220 kV輸電線路支柱絕緣子斷裂故障研究分析

孔小紅，溫　生，劉桂林，陳祥睿，武永泉，趙　軒，楊紅杰

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，南京　210000；2. 國網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司,湖北 荊門　448000)

電纜終端塔是架空線路與電纜線路連接的基本形式，塔上支柱絕緣子用于支撐、固定導(dǎo)線引下線，使得導(dǎo)線與桿塔之間存在足夠安全距離[1-4]。由于支柱絕緣子重量輕、運行維護(hù)少，因此得到廣泛使用[5-6]。支柱絕緣子根部是與桿塔連接的部位，承受著絕緣子在運行中各種作用力的彎曲復(fù)合。支柱絕緣子芯棒的脆斷率為1/10 000[7]，受溫度、風(fēng)力、濕度等自然環(huán)境的影響下，絕緣子根部易變形或斷裂，導(dǎo)致引流線與塔身安全距離不足，引發(fā)線路跳閘事故。2007年河南I左龍線和I首常線塔中及右側(cè)絕緣子斷裂，2006年常州220 kV金灣線復(fù)合絕緣子斷流，跳閘重合不成功[8]。此外，2006年國家電網(wǎng)公司組織的調(diào)查分析中指出，隔離開關(guān)和母線的支柱絕緣子斷裂事故也頻繁發(fā)生，可見支柱絕緣子在運行中斷裂是威脅電網(wǎng)安全運行的致命殺手[9-13]。基于電網(wǎng)生產(chǎn)實際中發(fā)生的一起典型案例，研究支柱絕緣子根部斷裂的根本原因，提出應(yīng)對舉措及建議，避免類似故障發(fā)生，對電網(wǎng)安全運行具有更為重要的實際意義。

1　故障經(jīng)過及保護(hù)動作情況

1.1　故障時環(huán)境情況

接地短路故障發(fā)生時，天氣為小到中雨，東北風(fēng)7級，溫度為7～11℃，氣象條件惡劣。接地點附近地勢空曠，無特殊地形地貌，無高大建筑或樹木，城市交通量稀少。

1.2　故障經(jīng)過及查線情況

故障巡視人員發(fā)現(xiàn)220 kV某線路05號電纜終端塔A相電纜引下線上端支柱絕緣子接地端斷裂，下端支柱絕緣子受壓彎曲，致使A相電纜引下線與B相電纜引下線安全距離不足，誘發(fā)AB相短路故障，如圖1所示。從現(xiàn)場放電路徑來看，故障表現(xiàn)為導(dǎo)線對桿塔構(gòu)件放電，在通道內(nèi)、導(dǎo)線上未發(fā)現(xiàn)異物灼燒的殘留痕跡，如圖2所示。

綜上判斷，本次故障跳閘的原因為惡劣天氣下絕緣子底座斷裂導(dǎo)致安全距離不足，形成放電回路引起的。

圖1　220 kV某線路05號塔故障現(xiàn)場

圖2　導(dǎo)線對桿塔構(gòu)件放電痕跡

1.3　保護(hù)動作情況

故障時，220 kV某線路兩側(cè)開關(guān)主保護(hù)動作跳閘，A相接地短路故障，110 ms后轉(zhuǎn)成AB相間短路，三跳重合不成功。

2　支柱絕緣子斷裂原因分析

2.1　故障現(xiàn)場分析

根據(jù)故障現(xiàn)場斷裂絕緣子測量可知，該絕支柱緣子結(jié)構(gòu)總長2.90 m，接地端根部厚68 mm、寬9.7 mm，雙傘傘裙結(jié)構(gòu)，大傘群直徑150 mm，小傘裙直徑115 mm，傘裙長度2.50 m。由運行的支柱絕緣子可知，絕緣子安裝后變形較大，長期承受較大的扭曲彎矩，絕緣子棒芯已疲勞損傷。按線路設(shè)計規(guī)范、運行經(jīng)驗，搶修更換的絕緣子結(jié)構(gòu)長2.45 m，斷裂絕緣子比設(shè)計規(guī)范絕緣子長度明顯增長。

