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  --國華新聞  
電網運行中絕緣子的損壞原因及檢測支柱絕緣子缺陷的檢測

 目前,我國絕緣子市場正在走向多元化,鋼化玻璃絕緣子和複合絕緣子挑戰著傳統瓷絕緣子的統治地位。雖然絕緣子的多元化為用戶的使用提供了更多的選擇,但由於有些絕緣子在我國電網中使用的時間還很短,用戶對其還缺乏有效使用經驗,在這種情況下,絕緣子製造商對產品的誇大宣傳可能會誤導某些使用者。為防止絕緣子選擇失當而引發的事故,有必要對目前已進入電網的各類絕緣子的典型事故進行分析,並提出可能的檢測手段與方法。
   目前,運行中絕緣子存在的問題可分二類:一類是導致電網發生惡性事故的產品損壞;另一類是外絕緣閃絡。前者多屬產品質量問題,是AG入口關注的重點,而後者則多與外絕緣設計、使用不當有關,本文在此不予討論。

1 線路絕緣子

1.1 線路絕緣子機電特性
   從用戶角度講,盤形絕緣子主要優點是機械強度高,長串柔性好;單元件輕,易於運輸與施工;造型多樣,易於選擇使用。但盤形絕緣子屬可擊穿型絕緣子,其絕緣件對電氣強度要求較高。盤形瓷絕緣子出現劣化元件後檢測工作量大,而一旦未及時檢出,就有可能在雷擊或汙閃時造成斷串;盤形玻璃絕緣子存在自破現象,且重汙穢導致的表麵泄漏電流可能會加重自破率,但自破現象的發生可引起運行維護人員的關注,從而可預防掉線事故的發生。
   棒形絕緣子主要優點是它具有不可擊穿型結構、較好的自清洗性能以及爬距係數大(爬距與絕緣長度之比),在相同環境中積汙較盤形絕緣子低,可獲得較高的汙閃電壓,爬距選擇適當時可延長清掃周期。棒形瓷絕緣子是名副其實的不可擊穿絕緣子,其缺點是單元件重,搬運與安裝難度大,傘裙受損會危及其機械強度;棒形複合絕緣子比強度高(拉伸強度與質量之比),具有優良的耐汙閃特性,但存在界麵內擊穿和芯棒脆斷的可能,而且有機複合材料的使用壽命和端部連接區的長期可靠性尚未取得共識。
1.2 線路絕緣子的典型事故
1.2.1 盤形瓷絕緣子的劣化和盤形玻璃絕緣子的自破
   近年來,部分網、省電力公司的統計顯示,國產瓷絕緣子的年劣化率為0.06%~0.2%,與同類產品的國際領先水平(日本NGK公司瓷絕緣子的年劣化率為0.001%)存在較大差距。這與我國電瓷生產廠眾多,而產品質量參差不齊有關。瓷絕緣子的劣化率一般隨運行時間的延長而增加,如北京供電局220 kV郊通二線瓷絕緣子的劣化率10年內年由0.05%上升到了1.13%。
   對於瓷絕緣子的劣化,首先,與其製造質量密切相關,主要包括:①膠裝水泥不足;②水泥膨脹;③緩衝層過薄或塗刷不均勻;④膠裝鋼腳偏心;⑤瓷質孔隙過大(嚴重者吸紅)。水泥不足的影響在投運後前3年即會表現出來,而水泥膨脹和緩衝層缺陷的影響則需運行10年或更長的時間才能顯現出來,且前四者均可導致絕緣子機電強度下降。雷電可以損壞瓷質有缺陷的絕緣子,而長期運行後大量“零值”絕緣子的產生則與其機電強度下降有關。
