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复合绝缘子断串及其原因、对应分析方法

时间:2019-02-23  来源:  查看次数:97

当前电网输电线路大量使用复合绝缘子,占线路绝缘子用量约50%,其中直线塔占比更高,重污秽地区几乎所有直线塔都使用复合绝缘子。复合绝缘子以优异的防污闪性能解决了困扰电网多年的污闪问题,但断串问题却时有发生,对于单串串型杆塔,复合绝缘子一旦断串往往造成线路落地,给社会安全带来巨大威胁,对于多联串杆塔,一旦断串也会给杆塔、其他绝缘子带来冲击,影响线路可靠性。随着近年污闪跳闸率大幅降低,断串已成为复合绝缘子面临的重要问题。

多种原因可引发复合绝缘子断串,在外观、试验结果上有着诸多差异,一旦断串发生,准确找到断串原因对于后续处置十分重要,同时总结绝缘子断串的原因,对绝缘子入网的把关同样有着重要意义。因此本文谈谈复合绝缘子断串有哪些原因,该如何分析验证。

复合绝缘子断串形式可分为3类:外部受力撕裂、脆断、朽断,其中外部受力撕裂案例极少,脆断、朽断是断串的主要型式。

外部受力撕裂

外部受力撕裂的起因往往是极端大风、线路严重覆冰、脱冰跳跃等,这些情况下复合绝缘子受力超出设计,造成断串。

绝缘子整体而言,机械强度受控部分一般为球头颈部,即仅承受拉应力时,最先断裂的往往是球头。但在受到扭转应力、拉应力或者压应力的复合作用时,复合绝缘子金具-芯棒的连接部位最为脆弱,因此断口位置往往位于金具-芯棒连接部位。

 

复合绝缘子芯棒材质是高强度的玻璃纤维,在扭转应力、拉应力综合作用下局部损伤、而后撕裂时,芯棒断口往往凹凸不平,部分纤维呈扫帚状,断口无碳化痕迹,如下图。

脆断(应力腐蚀)

脆断是复合绝缘子应用早期发生断串的主要型式,其断裂过程伴随应力腐蚀过程,断口位置可能位于金具内部、金具与芯棒连接处附近。

 

脆断的断口最明显的特征是断口大部分呈现平整、光滑的状态,断面与芯棒轴线垂直,典型断口形貌如下图。

(a) 断口平整

(b)断口呈台阶状,每一台阶均平整

 

▲ 复合绝缘子脆断典型断口形貌

朽断(芯棒碳化)

 

朽断已成为近年复合绝缘子断串的主要形式,其断串伴随着长期内部放电过程,断口一般位于复合绝缘子高压端附近。

朽断断口主要外观特征是存在显著的芯棒碳化(变黑),同时断口不平整、有明显的抽丝,典型断口形态见图3。

▲ 复合绝缘子朽断典型断口形态

3、断串的起因及发展过程

断串的3钟类型中,外部受力撕裂出现概率极小,同时过程简单、伴随极端天气情况容易分析,因此本文仅对脆断、朽断的原因及发展过程、分析方法进行介绍。

 

3.1脆断

脆断一般都伴随着应力腐蚀过程,绝缘子承担导线重量而受到拉力,当芯棒中因某种原因进入酸性液体,酸性液体会对芯棒产生腐蚀,早期复合绝缘子使用的非耐酸芯棒在拉力、腐蚀的共同作用下,芯棒逐渐出现裂纹,裂纹逐渐扩展,直到剩余芯棒无法承受拉力而断裂。

由上可知,脆断有两大条件:密封失效、芯棒为非耐酸芯棒。此外,裂纹的产生大大加速了脆断的发生。根据实际案例,脆断的发展过程有以下两类:

① 密封失效—芯棒受潮—内部产生放电---产生酸性物质—应力腐蚀—芯棒脆断;

② 端部遗留制造缺陷(楔式结构)—密封失效—大气中酸性物质进入—应力腐蚀—芯棒脆断。

楔式结构需要往芯棒端部打入楔子,易在芯棒中留下微小裂纹,密封正常时,微小裂纹的扩展速度很慢,一旦密封失效,上述裂纹就会成为应力腐蚀的起始点。

(a)内楔式结构

(b)内楔打入将芯棒撑裂

▲ 内楔式结构及对芯棒的损伤

密封失效的形式有以下三类:

