一起調試期間500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龍

（國網福建省電力有限公司，福建 福州 350003）

一起調試期間500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸原因的分析

于建龍

（國網福建省電力有限公司，福建 福州 350003）

針對一起處于基建調試階段尚未投入運行的500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸事故，通過對瓷套爆炸現場檢查，以及對瓷套高低溫情況下的適應能力、燒制過程是否存在裂紋、內部承壓能力、機械載荷能力、瓷質結構是否致密及均勻等進行的一系列驗證試驗，分析認為瓷套爆炸的根本原因是瓷套在生產制造或運輸等過程中產生裂紋所致。為減少瓷套裂紋產生的可能性，提出了在瓷套坯件燒制過程中要消除殘余應力以及在瓷套運輸過程中應避免碰撞的措施。

高壓斷路器；滅弧室；瓷套；爆炸

0 引言

高壓斷路器在工作過程中，要經受電、熱、機械力的作用，運行時還要承擔著控制、保護的雙重功能，對電力系統的安全運行起著至關重要的作用[1-2]。高壓斷路器在投入運行帶電后，由于觸頭接觸不良、電力系統過電壓、內部發生燃弧以及無法正常開斷電流等原因，可能會造成斷路器滅弧室瓷套發生爆炸[3-6]。而高壓斷路器處在基建調試階段，尚未帶電運行的情況下發生滅弧室瓷套爆炸的情況實屬罕見。

本文論述一起某500 kV變電站尚未投入運行的新擴建間隔500 kV SF6斷路器滅弧室瓷套爆炸事故，并對起因進行分析。

1 事故概述和現場檢查情況

某500 kV變電站新擴建間隔的500 kV SF6斷路器B相中的一側滅弧室瓷套，在正午12：00左右突然發生爆炸。發生瓷套爆炸的斷路器，不久前才基建安裝完畢，處于調試期間尚未投運送電，爆炸前半個小時試驗人員剛完成此臺斷路器的交接試驗項目并撤離現場。爆炸后新擴建間隔的500 kV SF6斷路器B相發生爆炸的滅弧室動觸頭部件已暴露在空氣中，靜觸頭部件及均壓環已掉落在地上，如圖1和圖2所示。爆炸所產生的瓷套碎片遍布在相鄰開關間隔內，碎片散落的最遠處距爆炸點約50 m，相鄰開關的支柱絕緣子和機構箱被爆炸產生的瓷套碎片撞擊破損和變形。

現場檢查核實，斷路器爆炸時SF6氣體壓力為0.8 MPa（處于額定壓力狀態下），當日上午剛進行斷路器機械特性、主回路電阻、SF6氣體含水量等全部交接試驗項目合格。檢查斷路器的生產、裝配和出廠試驗原始記錄表，記錄表明該斷路器出廠前一切正常。對爆炸后的滅弧室動、靜觸頭進行檢查，未發現異常碰撞摩擦痕跡。從斷路器出廠、交接試驗以及現場檢查情況來看，在爆炸前此臺斷路器的機械部件及SF6氣體壓力等處于正常狀態。檢查爆炸后散落的瓷套碎片，未發現瓷件內部有生燒和夾層的現象（圖3）。

圖1 爆炸后動觸頭部件暴露在空氣中Fig.1 Moving contact parts are exposed to air

圖2 爆炸后靜觸頭部件及均壓環掉落在地上Fig.2 Static contact parts and grading ring are exposed to air

圖3 爆炸后產生的瓷套碎片Fig.3 Fragments of porcelain sleeve produced after the explosion

2 驗證試驗

為了進一步確定瓷套爆炸的原因，以及驗證此批次瓷套是否均存在家族性質量問題，對爆炸后的500 kV SF6斷路器A、B、C三相剩余5支完整瓷套的性能進行驗證試驗，5支瓷套的試驗編號為A1、A2、B1、C1、C2。按照國標《額定電壓高于1 000 V的電器設備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子》（GB/ T 23752-2009）要求，將5支瓷套逐一進行冷熱溫度循環試驗、例行內壓力試驗、四向彎曲試驗、超聲波探傷試驗。然后選取其中的4支瓷套逐一進行內壓力破壞性試驗，1支瓷套進行彎曲破壞性試驗，并在破壞性試驗后的瓷套碎片和現場爆炸的瓷套碎片進行孔隙性試驗。