   同時,還與其所受荷載大小,即用戶對其安全係數的選擇有關。北京供電局220 kV郊通二線70 kN瓷絕緣子的劣化幾乎都發生在耐張串上。廣東佛山電力局對500 kV蓄羅線和羅增線瓷絕緣子劣化率的統計表明,160~210 kN耐張串瓷絕緣子的劣化率均高於直線串瓷絕緣子,垂直檔距450 m以上直線串絕緣子的劣化率均高於垂直檔距450 m以下直線串絕緣子。北京和廣東兩地的調查還表明,劣化絕緣子隨機分布在串中,與絕緣子串電壓分布無關。由於劣化的瓷絕緣子在雷擊和汙閃中很容易造成絕緣子斷串,甚至導致導線落地,致使很多用戶失去了使用瓷絕緣子的信心。
   隨著工藝與裝備的不斷改進,國產玻璃絕緣子的自破率由0.31%逐漸下降到0.04%[1],但仍與國際先進水平(法國SEDIVER公司的玻璃絕緣子年自破率為0.002%)有一定差距。玻璃絕緣子的自破率一般隨運行時間的延長而降低,但如果運行頭幾年自破率過高的話,也令人難以接受。鋼化玻璃絕緣子自破的原因,一般認為是因玻璃件形成過程中混入了原料和耐火材料中的雜質或鋼化層厚度不均勻所致。因此,嚴格控製工藝,增加二次熱振試驗,延長庫存時間,都有利於減少玻璃絕緣子投運後的自破率。
   在采用內水壓法剔除鋼化不良的產品之前,國產玻璃絕緣子的自破還與其所受荷載大小有關。如東北220 kV長四線玻璃絕緣子的年自破率明顯高於相同自然環境下的110 kV秦寧線;華東220 kV望塘線玻璃絕緣子的年自破率明顯高於相同自然環境下的110 kV安鎮線。且耐張串玻璃絕緣子的自破率明顯高於直線串,南方線路運行中玻璃絕緣子的自破率高於北方線路[1]。此外,重汙穢地區使用的玻璃絕緣子,其表麵出現的電弧可以破壞表麵鋼化層而引起玻璃件自破或因泄漏電流過大而導致熱擊穿。玻璃絕緣子自破後應及時更換,以防止在雷擊和汙閃中造成殘垂絕緣子鋼腳燒斷而使絕緣子串斷串。玻璃絕緣子造成的導線落地事故雖然很少見,但國內外卻均發生過。
   目前,用戶選用瓷絕緣子是因為其傘型(如雙傘、三傘)自清洗性能好,利於人工清掃;選用玻璃絕緣子的主要原因是不用檢測“零值”。因此,必須進一步提高國產絕緣子製造質量,國產瓷絕緣子要切實加強管理,提高機械化水平,降低劣化率;國產玻璃絕緣子要減少自破率,開發雙傘型新產品。
1.2.2 棒形瓷絕緣子的掉線
   20世紀90年代後期,棒形瓷絕緣子首先在江蘇和安徽電網中試用。其背景是複合絕緣子在使用過程中損壞的信息增多(特別是芯棒脆斷和界麵擊穿),使一些設計和管理人員心存疑慮或在決策上產生動搖。中歐是棒形瓷絕緣子運行的主要地區,據1991年CIGRE 22工作組統計,其年損壞率<0.002%,甚至更低。目前,國內棒形瓷絕緣子僅在±500 kV葛南直流線路試運行中發生了一起掉線事故,而且事故是由橫擔側連接絕緣子的金具斷裂引起的,而不是由絕緣子本體引起的。事故初步分析認為,該金具采用鑄鐵是個設計錯誤,而其材質是否存在製造缺陷尚在檢測中。由於棒形瓷絕緣子機械強度的破壞通常是由外力擊打(如子彈、石擊等)傘裙受損所致,因此,除重汙穢地區不宜使用棒形瓷絕緣子外,鄰近采石地段也不應使用棒形瓷絕緣子。
1.2.3 棒形複合絕緣子的斷裂與界麵擊穿
