某供电局隔离开关支柱瓷绝缘子断裂事故分析

1、某供电局11204-1隔离开关支柱瓷绝缘子断裂事故分析1. 事故情况简介2008年3月20日11时06分，某供电局某变在220kV母线倒换过程中，因220kV#4主变112041隔离开关A相母线侧支柱瓷绝缘子发生断裂，引发220kV母线单相接地，进而造成了一起220kV地区变电所全停事故。迎水桥4号主变11204-1隔离开关的型号为GW7220DW/1250A，沈阳高压开关厂1994年8月生产。其中下柱支柱瓷绝缘子为抚顺电瓷厂1994年8月所生产，产品型号为ZSW-252/4，代号为2274；上柱支柱瓷绝缘子为唐山电瓷厂1994年4月生产，产品代号为2283。2. 支柱瓷绝缘子断裂事故后的检查

2、和试验（1）对断裂支柱瓷绝缘子的检查断裂发生在112041隔离开关A相母线侧支柱瓷绝缘子下柱下法兰胶装部位，断裂情况如图1、图2所示。 图2 支柱瓷绝缘子的断裂情况 图 2 支柱绝缘子瓷件断面 图3 法兰胶装面水泥胶合剂瓷件侧未见缓冲层 图4 水泥胶合剂法兰侧未见沥青缓冲层经外观检查，瓷件断裂面呈现出不规则、不连续状态，但无陈旧性裂纹。法兰内胶装水泥厚薄不均匀，最大相差达到了10mm。支柱瓷绝缘子瓷件根部外露部位未见上砂。瓷件内部边缘存在明显的青边现象，青边程青灰色，厚度约为10mm左右。对下法兰边缘进行的检查情况如图3、图4所示，检查发现支柱瓷绝缘子瓷件和附件与水泥胶合剂接触部分表面未涂敷沥

3、青缓冲层，在水泥胶合剂与瓷件界面上有上砂，但上砂极不均匀。 （2）同批次支柱瓷绝缘子的试验112041隔离开关A相母线支柱瓷绝缘子发生断裂后，电力科技教育工程院金属室会同供电局高试班，对该组隔离开关未断裂的其它8柱支柱瓷绝缘子进行了超声波探伤检测，未发现胶装面瓷件内部存在缺陷。2008年3月26日，在国家绝缘子避雷器质量监督检验中心对其中3柱支柱瓷绝缘子进行了机械破坏负荷试验和孔隙性试验。其中机械破坏负荷试验是按照绝缘子正常运行的状态，将上、下节元件组装后进行。孔隙性试验则是对6节元件分别进行。试验结果分别如表1、表2所示。表1 机械破坏负荷试验结果样品编号破坏负荷值（kN）破坏部位12.73

4、下组件下附件上一大伞处瓷件损坏24.66下组件下附件处瓷件损坏34.00下组件下附件处瓷件损坏表2 孔隙性试验结果样品编号123取样部位上节下节上节下节上节下节试验结果无渗透现象有严重渗透现象无渗透现象有渗透现象无渗透现象有严重渗透现象3. 对检查和试验结果的分析（1）检查结果的分析1）无沥青缓冲层和埋砂对支柱瓷绝缘子机械性能的影响检查发现，断裂支柱瓷绝缘子瓷件和附件与水泥胶合剂接触部分表面未涂敷沥青缓冲层，同时还存在埋砂问题。涂敷沥青缓冲层的目的是降低支柱瓷绝缘子胶装面的局部应力集中。理论计算表明，沥青缓冲层对于降低温度导致的内应力作用非常明显。上砂的目的是为了增加与法兰粘接的附着力，但出现

