进口500KV复合绝缘子断裂的原因分析

1、进口500kV复合绝缘子断裂的原因分析包建强 余长水 周立波 黄晓明 吴明祥 郑月忠摘 要本文通过对德国西门子公司、美国可靠公司和德国赫斯特公司产500kV复台绝缘子的断裂原因分析、试验、研究、论证和模拟仿真电场分布理论计算，结果表明：德国西门子公司的复台绝缘子存在严重的质量问题：美国可靠公司的复合绝缘子在采取措施后可以继续使用：德国赫斯特公司非标加工的500kV/300kN级复合绝缘子，其芯棒密实性、渗透性能不符合标准要求；同时，对运行中复合绝缘子的使jj提出了防范措施，井对新建线路复合绝缘子的选用提出了建议。关键词进口 复合绝缘子 断裂 故障原因 分析与研究中图分类号：TM216文献标志码

2、：A文章编号：1009-9239 (2009) 05-0071-061 前言硅橡胶有机复合绝缘子（以下简称复合绝缘子），以其体积小、重量轻、耐冲击、运输安装方便、机械强度高、耐污性能好，以及便于维护或少维护（不需检测低零值、免清扫）等优点而被广泛应用在我国的输电线路上，且总体运行情况良好，并取得和积累了一定的运行经验。与盘型悬式瓷或玻璃绝缘子一样，复合绝缘子亦并非十全十美，也有自身的弱点，如电蚀脆断、憎水性丧失、不明原因闪络等等，尤其是电蚀脆断，往往引起输电线路导线坠落，线路跳闸停电的严重事故，给输电线路乃至电网的安全运行带来极大的危害1。因此，我们对3家国外复合绝缘子生产厂家的500kV复合

3、绝缘子在浙江电网运行中发生的断裂事故情况，进行了深入的原因分析、剖析和试验、研究和论证，以及模拟仿真电场分布理论计算，其得出的结论和提出的建议对复合绝缘子生产制造和优化选用，以及安全运行具有启发意义和实用价值。2 复合绝缘子断裂实例2.1 2002年6月10日，浙江电网输电线路运行单位在正常巡线中发现，500kV北兰5401线#238塔中相和右相(A、C相)双串，面向大号侧各有一支复合绝缘子在导线侧（高压端）断裂，其余4支（包括B相）复合绝缘子均有局部电蚀、放电及严重贯穿性击穿孔；6月13日检查相邻#237塔三相（双串）时发现6支复合绝缘子也有类似情况；相隔35天后，在7月5日，再次发现北兰5

4、401线#216塔的中相（双串）一支复合绝缘子导线侧断裂：2002年12月22日，天兰5455线#202塔A相直线悬垂四串中一支复合绝缘子发生贯穿性击穿，在更换断裂绝缘子串时，发现其他3支也有不同程度的严重电蚀损坏。以上断裂的复合绝缘子均为德国西门子公司的两个不同批次的500KV/180KN级产品，一批为576支，于1999年12月投入北兰5401和5403线运行。另一批546支，于1999年11月投入在北天5409、天兰5455线运行，复合绝缘子实际挂网运行到发生断裂故障时间分别为2年半和3年。2.2 2002年7月16日上午9：48分，500KV兰窑5404线兰亭变频保护、距离高频保护动作

5、，B相开关跳闸，重合不成功，引起三相跳闸；输电线路运行单位故障巡线发现，兰窑5404线#26塔中相（B相）单串复合绝缘子断裂掉串，四分裂导线落在ZMI塔的塔窗内平口上。该复合绝缘子系美国可靠公司的500KV/180KN级产品，运行时间为7年零七个月。2.3 2004年2月24日上午10: 10分，输电线路运行单位在正常巡线中发现，北兰5403线#236塔中相(B相)双串，面向大号侧有一支复合绝缘子断裂。该复合绝缘子系德国赫斯特公司临时专门为重荷载非标加工的500kV/300kN级6支之一，1998年挂网运行产品，运行时间为5年零8个月；断裂处为导线侧（高压端）以上第3-4片裙片处，留有很长的撕