   20世紀80年代中期,國產棒形複合絕緣子研製成功,而1989年底到1990年初相繼在華東、華北、東北等地區發生了大麵積汙閃事故促使複合絕緣子進入了工業性試運行階段。到90年代中期,入網運行的棒形複合絕緣子的數量就達5萬支左右,2000年底已超過百萬隻。進入21世紀,國內主要複合絕緣子製造廠先後完成了芯棒與護套界麵連續擠壓、整體注塑的技術改進工作,將端部金具與芯棒連接工藝逐漸采用壓接式,且在新建±500 kV直流線路和部分500 kV交流線路中開始使用耐酸蝕芯棒。經過多次區域性和大麵積汙閃的考驗,較為成熟的新一代國產合成絕緣子已進入了全麵實用化應用階段,我國已成為世界複合絕緣子的使用大國,且我國的運行經驗已引起了國際大電網會議和國際電工委員會的廣泛關注。   
   隨著複合絕緣子使用數量的劇增,閃絡及損壞的信息也日趨增多。其導致電網發生惡性事故的主要原因是芯棒斷裂和界麵擊穿。且這些事故大多發生在早期的複合絕緣子產品上,其年損壞率約為0.005%,好於各國平均水平。在複合絕緣子芯棒斷裂事故中,以“脆斷”最為突出,占芯棒總損壞數的60%,是當前複合絕緣子所發生的最為嚴重的事故。500 kV線路中發生此類事故的比例最大,3年內華東、華北、華中、廣東都有發生。所謂“脆斷”是指芯棒玻璃纖維受到酸液侵蝕而發生的斷裂。對其斷裂機理,目前尚無統一認識,特別是酸液來自外部還是自身還需要進行研究,不過,防止水汽浸入已是人們的共識。因此,首先要保障端部密封的牢固與長效,防止護套在施工中受損,同時還應采用耐應力腐蝕芯棒。
   界麵擊穿多發生在雷擊情況下,也有發生在正常工作電壓下的事例。早期,此類事故以110 kV橫擔型產品發生較多,明顯是芯棒質量問題。近年來,發生更多的是護套與芯棒間的界麵擊穿事故。灌膠不能把膠充滿、模壓或擠壓使用耦聯劑不當以及工藝上存在缺陷都會造成界麵的破壞。
   性能良好的高溫矽橡膠在一般地區的壽命使用預計不會小於20年。有些產品運行時間不長,或傘裙硬化,或彈性減弱易撕裂,或表麵憎水性下降,都反映出矽橡膠材質配方存在一些問題。這些老化現象,加劇了人們對矽橡膠(包括端部密封使用的粘性膠和RTV)老化壽命的憂慮。因此,製造廠對矽橡膠的配方需進一步優化,但應防止因競相壓價而出現原材料以次充好的問題。壓價可能導致的產品質量下降在短時間的運行中難以覺察,也很難用現有試驗方法及標準檢測出來,但可能對其長期使用性能帶來影響。
1.3 線路絕緣子缺陷的檢測
   多年來,檢測劣化瓷絕緣子的努力一直沒有停止過。但總的講,無論檢測方法有何不同,都需要登塔使用工具與絕緣子進行接觸,地麵巡線遙控檢測法尚難實現(直升飛機巡線使用紅外成像有成功事例)。最近提出的脈衝電流法檢測法,可從流經塔腿的泄漏電流中區分出是正常絕緣子電暈放電脈衝,還是劣化絕緣子內部放電脈衝,從而判斷劣化絕緣子是否存在,但劣化絕緣子所在的具體位置還需登塔解決。目前,已研製出該檢測裝置的樣機。
   複合絕緣子缺陷的現場帶電檢測,目前國內外的研究仍主要集中在試驗室內。其研究方向:一是利用高靈敏度紅外測溫儀檢測。廣東佛山供電局利用此方法檢測出一批內絕緣界麵存在缺陷的複合絕緣子,很令人鼓舞;華北電網公司在直升飛機巡線中利用此方法也發現了500 kV複合絕緣子的缺陷。但對該方法的可靠性和靈敏度人們還有不同意見。二是利用電場法檢測(已研製出便攜式電場法複合絕緣子帶電檢測裝置)。試驗室和現場檢測表明,此檢測方法可以檢測出複合絕緣子內絕緣較大尺寸的“導通”缺陷。近來,還有一些地方開展了應用紫外檢測裝置檢測絕緣子缺陷的研究,但都局限在對絕緣缺陷的檢測,尚無機械性能缺陷的檢測技術。