2.2　絕緣子安裝選型分析

根據(jù)絕緣子型號的追溯，設(shè)計單位當(dāng)時要求廠家提供兩種類型的絕緣子，一種型號為FFP-220/2.0，全長2.90 m,用于懸垂絕緣子安裝；另一種型號為FS-220/2.0，全長2.45 m，用于支柱絕緣子安裝。根部斷裂絕緣子型號為FFP-220/2.0，總長2.90 m。由此可以初步判斷，在施工過程中，施工單位誤將懸垂式絕緣子安裝成支柱式絕緣子。

2.3　絕緣子斷裂面斷口形貌分析

支柱絕緣子底座的斷口形貌如圖3所示。斷面基本平齊，表面均布有淺黃的銹跡，未見明顯的陳舊性裂紋，表明開裂是在瞬時發(fā)生的，淺黃色的銹跡是斷裂后在潮濕的環(huán)境中快速形成的。根據(jù)斷口上的撕裂棱走向，判斷開裂是在上表面中間部位先開始的，裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。

圖3　絕緣子根部斷口形貌

2.4　根部材料成分檢測、性能試驗

制造廠提供的圖紙顯示，發(fā)生斷裂的金屬底座(圖紙所示上附件)材料牌號為ZG310-570，為了判斷斷裂金屬底座的材料成分和力學(xué)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對其性能進(jìn)行了分析和檢測。

2.4.1材料成分檢測

采用OBLF 750-Ⅱ直讀光譜儀對支柱絕緣子材料成分進(jìn)行分析，對照GB/T 11352—2009 《一般工程用鑄造碳鋼》，檢測樣品的成分符合ZG310-570的標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。

表1　材料成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.4.2材料力學(xué)性能實驗

在斷裂件的平板上取樣，進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗，試驗項目包括拉伸強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊吸收能量，試驗結(jié)果見表2。

從材料力學(xué)性能試驗結(jié)果來看，斷裂金屬底座的材料性能(除沖擊吸收能量，見表2備注)符合ZG310-570標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2　材料力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.5　斷裂點受力分析

根據(jù)絕緣子安裝情況，絕緣子底座固定端方板水平安裝，呈懸臂梁受力狀態(tài)，斷口寬度60 mm，板厚度8 mm，絕緣子大傘裙直徑為150 mm。結(jié)構(gòu)受力主要來源三部分：一是自身的重力，方向為垂直向下；二是風(fēng)載荷作用力，由于絕緣子安裝高度在15 m以下，在此高度的風(fēng)受地面影響多為水平方向，因此風(fēng)載荷也為水平方向；三是端部固定導(dǎo)線的重量載荷，方向為垂直向下。因此，絕緣子結(jié)構(gòu)的受力俯視圖如圖4所示。

圖4　絕緣子受力結(jié)構(gòu)俯視圖

(1)計算參數(shù)

絕緣子實際重量自重：m1=15 kg；

7級風(fēng)計算風(fēng)速：V=16.8 m/s；(按現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù))

遠(yuǎn)端導(dǎo)線重量m2=1 kg；

斷口寬度b=60 mm，厚度h=8 mm；

絕緣子安裝長度：l=2 900 mm；

絕緣子風(fēng)荷載最小作用面積：2 540 mm×150 mm。

(2)斷口點受力計算

支柱絕緣子斷裂點受力情況如圖5所示，遠(yuǎn)端主要承受由自重彎矩、導(dǎo)線與風(fēng)載荷引起的拉應(yīng)力，根部主要承受由自重彎矩、導(dǎo)線與風(fēng)載荷引起的壓應(yīng)力。可見，根部是整根絕緣子承受拉應(yīng)力最大的部位，遠(yuǎn)端是承受壓應(yīng)力最大的部位。

圖5　斷裂點受力圖

支柱絕緣子自重在斷裂點引起的應(yīng)力為：

可得σ1=339.8 N/mm2。

遠(yuǎn)端導(dǎo)線自重在斷裂點產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

可得σ2=45.3 N/mm2。

依據(jù)DL/T5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)》規(guī)定，絕緣子風(fēng)荷載計算公式為

WI=WoμzB1AI

式中Wo——基本風(fēng)壓(計算風(fēng)速取7級風(fēng))，16.8 m/s；μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按B類地形15 m高，取1.14；BI——覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)，無覆冰現(xiàn)象，取1；AI——絕緣子串承受風(fēng)壓計算面積，取投影面積2 540 mm×150 mm。

