500kV输电线路合成绝缘子断裂原因分析

苗振鹏

山东电力集团公司检修公司 山东 济南 250021

1 概况

2011年2月27日，500kV东崂Ⅰ线＃19塔A相（中相）复合绝缘子断裂，导线落至塔窗内平口处。东崂Ⅰ线#19塔型为ZB41-36，三相采用单串，为德国赫斯特公司生产的复合绝缘子（4360/50/CS225）。1999年生产，主要参数：额定机械强度为225kN，结构高度为4360mm；导线为 4*LGJX400/35；＃18～＃19 塔档距 475m，＃19～＃20 塔档距 431m。

2 合成绝缘子的断裂特征

2.1 对断裂的复合绝缘子查看发现以下破损

从复合绝缘子临近导线挂点处第一片伞裙开始，直到第15伞裙间的护套连续有12个破损孔，第15伞裙直到铁塔挂点处，伞裙和护套均没有看到破损现象。其中第0～1伞2个、1～2伞1个、2～3伞 1个、3～4伞 2 个、4～5伞 1 个、6～7伞 1 个、10～11伞 1个、11～12伞 1个、13～14伞 1个，14～15伞1个。护套穿孔如下图1：

图1 复合绝缘子护套穿孔

2.2 在断裂截面处

绝缘子护套有一个破损孔；裸露的芯棒表面起毛、发白，芯棒断裂面不是整齐断裂，而是呈扫帚状，且颜色呈淡黄色，断裂处芯棒有粉化现象，颜色变白，玻璃纤维外露。如下图2：

图2 复合绝缘子断裂处的断面

2.3 检查护套与芯棒粘结情况

护套与芯棒间的界面粘接松动，从导线挂点侧第一个伞裙开始伞裙与护套进行剥离检查，前面的几个伞裙与护套很容易剥离，当剥离到第10个伞裙开始觉得剥离困难，一直到第15个伞裙，剥离难度很大，同剥正常绝缘子一样困难，同时看到剥离出的芯棒表面开始正常，无起毛、发白、粉化现象，橡胶伞群柔软度、弹性度也趋于正常。如图3所示。

图3 伞套解剖芯棒异常情况

3 绝缘子断裂原因分析

3.1 依据断裂特征进行分析

在脆断情况下，复合绝缘子玻璃纤维裂纹表面明显呈平面状，并延芯棒的轴向垂直延伸，脆断表面的典型特征是一个光滑部分及已粗糙部分共同组成。本次断裂在截面处看到，芯棒断裂处截面参差不齐，断裂的玻璃纤维像扫帚形状，不光滑，由此可以断定芯棒为正常断裂，不是脆断；在复合绝缘子断裂处的硅橡胶护套破损孔处，经触摸查看，感觉到该孔周围的护套不柔软，而是明显发硬，有电烧腐蚀痕迹，断定该处发生过电场局部放电；复合绝缘子芯棒表面絮状粉化、起毛发白、玻璃纤维露出，说明该处渗进水份受潮水解；断裂处外露的芯棒呈黄色，说明芯棒在酸蚀的作用下发生质变，玻璃纤维受到损伤，造成机械强度下降。

3.2 试验情况

在实验室，对该复合绝缘子进行芯棒耐应力腐蚀能力和拉伸破坏强度分散性实验，发现性能下降；伞裙的硬度值较大，伞裙已明显变硬、变脆，实验结果表明该复合绝缘子本身存在缺陷。

3.3 护套破损分析

对整个绝缘子进行检查，端部金具与护套界面结合处没有发现受损，说明不是因为端部密封不严渗水引起芯棒受潮。检查发现复合绝缘子从导线侧端部到15伞裙，护套均有破损孔且均匀分布在伞裙中间。复合绝缘子在运输过程中装卸时如果不注意可能造成护套破损。绝缘子如果安装方法不当也可能造成绝缘子损伤，过去安装时大多采用绝缘子裸露且单点起吊，500kV线路合成绝缘子长度一般超过4米，属细长杆结构，单点起吊时中间弯矩很大，在起吊过程中很容易发生与铁塔摩擦等受伤情况，这种外力受伤情况在同一只绝缘子上造成这么集中和如此多破损点可能性不大，所以推测不是外力破坏而致，应是绝缘子本身缺陷造成断裂。