2 站用支柱絕緣子

2.1 支柱絕緣子的事故統計
   近幾年,國家電網公司係統接連發生了多起運行中支柱瓷絕緣子斷裂(折斷和開裂)的事故,給電網安全運行和人身帶來危害。如1999年1月11日,吉林城南一次變電站在對城黃甲線南隔離開關進行操作中,B相隔離開關側支持瓷瓶根部法蘭與瓷結合處斷裂,造成66 kV係統停電;2001年3月13日,沈陽文成變電站文成二組一次東隔離開關C相瓷柱出現裂紋,在係統操作過程中瓷柱折斷落地,造成220 kV東母線單相接地,事故擴大,使文成變電站全站停電。
   據國家電網公司2002年組織的對66~500 kV支柱絕緣子的事故調查,1996~2001年間全國支柱絕緣子斷裂總數為388起,且近兩年事故偏多,有逐年上升的趨勢,且北方多於南方,其中東北最多,約占數的50%。1971~2001年的30年中,以1980、1983年及1997年所投運產品出現斷裂事故的最多。支柱絕緣子主要用於支撐隔離開關和母線,其中用於支撐隔離開關的支柱絕緣子的斷裂占總數的81%,用於支撐母線的斷裂占14%。在斷裂事故中,折斷事故占36%,開裂占62%。近幾年,多數電瓷廠進行了技術革新,陸續研製出高強瓷產品,或采用等靜壓成型工藝(幹法),增加了支柱絕緣子的機械強度,減小了強度分散性,因此,2000年和2001年新投運支柱絕緣子產品所發生的斷裂數不足1%。
2.2 支柱絕緣子典型事故原因分析
   從統計分析結果可以看出,支柱絕緣子斷裂的原因是多方麵、多環節的。在總計388起斷裂中,涉及產品質量的有243起,占62.6%。在電瓷製造廠方麵,主要問題有:庫房原料間界限不清、配料工序間界限不清導致的配方混亂;膠裝工藝差,緩衝層薄或沒有,特別是法蘭和瓷件的膠裝外部未進行密封處理,造成北方寒冷地區因膠裝處進水結冰引起斷裂;燒成差(過燒、欠燒)及對安裝尺寸(如高度偏差、軸線直線度、上下法蘭平行度和上下安裝孔角度偏移等)的要求偏鬆等。在隔離開關製造廠方麵,主要問題有:隔離開關結構不合理;檢驗達不到剔除不合格產品的目的。
   設計不當造成的斷裂:因設計原因造成的斷裂有13起,主要是強度裕度偏小。
   安裝、調試質量導致的斷裂:對母線而言,存在引線過緊(軟母)或固定點多於1個(即兩頭緊,硬母)的問題;對隔離開關而言,存在錯位別勁的問題。
   運行維護導致的斷裂:主要是檢修維護不到位,使母線、隔離開關出現鏽蝕、卡滯、卡死等現象;或操作不正確,蠻力操作,產生短時的大機械負荷導致支柱絕緣子斷裂。
   其他方麵:主要是外力引起的支柱絕緣子斷裂。如暴風驟雨引起共振,使產品異常受力超過其破壞負荷。
2.3 支柱絕緣子缺陷的檢測
   為防治支柱絕緣子的斷裂事故,各地采取了多種措施:如將220 kV及以上的設備更換為高強瓷產品;在產品法蘭和瓷件的膠裝外部塗抹防水膠;改造隔離開關,解決導電部分過熱及操作機構卡澀、別勁等問題;開展探傷工作。
   目前,檢測支柱絕緣子的局部開裂主要是采用超聲波探傷。該技術對儀器設備及檢測人員的素質都有較高的技術要求。據日本資料介紹,超聲探傷的部位集中在支柱絕緣子的根部,即瓷件與法蘭的接觸麵。長期運行的絕緣子,與法蘭接觸的釉麵可能剝離,導致其機械強度顯著下降。超聲探傷也可以發現瓷件內部的裂紋,做到及時發現事故隱患,及時更換。因此,有必要開展該技術的推廣與培訓工作。