5、埋砂现象，特别是上砂不均匀时，将会造成局部胶装部位局部应力的集中。当支柱瓷绝缘子存在胶装水泥使用不当、沥青缓冲层过薄或没有，上砂工艺不良以及胶装面密封处理不良等问题时，在外部环境的影响下，容易出现端部局部应力集中，并造成电瓷材料产生微观裂纹，进而有可能导致支柱瓷绝缘子断裂故障的发生。2）瓷件产生青边的原因及其对支柱瓷绝缘子机械性能的影响此次断裂的支柱瓷绝缘子瓷件边缘存在10mm左右的青边。青边问题是原抚顺电瓷厂产品存在的普遍现象。这主要是由于配方中采用了含铁较高的田师傅土和铝矾图原料，瓷质外沿受还原气份的影响呈青色或灰色。该厂已于1995年开始研究无青边的中强度瓷配方，在工艺上采取减少还原气份

6、的方法，并于1997年将此配方正式投产，现该厂的支柱瓷绝缘子断面青边现象基本消除。山东省电科院曾委托有关研究单位对断裂瓷质进行过显微结构分析后，认为断裂瓷柱的断面边沿出现的灰环除了与配方有关外，还存在明显的过烧现象，主要表现为气孔大，气孔含量高，出现杂质孔、溶孔，瓷质中石英溶蚀严重，石英裂纹多，石英周围的玻璃相增多等缺陷。这些缺陷均会对支柱瓷绝缘子机械性能产生严重的不利影响。3）对瓷件断面状态的分析外观检查瓷件断裂面呈现出不规则、不连续状态，这表明某变112041隔离开关A相母线支柱瓷绝缘子的断裂可能不是突发性的，而是有一定的发展过程。但断裂面无陈旧性裂纹，则表明这一过程持续时间并不长，因此周

7、期性的超声探伤检测，对于此类缺陷能否及时捕捉，是值得怀疑的。4）瓷件胶装的偏心问题 由法兰内水泥胶装水泥层厚薄不均匀，其差值最大达到10mm，间接的反映出瓷件胶装存在偏心问题。瓷件胶装的偏心与支柱瓷绝缘子的轴线直线度和上、下安装孔中心圆轴线间的最大偏移存在关联性。支柱瓷绝缘子上、下安装孔中心圆轴线间最大偏移，以及轴线直线度的允许值，在国标GB 8287.1中有明确的规定。同时GB/T 775.1规定了相应的测量方法。上、下安装孔中心圆轴线间最大偏移和轴线直线度如果超标，肯定会对支柱瓷绝缘子的机械性能产生影响。然而由于瓷件已经断裂，因此已无法对其进行测量，也就不能对支柱瓷绝缘子的断裂是否与瓷件胶

8、装的偏心有关做出判断。（2）对试验结果的分析1）机械破坏负荷试验送检的3柱支柱瓷绝缘子中，其中一柱的实际破坏负荷值仅为规定弯曲破坏负荷值的68.25%，另外一柱的实际破坏负荷值刚达到其规定弯曲破坏负荷值，还有一柱稍好一些，有16.5%弯曲破坏负荷裕度。三柱支柱瓷绝缘子的断裂部位均在下节元件的下法兰附近。这表明送检的三柱支柱瓷绝缘子中，抚瓷生产的三支下节元件中的两节，机械强度均明显偏低，且胶装部位存在应力异常集中的可能。2）孔隙性试验孔隙性试验，又称吸红试验。试验时，将由瓷件上取得的试块置于盛有品红溶液的特制容器中，施加压力不低于20×106Pa，持续时间(h)与压力(Pa)乘积不应小

9、于180×106 h·Pa。试验完成后，取出试块，清洗后干燥，然后击碎，观察其新断面有无渗透现象。如有渗透现象，则表明孔隙性试验结果不合格。被送检的三柱六节元件的孔隙性试验结果表明，由唐瓷生产的三支上元件结果均合格，而抚瓷生产的三支下节元件的孔隙性试验均不合格，其中两支严重不合格，而这两支元件的机械强度明显偏低。孔隙性试验反映了支柱瓷绝缘子的瓷件致密度，而瓷件的致密度与支柱瓷绝缘子的机械强度密切相关。据一些电瓷制造厂介绍，导致支柱瓷绝缘子运行中断裂的一个重要原因是瓷件致密度不够，这些绝缘子能够耐受出厂时的逐个弯曲试验考核，但运行一段时间后即发生断裂。断裂后进行的孔隙性试验不

