塔18基, 导线型号为LGJ-150/25, 地线为GJ-35型钢绞线和光纤复合架空地线(OPGW), 绝缘等级为d级。2015年中心城区线路改造时, 对FH线1号塔进行了切改, 将角钢塔更换为钢管杆, 且更换了绝缘子。线路跳闸时为雨天、微风, 故障地点地形为丘陵地形。

2 试验分析 2.1 外观检查

对故障瓷绝缘子进行外观检查, 发现钢脚和铁帽不在同一轴线上, 钢脚与铁帽中心线偏心达3 mm; 同时, 几片绝缘子钢脚伸入铁帽尺寸不一致, 长短不一; 此外, 胶装水泥致密度不足, 存在直径10 mm左右的气孔缺陷。从外观检查结果来看, 绝缘子装配质量较差。

2.2 成分及金相检测

对钢脚的化学成分、金相组织进行检测, 结果如表 1和图 2所示。可以看出, 钢脚所用金属材料的化学成分符合GB/T 700-2006《碳素结构钢》对Q235钢的要求; 钢脚金相组织为珠光体+铁素体, 未见异常; 钢脚硬度介于132~139 HB, 符合要求。

观察故障绝缘子瓷件内部存在黄芯现象, 利用显微镜对瓷件显微结构进行检测, 瓷件正常部位的显微结构较为致密, 满足绝缘陶瓷致密度的要求, 而黄芯部位的显微结构则较正常部位疏松, 瓷件内部显微结构如图 3所示。

2.3 电气试验 2.3.1 绝缘电阻测试

使用绝缘摇表对故障绝缘子绝缘电阻进行测试, 选择5000 V档, 测绝缘电阻值R_60s。第1片绝缘子绝缘电阻值为895 GΩ, 满足GB 50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》16.0.2条用于330 kV及以下电压等级的悬式绝缘子的绝缘电阻值不应低于300 MΩ"的要求。在测量第2-8片绝缘子绝缘电阻时, 电压无法升至5 kV, 在电压升至1 kV左右时, 泄漏电流已达绝缘摇表最大允许值, 绝缘子击穿, 同时出现异常放电声音。选择500 V档, 再次对第2-8片绝缘子进行绝缘电阻测试, 绝缘电阻均小于5 MΩ。绝缘电阻测试结果如表 2所示。

2.3.2 工频交流耐压试验

GB 50150-2016中16.0.3条规定, 悬式绝缘子的交流耐压试验电压应为60 kV。对伞裙未炸裂的第1片绝缘子进行工频交流耐压试验, 将瓷绝缘子一端接地, 另一端加压, 电压设定为60 kV, 耐压时间为1 min, 若不发生击穿或闪络, 则交流耐压试验通过。在加压至54 kV时, 绝缘子发生沿面闪络, 耐压试验未通过。

3 事故原因分析 3.1 事故原因推测

由电气试验结果可知, 第1片绝缘子未被击穿, 但绝缘性能有所下降, 闪络电压低于60 kV; 第2-8片绝缘子绝缘电阻均小于5 MΩ, 已被击穿, 属于零值绝缘子。因此可以推断, 故障发生时的放电通道如图 4所示。

结合故障时天气和现场排查情况, 对事故原因进行排查。

(1)  雷击过电压造成绝缘子伞裙炸裂。故障时虽为雨天, 但经查询雷电定位系统, 故障区域没有雷电活动信息, 因此排除雷击过电压造成绝缘子伞裙炸裂的可能。

(2)  绝缘子产品质量存在问题。由外观检查及金相检测结果可知, 故障绝缘子脚帽同轴度较差、胶装水泥致密度不足, 存在气孔缺陷, 瓷件内部存在黄芯, 黄芯部位显微结构较为疏松, 反映出该批次绝缘子烧制和装配质量较差。绝缘子生产质量不良, 导致在运行过程中绝缘劣化速度过快。

质量不佳的绝缘子会随时间的增长绝缘性能下降, 变成低值、零值绝缘子。故障跳闸时为雨天, 绝缘子绝缘性能下降, 易发生沿面闪络。如果绝缘子串中有零值(或低值)绝缘子, 则相当于部分绝缘被短路, 相应增加了闪络概率。若有零值的绝缘子串发生闪络, 零值绝缘子内部流过极大的短路电流, 产生的热效应引起水泥胶合剂膨胀, 会造成铁帽或伞裙炸裂。

