1、進口500kV復合絕緣子斷裂的原因分析包建強 余長水 周立波 黃曉明 吳明祥 鄭月忠摘 要本文通過對德國西門子公司、美國可靠公司和德國赫斯特公司產500kV復臺絕緣子的斷裂原因分析、試驗、研究、論證和模擬仿真電場分布理論計算，結果表明：德國西門子公司的復臺絕緣子存在嚴重的質量問題：美國可靠公司的復合絕緣子在采取措施后可以繼續使用：德國赫斯特公司非標加工的500kV/300kN級復合絕緣子，其芯棒密實性、滲透性能不符合標準要求；同時，對運行中復合絕緣子的使jj提出了防范措施，井對新建線路復合絕緣子的選用提出了建議。關鍵詞進口 復合絕緣子 斷裂 故障原因 分析與研究中圖分類號：TM216文獻標志碼

2、：A文章編號：1009-9239 (2009) 05-0071-061 前言硅橡膠有機復合絕緣子（以下簡稱復合絕緣子），以其體積小、重量輕、耐沖擊、運輸安裝方便、機械強度高、耐污性能好，以及便于維護或少維護（不需檢測低零值、免清掃）等優點而被廣泛應用在我國的輸電線路上，且總體運行情況良好，并取得和積累了一定的運行經驗。與盤型懸式瓷或玻璃絕緣子一樣，復合絕緣子亦并非十全十美，也有自身的弱點，如電蝕脆斷、憎水性喪失、不明原因閃絡等等，尤其是電蝕脆斷，往往引起輸電線路導線墜落，線路跳閘停電的嚴重事故，給輸電線路乃至電網的安全運行帶來極大的危害1。因此，我們對3家國外復合絕緣子生產廠家的500kV復合

3、絕緣子在浙江電網運行中發生的斷裂事故情況，進行了深入的原因分析、剖析和試驗、研究和論證，以及模擬仿真電場分布理論計算，其得出的結論和提出的建議對復合絕緣子生產制造和優化選用，以及安全運行具有啟發意義和實用價值。2 復合絕緣子斷裂實例2.1 2002年6月10日，浙江電網輸電線路運行單位在正常巡線中發現，500kV北蘭5401線#238塔中相和右相(A、C相)雙串，面向大號側各有一支復合絕緣子在導線側（高壓端）斷裂，其余4支（包括B相）復合絕緣子均有局部電蝕、放電及嚴重貫穿性擊穿孔；6月13日檢查相鄰#237塔三相（雙串）時發現6支復合絕緣子也有類似情況；相隔35天后，在7月5日，再次發現北蘭5

4、401線#216塔的中相（雙串）一支復合絕緣子導線側斷裂：2002年12月22日，天蘭5455線#202塔A相直線懸垂四串中一支復合絕緣子發生貫穿性擊穿，在更換斷裂絕緣子串時，發現其他3支也有不同程度的嚴重電蝕損壞。以上斷裂的復合絕緣子均為德國西門子公司的兩個不同批次的500KV/180KN級產品，一批為576支，于1999年12月投入北蘭5401和5403線運行。另一批546支，于1999年11月投入在北天5409、天蘭5455線運行，復合絕緣子實際掛網運行到發生斷裂故障時間分別為2年半和3年。2.2 2002年7月16日上午9：48分，500KV蘭窯5404線蘭亭變頻保護、距離高頻保護動作

5、，B相開關跳閘，重合不成功，引起三相跳閘；輸電線路運行單位故障巡線發現，蘭窯5404線#26塔中相（B相）單串復合絕緣子斷裂掉串，四分裂導線落在ZMI塔的塔窗內平口上。該復合絕緣子系美國可靠公司的500KV/180KN級產品，運行時間為7年零七個月。2.3 2004年2月24日上午10: 10分，輸電線路運行單位在正常巡線中發現，北蘭5403線#236塔中相(B相)雙串，面向大號側有一支復合絕緣子斷裂。該復合絕緣子系德國赫斯特公司臨時專門為重荷載非標加工的500kV/300kN級6支之一，1998年掛網運行產品，運行時間為5年零8個月；斷裂處為導線側（高壓端）以上第3-4片裙片處，留有很長的撕

