110 kV变电站高压支柱瓷绝缘子断裂原因.pdf

71DOI:10.11973/-w1202308018质量控制与失效分析2023年第59 卷PTCA(PARTAPHYS.TEST.)8理化检验-物理分册110kV变电站高压支柱瓷绝缘子断裂原因黄蓉，曹先慧，谢亿，彭碧草，王军?，刘维可?，李文波（1.湖南省湘电试验研究院有限公司，长沙410 0 0 4；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙410 0 0 7）摘 要：某110 kV变电站高压支柱瓷绝缘子发生断裂，采用宏观观察、孔隙性试验、扫描电镜和能谱分析、X射线衍射分析等方法对其断裂原因进行分析。结果表明：烧制工艺控制不当使绝缘子心部出现黄色区域；法兰水泥胶装部位存在气孔缺陷、环境温度骤变等也是导致绝缘子强度下降的原因。关键词：高压支柱瓷绝缘子；气孔；胶装缺陷；断裂中图分类号：TG115.2；T B30文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12(2 0 2 3)0 8-0 0 7 1-0 4Reasons for fracture of high voltage ceramic post insulator in 110 kV substationHUANG Rong,CAO Xianhui,XIE Yi?,PENG Bicao,WANG Jun?,LIU Weike?,LI Wenbo?(1.Hunan Xiangdian Test&.Research Institute Co.,Ltd.,Changsha 410004,China;2.Power Science Research Institute,State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Changsha 410007,China)Abstract:The high voltage ceramic post insulator of a llo kV substation fractured.The fracture reasonswere analyzed by means of macroscopic observation,porosity test,scanning electron microscopy and energyspectrum analysis,X-ray diffraction analysis and other methods.The results show that the improper control of thefiring process caused the insulator to appear yellow core.The pore defects in the flange cement mounting parts andsudden changes in ambient temperature were also the reasons for the decrease of insulator strength.Keywords:high voltage ceramic post insulator;porosity;adhesive defect;fracture支柱瓷绝缘子是电力系统的重要组成部分，起到支撑导线和绝缘的作用，具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等优点1。支柱瓷绝缘子运行过程中温差较大，以及导体发热等因素会使瓷绝缘子内部产生热应力集中，从而诱发微裂纹，导致其性能及可靠性降低2 。支柱瓷绝缘子属于脆性材料，韧性低3电力系统中支柱瓷绝缘子由上、下金属附件和绝缘件（瓷件，主要有铝质瓷和硅质瓷两种）通过胶合剂胶合或机械卡装而成，主要分为户内和户外支柱瓷绝缘子。