6、裂面，联板单边受力，详见图1、图2。 图1.图2 北兰5403线#236塔德国赫斯特公司复合绝缘子断裂情况以上所有断裂复合绝缘子的线路杆塔均地处封山育林，山青水秀，无明显污染源的清洁绿色生态环境区域。2004年2月24日北兰5403线#236塔断裂复合绝缘子，与2002年6月10日北兰5401线#238塔断裂复合绝缘子的现场环境情况基本一致，同处一座山顶，且均发生在ZM型直线猫头塔中相。距#236塔和#238塔东北方向大约1.52km以外的另一个山岙里有一座小水泥厂，故对该区域污区划定污秽等级为2.3cm/kv.另外，500kv兰窑5404线#26塔断裂复合绝缘子的现场与杆塔两侧线路结构情况与

7、北兰5401线#238塔、北兰5403线#236塔也较为类似，均处在大档距、大高差的山顶，不平衡张力和垂直荷重都比较大。3 复合绝缘了的断裂特征3.1 德国西门子公司复合绝缘子的断裂特征对更换下来的断裂复合绝缘子和其他塔号的有电蚀异常的复合绝缘子进行外观仔细检查，见图3、图4。发现这些复合绝缘子有以下一些特征：(1)断裂复合绝缘子的断裂部位都位于绝缘子导线侧高压端附近：(2)断裂复合绝缘子都有严重的电蚀和局部放电痕迹，裂口始于复合绝缘子端部金具与护套界面结合部位； 图3西门子公司断裂复合绝缘子 图4西门子公司电蚀异常复合绝缘子(3)断裂复合绝缘子贯穿性局部放电延伸部位都有从绝缘子芯棒与护套界面

8、处向护套外的径向击穿孔；(4)异常复合绝缘子都有不同程度电蚀和局部放电形成的径向击穿孔；(5)所有的复合绝缘子两端金具与芯棒护套界面之间采用简单的室温硫化硅橡胶粘结密封，且芯棒与护套粘结不牢固，极易撕裂分离。3.2 美国可靠公司复合绝缘子的断裂特征对更换下来的断裂掉串复合绝缘子进行外观仔细察看见图5。发现：图5美国可靠公司断裂复合绝缘子(I)复合绝缘子断裂在导线侧高压端第2片第3片伞裙之间的护套处，芯棒从护套内撕裂抽芯至第5片伞裙止，从芯棒断裂的断口看，芯棒约3/5截面为水解断裂，断裂部位芯棒酸蚀呈淡黄色，边缘絮状酥化；约2/5截面为撕裂，撕型部分芯棒呈干白状，断裂处芯棒护套断口有一径向贯穿护

9、套的小针孔，距导线端侧第3片第4片伞裙芯棒护套处，也发现有一径向贯穿护套的小针孔：(2)复合绝缘子芯棒护套有偏心的现象，护套层厚度不均匀，其中最薄处小于3mm;(3)整支复合绝缘子的伞裙边缘均呈现出老化性粉状。3.3 德国赫斯特公司复合绝缘子的断裂特征对更换下来的断裂掉串复合绝缘子进行外观仔细察看，见图6、图7。发现图6德国赫斯特公司断裂复合绝缘子(1)复合绝缘子断裂在导线侧高压端第3片第4片伞裙之间的护套处，芯棒从护套内撕裂抽芯并留有很长的撕裂面：(2)断裂复合绝缘子芯棒被电弧严重灼伤，芯棒呈现碳化现象，在距离高压端金具45mm处护套上存在一处深度到达芯棒的电蚀损点。4 试验及分析鉴于上述原

10、因，按照IEC和我国相关标准在国家绝缘子避雷器质量监督检验中心，根据断裂、电蚀异常复合绝缘子的实际情况，有针对性地进行了解剖及有关验证性试验，试验与同批次更换下来外观完好的复合绝缘子同时进行。4.1 德国西门子公司复合绝缘子4 .1.1 绝缘子端部附件连接区及界面性能图7德国赫斯特公司电蚀异常复合绝缘子西门子公司500kV复合绝缘子端部附件连接区及界面性能试验中，经过42h的水煮试验后，三支试品的伞套与芯棒之间均有不同程度的分离现象，见图8，其中#2试品尤为严重。该试品在陡波冲击电压试验中未能通过而被击穿，击穿情况与事故复合绝缘子的现象基本一致。4.1.2 绝缘子芯棒性能西门子公司500kV复

