摘 要:某110kV變電站高壓支柱瓷絕緣子發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、孔隙性試驗、掃描電鏡和 能譜分析、X射線衍射分析等方法對其斷裂原因進行分析。結(jié)果表明:燒制工藝控制不當使絕緣子 心部出現(xiàn)黃色區(qū)域;法蘭水泥膠裝部位存在氣孔缺陷、環(huán)境溫度驟變等也是導致絕緣子強度下降的 原因。 

關鍵詞:高壓支柱瓷絕緣子;氣孔;膠裝缺陷;斷裂 

中圖分類號:TG115.2;TB30                   文獻標志碼:B                      文章編號:1001-4012(2023)08-0071-04

支柱瓷絕緣子是電力系統(tǒng)的重要組成部分,起 到支撐導線和絕緣的作用,具有耐高溫、耐磨損、耐 腐蝕、抗氧化等優(yōu)點[1]。支柱瓷絕緣子運行過程中 溫差較大,以及導體發(fā)熱等因素會使瓷絕緣子內(nèi)部 產(chǎn)生熱應力集中,從而誘發(fā)微裂紋,導致其性能及可 靠性降低[2]。支柱瓷絕緣子屬于脆性材料,韌性 低[3]。 

電力系統(tǒng)中支柱瓷絕緣子由上、下金屬附件和 絕緣件 (瓷件,主要有鋁質(zhì)瓷和硅質(zhì)瓷兩種)通過膠 合劑膠合或機械卡裝而成,主要分為戶內(nèi)和戶外支 柱瓷絕緣子。高壓支柱瓷絕緣子可以分為不同等 級:按額定電壓分包括7.2,12,24,40.5,72.5,126, 252,362,550kV等9個等級,其中戶內(nèi)絕緣子僅包 括7.2~40.5kV等級;按機械強度(彎曲)分包括2, 4,8,16,25kN等5個等級。戶內(nèi)支柱絕緣子按結(jié) 構(gòu)可分為外膠裝、內(nèi)膠裝和聯(lián)合膠裝3個系列,戶外 支柱絕緣子主要有針式和棒形兩個系列。針式柱狀 絕緣子主要用于低壓配電線路和通信線路,而棒形 柱狀絕緣子則主要用于高壓變電站。

某110kV變電站高壓支柱瓷絕緣子C相的底 部法蘭附近發(fā)生斷裂,同時 A、B兩相支柱絕緣子的 連接導線處于應力松弛狀態(tài),沒有直接受到外力作 用,支柱瓷絕緣子斷裂現(xiàn)場如圖1所示。筆者采用 一系列理化檢驗方法分析其斷裂原因,并提出了相 應的解決措施,結(jié)果可為支柱瓷絕緣子的監(jiān)督和運 行提供參考[4]。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

檢查絕緣子斷口,發(fā)現(xiàn)其斷面嶄新,沒有陳舊的 痕跡,表面有部分被塵土污染的區(qū)域。絕緣子斷面 宏觀形貌如圖2所示,在斷面的中心,有明顯發(fā)黃的圓形區(qū)域,直徑約為33mm(見圖3)。絕緣子水泥 膠裝部位存在較多的密集型氣孔缺陷,部分氣孔的 長度達到12mm(見圖4)。

1.2 孔隙性試驗

依據(jù) GB/T8287.1—2008《標 稱 電 壓 高 于 1000V系統(tǒng)用戶內(nèi)和戶外支柱絕緣子 第1部 分:瓷或玻璃絕緣子的試驗》,取絕緣子外緣的正 常瓷和中心黃白相間部位的絕緣子碎塊(見圖5) 進行孔隙性試驗,試驗后把試樣從溶液中取出,沖 洗試樣后干燥,并再次將其敲碎,觀察新敲擊開的 表面。中心發(fā)黃區(qū)域瓷碎塊新敲擊開的表面存在 較明顯的染料滲透現(xiàn)象,而正常瓷碎塊新敲擊開 表面的滲透現(xiàn)象不明顯?？紫缎栽囼灪笏閴K的宏 觀形貌如圖6所示。