10、合格。3）超声探伤检测此次送检的支柱瓷绝缘子，在某变支柱瓷绝缘子断裂事故发生后，均进行了超声探伤检测，但并未发现存在缺陷。这说明对于内部确实存在裂纹、夹渣、气孔夹层等影响支柱瓷绝缘子机械强度的缺陷，通过超声探伤检测进行预防是一种比较有效的手段。但对于因瓷件致密度不够，无沥青缓冲层或埋砂等易造成支柱瓷绝缘子应力集中的缺陷，当这些缺陷尚未产生裂纹，或产生的裂纹尚未达到探伤检测仪能够检测到的水平时，超声探伤是无能为力的。而这些缺陷产生的裂纹如果快速发展，支柱瓷绝缘子可能会在下一轮超声探伤检测前发生断裂。4. 112041隔离开关A相母线支柱瓷绝缘子的断裂原因分析（1）制造质量不良是支柱瓷绝缘子发生断

11、裂的主要原因根据对国网公司系统的支柱瓷绝缘子断裂故障的全面分析发现，支柱瓷绝缘子断裂故障往往是多种影响因素共同作用的结果，而大多数支柱瓷绝缘子断裂故障发生的主要原因是制造质量不良。此次112041隔离开关A相母线支柱瓷绝缘子发生断裂的主要原因也是制造质量的问题。无论是配方及过烧等原因导致的青边现象，还是法兰胶装中出现的无沥青缓冲层和埋砂问题都能反映出产品制造质量问题。制造质量不良造成了支柱瓷绝缘子瓷件致密度不符合标准的规定，同时还造成了胶装部位的应力集中。这些问题的存在导致了支柱瓷绝缘子机械性能的严重下降。抚顺电瓷厂的类似事故在国内曾多次发生，一些事故还造成了人身死亡的严重后果。2004年2月

12、15日，北京电力公司变电公司检修人员张××在220kV老君堂变电站22122隔离开关检修时，因支柱瓷绝缘子突然折断落地，而导致被砸伤以至于死亡。2004年12月9日，湖北电力公司荆州供电公司，在对某变电站220kV022GW6型隔离开关(沈阳高压开关厂1994年12月产品,编号9412045)进行改造时，拆除引线过程中，B相支柱瓷绝缘子下柱根部突然发生断裂，导致一人坠地身亡。上述两起导致人身死亡的支柱瓷绝缘子均为抚顺电瓷厂的产品。据统计截至2005年3月，国家电网公司系统至少有230441支产自抚顺电瓷厂的支柱瓷绝缘子在运，约占国家电网公司在运支柱瓷绝缘子总数的27.4%。

13、同期，国家电网公司系统至少有66支产自抚顺电瓷厂的支柱瓷绝缘子发生了断裂事故，其故障支柱瓷绝缘子数量占到了国家电网公司系统故障支柱瓷绝缘子总数的接近50%，远高于该厂支柱瓷绝缘子在国家电网公司系统内的在运率。据山东省电力研究院于1999年所做的调研，抚顺电瓷厂生产的代号为2274的110kV防污型支柱瓷绝缘子和22742283或22742284的220kV防污型支柱瓷绝缘子在山东省发生过多次断裂。112041隔离开关支柱瓷绝缘子的产品代号即为22742283。据统计，抚顺电瓷厂的断裂支柱瓷绝缘子，运行时间最短的不到1年，多数断裂支柱瓷绝缘子的运行时间在5年到15年之间。按投运年份统计，抚顺电瓷