6、裂面，聯板單邊受力，詳見圖1、圖2。 圖1.圖2 北蘭5403線#236塔德國赫斯特公司復合絕緣子斷裂情況以上所有斷裂復合絕緣子的線路桿塔均地處封山育林，山青水秀，無明顯污染源的清潔綠色生態環境區域。2004年2月24日北蘭5403線#236塔斷裂復合絕緣子，與2002年6月10日北蘭5401線#238塔斷裂復合絕緣子的現場環境情況基本一致，同處一座山頂，且均發生在ZM型直線貓頭塔中相。距#236塔和#238塔東北方向大約1.52km以外的另一個山岙里有一座小水泥廠，故對該區域污區劃定污穢等級為2.3cm/kv.另外，500kv蘭窯5404線#26塔斷裂復合絕緣子的現場與桿塔兩側線路結構情況與

7、北蘭5401線#238塔、北蘭5403線#236塔也較為類似，均處在大檔距、大高差的山頂，不平衡張力和垂直荷重都比較大。3 復合絕緣了的斷裂特征3.1 德國西門子公司復合絕緣子的斷裂特征對更換下來的斷裂復合絕緣子和其他塔號的有電蝕異常的復合絕緣子進行外觀仔細檢查，見圖3、圖4。發現這些復合絕緣子有以下一些特征：(1)斷裂復合絕緣子的斷裂部位都位于絕緣子導線側高壓端附近：(2)斷裂復合絕緣子都有嚴重的電蝕和局部放電痕跡，裂口始于復合絕緣子端部金具與護套界面結合部位； 圖3西門子公司斷裂復合絕緣子 圖4西門子公司電蝕異常復合絕緣子(3)斷裂復合絕緣子貫穿性局部放電延伸部位都有從絕緣子芯棒與護套界面

8、處向護套外的徑向擊穿孔；(4)異常復合絕緣子都有不同程度電蝕和局部放電形成的徑向擊穿孔；(5)所有的復合絕緣子兩端金具與芯棒護套界面之間采用簡單的室溫硫化硅橡膠粘結密封，且芯棒與護套粘結不牢固，極易撕裂分離。3.2 美國可靠公司復合絕緣子的斷裂特征對更換下來的斷裂掉串復合絕緣子進行外觀仔細察看見圖5。發現：圖5美國可靠公司斷裂復合絕緣子(I)復合絕緣子斷裂在導線側高壓端第2片第3片傘裙之間的護套處，芯棒從護套內撕裂抽芯至第5片傘裙止，從芯棒斷裂的斷口看，芯棒約3/5截面為水解斷裂，斷裂部位芯棒酸蝕呈淡黃色，邊緣絮狀酥化；約2/5截面為撕裂，撕型部分芯棒呈干白狀，斷裂處芯棒護套斷口有一徑向貫穿護

9、套的小針孔，距導線端側第3片第4片傘裙芯棒護套處，也發現有一徑向貫穿護套的小針孔：(2)復合絕緣子芯棒護套有偏心的現象，護套層厚度不均勻，其中最薄處小于3mm;(3)整支復合絕緣子的傘裙邊緣均呈現出老化性粉狀。3.3 德國赫斯特公司復合絕緣子的斷裂特征對更換下來的斷裂掉串復合絕緣子進行外觀仔細察看，見圖6、圖7。發現圖6德國赫斯特公司斷裂復合絕緣子(1)復合絕緣子斷裂在導線側高壓端第3片第4片傘裙之間的護套處，芯棒從護套內撕裂抽芯并留有很長的撕裂面：(2)斷裂復合絕緣子芯棒被電弧嚴重灼傷，芯棒呈現碳化現象，在距離高壓端金具45mm處護套上存在一處深度到達芯棒的電蝕損點。4 試驗及分析鑒于上述原

10、因，按照IEC和我國相關標準在國家絕緣子避雷器質量監督檢驗中心，根據斷裂、電蝕異常復合絕緣子的實際情況，有針對性地進行了解剖及有關驗證性試驗，試驗與同批次更換下來外觀完好的復合絕緣子同時進行。4.1 德國西門子公司復合絕緣子4 .1.1 絕緣子端部附件連接區及界面性能圖7德國赫斯特公司電蝕異常復合絕緣子西門子公司500kV復合絕緣子端部附件連接區及界面性能試驗中，經過42h的水煮試驗后，三支試品的傘套與芯棒之間均有不同程度的分離現象，見圖8，其中#2試品尤為嚴重。該試品在陡波沖擊電壓試驗中未能通過而被擊穿，擊穿情況與事故復合絕緣子的現象基本一致。4.1.2 絕緣子芯棒性能西門子公司500kV復