① 端部密封失效:密封胶开裂,或者安装时端部受损,造成密封失效。

② 护套破坏导致密封失效:

A、 护套材质不良,受外部放电蚀穿护套;复合绝缘子在降雨天气下表面会有电晕放电存在,在遭受雷击时端部容易受高温电弧烧灼,如果护套耐电蚀能力不足,在上述情况下容易开裂,导致芯棒受潮。

B 、均压环配置不当,造成电晕放电过于严重,蚀穿护套;均压环安装不当或参数选择不当时,高压端将产生严重的电晕放电,长期作用将破坏护套造成芯棒受潮。

③ 护套-芯棒界面存在问题,水分通过扩散进入芯棒内部。

 

3.2朽断

目前绝大部分在运复合绝缘子采用耐酸芯棒,因此脆断概率已大为降低,朽断已成为绝缘子断串的主要形式。朽断往往伴随着芯棒内部长期放电,产生的能量逐步造成芯棒结构变化,一方面缠绕、固定玻璃纤维的树脂分解、玻璃纤维结构变得酥软,另一方面玻璃纤维发生碳化,机械性能显著下降,直到芯棒无法承受荷载而断裂。

这一过程中,内部缺陷沿芯棒径向发展的同时,也在沿轴向发展,在芯棒中产生内部放电通道,其端部电场强度极大,造成由内向外的护套击穿孔,典型照片如下图。

(a)芯棒内部缺陷扩展 

(b) 芯棒护套击穿孔

▲ 朽断芯棒内部缺陷的扩展


根据芯棒内部放电的起源,可将朽断分为以下两类:

① 密封破损(端部密封失效或护套破坏)—芯棒受潮—内部产生放电---产生酸性物质—芯棒碳化—朽断;

该类朽断其内部放电的起源为端部密封失效、护套破坏,其原因与前文脆断一致。由此可知,即使采用了耐酸芯棒,只要密封失效,仍然会发生断串!

② 芯棒存在内部缺陷—水分渗透--内部产生放电---产生酸性物质---护套蚀穿---内部放电加剧—芯棒碳化;

芯棒的内部缺陷一般由芯棒-护套界面不良引起,如粘接不良、界面遗留气孔等,其中粘接不良将导致脱粘、内部气隙的产生。此类断串存在如下关键过程:护套表面完好,但芯棒内部进入了水分,其原因在于当芯棒内部产生气隙时,外部的水分可以通过扩散过程进入芯棒内部。(感兴趣可参考论文“赵庆州. 复合绝缘子断裂机理分析及建议[J]. 广西电力, 2014, 37(3):77-81.”)

 

4、断串分析方法

 

外部受力撕裂引发的断串容易从气象信息中获得线索,因此这里只讨论脆断、朽断的分析。断串发生时,首先根据断口形态、断口位置判断断串类型为脆断还是朽断,随后根据前文所述可能的原因,选择对应试验项目进行验证。

 

4.1脆断

如判断为脆断,则根据前文所述,可能是密封失效+非耐酸芯棒造成断串,也可能是端部遗留制造缺陷+密封失效+非耐酸芯棒造成断串。

① 密封失效+非耐酸芯棒

端部密封失效的验证:对同批次产品进行密封性试验、对断裂绝缘子金具进行解剖并对内部锈迹成分进行检测。

其中密封性试验为将复合绝缘子施加70%额定机械负荷96h,后对端部采用渗透剂包裹20min,通过目视、解剖检查着色剂有无渗入端部、渗入深度。只要渗入深度未达到芯棒,便认为端部密封性合格。

▲ 端部密封性试验-渗透剂包裹后解剖检查渗透深度

端部的密封失效往往是个例,对同批次产品进行密封性试验不一定能发现问题,但如果端部存在密封失效,需要一段时间让应力腐蚀过程充分发生,因此端部金具内部往往发生锈蚀,因此对断裂绝缘子端部的解剖、锈迹成分检测是最为直接有效的手段。

护套材料不良导致密封失效的验证:对同批次产品进行伞套材料耐漏电起痕和电蚀损试验。

伞套材料耐漏电起痕和电蚀损试验为将绝缘子伞裙裁成一定厚度的平整试样,用恒定电痕化电压法进行试验,试验电压交流4.5kV,试样能承受6h且蚀损深度不超过2.5mm,则认为该试验通过。

