500kV罗北甲线合成绝缘子芯棒脆断原因分析张鸣，陈勉（广东省广电集团有限公司佛山供电分公司，广东省佛山市528000）
摘要：文章分析了合成绝缘子芯棒脆断的原因，芯棒脆断是由端部密封不良造成酸蚀引起的，脆断一般发生在合成绝缘子的高压端。为防止脆断事故的发生，厂家在选用良好耐酸蚀芯棒的同时，应改进端部密封结构和均压环的设计，以防止密封失效。运行单位应对运行中的合成绝缘子加强检测，以便及早发现有隐患的合成绝缘子。
关键词：高压输电线路；合成绝缘子；芯棒；硅橡胶
1引言
广东省佛山市500kV罗洞变电站至广州500kV北郊变电站的500kV线路（以下简称500kV罗北甲线）于2000年5月31日投入运行，全线单回路架设，长37.13km，共有铁塔91基，导线型号为4×LGJQ-400，地线型号为LGJ-95/55。全线耐张塔和8基直线塔采用的是瓷绝缘子（型号为XP3-16）或玻璃绝缘子（型号为FC300/195、FC160/155），其余悬垂串和跳线串均采用合成绝缘子，型号为FXBW-500/180，共320支。该线路投产以来一直运行良好。罗北甲线罗洞站A相于2002年11月23日13:08跳闸，重合不成功，跳三相，强送不成功。随后佛山供电分公司接到电话报告，称500kV罗北甲线57塔A相复合绝缘子断裂。57塔离罗洞站23.48km，所处环境为丘陵，属Ⅱ级污区，水平档距为485m，垂直档距为595m，垂直荷载为35.4kN。事故时天气晴朗，气温22℃，风速1.6m/s，负荷243MW。本次事故造成500kV罗北甲线停运6h56ｍin。
2断裂合成绝缘子情况
发生断裂事故的合成绝缘子是2000年5月20日挂网运行的，单串悬垂，型号为FXBW-500/180，芯棒直径为24mm，外护套厚3mm，大小伞裙共76个，高度4370mm，干弧距离4070mm，两端均装有开口均压环，其中低压端均压环装反，均压环外径R=170mm，圆管半径r=50mm，高压端屏蔽深度H=2mm，均压环表面不光洁，有较多棱角。
断裂的绝缘子无电弧灼伤和放电痕迹，护套和伞裙无老化变硬迹象，伞裙污秽不严重，断裂面位于高压端第1个伞裙与第2个伞裙之间（靠近第2个伞裙根部），离绝缘子端部110mm，护套和伞裙撕裂面为新口，断裂面与芯棒轴线垂直，断裂面超过90平整，呈黄褐色，其余截面有较长的束状拉丝产生，色泽较白，无碎片。高压端球头金具与断裂面之间的芯棒有明显水渗透痕迹。
文[1]述及的芯棒发生脆断时断裂面的典型特征：断裂表面光滑，无任何有机物残渣，其断面总是垂直指向芯棒轴线，只有很少的玻璃纤维被拉出，该合成绝缘子断裂面的情况与上述特征基本一致。
3芯棒脆断面形成的机理
合成绝缘子芯棒采用环氧树脂玻璃纤维挤拉成型，玻璃纤维外表面被环氧树脂粘合着，其中承受负荷的是玻璃纤维，其拉伸强度超过600MPa。雨水和潮气在高压电场下极易形成酸性液体，如果合成绝缘子端部密封不良或外护套破坏，酸液就会沿着护套和芯棒界面渗入芯棒内部，从而导致环氧树脂溶胀，直至开裂解体。随着环氧树脂基体的破坏，酸和水介质浸蚀环氧树脂与玻璃纤维粘接面，造成粘接面剥离，使酸和水介质直接触及玻璃纤维表面，与玻璃纤维中的CaO及MgO等碱性氧化物接触，这些碱性氧化物与酸液反应，使得碱性氧化物溶解，在玻璃纤维的晶格中形成高应力区，导致微裂纹和玻璃纤维机械性能的下降直至断裂^[2-4]。随着时间的推移，这些酸性液体在电场作用下继续横向缓慢腐蚀周围的环氧树脂和玻璃纤维，逐渐形成完全丧失机械性能的平整脆断面。脆断面不断扩大，芯棒有效面积不断缩小，当脆断面发展到相当比例时，余下的部分承受不住导线的垂直荷载，最终导致脆断。
4500kV罗北甲线芯棒脆断原因分析
从发生脆断事故的合成绝缘子均压环来看，虽然低压端均压环装反了，但这样只会对低压端的均压效果和引弧效果有影响，而对高压端几乎没有影响。另外，虽然均压环的设计不尽合理，均压效果不佳，也不能排除长期强烈的电晕会破坏端部的密封，并加速外护套老化和芯棒腐蚀的进程，但这并不是导致脆断事故的主要原因。
