电网运行中绝缘子的损坏原因及检

万博体育官方app作者:万博体育官方app 发布时间:2020-06-16 已浏览: 182次

目前,我国绝缘子市场正在走向多元化,钢化玻璃绝缘子和复合绝缘子挑战着传统瓷绝缘子的统治地位。虽然绝缘子的多元化为用户的使用提供了更多的选择,但由于有些绝缘子在我国电网中使用的时间还很短,万博体育官方app用户对其还缺乏有效使用经验,在这种情况下,绝缘子制造商对产品的夸大宣传可能会误导某些使用者。为防止绝缘子选择失当而引发的事故,有必要对目前已进入电网的各类绝缘子的典型事故进行分析,并提出可能的检测手段与方法。目前,运行中绝缘子存在的问题可分二类:一类是导致电网发生恶性事故的产品损坏;另一类是外绝缘闪络。前者多属产品质量问题,是我们关注的重点,而后者则多与外绝缘设计、使用不当有关,本文在此不予讨论。

1.1线路绝缘子机电特性从用户角度讲,盘形绝缘子主要优点是机械强度高,长串柔性好;单元件轻,易于运输与施工;造型多样,易于选择使用。但盘形绝缘子属可击穿型绝缘子,其绝缘件对电气强度要求较高。盘形瓷绝缘子出现劣化元件后检测工作量大,而一旦未及时检出,就有可能在雷击或污闪时造成断串;盘形玻璃绝缘子存在自破现象,且重污秽导致的表面泄漏电流可能会加重自破率,但自破现象的发生可引起运行维护人员的关注,从而可预防掉线事故的发生。棒形绝缘子主要优点是它具有不可击穿型结构、较好的自清洗性能以及爬距系数大(爬距与绝缘长度之比),在相同环境中积污较盘形绝缘子低,可获得较高的污闪电压,爬距选择适当时可延长清扫周期。棒形瓷绝缘子是名副其实的不可击穿绝缘子,其缺点是单元件重,搬运与安装难度大,伞裙受损会危及其机械强度;棒形复合绝缘子比强度高(拉伸强度与质量之比),具有优良的耐污闪特性,但存在界面内击穿和芯棒脆断的可能,而且有机复合材料的使用寿命和端部连接区的长期可靠性尚未取得共识。1.2线路绝缘子的典型事故1.2.1盘形瓷绝缘子的劣化和盘形玻璃绝缘子的自破近年来,部分网、省电力公司的统计显示,国产瓷绝缘子的年劣化率为0.06%~0.2%,与同类产品的国际领先水平(日本NGK公司瓷绝缘子的年劣化率为0.001%)存在较大差距。这与我国电瓷生产厂众多,而产品质量参差不齐有关。瓷绝缘子的劣化率一般随运行时间的延长而增加,如北京供电局220kV郊通二线瓷绝缘子的劣化率10年内年由0.05%上升到了1.13%。对于瓷绝缘子的劣化,首先,与其制造质量密切相关,主要包括:①胶装水泥不足;②水泥膨胀;③缓冲层过薄或涂刷不均匀;④胶装钢脚偏心;⑤瓷质孔隙过大(严重者吸红)。水泥不足的影响在投运后前3年即会表现出来,而水泥膨胀和缓冲层缺陷的影响则需运行10年或更长的时间才能显现出来,且前四者均可导致绝缘子机电强度下降。雷电可以损坏瓷质有缺陷的绝缘子,而长期运行后大量“零值”绝缘子的产生则与其机电强度下降有关。同时,还与其所受荷载大小,即用户对其安全系数的选择有关。北京供电局220kV郊通二线70kN瓷绝缘子的劣化几乎都发生在耐张串上。广东佛山电力局对500kV蓄罗线和罗增线瓷绝缘子劣化率的统计表明,160~210kN耐张串瓷绝缘子的劣化率均高于直线串瓷绝缘子,垂直档距450m以上直线串绝缘子的劣化率均高于垂直档距450m以下直线串绝缘子。北京和广东两地的调查还表明,劣化绝缘子随机分布在串中,与绝缘子串电压分布无关。由于劣化的瓷绝缘子在雷击和污闪中很容易造成绝缘子断串,甚至导致导线落地,致使很多用户失去了使用瓷绝缘子的信心。随着工艺与装备的不断改进,国产玻璃绝缘子的自破率由0.31%逐渐下降到0.04%[1],但仍与国际先进水平(法国SEDIVER公司的玻璃绝缘子年自破率为0.002%)有一定差距。玻璃绝缘子的自破率一般随运行时间的延长而降低,但如果运行头几年自破率过高的话,也令人难以接受。