11、合绝缘子在芯棒渗透试验中，5401线和5403线绝缘子的芯棒10段试品中，只有2段通过试验，其他试品在规定时间内顶部端画出现1个或多个染色渗透点，最快的在30s时芯棒出现染色渗透点：5409线和5455线的绝缘子芯棒，全部试品在1530s内，在顶部就出现染色渗透点，完全不符合标准规定。 图8伞套与芯棒之间分离现象 图9伞套起痕及电蚀试验情况4.1.3 伞套起痕及电蚀性能为了分析复合绝缘子伞套蚀损的原因，对5401线批次上的复合绝缘子进行l000h的伞套起痕和蚀损试验，在2支试品上进行，分为水平和垂直安装两种方式。水平安装的试品通过1006h试验后，伞裙未被击穿，伞套有电蚀痕迹，但未蚀损到芯棒，

12、并未发生过流中断。垂直安装的试品在进行到774h55min时发生过流中断，试品击穿，与运行中发生严重电蚀的情况具有类似的特征，见图9。在进行伞套材料耐漏电起痕及耐电蚀损性试验中，5支试品中只有一支试品电蚀深度满足标准要求，其它都达不到标准TMA3.5级的要求。4.1.4 其他性能按照标准要求还对该批试品进行了拉伸负荷、工频干闪络电压、工频干耐受电压、水扩散、芯棒耐应力腐蚀、1h机械拉伸负荷、额定拉伸耐受负荷和拉伸破坏负荷等试验，试验结果均符合标准规定。4.2 美国可靠公司复合绝缘子 芯棒耐应力腐蚀性能可靠公司500kV复合绝缘子已运行近8年左右后发生一支断裂，仔细观察断裂绝缘子断面，发现护套断

13、裂面有一个约11.5mm左右的电蚀孔，为了证实绝缘子断裂是否是该电蚀孔引起，取3支试品，并在每支绝缘子的护套上钻一个直径2mm的小孔，让小孔浸没在浓度为1.0N的硝酸溶液中，同时对绝缘子施加60%的额定机械负荷，进行芯棒耐应力腐蚀性能试验。试验分别进行到1lh30min、21h55min、33h55min时芯棒开裂；试验证实可靠公司绝缘子芯棒材料不是耐酸芯棒，当在绝缘子的护套或密封遭到破坏的情况下，会加速发生绝缘子芯棒的断裂。 断裂绝缘子解剖分析对兰窑5404线#26塔B相断裂复合绝缘子进行解剖：该断裂复合绝缘子高压端金具与绝缘子芯棒连接的端口密封是用室温硫化硅橡胶材料封口，室温硫化硅橡胶与金

14、具之间粘接密封己破坏，复合绝缘子当密封破坏使之水气、酸等腐蚀气体进入高压端部金具腔内壁与芯棒界面，同时在轴向电场作用下，水气分解形成酸性物质，逐渐腐蚀和水解了芯棒，造成芯棒的机械性能大大下降，最终发生绝缘子的断裂。该断裂绝缘子护套上的电蚀孔，是绝缘子芯棒水解和腐蚀到护套的，护套电蚀孔在护套内侧大，外侧形成针孔状现象也就理所当然。 其他性能按照标准要求还对该批试品进行了拉伸负荷试验、界面试验、绝缘子芯棒试验、伞套起痕及电蚀试验、1h机械拉伸负荷、额定拉伸耐受负荷和拉伸破坏负荷等试验，试验结果均符合标准规定。4.3 德国赫斯特公司复台绝缘子 绝缘子芯棒性能 赫斯特公司500kV复合绝缘子在芯捧渗透

15、试验中，所有试品在1012s时，均被渗透至试品的顶端，结果严重不符合标准规定。芯棒水扩散试验，所有试品的泄漏电流均大于1000A，且#2-13试品被击穿，结果不符合标准规定。4.3.2 伞套起痕及电蚀性能 试品按照标准规定一支水平安装，一支垂直安装，按照运行状态施加电压。试验结果为：有轻微蚀损现象，蚀损未深及芯棒，无过流中断，表面有盐份附着。4.3.3 可见电晕电压可见电晕电压试验用均压环分别安装运行中使用的均压环和产品配套的均压环，在相同试验条件下的#1试品绝缘子上进行。按照实际情况安装运行中使用的均压环，绝缘子高压端均压环的环面在金具端头与芯棒护套界面以下73mm处，试验时采用单串绝缘子，