高压支柱瓷绝缘子可以分为不同等级：按额定电压分包括7.2,12，2 4，40.5，7 2.5，12 6，252，36 2,550 k V 等9个等级，其中户内绝缘子仅包括7.2 40.5kV等级；按机械强度（弯曲）分包括2，收稿日期：2 0 2 2-10-0 9作者简介：黄蓉（198 8 一），女，本科，工程师，主要从事电网金属材料检测、试验、失效及故障分析工作，57 48 7 4，8,16,2 5k N等5个等级。户内支柱绝缘子按结构可分为外胶装、内胶装和联合胶装3个系列，户外支柱绝缘子主要有针式和棒形两个系列。针式柱状绝缘子主要用于低压配电线路和通信线路，而棒形柱状绝缘子则主要用于高压变电站。某110 kV变电站高压支柱瓷绝缘子C相的底部法兰附近发生断裂，同时A、B两相支柱绝缘子的连接导线处于应力松弛状态，没有直接受到外力作用，支柱瓷绝缘子断裂现场如图1所示。笔者采用一系列理化检验方法分析其断裂原因，并提出了相应的解决措施，结果可为支柱瓷绝缘子的监督和运行提供参考41理化检验1.1宏观观察检查绝缘子断口，发现其断面崭新，没有陈旧的痕迹，表面有部分被尘土污染的区域。绝缘子断面宏观形貌如图2 所示，在断面的中心，有明显发黄的72黄蓉，等：110 kV变电站高压支柱瓷一绝缘子断裂原因理化检验-物理分册断裂部位图1支柱瓷绝缘子断裂现场圆形区域，直径约为33mm（见图3）。绝缘子水泥胶装部位存在较多的密集型气孔缺陷，部分气孔的长度达到12 mm（见图4）。黄心图2绝缘子断面宏观形貌图3发黄区域宏观形貌图4水泥胶装部位气孔缺陷的宏观形貌1.2孔隙性试验依据GB/T8287.12008标称电压高于1000V系统用户内和户外支柱绝缘子第1部分：瓷或玻璃绝缘子的试验，取绝缘子外缘的正常瓷和中心黄白相间部位的绝缘子碎块（见图5）进行孔隙性试验，试验后把试样从溶液中取出，冲洗试样后干燥，并再次将其敲碎，观察新敲击开的表面。中心发黄区域瓷碎块新敲击开的表面存在较明显的染料渗透现象，而正常瓷碎块新敲击开表面的渗透现象不明显。孔隙性试验后碎块的宏观形貌如图6 所示。正常瓷黄心瓷图5孔隙性试验前瓷绝缘子正常瓷和中心发黄部位瓷碎块宏观形貌1.3扫描电镜（SEM)和能谱分析在支柱瓷绝缘子的正常瓷和中心发黄区域分别切取厚度为58 mm薄片试样，研磨并抛光试样表a）正常瓷碎块新敲击面b）中心发黄部位瓷碎块新敲击面图6孔隙性试验后碎块的宏观形貌面。用无水乙醇溶液清洗试样15min，用体积分数为10%的氢氟酸溶液酸蚀试样5min，之后烘干，对试样表面进行喷金处理约10 0 S。用扫描电镜观察支柱瓷绝缘子的正常瓷和心部黄色区域的显微组织，结果如图7 所示，由图7 可知：心部黄色区域的气孔率明显高于正常瓷的气孔73黄蓉，等：110 kV变电站高压支柱子断裂原因理化检验-物理分册率，而且气孔的直径较大，心部黄色区域存在部分不规则形状的气孔；黄心部位的气孔、疏松缺陷比较明显，石英颗粒区域存在异常粗大、脱黏、微裂纹等缺陷。500um50uma）正常瓷（低倍）b）正常瓷（高倍）较大气孔石英颗粒异觉粗大、微裂纹不规则气孔不规则气孔500um50umc）心部黄色区域（低倍）d）心部黄色区域（高倍）图7支柱瓷绝缘子的正常瓷和心部黄色区域的SEM形貌对故障支柱瓷绝缘子材料进行能谱分析，结果如图8 所示。由图8 可知：SiO2的质量分数约为72%，A 12 0 的质量分数约为19%，其他氧化物的质量分数约为9%，可知该绝缘子材料属于硅质瓷。Si0GaCaKFeFe0246810121416 1820E/keV图8支柱瓷绝缘子能谱分析结果1.4X射线衍射(XRD)分析分别取故障绝缘子心部黄色区域瓷和正常瓷部分制作试样，对其进行研磨、抛光、清洗、烘干处理，采用X射线衍射仪对试样进行XRD分析，分析图谱如图9,10 所示，试样物相的XRD定量分析结果如表1所示。由表1可知：两个试样的主要晶相为莫来石相、石英相和少量刚玉相，两者晶相含量差别不大，心部黄色区域瓷的Fe2O3含量略高于正常瓷，且正常瓷的FeO含量略高于心部黄色区域瓷。表1绝缘子试样物相的XRD定量分析结果%质量分数试样类型莫来石相石英相刚玉相FeoFe2O3正常瓷试样34.225.66.71.40.8心部黄色区域瓷试样33.526.25.80.91.5人图9正常瓷试样XRD分析图谱图10心部黄色区域瓷试样XRD分析图谱2综合分析气孔的数量、大小、形态在一定程度上能够反映出材料的质量问题。