钢化玻璃绝缘子自破的原因,一般认为是因玻璃件形成过程中混入了原料和耐火材料中的杂质或钢化层厚度不均匀所致。因此,严格控制工艺,增加二次热振试验,延长库存时间,都有利于减少玻璃绝缘子投运后的自破率。在采用内水压法剔除钢化不良的产品之前,国产玻璃绝缘子的自破还与其所受荷载大小有关。如东北220kV长四线玻璃绝缘子的年自破率明显高于相同自然环境下的110kV秦宁线;华东220kV望塘线玻璃绝缘子的年自破率明显高于相同自然环境下的110kV安镇线。且耐张串玻璃绝缘子的自破率明显高于直线串,南方线路运行中玻璃绝缘子的自破率高于北方线路[1]。此外,重污秽地区使用的玻璃绝缘子,其表面出现的电弧可以破坏表面钢化层而引起玻璃件自破或因泄漏电流过大而导致热击穿。玻璃绝缘子自破后应及时更换,以防止在雷击和污闪中造成残垂绝缘子钢脚烧断而使绝缘子串断串。玻璃绝缘子造成的导线落地事故虽然很少见,但国内外却均发生过。目前,用户选用瓷绝缘子是因为其伞型(如双伞、三伞)自清洗性能好,利于人工清扫;选用玻璃绝缘子的主要原因是不用检测“零值”。因此,必须进一步提高国产绝缘子制造质量,国产瓷绝缘子要切实加强管理,提高机械化水平,降低劣化率;国产玻璃绝缘子要减少自破率,开发双伞型新产品。1.2.2棒形瓷绝缘子的掉线20世纪90年代后期,棒形瓷绝缘子首先在江苏和安徽电网中试用。其背景是复合绝缘子在使用过程中损坏的信息增多(特别是芯棒脆断和界面击穿),使一些设计和管理人员心存疑虑或在决策上产生动摇。中欧是棒形瓷绝缘子运行的主要地区,据1991年CIGRE22工作组统计,其年损坏率<0.002%,甚至更低。目前,国内棒形瓷绝缘子仅在±500kV葛南直流线路试运行中发生了一起掉线事故,而且事故是由横担侧连接绝缘子的金具断裂引起的,而不是由绝缘子本体引起的。事故初步分析认为,该金具采用铸铁是个设计错误,而其材质是否存在制造缺陷尚在检测中。由于棒形瓷绝缘子机械强度的破坏通常是由外力击打(如子弹、石击等)伞裙受损所致,因此,除重污秽地区不宜使用棒形瓷绝缘子外,邻近采石地段也不应使用棒形瓷绝缘子。1.2.3棒形复合绝缘子的断裂与界面击穿20世纪80年代中期,国产棒形复合绝缘子研制成功,而1989年底到1990年初相继在华东、华北、东北等地区发生了大面积污闪事故促使复合绝缘子进入了工业性试运行阶段。到90年代中期,入网运行的棒形复合绝缘子的数量就达5万支左右,2000年底已超过百万只。进入21世纪,国内主要复合绝缘子制造厂先后完成了芯棒与护套界面连续挤压、整体注塑的技术改进工作,将端部金具与芯棒连接工艺逐渐采用压接式,且在新建±500kV直流线路和部分500kV交流线路中开始使用耐酸蚀芯棒。经过多次区域性和大面积污闪的考验,较为成熟的新一代国产合成绝缘子已进入了全面实用化应用阶段,我国已成为世界复合绝缘子的使用大国,且我国的运行经验已引起了国际大电网会议和国际电工委员会的广泛关注。随着复合绝缘子使用数量的剧增,闪络及损坏的信息也日趋增多。其导致电网发生恶性事故的主要原因是芯棒断裂和界面击穿。且这些事故大多发生在早期的复合绝缘子产品上,其年损坏率约为0.005%,好于各国平均水平。在复合绝缘子芯棒断裂事故中,以“脆断”最为突出,占芯棒总损坏数的60%,是当前复合绝缘子所发生的最为严重的事故。500kV线路中发生此类事故的比例最大,3年内华东、华北、华中、广东都有发生。所谓“脆断”是指芯棒玻璃纤维受到酸液侵蚀而发生的断裂。对其断裂机理,目前尚无统一认识,特别是酸液来自外部还是自身还需要进行研究,不过,防止水汽浸入已是人们的共识。因此,首先要保障端部密封的牢固与长效,防止护套在施工中受损,同时还应采用耐应力腐蚀芯棒。界面击穿多发生在雷击情况下,也有发生在正常工作电压下的事例。早期,此类事故以110kV横担型产品发生较多,明显是芯棒质量问题。近年来,发生更多的是护套与芯棒间的界面击穿事故。