14、厂发生断裂故障的支柱瓷绝缘子最早投运于1979年，至1990年这一阶段，历年投运的支柱瓷绝缘子断裂故障数量还比较少，1991年至1995年期间投运的支柱瓷绝缘子，断裂故障数量明显增多，1991年投运的支柱瓷绝缘子故障数量为7支，约占抚瓷当年投运支柱瓷绝缘子数量的1.49；1994年投运的支柱瓷绝缘子故障数量达到15支，约占抚瓷当年投运支柱瓷绝缘子数量的1；1995年断裂故障支柱瓷绝缘子数量虽然减少至12支，但依然占到抚瓷当年投运支柱瓷绝缘子数量的1.26。抚瓷从1996年以后，所投运的支柱瓷绝缘子断裂故障数量开始逐年减少，但完全未能杜绝。电瓷制造业属于劳动密集型产业，大部分制造厂的生产实际上还

15、是半手工作业方式。产品的工序多，中间环节多，质量控制点多。电瓷产品的原料、配方、生产工艺、生产流程及出厂检验等因素都对产品的质量有显著的影响。甚至生产过程中，员工的情绪都会影响到产品的质量。而这些原因所带来的质量问题往往是潜在的，用户很难了解，但有可能在运行中突然爆发，对电网的安全运行和人身安全构成威胁。抚顺电瓷厂对其20世纪90年代生产的支柱瓷绝缘子频繁发生断裂故障的原因进行反思后，认为其中一个比较重要的原因是，当时企业管理混乱，甚至一些自办的集体企业将已经判废的支柱瓷绝缘子以抚瓷的名义进行销售。不但给电网造成了极大的危害，也严重的影响了企业的形象。（2）支柱瓷绝缘子发生断裂的其他原因1）生

16、产工艺的影响调研发现，国家电网公司系统内的断裂故障支柱瓷绝缘子，绝大部分的电压等级为110kV和220kV，其中220kV电压等级支柱瓷绝缘子断裂故障占绝大多数。而国家电网公司系统在运的330kV电压等级支柱瓷绝缘子未发生过支柱瓷绝缘子断裂故障，500kV电压等级的支柱瓷绝缘子未发生过折断故障。目前，330kV及以上电压等级的支柱瓷绝缘子的生产多采用等静压法（即干法）工艺，而对于220kV及以下电压等级支柱瓷绝缘子，则多采用湿法生产工艺。例如抚顺电瓷厂的产品中，12.5kN及以上220kV支柱瓷绝缘子、爬电比距为31mm/kV支柱瓷绝缘子以及500kV支柱瓷绝缘子，均采用干法生产工艺，其他绝缘

17、子则采用湿法生产工艺。由于湿法生产工艺的工序繁杂，且大量工序由人工参与，并且有些工序需要充分的时间和环境保证。此外，湿法工艺从原料到成瓷的过程中所经过一系列复杂的物理化学反应，都是在敞开的多相系统中进行的，该物料系统时刻都在与环境发生着物质和能量交换，环境的变化必定会对物料或坯体产生影响。因此质量控制难度也更大，产品性能的具有明显的分散性。本次断裂的支柱瓷绝缘子肯定是湿法工艺生产的，加工工艺对支柱瓷绝缘子的性能可能会产生一定的影响。2）出厂试验手段局限性的影响此次试验后抽检的产自抚顺电瓷厂的支柱瓷绝缘子，孔隙性试验均不合格，反映出了瓷件的致密度存在严重的问题。瓷的致密度检测，除了孔隙试验外，目

18、前没有其它更好的方法。而孔隙性试验属于抽样试验项目，需在瓷件破坏后方可进行，同时孔隙性试验往往能反映出同一批次产品瓷件的质密度情况。一些生产厂家不能严格按照标准开展抽样试验工作，因此不能保证每批次产品都能进行孔隙性试验，从而造成一些质密度不够的支柱瓷绝缘子无法在出厂前被检出。3）气象条件的影响根据对国家电网公司支柱瓷绝缘子断裂故障的分析发现，支柱瓷绝缘子断裂故障主要发生在3、4月份，此外2、6、12月份的支柱瓷绝缘子断裂故障发生情况也比较严重。同时，在2、3月份，隔离开关支柱瓷绝缘子、母线支柱瓷绝缘子及引线支柱瓷绝缘子都有断裂故障发生。这些月份温度变化一般比较急剧，同时都有降雪、降雨或起风的可