因为材料气孔部位容易产生应力集中，增加介电损耗，对支柱绝缘子的力学性能有74黄蓉，等：110 kV变电站高压支柱瓷绝缘子断裂原因理化检验-物理分册明显弱化作用。同时，气孔的形状也会影响到材料中莫来石相的生长，并形成尺寸较大的莫来石相，从而降低电瓷材料的强度。支柱瓷绝缘子材料主要有铝质瓷和硅质瓷两种。铝质瓷晶体主要由刚玉相、莫来石相等组成，硅质瓷晶体主要由莫来石相、石英颗粒相等组成。由能谱分析结果可知，该绝缘子氧化硅含量约为70%，属于硅质瓷。硅质瓷绝缘子的结构比较疏松，气孔相含量较高，石英相颗粒与基体的界面结合不紧密，常出现脱黏现象。石英颗粒具有脆性大、与基体的热膨胀系数不匹配等特征5，在其周围容易伴生显微裂纹，并发生裂纹聚集扩展，从而使材料的强度下降。该故障绝缘子的显微组织形貌表明，其存在较多的气孔缺陷，石英颗粒较粗大，存在与基体脱黏、微裂纹等缺陷，这些缺陷均会降低支柱绝缘子的力学性能。另外，刚玉的弹性模量要比石英的弹性模量高得多，同时也高于莫来石的弹性模量6 （见表2)，随着刚玉晶相含量的降低，支柱瓷绝缘子的强度也会随之降低。因此，故障瓷绝缘子的力学性能和稳定性也低于高强度铝质瓷绝缘子。表2绝缘子中主要晶体的弹性模量GPa晶体类型弹性模量刚玉晶体380石英晶体90莫来石晶体200瓷质绝缘子材料中的铁氧化物均为变价氧化物，在烧成过程中，其会随炉内气氛的不同生成不同价的氧化物。在瓷的整个烧制过程中，高温阶段瓷都处在强还原气氛条件下，直到冷却前，铁的氧化物均以低价态FeO存在。当还原气氛不足、时间不够或冷却速率过快时，支柱绝缘子表面Fe2O：尚可被还原成FeO，瓷质呈正常的灰白色；而瓷质中心部分还没来得及被还原，仍以Fe2O：的形式存在，Fe3+呈黄棕色或红色，与灰白色瓷质结合容易呈现浅黄色，从而在瓷质心部出现发黄的现象。调取故障发生时变电站的温度情况，发现在故障前两天存在最大2 2 的温度突变。同时该绝缘子已经运行了2 7 a，运行过程中环境温度变化会使其心部与外缘之间发生应力集中和损伤积累，最终导致材料在外界温度变化的诱因下发生断裂。瓷质坏体中铁氧化物Fe2O：的热膨胀系数低于FeO的热膨胀系数，如果运行过程中环境温度骤变，二者热膨胀系数的不同会导致材料产生内应力7-93结论及建议支柱绝缘子心部出现黄色区域，绝缘子法兰胶装部位气孔缺陷、温度骤变造成其产生内应力集中和损伤累积，使支柱绝缘子的力学性能下降，进而导致其发生断裂。针对故障原因，提出以下3条改进建议。（1）严格控制绝缘子生产制造环节的工艺，把控产品质量，加强产品出厂前的型式试验和验收，（2）推荐选用高强度铝质瓷作为支柱绝缘子的材料，铝质瓷在显微组织、稳定性、力学性能等方面显著优于硅质瓷。（3）建议在支柱绝缘子的运行维护过程中，加强检测预防手段，从而预防断裂事故的发生。参考文献：1毛文奇.支柱瓷绝缘子缺陷检测方法及防范措施初探J.湖南电力，2 0 0 6,2 6（5)：11-14.2范敏，黎治宇，邓集，等.基于振动声学理论的瓷支柱绝缘子检测法J.湖南电力，2 0 13,33（5）：9-11，2 1.3李欣，刘兴文，邓集，等.2 2 0 kV管母支柱绝缘子断裂原因分析及对策J.湖南电力，2 0 14，34（2）：33-35.4陈琳依，帅勇，胡加瑞，等.高压支柱瓷绝缘子断裂分析.高压电器，2 0 15,51（7)：6 9-7 3.5孟勇，龚国洪，伍正平，等.浅谈瓷绝缘子中微裂纹结构与晶粒尺寸的关系J.矿物学报，2 0 11,31（增刊1):1004-1005.6马天齐.电瓷制造工艺及显微结构特征研究D.长沙：湖南大学，2 0 18.7雍军，沈庆河，胡晓黎，等.浅析山东电网高压支柱瓷绝缘子断裂原因J.高电压技术，2 0 0 5，31（3）：90-91.8侯宇嘉，杨文良，王琼，等.高压支柱瓷绝缘子断裂原因及缺陷检测技术分析J.内蒙古电力技术，2 0 19，37(1):71-74.9黄蓉，王军，谢亿，等.50 0 kV变电站断路器导气管接头开裂原因J.理化检验（物理分册），2 0 2 2，58（5）：30-33,39.