16、按照GB/T775.2-2003绝缘子试验方法第2部分：电气试验方法进行。试验情况为：安装运行中使用的均压环的绝缘子在286kV（三次试验结果的海拔校正平均值，以下所列数据类同）工频电压下，在试品高压端金具端头与芯棒护套界面处沿轴线方向的绝缘护套表面产生电晕放电，随着电压增高放电加剧，在电压下降到280kV时电晕放电现象消失：安装与产品配套均压环的绝缘子在242kV时均压环对空气放电，升高电压时均压环对空气放电加剧，电压升至318kV时未见绝缘子表面有电晕放电，在电压下降到247kV时，电晕放电现象消失。4.3.4 伞套材料耐电痕化和蚀损试品按照1A4.5级标准规定经连续6h的试验，结果为：试

17、品均无过流中断，最大蚀损深度为l.0mm，符合标准规定。 断裂绝缘子解剖分析从断裂复合绝缘子高压端头解剖后情况看，绝缘子端部密封工艺、密封胶及密封状况是良好的，基本上可以排除产品的端部密封质量问题。 其他性能按照标准要求还对该批试品进行了拉伸负荷、1h机械拉伸负荷、额定拉伸耐受负荷和拉伸破坏负荷等试验，试验结果均符合标准规定(且破坏负荷达到389kN)。5 电场分布计算计算模型依据西门子公司和美国可靠公司的500kV复合绝缘子试品及线路实际塔型的塔头参考图纸，按实际500kV复合绝缘子、杆塔、导线、均压环的尺寸和伞形尺寸进行模拟仿真计算。选择中相单串、双串、边相单串合成绝缘子的电场分布进行计算

18、。计算结果西门子公司与美国可靠公司复合绝缘子相比其：复合绝缘子在同一位置的导线侧最大电场强度、中部最小电场强度、接地侧最大电场强度均相对较小2。说明，合理配置均压环，极其均压环的大小、安装位置对复合绝缘子导线侧的电场分布有较大影响。6 评定结果6.1 德国西门子公司复合绝缘子的评定结果(1)复合绝缘子经过2年半3年的运行，仍保持了较高的机械强度和裕度，单纯的机械性能没有缺陷、没有降低：(2)复合绝缘子伞套材料耐漏电起痕及耐电蚀损性能较差，伞套易电蚀损坏；(3)复合绝缘子护套与芯棒之间的界面耦联不牢固，粘接不紧密，存在气隙，使电气绝缘强度降低：(4)复合绝缘子两端金具与芯棒护套界面之间以室温硫化

19、硅橡胶粘结密封，在高压强电场下，极易电蚀开裂和损坏密封：(5)复合绝缘子芯棒材料不致密，在护套破损后被烧蚀炭化，降低其机械强度，造成芯棒断裂：(6)根据对复合绝缘子的电场分布计算结果，西门子公司的500kV复合绝缘子均压环大小的配置及安装位置较为合理，从而使整支复合绝缘子的电场分布相对合理；但在此情况下仍发生伞套材料严重电蚀损坏，说明该类绝缘子伞套材料存在严重的质量问题；建议全部更换还在电网上运行的相同材料、相同工艺的德国西门子公司500kV复合绝缘子34 5 6。6.2 美国可靠公司复合绝缘子的评定结果(l)复合绝缘子断裂掉串的直接原因系高压端部金具腔边沿与芯棒护套间密封损坏所致。绝缘子两端

20、金具与芯棒护套界面之间以室温硫化硅橡胶粘结密封，在高压强电场下，极易电蚀开裂和损坏密封；断裂绝缘子的高压端部金具腔边沿与芯棒护套间密封损坏后，使之水和潮气侵入金具腔内壁与芯棒界面，致使金具腔内壁锈蚀，芯棒表面受潮，在电场作用下芯棒表面逐步水解并腐蚀呈棉絮状，使之芯棒机械强度骤然F降，最终发展成绝缘子断裂掉串：(2)从同一批另外5支送检的非损坏复合绝缘子中，发现有一支绝缘子高压端部金具腔边沿与芯棒护套间密封已经开始开裂（其面积约为长15mm，宽度为35mm，距芯棒约8mm左右）有锈迹现象。但对其漏电起痕、电气性能、机械性能等方面试验都满足相关标准要求；(3)复合绝缘子的机械性能试验结果仍有较高的

