220 kV輸電線路支柱絕緣子斷裂故障研究分析

孔小紅，溫　生，劉桂林，陳祥睿，武永泉，趙　軒，楊紅杰

(1. 國網江蘇省電力公司南京供電公司，南京　210000；2. 國網湖北省電力公司荊門供電公司,湖北 荊門　448000)

電纜終端塔是架空線路與電纜線路連接的基本形式，塔上支柱絕緣子用于支撐、固定導線引下線，使得導線與桿塔之間存在足夠安全距離[1-4]。由于支柱絕緣子重量輕、運行維護少，因此得到廣泛使用[5-6]。支柱絕緣子根部是與桿塔連接的部位，承受著絕緣子在運行中各種作用力的彎曲復合。支柱絕緣子芯棒的脆斷率為1/10 000[7]，受溫度、風力、濕度等自然環境的影響下，絕緣子根部易變形或斷裂，導致引流線與塔身安全距離不足，引發線路跳閘事故。2007年河南I左龍線和I首常線塔中及右側絕緣子斷裂，2006年常州220 kV金灣線復合絕緣子斷流，跳閘重合不成功[8]。此外，2006年國家電網公司組織的調查分析中指出，隔離開關和母線的支柱絕緣子斷裂事故也頻繁發生，可見支柱絕緣子在運行中斷裂是威脅電網安全運行的致命殺手[9-13]?；陔娋W生產實際中發生的一起典型案例，研究支柱絕緣子根部斷裂的根本原因，提出應對舉措及建議，避免類似故障發生，對電網安全運行具有更為重要的實際意義。

1　故障經過及保護動作情況

1.1　故障時環境情況

接地短路故障發生時，天氣為小到中雨，東北風7級，溫度為7～11℃，氣象條件惡劣。接地點附近地勢空曠，無特殊地形地貌，無高大建筑或樹木，城市交通量稀少。

1.2　故障經過及查線情況

故障巡視人員發現220 kV某線路05號電纜終端塔A相電纜引下線上端支柱絕緣子接地端斷裂，下端支柱絕緣子受壓彎曲，致使A相電纜引下線與B相電纜引下線安全距離不足，誘發AB相短路故障，如圖1所示。從現場放電路徑來看，故障表現為導線對桿塔構件放電，在通道內、導線上未發現異物灼燒的殘留痕跡，如圖2所示。

綜上判斷，本次故障跳閘的原因為惡劣天氣下絕緣子底座斷裂導致安全距離不足，形成放電回路引起的。

圖1　220 kV某線路05號塔故障現場

圖2　導線對桿塔構件放電痕跡

1.3　保護動作情況

故障時，220 kV某線路兩側開關主保護動作跳閘，A相接地短路故障，110 ms后轉成AB相間短路，三跳重合不成功。

2　支柱絕緣子斷裂原因分析

2.1　故障現場分析

根據故障現場斷裂絕緣子測量可知，該絕支柱緣子結構總長2.90 m，接地端根部厚68 mm、寬9.7 mm，雙傘傘裙結構，大傘群直徑150 mm，小傘裙直徑115 mm，傘裙長度2.50 m。由運行的支柱絕緣子可知，絕緣子安裝后變形較大，長期承受較大的扭曲彎矩，絕緣子棒芯已疲勞損傷。按線路設計規范、運行經驗，搶修更換的絕緣子結構長2.45 m，斷裂絕緣子比設計規范絕緣子長度明顯增長。

2.2　絕緣子安裝選型分析

根據絕緣子型號的追溯，設計單位當時要求廠家提供兩種類型的絕緣子，一種型號為FFP-220/2.0，全長2.90 m,用于懸垂絕緣子安裝；另一種型號為FS-220/2.0，全長2.45 m，用于支柱絕緣子安裝。根部斷裂絕緣子型號為FFP-220/2.0，總長2.90 m。由此可以初步判斷，在施工過程中，施工單位誤將懸垂式絕緣子安裝成支柱式絕緣子。

2.3　絕緣子斷裂面斷口形貌分析

支柱絕緣子底座的斷口形貌如圖3所示。斷面基本平齊，表面均布有淺黃的銹跡，未見明顯的陳舊性裂紋，表明開裂是在瞬時發生的，淺黃色的銹跡是斷裂后在潮濕的環境中快速形成的。根據斷口上的撕裂棱走向，判斷開裂是在上表面中間部位先開始的，裂紋迅速擴展導致斷裂。

圖3　絕緣子根部斷口形貌

2.4　根部材料成分檢測、性能試驗

制造廠提供的圖紙顯示，發生斷裂的金屬底座(圖紙所示上附件)材料牌號為ZG310-570，為了判斷斷裂金屬底座的材料成分和力學性能是否符合標準要求，對其性能進行了分析和檢測。

