220 kV變電站組合電器盆式絕緣子開裂分析

黃純德，田 赟，冀晉川

（山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

氣體絕緣封閉組合電器GIS（Gas Insulated Switchgear）是一種先進的高壓電器配電裝置，被廣泛地應用于變電站、電網、電氣化鐵道等領域[1]。在連接母線中，盆式絕緣子起著非常重要的作用，如固定母線及母線的插接式觸頭、母線對地或相間的絕緣、密封，隨著運行年限的延長，盆式絕緣子可能發生沿面閃絡和局部放電，最終發展為擊穿放電事故，造成重大損失[2-3]。

1 實驗方法及內容

某變電站南母第3、4氣室盆式絕緣子放電開裂，為了查清原因，開展氣室盆式絕緣子整體宏觀檢查，并對盆式絕緣子的直徑、平面度、厚度、螺孔的直徑及孔距、螺孔與盆式絕緣子中心距離等數值進行了測量。利用X射線數字成像技術對盆式絕緣子局部進行了檢測。用顯微鏡對盆式絕緣子開裂脫落物形貌進行觀察分析。

1.1 宏觀檢查

對氣室盆式絕緣子進行整體宏觀檢查，發現盆式絕緣子第三氣室放電現象明顯，如圖1所示，盆式絕緣子表面由于相間放電灼燒成黑色，盆式絕緣子上存在分支裂紋（長度約600 mm），且沿盆式絕緣子厚度方向全部裂穿，距離盆式絕緣子外邊緣約84 mm處有凹坑；通過觀察可以看出，第四氣室側存在許多樹枝狀裂紋，無放電痕跡。放電側盆式絕緣子裂紋沿脫落物處向兩側擴展，裂紋寬度則由盆式絕緣子邊緣至凹坑處逐漸變寬，脫落塊處裂紋開口寬度約1.5 mm，隨著裂紋向相間方向延伸又逐漸變細，如圖1、圖2所示。

圖1 盆式絕緣子放電后宏觀形貌

圖2 盆式絕緣子放電后分支

1.2 尺寸測量

1.2.1 盆式絕緣子尺寸檢查

盆式絕緣子尺寸測量圖如圖3所示。

圖3 盆式絕緣子尺寸測量示意圖

1.2.1.1 盆式絕緣子直徑測量

對盆式絕緣子直徑進行測量，測量3組值，分別為1 060 mm，1 058 mm，1 059 mm，取平均值為1 059 mm。

1.2.1.2 盆式絕緣子平面度測量

對盆式絕緣子放電側進行平面度測量，經測量，圓盤各處平面度最大處≤0.3 mm。

1.2.2 螺孔與盆式絕緣子中心距離測量

測量螺孔中心距盆式絕緣子中心距離值，同時計算得出相鄰螺孔距盆式絕緣子中心距離差值，見圖3。經測量，螺孔距盆式絕緣子中心最大值為496 mm，最小值為495 mm，相鄰螺孔距盆式絕緣子中心偏差最大值為0.5 mm，最小值為0 mm，螺孔距盆式絕緣子中心偏差最大值為1 mm。

1.2.3 螺孔間距測量

測量盆式絕緣子上螺孔之間的距離值，螺孔編號見圖3。經測量，相鄰螺孔間距最大值為154.86mm，最小值為154.30 mm，相鄰螺孔間距差值最大值為0.75 mm，最小值為0.01 mm。

1.2.4 母線與盆式絕緣子中心距離測量

測量母線中心與盆式絕緣子中心距離值，見圖3。經測量，母線與盆式絕緣子中心距離最大值為219.84 mm，最小值為219.10 mm，相鄰母線距中心偏差最大值為0.74 mm，最小值為0.24 mm。

