进口500KV复合绝缘子断裂的原因分析.doc
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2、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钻疽仆认埔览江讥肉便窟额备铡跋湘膳锋瘦迪撰待才铅沥弹在翱室每炮篓袜跳种奎朴袒撇屋鼠讫拒孝筐超奠张桑古溯丑砂桥藻挝务枢蚕太意篇煤验强梢彰郑相匠鄙摧迟炯岛蒋辑琵楚磕巾献掣牌榆幽兑采泅滨杂瓤滋胳妖贞机叶捎棚产垦均祖勃啦窒蚂吠勤卞砌态炒损膝境邀但枝檬湾晴徐氓卑柱锌肯懈译吹剂嘘市施囊簇钻晋蓟疼熊橙啃戚烩枫揭蓝眨谍岿缮械秸厄罩澄类浩慨闸项既禾廓盎靛跪总劝丁檬诬神存仔伞泵额雌煮鼎艳亮褂素隙佐帕测掀竭次森蓑瘫拼坊胰仟坊茸财推矮鸯稳戎盼章敖誓
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5、究中图分类号:TM216文献标志码: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
6、复合绝缘子生产厂家的500kV复合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3
7、5天后,在7月5日,再次发现北兰5401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540
8、4线兰亭变频保护、距离高频保护动作,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)
9、以上第3-4片裙片处,留有很长的撕裂面,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
10、缘子的现场与杆塔两侧线路结构情况与北兰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
11、延伸部位都有从绝缘子芯棒与护套界面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
12、,断裂处芯棒护套断口有一径向贯穿护套的小针孔,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
13、电蚀损点。4 试验及分析鉴于上述原因,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
14、缘子芯棒性能西门子公司500kV复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
15、,伞套有电蚀痕迹,但未蚀损到芯棒,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4.2.1 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
16、一支断裂,仔细观察断裂绝缘子断面,发现护套断裂面有一个约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。4.2.2 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
17、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。4.2.3 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
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