11、合絕緣子在芯棒滲透試驗中，5401線和5403線絕緣子的芯棒10段試品中，只有2段通過試驗，其他試品在規定時間內頂部端畫出現1個或多個染色滲透點，最快的在30s時芯棒出現染色滲透點：5409線和5455線的絕緣子芯棒，全部試品在1530s內，在頂部就出現染色滲透點，完全不符合標準規定。 圖8傘套與芯棒之間分離現象 圖9傘套起痕及電蝕試驗情況4.1.3 傘套起痕及電蝕性能為了分析復合絕緣子傘套蝕損的原因，對5401線批次上的復合絕緣子進行l000h的傘套起痕和蝕損試驗，在2支試品上進行，分為水平和垂直安裝兩種方式。水平安裝的試品通過1006h試驗后，傘裙未被擊穿，傘套有電蝕痕跡，但未蝕損到芯棒，

12、并未發生過流中斷。垂直安裝的試品在進行到774h55min時發生過流中斷，試品擊穿，與運行中發生嚴重電蝕的情況具有類似的特征，見圖9。在進行傘套材料耐漏電起痕及耐電蝕損性試驗中，5支試品中只有一支試品電蝕深度滿足標準要求，其它都達不到標準TMA3.5級的要求。4.1.4 其他性能按照標準要求還對該批試品進行了拉伸負荷、工頻干閃絡電壓、工頻干耐受電壓、水擴散、芯棒耐應力腐蝕、1h機械拉伸負荷、額定拉伸耐受負荷和拉伸破壞負荷等試驗，試驗結果均符合標準規定。4.2 美國可靠公司復合絕緣子 芯棒耐應力腐蝕性能可靠公司500kV復合絕緣子已運行近8年左右后發生一支斷裂，仔細觀察斷裂絕緣子斷面，發現護套斷

13、裂面有一個約11.5mm左右的電蝕孔，為了證實絕緣子斷裂是否是該電蝕孔引起，取3支試品，并在每支絕緣子的護套上鉆一個直徑2mm的小孔，讓小孔浸沒在濃度為1.0N的硝酸溶液中，同時對絕緣子施加60%的額定機械負荷，進行芯棒耐應力腐蝕性能試驗。試驗分別進行到1lh30min、21h55min、33h55min時芯棒開裂；試驗證實可靠公司絕緣子芯棒材料不是耐酸芯棒，當在絕緣子的護套或密封遭到破壞的情況下，會加速發生絕緣子芯棒的斷裂。 斷裂絕緣子解剖分析對蘭窯5404線#26塔B相斷裂復合絕緣子進行解剖：該斷裂復合絕緣子高壓端金具與絕緣子芯棒連接的端口密封是用室溫硫化硅橡膠材料封口，室溫硫化硅橡膠與金

14、具之間粘接密封己破壞，復合絕緣子當密封破壞使之水氣、酸等腐蝕氣體進入高壓端部金具腔內壁與芯棒界面，同時在軸向電場作用下，水氣分解形成酸性物質，逐漸腐蝕和水解了芯棒，造成芯棒的機械性能大大下降，最終發生絕緣子的斷裂。該斷裂絕緣子護套上的電蝕孔，是絕緣子芯棒水解和腐蝕到護套的，護套電蝕孔在護套內側大，外側形成針孔狀現象也就理所當然。 其他性能按照標準要求還對該批試品進行了拉伸負荷試驗、界面試驗、絕緣子芯棒試驗、傘套起痕及電蝕試驗、1h機械拉伸負荷、額定拉伸耐受負荷和拉伸破壞負荷等試驗，試驗結果均符合標準規定。4.3 德國赫斯特公司復臺絕緣子 絕緣子芯棒性能 赫斯特公司500kV復合絕緣子在芯捧滲透

15、試驗中，所有試品在1012s時，均被滲透至試品的頂端，結果嚴重不符合標準規定。芯棒水擴散試驗，所有試品的泄漏電流均大于1000A，且#2-13試品被擊穿，結果不符合標準規定。4.3.2 傘套起痕及電蝕性能 試品按照標準規定一支水平安裝，一支垂直安裝，按照運行狀態施加電壓。試驗結果為：有輕微蝕損現象，蝕損未深及芯棒，無過流中斷，表面有鹽份附著。4.3.3 可見電暈電壓可見電暈電壓試驗用均壓環分別安裝運行中使用的均壓環和產品配套的均壓環，在相同試驗條件下的#1試品絕緣子上進行。按照實際情況安裝運行中使用的均壓環，絕緣子高壓端均壓環的環面在金具端頭與芯棒護套界面以下73mm處，試驗時采用單串絕緣子，