1.3 掃描電鏡(SEM)和能譜分析 

在支柱瓷絕緣子的正常瓷和中心發(fā)黃區(qū)域分別 切取厚度為5~8mm薄片試樣,研磨并拋光試樣表面。用無水乙醇溶液清洗試樣15min,用體積分數(shù) 為10%的氫氟酸溶液酸蝕試樣5min,之后烘干,對 試樣表面進行噴金處理約100s。 

用掃描電鏡觀察支柱瓷絕緣子的正常瓷和心部 黃色區(qū)域的顯微組織,結(jié)果如圖7所示,由圖7可 知:心部黃色區(qū)域的氣孔率明顯高于正常瓷的氣孔率,而且氣孔的直徑較大,心部黃色區(qū)域存在部分不 規(guī)則形狀的氣孔;黃心部位的氣孔、疏松缺陷比較明 顯,石英顆粒區(qū)域存在異常粗大、脫黏、微裂紋等 缺陷。 

對故障支柱瓷絕緣子材料進行能譜分析,結(jié)果 如圖8所示。由圖8可知:SiO2 的質(zhì)量分數(shù)約為 72%,Al2O3 的質(zhì)量分數(shù)約為19%,其他氧化物的 質(zhì)量分數(shù)約為9%,可知該絕緣子材料屬于硅質(zhì)瓷。

1.4 X射線衍射(XRD)分析 

分別取故障絕緣子心部黃色區(qū)域瓷和正常瓷部 分制作試樣,對其進行研磨、拋光、清洗、烘干處理, 采用 X射線衍射儀對試樣進行 XRD分析,分析圖 譜如圖9,10所示,試樣物相的 XRD定量分析結(jié)果 如表1所示。由表1可知:兩個試樣的主要晶相為 莫來石相、石英相和少量剛玉相,兩者晶相含量差別 不大,心部黃色區(qū)域瓷的 Fe2O3 含量略高于正常 瓷,且正常瓷的FeO含量略高于心部黃色區(qū)域瓷。

2 綜合分析 

氣孔的數(shù)量、大小、形態(tài)在一定程度上能夠反映 出材料的質(zhì)量問題。因為材料氣孔部位容易產(chǎn)生應 力集中,增加介電損耗,對支柱絕緣子的力學性能有明顯弱化作用。同時,氣孔的形狀也會影響到材料 中莫來石相的生長,并形成尺寸較大的莫來石相,從 而降低電瓷材料的強度。

支柱瓷絕緣子材料主要有鋁質(zhì)瓷和硅質(zhì)瓷兩 種。鋁質(zhì)瓷晶體主要由剛玉相、莫來石相等組成,硅 質(zhì)瓷晶體主要由莫來石相、石英顆粒相等組成。由 能譜分 析 結(jié) 果 可 知,該 絕 緣 子 氧 化 硅 含 量 約 為 70%,屬于硅質(zhì)瓷。硅質(zhì)瓷絕緣子的結(jié)構(gòu)比較疏松, 氣孔相含量較高,石英相顆粒與基體的界面結(jié)合不 緊密,常出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。石英顆粒具有脆性大、與基 體的熱膨脹系數(shù)不匹配等特征[5],在其周圍容易伴 生顯微裂紋,并發(fā)生裂紋聚集擴展,從而使材料的強 度下降。該故障絕緣子的顯微組織形貌表明,其存 在較多的氣孔缺陷,石英顆粒較粗大,存在與基體脫 黏、微裂紋等缺陷,這些缺陷均會降低支柱絕緣子的 力學性能。另外,剛玉的彈性模量要比石英的彈性 模量高得多,同時也高于莫來石的彈性模量[6](見表 2),隨著剛玉晶相含量的降低,支柱瓷絕緣子的強度 也會隨之降低。因此,故障瓷絕緣子的力學性能和 穩(wěn)定性也低于高強度鋁質(zhì)瓷絕緣子。

