摘 要:某110kV變電站高壓支柱瓷絕緣子發生斷裂,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。結果表明:燒制工藝控制不當使絕緣子 心部出現黃色區域;法蘭水泥膠裝部位存在氣孔缺陷、環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、抗氧化等優點[1]。支柱瓷絕緣子運行過程中 溫差較大,以及導體發熱等因素會使瓷絕緣子內部 產生熱應力集中,從而誘發微裂紋,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,主要有鋁質瓷和硅質瓷兩種)通過膠 合劑膠合或機械卡裝而成,主要分為戶內和戶外支 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。戶內支柱絕緣子按結 構可分為外膠裝、內膠裝和聯合膠裝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,沒有直接受到外力作 用,支柱瓷絕緣子斷裂現場如圖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,結果可為支柱瓷絕緣子的監督和運 行提供參考[4]。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
檢查絕緣子斷口,發現其斷面嶄新,沒有陳舊的 痕跡,表面有部分被塵土污染的區域。絕緣子斷面 宏觀形貌如圖2所示,在斷面的中心,有明顯發黃的圓形區域,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 GB/T8287.1—2008《標 稱 電 壓 高 于 1000V系統用戶內和戶外支柱絕緣子 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。中心發黃區域瓷碎塊新敲擊開的表面存在 較明顯的染料滲透現象,而正常瓷碎塊新敲擊開 表面的滲透現象不明顯。孔隙性試驗后碎塊的宏 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黃區域分別 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 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 黃色區域的顯微組織,結果如圖7所示,由圖7可 知:心部黃色區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,心部黃色區域存在部分不 規則形狀的氣孔;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,結果 如圖8所示。由圖8可知:SiO2 的質量分數約為 72%,Al2O3 的質量分數約為19%,其他氧化物的 質量分數約為9%,可知該絕緣子材料屬于硅質瓷。
1.4 X射線衍射(XRD)分析
分別取故障絕緣子心部黃色區域瓷和正常瓷部 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域瓷。
2 綜合分析
氣孔的數量、大小、形態在一定程度上能夠反映 出材料的質量問題。因為材料氣孔部位容易產生應 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瓷和硅質瓷兩 種。鋁質瓷晶體主要由剛玉相、莫來石相等組成,硅 質瓷晶體主要由莫來石相、石英顆粒相等組成。由 能譜分 析 結 果 可 知,該 絕 緣 子 氧 化 硅 含 量 約 為 70%,屬于硅質瓷。硅質瓷絕緣子的結構比較疏松, 氣孔相含量較高,石英相顆粒與基體的界面結合不 緊密,常出現脫黏現象。石英顆粒具有脆性大、與基 體的熱膨脹系數不匹配等特征[5],在其周圍容易伴 生顯微裂紋,并發生裂紋聚集擴展,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 穩定性也低于高強度鋁質瓷絕緣子。
瓷質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,瓷質呈正常的灰白色;而瓷質中心部 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,與灰白色瓷質結合容易呈現 淺黃色,從而在瓷質心部出現發黃的現象。
調取故障發生時變電站的溫度情況,發現在故 障前兩天存在最大22℃的溫度突變。同時該絕緣 子已經運行了27a,運行過程中環境溫度變化會使 其心部與外緣之間發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生斷裂。
瓷質坯體中鐵氧化物 Fe2O3 的熱膨脹系數低 于FeO的熱膨脹系數,如果運行過程中環境溫度驟 變,二者熱膨脹系數的不同會導致材料產生內應 力[7-9]。
3 結論及建議
支柱絕緣子心部出現黃色區域,絕緣子法蘭膠 裝部位氣孔缺陷、溫度驟變造成其產生內應力集中 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制造環節的工藝,把 控產品質量,加強產品出廠前的型式試驗和驗收。
(2)推薦選用高強度鋁質瓷作為支柱絕緣子的 材料,鋁質瓷在顯微組織、穩定性、力學性能等方面 顯著優于硅質瓷。
(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生。
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