風(fēng)荷載在斷口處產(chǎn)生的彎矩為

此彎矩產(chǎn)生的最大應(yīng)力為

可得σ334.1 N/mm2。

對于斷裂點最大應(yīng)力為：

σ=σ1+σ2+σ3=419 N/mm2

(3)受力結(jié)果分析

通過受力分析可以看出，在絕緣子斷裂點，由絕緣子自重及導(dǎo)線自重產(chǎn)生的應(yīng)力占主要部分，高達(dá)90%，不同風(fēng)速下的斷口處應(yīng)力曲線見圖6。

根據(jù)材料ZG310-570的性能參數(shù)，其屈服強(qiáng)度為310 N/mm2，抗拉強(qiáng)度570 N/mm2，由于材料是鑄鋼，根據(jù)常規(guī)安全系數(shù)取1.5～2.5。如取1.5估算，材料的許用應(yīng)力為380 N/mm2。由此可見，此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力基本都已超過了許用應(yīng)力，也就是說，結(jié)構(gòu)在運行時均已超出了安全系數(shù)。

圖6　斷口部位應(yīng)力對比圖

2.6　綜合分析結(jié)論

由材料成分和性能檢測分析結(jié)果可知，發(fā)生斷裂的金屬部件材質(zhì)成分和強(qiáng)度指標(biāo)均符合對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通過結(jié)構(gòu)受力分析發(fā)現(xiàn)，絕緣子水平呈懸臂梁布置時，由于斷裂點截面最小，是受力最大的部位。而此部位的應(yīng)力值已超過了材料的屈服應(yīng)力，也已超過了材料的許用應(yīng)力，說明結(jié)構(gòu)在運行時已超過了設(shè)計安全裕度。由于材料的實際性能往往高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，因此絕緣子還能夠持續(xù)運行。

此外，由于風(fēng)載荷是動載荷，會使得材料出現(xiàn)疲勞損傷，材料的疲勞強(qiáng)度不僅與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有關(guān)，在很大程度上更取決于韌性指標(biāo)，如沖擊吸收能量。鑄鋼ZG310-570沖擊吸收能量標(biāo)準(zhǔn)要求值為15 J，同等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼(熱軋鋼)Q345，沖擊吸收能量在34 J以上，可見鑄件的沖擊耐受性能并不良好，使得其更容易因風(fēng)載荷的疲勞作用而發(fā)生脆性斷裂。

綜上所述，本次絕緣子底座的斷裂原因為施工過程安裝選型錯誤，錯誤的將懸垂式絕緣子安裝成支柱式絕緣子，導(dǎo)致懸垂式絕緣子在支撐導(dǎo)線引下線時，許用應(yīng)力安全裕度不足，局部強(qiáng)風(fēng)作用下材料疲勞損傷，最終導(dǎo)致斷裂。

3　應(yīng)對舉措

針對此起典型故障案例，輸電、電纜設(shè)備運維管理部門密切溝通，全面開展支柱絕緣子專項排查工作。根據(jù)電纜設(shè)備運維管理部門提供的數(shù)據(jù)，南京現(xiàn)有220 kV電纜終端塔93基，由輸電部門抽調(diào)專業(yè)力量對93基電纜終端塔、542根支柱絕緣子的數(shù)量、長度、廠家信息、接地端部厚度、寬度等部位進(jìn)行排查，共發(fā)現(xiàn)絕緣子錯誤安裝、接地端薄弱、缺少螺栓、安裝不規(guī)范等缺陷52處。根據(jù)缺陷情況分類編制了缺陷排查匯總表、相關(guān)分析報告，制定專項的整改計劃，逐步完成相關(guān)整改工作。

(1)建立支柱絕緣子專項驗收卡。運維部門在驗收環(huán)節(jié)已建立支柱絕緣子專項驗收卡，卡片內(nèi)容包括外觀檢查、合格證、型號、長度、端部結(jié)構(gòu)尺寸、爬距、受力情況、安裝位置等信息。