瓷質(zhì)絕緣子材料中的鐵氧化物均為變價氧化 物,在燒成過程中,其會隨爐內(nèi)氣氛的不同生成不同 價的氧化物。在瓷的整個燒制過程中,高溫階段瓷 都處在強還原氣氛條件下,直到冷卻前,鐵的氧化物 均以低價態(tài)FeO存在。當還原氣氛不足、時間不夠 或冷卻速率過快時,支柱絕緣子表面Fe2O3 尚可被 還原成FeO,瓷質(zhì)呈正常的灰白色;而瓷質(zhì)中心部 分還沒來得及被還原,仍以 Fe2O3 的形式存在, Fe3+ 呈黃棕色或紅色,與灰白色瓷質(zhì)結(jié)合容易呈現(xiàn) 淺黃色,從而在瓷質(zhì)心部出現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象。

調(diào)取故障發(fā)生時變電站的溫度情況,發(fā)現(xiàn)在故 障前兩天存在最大22℃的溫度突變。同時該絕緣 子已經(jīng)運行了27a,運行過程中環(huán)境溫度變化會使 其心部與外緣之間發(fā)生應力集中和損傷積累,最終 導致材料在外界溫度變化的誘因下發(fā)生斷裂。

瓷質(zhì)坯體中鐵氧化物 Fe2O3 的熱膨脹系數(shù)低 于FeO的熱膨脹系數(shù),如果運行過程中環(huán)境溫度驟 變,二者熱膨脹系數(shù)的不同會導致材料產(chǎn)生內(nèi)應 力[7-9]。

3 結(jié)論及建議 

支柱絕緣子心部出現(xiàn)黃色區(qū)域,絕緣子法蘭膠 裝部位氣孔缺陷、溫度驟變造成其產(chǎn)生內(nèi)應力集中 和損傷累積,使支柱絕緣子的力學性能下降,進而導 致其發(fā)生斷裂。針對故障原因,提出以下3條改進 建議。 

(1)嚴格控制絕緣子生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的工藝,把 控產(chǎn)品質(zhì)量,加強產(chǎn)品出廠前的型式試驗和驗收。 

(2)推薦選用高強度鋁質(zhì)瓷作為支柱絕緣子的 材料,鋁質(zhì)瓷在顯微組織、穩(wěn)定性、力學性能等方面 顯著優(yōu)于硅質(zhì)瓷。 

(3)建議在支柱絕緣子的運行維護過程中,加 強檢測預防手段,從而預防斷裂事故的發(fā)生。

參考文獻: 

[1] 毛文奇.支柱瓷絕緣子缺陷檢測方法及防范措施初探 [J].湖南電力,2006,26(5):11-14. 

[2] 范敏,黎治宇,鄧集,等.基于振動聲學理論的瓷支柱 絕緣子檢測法[J].湖南電力,2013,33(5):9-11,21. 

[3] 李欣,劉興文,鄧集,等.220kV管母支柱絕緣子斷裂 原因分析及對策[J].湖南電力,2014,34(2):33-35. 

[4] 陳琳依,帥勇,胡加瑞,等.高壓支柱瓷絕緣子斷裂分 析[J].高壓電器,2015,51(7):69-73. 

[5] 孟勇,龔國洪,伍正平,等.淺談瓷絕緣子中微裂紋結(jié) 構(gòu)與晶粒尺寸的關系[J].礦物學報,2011,31(增刊 1):1004-1005. 

[6] 馬天齊.電瓷制造工藝及顯微結(jié)構(gòu)特征研究[D].長 沙:湖南大學,2018. 

[7] 雍軍,沈慶河,胡曉黎,等.淺析山東電網(wǎng)高壓支柱瓷 絕緣子斷裂原因[J].高電壓技術,2005,31(3):90- 91. 

[8] 侯宇嘉,楊文良,王瓊,等.高壓支柱瓷絕緣子斷裂原 因及缺陷檢測技術分析[J].內(nèi)蒙古電力技術,2019, 37(1):71-74. 

[9] 黃蓉,王軍,謝億,等.500kV變電站斷路器導氣管接 頭開裂原因[J].理化檢驗(物理分冊),2022,58(5): 30-33,39. 

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:71-74)>