2.4.1材料成分檢測

采用OBLF 750-Ⅱ直讀光譜儀對支柱絕緣子材料成分進行分析，對照GB/T 11352—2009 《一般工程用鑄造碳鋼》，檢測樣品的成分符合ZG310-570的標準要求，見表1。

表1　材料成分檢測結果(質量分數)

2.4.2材料力學性能實驗

在斷裂件的平板上取樣，進行材料的力學性能試驗，試驗項目包括拉伸強度、斷后伸長率、沖擊吸收能量，試驗結果見表2。

從材料力學性能試驗結果來看，斷裂金屬底座的材料性能(除沖擊吸收能量，見表2備注)符合ZG310-570標準要求。

表2　材料力學性能試驗結果

2.5　斷裂點受力分析

根據絕緣子安裝情況，絕緣子底座固定端方板水平安裝，呈懸臂梁受力狀態，斷口寬度60 mm，板厚度8 mm，絕緣子大傘裙直徑為150 mm。結構受力主要來源三部分：一是自身的重力，方向為垂直向下；二是風載荷作用力，由于絕緣子安裝高度在15 m以下，在此高度的風受地面影響多為水平方向，因此風載荷也為水平方向；三是端部固定導線的重量載荷，方向為垂直向下。因此，絕緣子結構的受力俯視圖如圖4所示。

圖4　絕緣子受力結構俯視圖

(1)計算參數

絕緣子實際重量自重：m1=15 kg；

7級風計算風速：V=16.8 m/s；(按現場提供的數據)

遠端導線重量m2=1 kg；

斷口寬度b=60 mm，厚度h=8 mm；

絕緣子安裝長度：l=2 900 mm；

絕緣子風荷載最小作用面積：2 540 mm×150 mm。

(2)斷口點受力計算

支柱絕緣子斷裂點受力情況如圖5所示，遠端主要承受由自重彎矩、導線與風載荷引起的拉應力，根部主要承受由自重彎矩、導線與風載荷引起的壓應力。可見，根部是整根絕緣子承受拉應力最大的部位，遠端是承受壓應力最大的部位。

圖5　斷裂點受力圖

支柱絕緣子自重在斷裂點引起的應力為：

可得σ1=339.8 N/mm2。

遠端導線自重在斷裂點產生的最大應力為：

可得σ2=45.3 N/mm2。

依據DL/T5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術》規定，絕緣子風荷載計算公式為

WI=WoμzB1AI

式中Wo——基本風壓(計算風速取7級風)，16.8 m/s；μz——風壓高度變化系數，按B類地形15 m高，取1.14；BI——覆冰風荷載增大系數，無覆冰現象，取1；AI——絕緣子串承受風壓計算面積，取投影面積2 540 mm×150 mm。

風荷載在斷口處產生的彎矩為

此彎矩產生的最大應力為

可得σ334.1 N/mm2。

對于斷裂點最大應力為：

σ=σ1+σ2+σ3=419 N/mm2

(3)受力結果分析

通過受力分析可以看出，在絕緣子斷裂點，由絕緣子自重及導線自重產生的應力占主要部分，高達90%，不同風速下的斷口處應力曲線見圖6。

根據材料ZG310-570的性能參數，其屈服強度為310 N/mm2，抗拉強度570 N/mm2，由于材料是鑄鋼，根據常規安全系數取1.5～2.5。如取1.5估算，材料的許用應力為380 N/mm2。由此可見，此結構的應力基本都已超過了許用應力，也就是說，結構在運行時均已超出了安全系數。

圖6　斷口部位應力對比圖

2.6　綜合分析結論

由材料成分和性能檢測分析結果可知，發生斷裂的金屬部件材質成分和強度指標均符合對應標準的要求。

通過結構受力分析發現，絕緣子水平呈懸臂梁布置時，由于斷裂點截面最小，是受力最大的部位。而此部位的應力值已超過了材料的屈服應力，也已超過了材料的許用應力，說明結構在運行時已超過了設計安全裕度。由于材料的實際性能往往高于標準要求值，因此絕緣子還能夠持續運行。

此外，由于風載荷是動載荷，會使得材料出現疲勞損傷，材料的疲勞強度不僅與屈服強度和抗拉強度有關，在很大程度上更取決于韌性指標，如沖擊吸收能量。鑄鋼ZG310-570沖擊吸收能量標準要求值為15 J，同等強度的結構鋼(熱軋鋼)Q345，沖擊吸收能量在34 J以上，可見鑄件的沖擊耐受性能并不良好，使得其更容易因風載荷的疲勞作用而發生脆性斷裂。

綜上所述，本次絕緣子底座的斷裂原因為施工過程安裝選型錯誤，錯誤的將懸垂式絕緣子安裝成支柱式絕緣子，導致懸垂式絕緣子在支撐導線引下線時，許用應力安全裕度不足，局部強風作用下材料疲勞損傷，最終導致斷裂。