灌胶不能把胶充满、模压或挤压使用耦联剂不当以及工艺上存在缺陷都会造成界面的破坏。性能良好的高温硅橡胶在一般地区的寿命使用预计不会小于20年。有些产品运行时间不长,或伞裙硬化,或弹性减弱易撕裂,或表面憎水性下降,都反映出硅橡胶材质配方存在一些问题。这些老化现象,加剧了人们对硅橡胶(包括端部密封使用的粘性胶和RTV)老化寿命的忧虑。因此,制造厂对硅橡胶的配方需进一步优化,但应防止因竞相压价而出现原材料以次充好的问题。压价可能导致的产品质量下降在短时间的运行中难以觉察,也很难用现有试验方法及标准检测出来,但可能对其长期使用性能带来影响。1.3线路绝缘子缺陷的检测多年来,检测劣化瓷绝缘子的努力一直没有停止过。但总的讲,无论检测方法有何不同,都需要登塔使用工具与绝缘子进行接触,地面巡线遥控检测法尚难实现(直升飞机巡线使用红外成像有成功事例)。最近提出的脉冲电流法检测法,可从流经塔腿的泄漏电流中区分出是正常绝缘子电晕放电脉冲,还是劣化绝缘子内部放电脉冲,从而判断劣化绝缘子是否存在,但劣化绝缘子所在的具体位置还需登塔解决。目前,已研制出该检测装置的样机。复合绝缘子缺陷的现场带电检测,目前国内外的研究仍主要集中在试验室内。其研究方向:一是利用高灵敏度红外测温仪检测。广东佛山供电局利用此方法检测出一批内绝缘界面存在缺陷的复合绝缘子,很令人鼓舞;华北电网公司在直升飞机巡线中利用此方法也发现了500kV复合绝缘子的缺陷。但对该方法的可靠性和灵敏度人们还有不同意见。二是利用电场法检测(已研制出便携式电场法复合绝缘子带电检测装置)。试验室和现场检测表明,此检测方法可以检测出复合绝缘子内绝缘较大尺寸的“导通”缺陷。近来,还有一些地方开展了应用紫外检测装置检测绝缘子缺陷的研究,但都局限在对绝缘缺陷的检测,尚无机械性能缺陷的检测技术。

2.1支柱绝缘子的事故统计近几年,国家电网公司系统接连发生了多起运行中支柱瓷绝缘子断裂(折断和开裂)的事故,给电网安全运行和人身带来危害。如1999年1月11日,吉林城南一次变电站在对城黄甲线南隔离开关进行操作中,B相隔离开关侧支持瓷瓶根部法兰与瓷结合处断裂,造成66kV系统停电;2001年3月13日,沈阳文成变电站文成二组一次东隔离开关C相瓷柱出现裂纹,在系统操作过程中瓷柱折断落地,造成220kV东母线单相接地,事故扩大,使文成变电站全站停电。据国家电网公司2002年组织的对66~500kV支柱绝缘子的事故调查,1996~2001年间全国支柱绝缘子断裂总数为388起,且近两年事故偏多,有逐年上升的趋势,且北方多于南方,其中东北最多,约占数的50%。1971~2001年的30年中,以1980、1983年及1997年所投运产品出现断裂事故的最多。支柱绝缘子主要用于支撑隔离开关和母线,其中用于支撑隔离开关的支柱绝缘子的断裂占总数的81%,用于支撑母线的断裂占14%。在断裂事故中,折断事故占36%,开裂占62%。近几年,多数电瓷厂进行了技术革新,陆续研制出高强瓷产品,或采用等静压成型工艺(干法),增加了支柱绝缘子的机械强度,减小了强度分散性,因此,2000年和2001年新投运支柱绝缘子产品所发生的断裂数不足1%。2.2支柱绝缘子典型事故原因分析从统计分析结果可以看出,支柱绝缘子断裂的原因是多方面、多环节的。在总计388起断裂中,涉及产品质量的有243起,占62.6%。在电瓷制造厂方面,主要问题有:库房原料间界限不清、配料工序间界限不清导致的配方混乱;胶装工艺差,缓冲层薄或没有,特别是法兰和瓷件的胶装外部未进行密封处理,造成北方寒冷地区因胶装处进水结冰引起断裂;烧成差(过烧、欠烧)及对安装尺寸(如高度偏差、轴线直线度、上下法兰平行度和上下安装孔角度偏移等)的要求偏松等。在隔离开关制造厂方面,主要问题有:隔离开关结构不合理;检验达不到剔除不合格产品的目的。设计不当造成的断裂:因设计原因造成的断裂有13起,主要是强度裕度偏小。