▲ 经过耐漏电起痕和电蚀损试验的试样

均压环安装不当造成护套密封失效的验证:检查均压环有无装反、安装位置是否正确、对均压环配置方案进行电场验证计算。

芯棒-护套界面不良导致密封失效的验证:对同批次绝缘子开展芯棒渗透性试验、芯棒带护套水扩散试验、工频耐压带温升测试、陡波测试、剖检。

芯棒耐酸性验证:对断裂绝缘子或同批次产品进行芯棒耐酸性试验。

芯棒耐酸性试验为将绝缘子一段护套剥离使芯棒裸露,并将其打磨后用1mol/L浓度的硝酸包裹,同时施加一定拉力96h,拉力数值为芯棒面积与300MPa的乘积,如96h后芯棒未破坏、表面无显著裂纹则认为芯棒耐酸性复合要求。(也即通常说的耐酸芯棒)

上述试验的方法、判据更详细信息可见《GB/T 19519-2014 架空线路绝缘子 标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子 定义、试验方法及接收准则》。

② 端部遗留制造缺陷+密封失效+非耐酸芯棒

密封失效、非耐酸芯棒的验证与上文相同,端部制造缺陷可通过对同批次产品进行机械破坏负荷试验验证,但端部制造缺陷往往是个例,难以通过试验准确溯源,此时只能通过端部结构、断口位置进行辅助推测,如果端部采用楔式结构、断口位于端部金具内部,且靠近打入的楔子终端,则说明内部存在制造缺陷的可能性较大。

 

4.2朽断

如判断为脆断,则根据前文所述,可能是密封破损引发内部长期放电造成断串,也可能是芯棒存在内部缺陷由内而外蚀穿护套导致内部长期放电造成断串。

① 密封破损+内部长期放电

端部密封失效、护套破坏的验证方法与前文3.1节一致。

如果发现芯棒上存在孔洞,则该孔洞究竟是外部原因造成从而引发护套密封失效,还是内部缺陷造成的及穿孔,将成为判断的关键。可以从孔洞内侧、外侧的成分差异入手,一般碳化成分占比更高的一侧,起始放电时间更早的可能性更大,孔洞从这一侧起始的概率更大。 

②  芯棒存在内部缺陷

近年来芯棒存在内部缺陷的案例,主要由芯棒-护套界面不良引起。界面不良的验证分析:对同批次绝缘子开展芯棒渗透性试验、芯棒带护套水扩散试验、工频耐压带温升测试、陡波测试、剖检。

芯棒渗透性试验为将芯棒切成10mm长试样,切割方向与芯棒垂直,用砂纸打磨两端,置于红色或紫色的次甲基溶液中,溶液会在毛细作用下向试品上端渗透,测取溶液在芯棒内部渗透到顶的时间。

▲  渗透性试验

芯棒带护套水扩散试验为将芯棒切成30mm长试样,切割方向与芯棒垂直,用砂纸打磨两端,在0.1%浓度的NaCl溶液中水煮100h,随后施加12kV交流电压1min,测取泄露电流。

▲  水扩散试验段

工频耐压带温升测试为将绝缘子施加最高运行电压30min,利用红外测取绝缘子温升情况。

陡波测试为将绝缘子水煮42h,施加陡度位于1000kV/us-1500kV/μs的冲击电压正负各25次。

剖检为用刀具或外力将护套去除,观察护套剥离后芯棒表面状态。

▲  剖检后试品

上述试验更详细的信息可见《GB/T 19519-2014 架空线路绝缘子 标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子 定义、试验方法及接收准则》。

在排除密封性问题之后,上述试验任何一项存在显著异常可判断该绝缘子很可能存在界面问题。各项试验的显著异常特征指:

芯棒渗透性试验:15min内芯棒试验段被次甲基溶液渗透。

芯棒带护套水扩散试验:芯棒泄露电流超过1mA;

工频耐压带温升测试:实验室模拟试验时,芯棒温升显著,同时随着加压时间的延长温升逐步上升;如果仅仅是轻微温升,则有可能是护套受潮,但芯棒内部没有问题。

陡波测试:芯棒发生内部击穿;

剖检:芯棒表面大面积直接裸露。

 

 

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