3 套管

3.1 套管的典型事故
   電站套管屬大型絕緣子,因其大多從屬於某一變電設備,故對其缺少全麵統計資料。本文主要討論500 kV變壓器、電抗器的瓷套管和互感器的複合套管與複合穿牆套管。
3.1.1 瓷套管
   據文獻的不完全統計,我國500 kV變壓器、電抗器的瓷套管及相關部位引起的事故和障礙分別占設備事故與障礙總次數的34%和20%,其中瓷套管因密封和內部故障造成的損壞占總數的2/3。
   瓷套管的損壞,一是設計不合理,二是瓷套本體及其與法蘭連接處密封存在質量問題。前者如東北王石變電站的中、低壓套管中導電杆由銅杆改為銅鋁複合杆後,由於金屬層間存在電位差而發生放電,致使油中可燃性氣體嚴重超標;葛洲壩換流變電站網側套管電容芯絕緣紙對接初未錯縫搭接,零屏處內、外油道隔條不重合導致部分油道不暢、散熱差,致使絕緣擊穿。後者如北京昌平變電站的3號變壓器套管,因瓷套存在裂紋,造成潮氣侵入,可燃性氣體嚴重超標;大同二廠變電站3號變壓器C相套管法蘭連接處漏油和漫灣電廠2號電抗器A相套管多節粘接處漏油等,都屬產品製造質量問題。類似支柱絕緣子的情況,大連南關嶺住變壓器B相套管法蘭連接處滲入水分後,造成低溫時套管凍開裂縫,使絕緣油漏出。
3.1.2 複合套管
   在變電設備上使用複合套管首先是從避雷器開始的。20世紀90年代中期,生產複合套管避雷器的廠家就多達數十家。隨後,複合套管的穿牆套管、互感器產品也大量進入電網。變電設備的瓷套管從低電壓到高電壓逐步被複合套管所取代,這是變電設備防汙閃工作的需要。目前,國家電網公司還缺少對複合套管使用情況的跟蹤調查。
   複合套管損壞主要包括二個方麵的原因:一個是避雷器和穿牆套管的設計與工藝不夠合理,導致短時運行後就發生局放超標,甚至造成絕緣擊穿。另一個是複合套管的材質不良。比較突出的事例有山東德州電廠500 kV電流互感器的複合套管在雨中被表麵電弧灼傷;更為嚴重的是江蘇任莊變電站220 kV電流互感器複合套管內的環氧玻璃纖維筒被燒蝕。顯然,除護套材質選擇外,複合套管整體電氣設計不良也是導致外絕緣表麵放電的重要原因之一。如±500 kV直流江陵換流站極電壓分壓器複合套管因均壓屏蔽環布置不當而發生了閃絡。
3.2 套管缺陷的檢測
   現場套管的監測重點應放在整體介質、油色譜分析以及漏油漏氣的檢查上。特別是油色譜分析指標,目前仍是判別套管內部是否存在異常的主要判據。而瓷(或複合)套管的密封質量則主要通過是否發生了漏油漏氣來驗證。
   紅外熱成像技術,不僅可以檢測出接頭發熱,還可以發現套管嚴重缺油,而且這方麵已有成功檢測的事例。因此,應大力推廣紅外熱成像技術在檢測、診斷技術中的應用。要認真研究紅外熱成像診斷圖譜標準,為提高診斷的可靠性提供依據。此外,還應開展適合現場應用的簡易局放測量裝置和針對氣體絕緣套管漏氣的檢測裝置的研發。

4 結束語

  (1) 我國絕緣子市場已走向多元化,特別是矽橡膠複合絕緣子(包括套管),它已在線路和變電設備中得到廣泛使用。絕緣子的多元化既是我國電網防汙閃工作的需要,也促進了國產絕緣子製造質量的提高。用戶對絕緣子的選擇要因地製宜,謹防受製造商的宣傳誤導。
   (2) 除防汙閃要求外,對線路絕緣子的選擇主要取決於盤形瓷絕緣子劣化率、玻璃絕緣子自破率,及棒形複合絕緣子脆斷和界麵擊穿損壞率,而絕緣子的損壞率主要取決於製造廠,特別在現場“零值”絕緣子和複合絕緣子缺陷檢測技術研究相對滯後的情況下,人們對產品的製造質量寄予更大的希望。
   (3) 支柱絕緣子發生斷裂後會嚴重危及電網與檢修人員的安全,因此應積極推廣超聲波探傷技術,以便及時發現事故隱患,及時更換。
   (4) 瓷套管和複合套管的損壞與套管設計及本體製造質量密切相關;瓷套管與複合套管的監測重點應放在油色譜分析和局放測量上,同時應加強對套管漏油漏氣的檢查。
   (5) 紅外熱成像技術目前仍是檢測線路絕緣子缺陷、套管缺油及局部發熱的較好手段之一,要繼續進行提高該技術檢測可靠性的研究。支柱絕緣子http://www.roman-lm.com

 

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