(2)完善支柱絕緣子安裝管控流程。運維部門結(jié)合此次事故進(jìn)一步完善了支柱絕緣子安裝管控流程，將流程細(xì)化為“施工交底—絕緣子型號核對—施工安裝—安裝位置檢查—施工驗收”。施工交底環(huán)節(jié)，告知絕緣子參數(shù)信息、安裝方法、位置、注意事項等；型號核對環(huán)節(jié)，再次核對絕緣子選型是否有誤；安裝后，進(jìn)行絕緣子位置、方向、尺寸復(fù)檢；最后對絕緣子的方向、螺栓、穿釘?shù)认到y(tǒng)驗收。

(3)施工結(jié)束后，收集絕緣子合格證，并且隨同竣工資料一同進(jìn)行存檔，避免故障絕緣子上廠家信息無處查詢的情況出現(xiàn)。

4　結(jié)語

建議設(shè)計單位進(jìn)一步細(xì)化圖紙，除明確絕緣子安裝位置外，注明絕緣子的型號、用途等重要信息，以降低施工現(xiàn)場的安裝錯誤概率。

由于該類絕緣子屬于非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，建議招標(biāo)環(huán)節(jié)明確絕緣子的結(jié)構(gòu)高度、爬距、受力情況、主要用途等重要信息，并且將相關(guān)信息反映在絕緣子合格證、銘牌上，便于驗收、施工過程中的核實、查詢、檢查。

電纜終端塔上支柱絕緣子屬輸電室設(shè)備資產(chǎn)，而支柱絕緣子的安裝由電纜運維部門負(fù)責(zé)。這種模式易導(dǎo)致管理上的盲區(qū)，建議輸電室、電纜室密切溝通聯(lián)系，協(xié)同管理，在今后的工作中加以重視。

南京電網(wǎng)220 kV輸電線路支柱絕緣子斷裂雖然為一起個案，但是不能排除江蘇電網(wǎng)也存在類似缺陷，為了保障電網(wǎng)安全運行，建議省公司組織對江蘇電網(wǎng)220 kV線路支柱絕緣子進(jìn)行專項排查。因此深入研究220 kV支柱絕緣子根部斷裂故障的典型案例，對提升輸電線路安全運行水

平具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規(guī)范，GB 50233—2014[S].

[2]架空輸電線路運行規(guī)程，DL/T 741—2010[S].

[3]李光輝，高虹亮.架空輸電線路運行與維護(hù)[M].北京：中國三峽出版社，2000.

[4]張逸群，李海星.輸電線路典型故障案例分析及預(yù)防[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[5]周新華.高壓輸電鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].保定：華北電力大學(xué)，2002.

[6]張福林.35kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)特點及運行穩(wěn)定性[J].電磁避雷器，1997(2)：14-17.

[7]程極盛.超高壓線路用富惡化絕緣子芯棒脆斷原因及防范措施[J].電力設(shè)備，2007，8(7)：66.

CHENG Jisheng. Reasons and countermeasures of brittle fracture for composite insulator core rod on EHV transmission line[J]．Electrical Equipment, 2007， 8(7)：66．

[8]盧明，馬曉久. 復(fù)合絕緣子芯棒斷裂原因分析[J].電磁避雷器，2007(4):1.

LU Ming, MA Xiaojiu, et al. Analysis on causes of brittle fracture of composite insulator cores[J]．Insulators and Surge Arresters，2007(4)：1．

[9]程孟.500 kV施賢線地線懸垂復(fù)合絕緣子斷裂原因分析及優(yōu)化改造策略[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016，18:28-29.

[10]黃培專.通過紅外檢測發(fā)現(xiàn)110 kV隔離開關(guān)絕緣子斷裂及原因分析[J].電力設(shè)備，2008，9(5)：70-80.

HUANG Peizhuan. Analysis of breakage in insulator of 110 kV disconnector discovered by infrared detection[J]．Electrical Equipment, 2008， 9(5)：70-80．

[11]圓線同心絞架空導(dǎo)線，GB/T 1179—2008[S].

[12]劉錫良，周穎.風(fēng)載荷的幾種模擬方法[J].工業(yè)建筑，2005，35(8):81.

[13]李紀(jì)仁.機(jī)械設(shè)計[M].武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.