16、按照GB/T775.2-2003絕緣子試驗方法第2部分：電氣試驗方法進行。試驗情況為：安裝運行中使用的均壓環的絕緣子在286kV（三次試驗結果的海拔校正平均值，以下所列數據類同）工頻電壓下，在試品高壓端金具端頭與芯棒護套界面處沿軸線方向的絕緣護套表面產生電暈放電，隨著電壓增高放電加劇，在電壓下降到280kV時電暈放電現象消失：安裝與產品配套均壓環的絕緣子在242kV時均壓環對空氣放電，升高電壓時均壓環對空氣放電加劇，電壓升至318kV時未見絕緣子表面有電暈放電，在電壓下降到247kV時，電暈放電現象消失。4.3.4 傘套材料耐電痕化和蝕損試品按照1A4.5級標準規定經連續6h的試驗，結果為：試

17、品均無過流中斷，最大蝕損深度為l.0mm，符合標準規定。 斷裂絕緣子解剖分析從斷裂復合絕緣子高壓端頭解剖后情況看，絕緣子端部密封工藝、密封膠及密封狀況是良好的，基本上可以排除產品的端部密封質量問題。 其他性能按照標準要求還對該批試品進行了拉伸負荷、1h機械拉伸負荷、額定拉伸耐受負荷和拉伸破壞負荷等試驗，試驗結果均符合標準規定(且破壞負荷達到389kN)。5 電場分布計算計算模型依據西門子公司和美國可靠公司的500kV復合絕緣子試品及線路實際塔型的塔頭參考圖紙，按實際500kV復合絕緣子、桿塔、導線、均壓環的尺寸和傘形尺寸進行模擬仿真計算。選擇中相單串、雙串、邊相單串合成絕緣子的電場分布進行計算

18、。計算結果西門子公司與美國可靠公司復合絕緣子相比其：復合絕緣子在同一位置的導線側最大電場強度、中部最小電場強度、接地側最大電場強度均相對較小2。說明，合理配置均壓環，極其均壓環的大小、安裝位置對復合絕緣子導線側的電場分布有較大影響。6 評定結果6.1 德國西門子公司復合絕緣子的評定結果(1)復合絕緣子經過2年半3年的運行，仍保持了較高的機械強度和裕度，單純的機械性能沒有缺陷、沒有降低：(2)復合絕緣子傘套材料耐漏電起痕及耐電蝕損性能較差，傘套易電蝕損壞；(3)復合絕緣子護套與芯棒之間的界面耦聯不牢固，粘接不緊密，存在氣隙，使電氣絕緣強度降低：(4)復合絕緣子兩端金具與芯棒護套界面之間以室溫硫化

19、硅橡膠粘結密封，在高壓強電場下，極易電蝕開裂和損壞密封：(5)復合絕緣子芯棒材料不致密，在護套破損后被燒蝕炭化，降低其機械強度，造成芯棒斷裂：(6)根據對復合絕緣子的電場分布計算結果，西門子公司的500kV復合絕緣子均壓環大小的配置及安裝位置較為合理，從而使整支復合絕緣子的電場分布相對合理；但在此情況下仍發生傘套材料嚴重電蝕損壞，說明該類絕緣子傘套材料存在嚴重的質量問題；建議全部更換還在電網上運行的相同材料、相同工藝的德國西門子公司500kV復合絕緣子34 5 6。6.2 美國可靠公司復合絕緣子的評定結果(l)復合絕緣子斷裂掉串的直接原因系高壓端部金具腔邊沿與芯棒護套間密封損壞所致。絕緣子兩端

20、金具與芯棒護套界面之間以室溫硫化硅橡膠粘結密封，在高壓強電場下，極易電蝕開裂和損壞密封；斷裂絕緣子的高壓端部金具腔邊沿與芯棒護套間密封損壞后，使之水和潮氣侵入金具腔內壁與芯棒界面，致使金具腔內壁銹蝕，芯棒表面受潮，在電場作用下芯棒表面逐步水解并腐蝕呈棉絮狀，使之芯棒機械強度驟然F降，最終發展成絕緣子斷裂掉串：(2)從同一批另外5支送檢的非損壞復合絕緣子中，發現有一支絕緣子高壓端部金具腔邊沿與芯棒護套間密封已經開始開裂（其面積約為長15mm，寬度為35mm，距芯棒約8mm左右）有銹跡現象。但對其漏電起痕、電氣性能、機械性能等方面試驗都滿足相關標準要求；(3)復合絕緣子的機械性能試驗結果仍有較高的