21、质量指数，护套与芯棒界面结合状况良好：护套厚度较薄（仅为1.5mm），伞套起痕及电蚀损试验表明，要关注在长期运行中因电蚀的原因造成护套损坏：芯棒未采用耐酸芯棒，要考虑长期运行中因电蚀和大气环境的综合作用造成芯捧的受损；(4)根据抽样试验结果，分析认为美国可靠公司的500kV复合绝缘子断裂掉串是偶然现象，该产品仍可继续使用：为防止端部金具腔边沿与芯棒护套间密封出现损坏而引发复合绝缘子断裂掉串，以确保电网安全运行，建议对在电网上运行中单串结构的美国可靠公司500kV复合绝缘子，可采取加拼一支国产复合绝缘子为双悬垂串双挂点双线夹（或二联板单线夹）结构，或双悬垂串单挂点二联板双线夹结构（受塔头横担限制

22、时）的措施；并建议运行、试验单位进行定期抽检试验，这样既可提高线路安全运行的可靠性，又可对美国可靠公司的500kV复合绝缘子进行使用寿命的跟踪34 5 6。6.3 德国赫斯特公司复合绝缘子的评定结果(1)复合绝缘子芯棒试验的结果表明，运行中的绝缘子芯棒不符合标准规定，芯棒的缺陷是造成绝缘子在严酷运行条件下断裂的重要原因之一。(2)伞套材料耐电痕化和蚀损试验结果表明，电痕化和蚀损最大深度为l.0mm，绝缘子采用的伞套材料符合1A4.5级标准的规定。绝缘子护套厚度为3 mm（绝缘子杆径43 mm，芯棒直径37mm），在严酷的运行条件下绝缘子护套被完全电痕化和蚀损的可能性依然存在。(3)伞套起痕及电

23、蚀试验结果表明，截短制成的标准试样经连续l000h盼试验，护套仅有轻微电蚀，符合标准规定。(4)起晕电压试验的结果表明，运行中使用的均压环不能对绝缘子金具端部与芯棒护套界面起到良好的保护作用，致使在运行电压下在护套表面产生了电晕放电；与产品配套的均压环可以对绝缘子金具端部与芯棒护套界面起到良好保护作用，在最高运行电压318kV下不会在绝缘子的高压端产生绝缘表面的电晕放电。(5)机械性能试验仅在表面外表完整的2支和1支绝缘子上进行，不能完全代表该批次产品的性能。虽经长期运行，撑1试品的拉伸破坏负荷值仍然达到了389kN，破坏部位为绝缘子的钢脚，对比额定负荷仍有30%的裕度,而且连接部位稳定可靠。

24、(6)可能引起的复合绝缘子断裂过程：由于运行中复合绝缘子错误地延用安装了均压环（即原500kv瓷或玻璃绝缘子串用的均压环，环径偏大，环平面偏低，引起均压效果明显下降），致使在复合绝缘子高压端的护套表面产生了本不应有的电晕放电，运行地点小环境污秽较为严重，一定程度上加剧了电痕化和蚀损的发展，护套厚度较薄，容易完全被蚀损，当深度达到芯棒时，由于芯棒的渗透性能和水扩散性能严重不符合标准规定，在污湿环境条件下，芯棒迅速被渗透，在电场集中的高压端芯棒性能恶化，并迅速在芯棒直径方向和轴线方向发展，在电场作用下，电晕放电烧碳化芯棒，致使芯棒的机械性能急剧下降，最终造成芯棒在绝缘子的高压端断裂【7】。7 问题

25、探讨及建议7.1 问题探讨500kV兰窑5404线#26塔与北兰5401线#238塔、北兰5403线#236塔断裂复合绝缘子的现场环境与杆塔两侧线路结构情况基本类似，均处在大档距、大高差的山顶不平衡张力和垂直荷重都比较大。500 kV线路四分裂导线风压系数也较大，故极易在上述特定环境条件下引起线路导线的微风振动，严重时甚至引起线路导线舞动，造成绝缘子、金具断裂。因此，一般在大档距、大高差的500 kV输电线路上，其多分裂导线的风振极易引发劣质或不良复合绝缘子端头金具腔与芯棒护套间密封损坏，致使渗水受潮腐蚀芯棒，并在强电场下形成局部放电，电蚀芯棒与护套，直至芯棒护套电蚀击穿脆断。500kV兰窑5404线#26塔与北兰5401线#238塔、北兰5403线#236塔断裂复合绝缘子均为中相，且北兰5401线#238塔、北兰5403线#236塔均为双悬垂串结构。据有关资料电场分布计算和试