安装、调试质量导致的断裂:对母线而言,存在引线过紧(软母)或固定点多于1个(即两头紧,硬母)的问题;对隔离开关而言,存在错位别劲的问题。运行维护导致的断裂:主要是检修维护不到位,使母线、隔离开关出现锈蚀、卡滞、卡死等现象;或操作不正确,蛮力操作,产生短时的大机械负荷导致支柱绝缘子断裂。其他方面:主要是外力引起的支柱绝缘子断裂。如暴风骤雨引起共振,使产品异常受力超过其破坏负荷。2.3支柱绝缘子缺陷的检测为防治支柱绝缘子的断裂事故,各地采取了多种措施:如将220kV及以上的设备更换为高强瓷产品;在产品法兰和瓷件的胶装外部涂抹防水胶;改造隔离开关,解决导电部分过热及操作机构卡涩、别劲等问题;开展探伤工作。目前,检测支柱绝缘子的局部开裂主要是采用超声波探伤。该技术对仪器设备及检测人员的素质都有较高的技术要求。据日本资料介绍,超声探伤的部位集中在支柱绝缘子的根部,即瓷件与法兰的接触面。长期运行的绝缘子,与法兰接触的釉面可能剥离,导致其机械强度显著下降。超声探伤也可以发现瓷件内部的裂纹,做到及时发现事故隐患,及时更换。因此,有必要开展该技术的推广与培训工作。

3.1套管的典型事故电站套管属大型绝缘子,因其大多从属于某一变电设备,故对其缺少全面统计资料。本文主要讨论500kV变压器、电抗器的瓷套管和互感器的复合套管与复合穿墙套管。3.1.1瓷套管据文献的不完全统计,我国500kV变压器、电抗器的瓷套管及相关部位引起的事故和障碍分别占设备事故与障碍总次数的34%和20%,其中瓷套管因密封和内部故障造成的损坏占总数的2/3。瓷套管的损坏,一是设计不合理,二是瓷套本体及其与法兰连接处密封存在质量问题。前者如东北王石变电站的中、低压套管中导电杆由铜杆改为铜铝复合杆后,由于金属层间存在电位差而发生放电,致使油中可燃性气体严重超标;葛洲坝换流变电站网侧套管电容芯绝缘纸对接初未错缝搭接,零屏处内、外油道隔条不重合导致部分油道不畅、散热差,致使绝缘击穿。后者如北京昌平变电站的3号变压器套管,因瓷套存在裂纹,造成潮气侵入,可燃性气体严重超标;大同二厂变电站3号变压器C相套管法兰连接处漏油和漫湾电厂2号电抗器A相套管多节粘接处漏油等,都属产品制造质量问题。类似支柱绝缘子的情况,大连南关岭住变压器B相套管法兰连接处渗入水分后,造成低温时套管冻开裂缝,使绝缘油漏出。3.1.2复合套管在变电设备上使用复合套管首先是从避雷器开始的。20世纪90年代中期,生产复合套管避雷器的厂家就多达数十家。随后,复合套管的穿墙套管、互感器产品也大量进入电网。变电设备的瓷套管从低电压到高电压逐步被复合套管所取代,这是变电设备防污闪工作的需要。目前,国家电网公司还缺少对复合套管使用情况的跟踪调查。复合套管损坏主要包括二个方面的原因:一个是避雷器和穿墙套管的设计与工艺不够合理,导致短时运行后就发生局放超标,甚至造成绝缘击穿。另一个是复合套管的材质不良。比较突出的事例有山东德州电厂500kV电流互感器的复合套管在雨中被表面电弧灼伤;更为严重的是江苏任庄变电站220kV电流互感器复合套管内的环氧玻璃纤维筒被烧蚀。显然,除护套材质选择外,复合套管整体电气设计不良也是导致外绝缘表面放电的重要原因之一。如±500kV直流江陵换流站极电压分压器复合套管因均压屏蔽环布置不当而发生了闪络。3.2套管缺陷的检测现场套管的监测重点应放在整体介质、油色谱分析以及漏油漏气的检查上。特别是油色谱分析指标,目前仍是判别套管内部是否存在异常的主要判据。而瓷(或复合)套管的密封质量则主要通过是否发生了漏油漏气来验证。红外热成像技术,不仅可以检测出接头发热,还可以发现套管严重缺油,而且这方面已有成功检测的事例。因此,应大力推广红外热成像技术在检测、诊断技术中的应用。要认真研究红外热成像诊断图谱标准,为提高诊断的可靠性提供依据。此外,还应开展适合现场应用的简易局放测量装置和针对气体绝缘套管漏气的检测装置的研发。