3.4 断裂的原因分析

1）环境原因

500kV输电线路由于电压高，极易把导线周围的空气电离，形成电晕。500kV东崂线靠近黄海，由于季风作用，风把大海上面的盐雾气体吹到靠近大海的陆地上空，造成500kV东崂线所处的空气中盐雾密度较大，空气中的盐雾气体和氮气在导线周围强电场的作用下电离成氯离子和氮离子，与空气中的水分子结合后生成弱盐酸和弱硝酸，同时其他酸性物质与雨水结合在大气中形成弱酸性溶液，由于复合绝缘子护套在制造过程中存在缺陷，弱酸性溶液在缺陷处通过电场作用对护套产生电蚀损，进而渗进芯棒，导致芯棒的环氧树脂水解、粉化，失去对玻璃纤维的保护；由于玻璃纤维对酸性物质较为敏感，纤维中的钙和铝易被滤出，所以其在泄漏电流和酸性溶液的长期作用下老化、变质、机械强度下降、纤维断裂，芯棒断面整体机械强度下降，在正常机械负荷作用下引起断裂。

2）天气原因

当时正在下着中雨，护套破损处进入雨水，雨水中的酸性溶液和电场共同作用，在护套破损处的护套与芯棒之间的界面产生局部放电，由于芯棒材料密度达不到要求，界面放电后，易被电蚀炭化，形成碳化通道，碳化通道沿电场方向发展，当碳化通道发展到一定长度时，复合绝缘子护套内、外的电场强度会变得不同，当场强差值达到一定数值，护套被击穿破损，形成孔洞，使护套内、外电场强制性一致。此时复合绝缘子仍处在强电场当中，渗进护套的酸性溶液在电场的作用下变成强酸，使得护套与芯棒界面的局部继续放电，当碳化通道发展到一定长度时，再次造成护套击穿，形成护套破损孔。如此循环往复，随着放电的不断发展，在复合绝缘子护套上形成多个击穿孔。复合绝缘子存在导线形成的电场中，绝缘子导线端电场强度最强，电晕最为严重，向中部逐渐减弱，随着电场的减弱，放电逐渐停止，电场不能把护套击穿破损，这就是为什么本次从导线侧15片伞裙以后就没有发现破损孔的原因。芯棒材料在护套破损后易被烧蚀炭化，使其机械强度降低也是造成芯棒断裂的原因之一。

4 结论

本次断裂的绝缘子为99年批次德国赫斯特公司生产。500kV潍崂线#277塔复合绝缘子在2008年发生过断裂，经查证也是本批次绝缘子，本批次绝缘子在其他线路上，在2009年使用红外测温仪也被查出同样缺陷，经过实验出问题的绝缘子性能都存在下降现象，达不到目前国内优质芯棒的性能，在这么短的时间内因为同样的缺陷连续发生三次故障事故，根据有关规定，可视为家族性缺陷。

输电线路合成绝缘子受损后，水气、酸等腐蚀气体从缺陷处进入，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芯棒，使芯棒的机械性能大大下降；在电场的作用下，护套被击穿后，芯棒易被烧蚀炭化，使其机械强度降低；在这两方面的共同作用之下，芯棒机械强度不断降低，最终在正常机械负荷作用下引起断裂。

5 为防止合成绝缘子断裂建议采取以下措施

1）加强对在线运行的合成绝缘子的检测，目前有观察法、紫外成像法、红外成像法和电场法等多种检测方法。现在常用的就是红外成像法，利用合成绝缘子受潮后，在泄漏电流作用下，介电损耗或电阻损耗都可引起绝缘子局部温度升高，通过观察局部热点发出的红外线可发现某些缺陷，对于在红外检测过程中发现局部过热的复合绝缘子及时更换。

2）采用耐酸性材料做合成绝缘子芯棒材料，根据不同的地理环境和气候，选择不同等级的耐酸材料做为芯棒材料，在沿海、盐雾多的地方选用耐酸强度高的材料。

3）通过质量监造和供应商评价体系，要求供应商提高合成绝缘子生产质量，避免出现由于合成绝缘子材料抗拉强度不够、材质差、制造工艺不当和落后而造成合成绝缘子断裂。要求厂家购置先进检测设备，加强检测，杜绝缺陷绝缘子入网。

4）加强合成绝缘子在运输、安装环节的管理，避免合成绝缘子受到损伤形成缺陷，使合成绝缘子挂网运行时受潮和遭到酸性雨水的渗透，导致断裂。在运输装卸过程中不拆包装，做到轻装轻卸。带包装起吊和安装，送电运行前再拆去包装，避免绝缘子摩擦塔材受伤、鸟啄等其他外力破坏。

5）对于发生断裂事故的同一批次合成绝缘子，除加强监测外，建议通过技改逐批进行更换，对于暂时不能更换的单串运行的合成绝缘子，加装一串合成绝缘子，改为双挂点双串结构，以降低因合成绝缘子断裂而导致导线掉落事故的发生。

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