3　應對舉措

針對此起典型故障案例，輸電、電纜設備運維管理部門密切溝通，全面開展支柱絕緣子專項排查工作。根據電纜設備運維管理部門提供的數據，南京現有220 kV電纜終端塔93基，由輸電部門抽調專業力量對93基電纜終端塔、542根支柱絕緣子的數量、長度、廠家信息、接地端部厚度、寬度等部位進行排查，共發現絕緣子錯誤安裝、接地端薄弱、缺少螺栓、安裝不規范等缺陷52處。根據缺陷情況分類編制了缺陷排查匯總表、相關分析報告，制定專項的整改計劃，逐步完成相關整改工作。

(1)建立支柱絕緣子專項驗收卡。運維部門在驗收環節已建立支柱絕緣子專項驗收卡，卡片內容包括外觀檢查、合格證、型號、長度、端部結構尺寸、爬距、受力情況、安裝位置等信息。

(2)完善支柱絕緣子安裝管控流程。運維部門結合此次事故進一步完善了支柱絕緣子安裝管控流程，將流程細化為“施工交底—絕緣子型號核對—施工安裝—安裝位置檢查—施工驗收”。施工交底環節，告知絕緣子參數信息、安裝方法、位置、注意事項等；型號核對環節，再次核對絕緣子選型是否有誤；安裝后，進行絕緣子位置、方向、尺寸復檢；最后對絕緣子的方向、螺栓、穿釘等系統驗收。

(3)施工結束后，收集絕緣子合格證，并且隨同竣工資料一同進行存檔，避免故障絕緣子上廠家信息無處查詢的情況出現。

4　結語

建議設計單位進一步細化圖紙，除明確絕緣子安裝位置外，注明絕緣子的型號、用途等重要信息，以降低施工現場的安裝錯誤概率。

由于該類絕緣子屬于非標準產品，建議招標環節明確絕緣子的結構高度、爬距、受力情況、主要用途等重要信息，并且將相關信息反映在絕緣子合格證、銘牌上，便于驗收、施工過程中的核實、查詢、檢查。

電纜終端塔上支柱絕緣子屬輸電室設備資產，而支柱絕緣子的安裝由電纜運維部門負責。這種模式易導致管理上的盲區，建議輸電室、電纜室密切溝通聯系，協同管理，在今后的工作中加以重視。

南京電網220 kV輸電線路支柱絕緣子斷裂雖然為一起個案，但是不能排除江蘇電網也存在類似缺陷，為了保障電網安全運行，建議省公司組織對江蘇電網220 kV線路支柱絕緣子進行專項排查。因此深入研究220 kV支柱絕緣子根部斷裂故障的典型案例，對提升輸電線路安全運行水

平具有重要意義。

參考文獻：

[1]110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規范，GB 50233—2014[S].

[2]架空輸電線路運行規程，DL/T 741—2010[S].

[3]李光輝，高虹亮.架空輸電線路運行與維護[M].北京：中國三峽出版社，2000.

[4]張逸群，李海星.輸電線路典型故障案例分析及預防[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[5]周新華.高壓輸電鐵塔結構強度分析[D].保定：華北電力大學，2002.

[6]張福林.35kV復合橫擔絕緣子結構特點及運行穩定性[J].電磁避雷器，1997(2)：14-17.

[7]程極盛.超高壓線路用富惡化絕緣子芯棒脆斷原因及防范措施[J].電力設備，2007，8(7)：66.

CHENG Jisheng. Reasons and countermeasures of brittle fracture for composite insulator core rod on EHV transmission line[J]．Electrical Equipment, 2007， 8(7)：66．

[8]盧明，馬曉久. 復合絕緣子芯棒斷裂原因分析[J].電磁避雷器，2007(4):1.

LU Ming, MA Xiaojiu, et al. Analysis on causes of brittle fracture of composite insulator cores[J]．Insulators and Surge Arresters，2007(4)：1．

[9]程孟.500 kV施賢線地線懸垂復合絕緣子斷裂原因分析及優化改造策略[J].中國高新技術企業，2016，18:28-29.

[10]黃培專.通過紅外檢測發現110 kV隔離開關絕緣子斷裂及原因分析[J].電力設備，2008，9(5)：70-80.

HUANG Peizhuan. Analysis of breakage in insulator of 110 kV disconnector discovered by infrared detection[J]．Electrical Equipment, 2008， 9(5)：70-80．

[11]圓線同心絞架空導線，GB/T 1179—2008[S].

[12]劉錫良，周穎.風載荷的幾種模擬方法[J].工業建筑，2005，35(8):81.

[13]李紀仁.機械設計[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，1999.