2.1 溫度循環試驗

溫度循環試驗是為了檢驗瓷套在高低溫情況下的適應能力以及燒制過程是否存在裂紋等問題。為了加速瓷質內部應力的釋放速度，本次溫度循環試驗將溫差從GB/T 23752-2009要求的40℃提高到50℃。經過溫度循環試驗后，5支瓷套均未發現瓷套開裂等異常現象，試驗結果見表1。

表1 溫度循環試驗數據Tab.1 Temperature cycling test data

2.2 例行內壓力試驗

例行內壓力試驗是為了檢驗瓷套是否滿足斷路器滅弧室氣體壓力及瓷套設計內部承壓要求。將空心瓷套端部密封好并注滿水，和液壓泵相連，然后將水壓平穩增加到2.4 MPa，保持時間1 min，試驗后檢查5支瓷套和其端部附件均無開裂，瓷套膠裝處均完好，試驗結果見表2。

表2 例行內壓力試驗數據Tab.2 Routine pressure test data

2.3 四向彎曲試驗

四向彎曲試驗主要是為了檢驗瓷套的機械載荷能力是否滿足設計要求。在瓷套端部的四個位置，相鄰位置相差90°，每個位置分別進行彎矩為31.5 kN·m，保持時間為10 s的試驗。試驗后，5支瓷套和其端部附件均無開裂，瓷套膠裝處完好，試驗結果見表3。

表3 四向彎曲試驗數據Tab.3 Four direction bending test data

2.4 超聲波試驗

超聲波試驗為檢驗瓷套內部是否存在裂紋，用超聲波測試儀對瓷套膠裝處進行探傷，5支瓷套膠裝處均未發現裂紋。

2.5 內壓力破壞性試驗

內壓力破壞性試驗是檢測瓷套內部最大承壓能力。選取試驗編號為A1、A2、B1、C2四支瓷套進行內壓力破壞性試驗，水壓加壓到3.4 MPa，保持時間5 min，然后繼續加壓到至瓷套開裂，所選4支瓷套水壓破壞值均大于規定破壞值3.4 MPa，試驗結果見表4。其中試驗編號為C2的瓷套在水壓7.36 MPa仍未開裂，但此時水壓值已大于3.4 MPa，故未繼續加壓至破壞。

表4 內壓力破壞性試驗數據Tab.4 Internal pressure destructive test data

2.6 彎曲破壞性試驗

彎曲破壞性試驗是為了檢驗瓷套的最大機械載荷能力。選取試驗編號為C1的瓷套進行彎曲破壞試驗，將前三個方向彎曲試驗彎矩定為31.5 kN·m，保持時間10 s，第四個方向試驗彎矩為45 kN·m，保持時間1 min后繼續施加負荷至瓷套破壞，試驗瓷套彎矩破壞值大于規定破壞值45 kN·m，試驗結果見表5，彎曲破壞性試驗后瓷套開裂情況如圖4所示。

表5 彎曲破壞性試驗數據Tab.5 Bending destructive test data

圖4 彎曲破壞性試驗后瓷套開裂情況Fig.4 The crack of porcelain sleeve after bending destructive test

2.7 孔隙性試驗

孔隙性試驗是為了檢驗瓷套的瓷質結構是否是致密和均勻。對爆炸瓷套和經破壞性試驗已破碎的4支瓷套的碎塊進行孔隙性試驗。根據GB/T 23752—2009中7.4要求，試驗溶液應采用紅色或紫色3%的次甲基燃料甲醇或乙醇溶液，在不小于15 MPa的試驗壓力下將試品浸沒在試驗溶液中一段時間，并且其試驗壓力和時間的乘積不小于180[7]。試驗后把試品從溶液中取出，沖洗后干燥，并再次敲碎，新敲擊開的表面沒有任何燃料滲透現象，試驗結果見表6，孔隙性試驗后碎塊情況如圖5所示。

圖5 爆炸瓷套碎塊（左側3塊）和其他4支瓷套碎塊（右側4塊）Fig.5 Fragments of porcelain sleeve after porosity test

3 原因分析

根據5支瓷套的驗證試驗結果，可以認為此批瓷套的高低溫適應能力、內部承壓能力、機械載荷能力等均達到標準要求。通過對爆炸瓷套和所選取的其他4支瓷套碎塊孔隙性試驗，證明瓷套的瓷質結構是致密和均勻的，故可排除此批瓷套存在家族性的質量問題。