经计算，该合成绝缘子断裂位置场强高达5.2kV/mm，已达到空气的击穿场强，表明该合成绝缘子脆断部位在正常天气情况下都会发生电晕现象，所以该部位常年处于电腐蚀状态。
广东省电力试验研究所将该合成绝缘子的高压端球头金具纵向剖开，发现该合成绝缘子端部采用内楔式结构，其密封装置采用的是压紧式密封结构（见图1），在紧靠芯棒侧的金具内壁上有铁锈痕迹，说明这支绝缘子的端部密封已经失效。外部大气环境中的微酸性水分从端部浸蚀入玻璃纤维芯棒，由于芯棒材料的密实度、电场作用等原因，水分再沿着芯棒从端部不断渗透到断裂面，芯棒的玻璃纤维丝在微酸性水分腐蚀下变脆、断裂，微酸性的水分在高场强作用下沿着这个断面又横向缓慢浸蚀其他玻璃纤维丝。此断面上其他没有断裂的玻璃纤维丝承受的机械负荷越来越大，最终超过其所能承受的负荷而全部断裂，导致芯棒脆断。
笔者认为导致端部密封失效的原因是由于绝缘子外部端面处没有涂抹常温硅橡胶来密封住外护套与密封圈之间的缝隙，长期运行导致硅橡胶外护套与橡胶密封圈之间的密封胶失效，仅靠金具的螺纹咬合已经不能阻止水分从此分界面浸蚀入芯棒。另外，水分也有机会从螺纹咬合缝隙处渗入芯棒。
此外，在球头金具的外螺纹处还有一处锈迹（见图1），此处的水分应该是通过两个金具部件的螺纹缝隙渗透进来的，但被橡胶密封圈阻隔在外，因此没有对芯棒产生威胁。
广东省电力试验研究所对此支绝缘子断裂后的其余完好部分做了相关的电气、机械试验（陡波试验、100额定机械负荷试验），试验结果表明该支绝缘子符合设计要求，憎水性良好，这就更排除了其他原因引起绝缘子断裂的可能。5结论和建议
通过上述分析，得出合成绝缘子芯棒脆断原因的几点结论：
（1）芯棒脆断是在合成绝缘子端部密封性能不良或芯棒护套损伤的前提下，由浸入雨水的缓慢腐蚀造成的。
（2）绝缘子高压端特别是场强较高的部位是最易发生脆断的部位，长期的高场强作用会加速脆断的进程。
（3）500kV罗北甲线脆断事故不是偶然发生的，相同结构的其他合成绝缘子，除500kV罗北甲线仍挂网的195支外，还有500kV罗北乙线99支，随着运行时间的增长，这种结构的合成绝缘子还有可能发生芯棒脆断事故。所以建议尽快全部更换这种结构的合成绝缘子，对还来不及更换的，必须采取有效措施予以防范。
防止合成绝缘子芯棒脆断主要应从端部密封和外护套方面着手，具体建议如下：
（1）材料和工艺。合成绝缘子厂家在选用良好耐酸蚀芯棒的同时，努力改进端头设计、密封结构和密封材料，提高密封性能，防止密封失效。
（2）优化均压环设计。合成绝缘子厂家要优化均压环设计，除合理选取均压环外径R、圆管半径r和屏蔽深度H外，还要保证均压环表面具有良好的光洁度，以避免长期强烈的电晕破坏端部的密封、加速外护套老化和芯棒腐蚀的进程，且均压环还应设计成防止装反的结构，确保均压环能正确安装。
（3）加强检验。合成绝缘子厂家应加强合成绝缘子端部密封性能的试验和护套伞裙耐电蚀性能的试验；建议有关部门应尽快制订出关于合成绝缘子芯棒耐酸蚀性能试验的有关标准，在还没有试验标准之前，厂家也不能因此而不加强芯棒耐酸蚀性能的试验。
（4）采用双串安装。在广东合成绝缘子芯棒脆断引发的掉串事故已有多起，都是单联悬垂串运行。而1999年500kV葛双一回线路合成绝缘子发生的芯棒脆断却没有酿成掉串事故^[1]，就是因为采用了双串安装。建议新建的500kV线路，如果采用合成绝缘子的话，最好都采用双串安装。
（5）存储和施工安装方面。在合成绝缘子存储过程中防止小动物（如老鼠）咬噬；拆开包装箱后不要随便堆置，防止外物划伤；施工过程中防止工器具碰伤和机械损伤；在安装过程中严禁踩踏合成绝缘子，以免破坏伞裙和护套；注意不要将均压环装反。
（6）加强运行检测。运行单位应加强对运行中的合成绝缘子检测，以便尽早发现有隐患的合成绝缘子。红外测温是一种较理想的检测手段，值得推广。参考文献[1]谭章英，马建国，舒先民，等（TanZhangying，MaJianguo，ShuXianminetal）．500kV葛双一回复合绝缘子芯棒裂断原因分析（Analysisofapolymericinsulatorcorefractureon500kVGe-ShuangNo.1trans[1][2]下一页