21、質量指數，護套與芯棒界面結合狀況良好：護套厚度較薄（僅為1.5mm），傘套起痕及電蝕損試驗表明，要關注在長期運行中因電蝕的原因造成護套損壞：芯棒未采用耐酸芯棒，要考慮長期運行中因電蝕和大氣環境的綜合作用造成芯捧的受損；(4)根據抽樣試驗結果，分析認為美國可靠公司的500kV復合絕緣子斷裂掉串是偶然現象，該產品仍可繼續使用：為防止端部金具腔邊沿與芯棒護套間密封出現損壞而引發復合絕緣子斷裂掉串，以確保電網安全運行，建議對在電網上運行中單串結構的美國可靠公司500kV復合絕緣子，可采取加拼一支國產復合絕緣子為雙懸垂串雙掛點雙線夾（或二聯板單線夾）結構，或雙懸垂串單掛點二聯板雙線夾結構（受塔頭橫擔限制

22、時）的措施；并建議運行、試驗單位進行定期抽檢試驗，這樣既可提高線路安全運行的可靠性，又可對美國可靠公司的500kV復合絕緣子進行使用壽命的跟蹤34 5 6。6.3 德國赫斯特公司復合絕緣子的評定結果(1)復合絕緣子芯棒試驗的結果表明，運行中的絕緣子芯棒不符合標準規定，芯棒的缺陷是造成絕緣子在嚴酷運行條件下斷裂的重要原因之一。(2)傘套材料耐電痕化和蝕損試驗結果表明，電痕化和蝕損最大深度為l.0mm，絕緣子采用的傘套材料符合1A4.5級標準的規定。絕緣子護套厚度為3 mm（絕緣子桿徑43 mm，芯棒直徑37mm），在嚴酷的運行條件下絕緣子護套被完全電痕化和蝕損的可能性依然存在。(3)傘套起痕及電

23、蝕試驗結果表明，截短制成的標準試樣經連續l000h盼試驗，護套僅有輕微電蝕，符合標準規定。(4)起暈電壓試驗的結果表明，運行中使用的均壓環不能對絕緣子金具端部與芯棒護套界面起到良好的保護作用，致使在運行電壓下在護套表面產生了電暈放電；與產品配套的均壓環可以對絕緣子金具端部與芯棒護套界面起到良好保護作用，在最高運行電壓318kV下不會在絕緣子的高壓端產生絕緣表面的電暈放電。(5)機械性能試驗僅在表面外表完整的2支和1支絕緣子上進行，不能完全代表該批次產品的性能。雖經長期運行，撐1試品的拉伸破壞負荷值仍然達到了389kN，破壞部位為絕緣子的鋼腳，對比額定負荷仍有30%的裕度,而且連接部位穩定可靠。

24、(6)可能引起的復合絕緣子斷裂過程：由于運行中復合絕緣子錯誤地延用安裝了均壓環（即原500kv瓷或玻璃絕緣子串用的均壓環，環徑偏大，環平面偏低，引起均壓效果明顯下降），致使在復合絕緣子高壓端的護套表面產生了本不應有的電暈放電，運行地點小環境污穢較為嚴重，一定程度上加劇了電痕化和蝕損的發展，護套厚度較薄，容易完全被蝕損，當深度達到芯棒時，由于芯棒的滲透性能和水擴散性能嚴重不符合標準規定，在污濕環境條件下，芯棒迅速被滲透，在電場集中的高壓端芯棒性能惡化，并迅速在芯棒直徑方向和軸線方向發展，在電場作用下，電暈放電燒碳化芯棒，致使芯棒的機械性能急劇下降，最終造成芯棒在絕緣子的高壓端斷裂【7】。7 問題

25、探討及建議7.1 問題探討500kV蘭窯5404線#26塔與北蘭5401線#238塔、北蘭5403線#236塔斷裂復合絕緣子的現場環境與桿塔兩側線路結構情況基本類似，均處在大檔距、大高差的山頂不平衡張力和垂直荷重都比較大。500 kV線路四分裂導線風壓系數也較大，故極易在上述特定環境條件下引起線路導線的微風振動，嚴重時甚至引起線路導線舞動，造成絕緣子、金具斷裂。因此，一般在大檔距、大高差的500 kV輸電線路上，其多分裂導線的風振極易引發劣質或不良復合絕緣子端頭金具腔與芯棒護套間密封損壞，致使滲水受潮腐蝕芯棒，并在強電場下形成局部放電，電蝕芯棒與護套，直至芯棒護套電蝕擊穿脆斷。500kV蘭窯5404線#26塔與北蘭5401線#238塔、北蘭5403線#236塔斷裂復合絕緣子均為中相，且北蘭5401線#238塔、北蘭5403線#236塔均為雙懸垂串結構。據有關資料電場分布計算和試