(3)  关于悬式绝缘子安装时的交接试验, GB 50150-2016、DL/T 626-2015《劣化悬式绝缘子检测规程》均规定应进行绝缘电阻测量。但在查阅相关资料时, 无法找到同批次绝缘子安装前绝缘电阻测量报告, 怀疑安装前该批次绝缘子并未进行绝缘电阻测量, 可能导致劣化绝缘子"带病"投入运行。FH线1号塔从切改至故障发生期间, 未对更换后的瓷绝缘子进行零值检测, 导致绝缘子串中存在零值绝缘子的隐患未被及时发现。试验项目的缺失为事故的间接原因。

3.2 结论

综合以上分析认为:

(1)  本次事故的主要原因为绝缘子产品质量较差, 瓷绝缘子劣化, 绝缘子串中存在零值绝缘子, 雨天时绝缘子外绝缘性能下降, 发生闪络放电, 零值绝缘子内部流过较大的短路电流, 导致水泥胶合剂膨胀, 造成伞裙炸裂。

(2)  事故间接原因为投运前绝缘电阻测试、投运后零值测试等试验项目缺失, 导致零值绝缘子长时间存在, 未及时更换。

4 瓷绝缘子劣化原因及防范措施 4.1 瓷绝缘子劣化原因

造成瓷绝缘子劣化, 出现低值、零值绝缘子的原因主要包括3方面。

(1)  高压电瓷材料自身缺陷。绝缘子一般由绝缘体、金属附件和胶合剂3部分组成。高压电瓷材料作为瓷绝缘子的绝缘部分, 具有较好的耐电晕、耐电弧以及抗老化性能, 但存在介质损耗较大, 在高温、高频作用下易击穿等缺陷。在实际运行过程中, 在雷电流等高频、高温作用下, 绝缘子绝缘性能会下降。

(2)  制造工艺问题。瓷质绝缘子在制造过程中若工艺控制不当可造成微气孔、微裂纹, 金属附件与瓷质材料热膨胀系数不同可造成空隙等缺陷, 运行中微裂纹等缺陷会进一步发展, 劣化为低值、零值绝缘子。

(3)  经年老化问题。运行中的绝缘材料、水泥胶合剂及金属附件在长期机电负荷及温度变化影响下, 不可避免地出现自然老化, 绝缘性能下降甚至完全丧失。

通常情况下, 瓷绝缘子在投运后的2~3 a内老化率稍高, 产品质量越差, 早期老化率就越高; 之后, 约有15 a的稳定期, 老化率稳定在0.1%左右; 约20 a后, 老化率又开始大幅增加, 并进入衰老期, 老化率曲线总体呈浴盆形^[5]。

4.2 防范措施

结合本次事故分析及瓷绝缘子劣化原因分析, 提出以下防范措施。

(1)  严格规范绝缘子出厂监造流程, 提高产品出厂质量; 加强绝缘子施工安装、验收工作, 避免劣化绝缘子投入运行。

(2)  按规程要求进行零值检测, 及时更换低值、零值绝缘子。质量良好的绝缘子的击穿电压一般比表面闪络电压高30%~50%, 因此, 当绝缘子的两端出现过电压时, 只会引起表面闪络, 不会造成内部击穿, 也不会影响其内部的绝缘强度。当绝缘子发生老化, 变成低值、零值绝缘子时, 其击穿电压小于表面闪络电压, 一旦外部出现过电压, 将造成绝缘子内部击穿, 闪络的工频续流将流过老化绝缘子的内部, 导致绝缘子铁帽或伞裙炸裂, 从而引起掉串事故。因此应及时更换低值、零值绝缘子。

(3)  必要时更换为钢化玻璃绝缘子。玻璃绝缘子具有零值自破、免于测零、不易老化等优点, 但由于制造工艺问题, 玻璃绝缘子存在自爆率高的问题, 同时需要加强清扫工作避免污闪事故发生。