經爆炸現場檢查，斷路器滅弧室瓷套爆炸時，斷路器的SF6壓力和機械部件正常，即SF6氣體壓力以及之前進行的斷路器分、合閘操作所產生的機械和震動負荷應在瓷套正常承受能力范圍內。此外，通過對爆炸后散落的瓷套碎片進行現場拼裝和對碎片斷面和瓷套兩個端部的斷面檢查，可確認爆炸起始點是在瓷套中間部位。

綜上所述，本次500 kV SF6斷路器B相瓷套爆炸直接原因應是瓷套承受不住SF6氣體額定壓力所致，而爆炸起始點是在瓷套中間部位，說明瓷套中間部位內部應存在內壓力薄弱處。從電瓷行業的微觀結構上分析，瓷套應力集中部位在外力、溫度等作用下可能會產生微裂紋，這個微裂紋在外力進一步作用下可能會逐漸延伸，最終導致瓷套內部存在內壓力薄弱處。

根據瓷套裂紋產生的可能性分析，導致瓷套爆炸的根本原因可能是：（1）爆炸瓷套在坯件經過高溫燒成冷卻階段可能會存在殘余的集中應力，這個應力集中部位在之后切割研磨、搬運、裝配以及溫度變化的作用下會產生微裂紋，這個微裂紋在出廠試驗前后均有可能產生，出廠進行的例行試驗還無法檢測出此裂紋。由于經過斷路器裝配以及運輸、安裝及多次斷路器分、合閘操作產生的機械負荷和震動負荷下，使此裂紋擴展延伸，最終在SF6氣體壓力下和高溫的作用下（爆炸時刻正好為正午，現場溫度達38℃以上）發生爆炸。（2）爆炸瓷套可能是在制造廠出廠試驗完成后的運輸以及斷路器裝配等過程中發生碰撞而產生裂紋，這個裂紋在現場進行多次斷路器分、合操作產生的機械負荷和震動負荷作用下進一步擴展延伸，最終因瓷套承在裂紋處薄弱處承受不住SF6氣體壓力而發生爆炸。

4 結論

瓷套本身有裂紋是導致此次爆炸的根本起因，針對瓷套裂紋產生的原因，應采取以下幾點防范措施：

（1）從消除瓷套內部殘余應力的情況分析，瓷套坯件在燒制過程中可以加高裝窯的耐火墊與窯車的底板距離，加大耐火墊中間通孔直徑，這兩項措施均可以增加冷卻氣流在產品內孔的流通性，進而減少或消除冷卻過程中產生的殘余應力。

（2）避免瓷套在運輸過程中產生碰撞，改進瓷套包裝方式，增加對法蘭部位的固定要求，運輸過程還應加裝三維沖撞記錄儀，監視瓷套在運輸過程是否發生劇烈震動或碰撞。

（References）

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Lin Xin.Modern High Voltage Apparatus Technology[M]. 2 ed.Beijing:China Machine Press，2012.

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Liu Shaojun.High Voltage Apparatus[M].Beijing:China Machine Press，1988.

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Xie Guangrun.Over-voltage in the power system[M].Bei?jing:China Water power Press，1985.

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[7]GB/T 23752—2009.額定電壓高于1 000 V的電器設備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子[S].北京：中國標準出版社，2009.

GB/T 23752—2009.Hollow pressureized and unpressurized ceramic and glass insulators for use in electrical equip?ment with rated voltages greater than 1 000 V[S].Beijing: China Standard Press，2009.

Analysis of an Explosion of the Porcelain Sleeve of 500 kV SF6Circuit Breaker during the Commissioning Period

YU Jianlong
（State Grid Fujian Electric Power Co.Ltd.,Fuzhou Fujian 350003，China）

Acording to an explosion accident of the porcelain sleeve of 500 kV SF6Circuit Break?er during the Commissioning Period，based on the inspection of explosion site and a series of verifi?cation test of porcelain sleeve,and a series of validation experiments on the adaptability of the por?celain bushing under high and low temperature conditions,crack in the firing process,internal pressure level,mechanical loading capacity,the compact structure and the uniformity of porcelain are carried out.Finally the reason of the explosion of the porcelain sleeve proves to be the crack of porcelain sleeve produced in manufacturing or transportation process.Two measures for avord?ing to produce the crack of the porcelain sleeve are proposed in this paper.

high-voltage circuit breaker；interrupter；porcelain sleeve；explosion

TM561.3

B

1006-3986(2016)04-0032-04

10.19308/j.hep.2016.04.008

2016-03-09

于建龍（1962），男，江蘇金湖人，高級工程師。