通過對盆式絕緣子尺寸進行上述項目測量，未見明顯尺寸偏差。

1.3 盆式絕緣子X射線數字成像檢測

經對氣室盆式絕緣子局部進行X射線數字成像檢測，在裂紋附近未發現明顯缺陷。

1.4 放電側盆式絕緣子脫落物檢查

1.4.1 脫落物宏觀檢查

放電側盆式絕緣子解體過程中發現有塊狀脫落物，現場收集到的脫落物已經斷裂為3塊，其中1塊未見。塊狀物斷裂斷口呈新鮮白色，判斷為故障出現后解體過程形成的。將脫落物復原，發現脫落物表面外露側保持白色光潔，無放電灼傷痕跡。塊狀脫落后形成一個不規則的凹坑（長度66.69 mm，寬度最大值38.64 mm，深度約14.84 mm）?？觾瘸屎谏?，凹坑邊緣表面有許多麻點，為多次放電灼傷造成。

1.4.2 脫落物微觀檢查

將脫落塊狀物置于體視顯微鏡下進行放大觀察，脫落塊狀物外表面仍然保持光亮，外表面有兩條裂紋。

整個斷面呈脆性疲勞斷口，脫落物斷裂表面黑度不均勻，靠近盆子邊緣黑度最深，并逐漸變淺。脫落物斷裂面留下一個平坦的疲勞區，此疲勞區長度13 mm，寬度最大值3.5 mm。脫落物邊緣明顯有放射區，此區域為裂紋源向外發散的起伏不平的放射狀斷面。根據斷口分析法則，放射性條紋指向裂源，可以明顯看出脫落物中心為裂源，斷口終斷區存在有二次裂紋，如圖4、圖5所示。

2 分析與討論

通過對盆式絕緣子尺寸檢查，排除因盆式絕緣子尺寸偏差因素造成盆式絕緣子開裂。

對盆式絕緣子放電側盆式絕緣子裂紋擴展路徑和裂紋寬度分布分析得出盆式絕緣子開裂源位于塊狀脫落物中心。

脫落物靠近盆子的邊緣黑度最深，并逐漸變淺，且其放射性條紋走向指向塊狀脫落物中心，此區域為裂紋擴展初始區域，當裂紋擴展到表面時靠近盆子邊緣方向尖角處先行放電。該區域局部多次放電，形成嚴重灼傷（脫落物邊緣表面黑度較其他區域深），與微觀斷裂面顏色變化趨勢是相吻合的，這與盆式絕緣子絕緣材料存在缺陷有關聯。制造廠家在產品生產過程中，未嚴格按照生產工藝進行操作，諸如在材料攪拌均勻性、溫度控制、靜置時間等方面可能存在問題。

隨著放電和電弧熱產生材料熱應力的不斷作用，造成表面裂紋發展，在裂紋擴展到一定程度，材料結合強度降低，就可能產生局部脫落物。最終在對地放電和相間放電的作用下，盆式絕緣子裂紋進一步擴展造成此次開裂。

圖4 塊狀脫落物斷裂表面微觀形貌

圖5 塊狀脫落物斷裂表面二次裂紋

3 結論

a）尺寸和盆式絕緣子表面質量及螺栓孔附近檢查未見異常。

b）盆式絕緣子開裂源位于塊狀脫落物處，裂源位于塊狀脫落物中心，并在安裝過程中形成宏觀裂紋，靠近盆子邊緣的裂紋尖角處先行放電。

c）盆式絕緣子在制造過程中存在工藝不當，環氧樹脂加料攪拌不均形成凝塊是開裂的主要原因；其次，在運輸和安裝過程中振動和受力不均造成盆式絕緣子表面受力不連續是開裂的誘因。

［1］ 姜敏，楊衛東，喬朝霞.氣體絕緣組合電器局部放電分析［J］.山西電力，2011（4）：28-29.

［2］ 羅傳勝，謝植彪.110 kV變電站GIS盆式絕緣子閃絡事故分析［J］.云南電力技術，2009（5）：67-68.

［3］ 許建春，盧鵬.1 100 kV GIS盆式絕緣子的性能［J］.電力建設，2010（8）：91-93.