19、能，支柱瓷绝缘子断裂故障与这些因素有关。3、4月份一般也是各单位春检的时间，这与支柱瓷绝缘子断裂故障的发生或发现也有一定的关系。此次支柱瓷绝缘子断裂就发生在3月份。而2008年初的连续降雪和持续低温，在宁夏的历史上是罕见的，因此在分析此次支柱瓷绝缘子断裂故障时，不能忽视气象条件这一外在因素的影响。温度急剧变化的季节，以及雨、雪季节是支柱瓷绝缘子断裂的高发期。原因之一是，法兰与瓷件的胶装处进水，遇冷结冰后发生膨胀，产生极大的分子应力，使支柱瓷绝缘子发生断裂。雨季发生支柱瓷绝缘子断裂故障的原因也与水份进入法兰与瓷件的胶装处有关，水份进入后，导致胶装水泥发生膨胀，造成局部应力集中而产生裂纹，并最终有

20、可能导致支柱瓷绝缘子发生折断。温度急剧变化导致支柱瓷绝缘子断裂的另一个重要原因是普通瓷的特性所致。4）普通瓷特性的影响112041隔离开关A相母线支柱瓷绝缘子为普通瓷质绝缘子，即高硅瓷绝缘子。据统计，国家电网公司系统发生断裂的支柱瓷绝缘子中，普通瓷绝缘子占73.6%。运行时间在15年及以内发生断裂故障的支柱瓷绝缘子占总断裂故障绝缘子数的77.9%。个别支柱瓷绝缘子在运行不到1年时间就发生断裂故障，而运行610年，故障的集中发生时间，此后开始呈现下降趋势。此后开始逐年下降，但运行16年支柱瓷绝缘子断裂故障，又出现了小幅上升。普通瓷绝缘子的强度载体是经过细磨处理的残余石英。如果经过高温或者多次烧成

21、，石英颗粒边缘将被侵蚀性长石溶液逐渐熔解，在极限情况下，石英颗粒最后完全进入溶液。随着残余石英在坯体中逐步减少而使坯体强度明显降低。因此，石英泥料要求准确的烧成温度和保温时间。为达到高强度，石英必须研磨的很细，小心烧成，其温度要正好高于其致密烧结的温度，也就是说，正好在生成孔隙边界。烧成温度过高且保温时间长或多次烧成都会导致坯体玻化增加，气孔率的增加，使得机械强度急剧下降。普通瓷的另一个缺点是必须十分注意石英颗粒及其周围液相的不同膨胀系数。当石英受力时，会在石英颗粒产生径向拉伸应力，而在玻璃机体中产生切向压缩应力。由于在石英的粉碎和转化过程中会形成微裂纹，当温度剧变时，内应力会增加，石英颗粒内

22、已存在的微裂纹将不断扩大。由于裂纹在负荷下不断扩大，强度降低，最终有可能发生突然断裂。瓷绝缘子存在老化问题。据国外研究结果表明，普通瓷绝缘子的强度过15年就已达到设计极限。国家电网公司要求对运行15年以上支柱瓷绝缘子进行更换，可能与此项研究结论有一定的关系。然而，截至2005年3月，国家电网公司系统至少有17.23%运行时间超过了15年支柱瓷绝缘子安全在运，且其中大多数为普通瓷绝缘子。同时，国家电网公司系统内绝大部分发生断裂故障的支柱瓷绝缘子的运行时间都不到15年。这表明普通瓷绝缘子的老化时间不能一概而论，制造质量不良以及运行中受到电弧作用等原因造成的剧烈受热，均会导致普通瓷绝缘子提前老化。某

23、变发生断裂的支柱瓷绝缘子运行时间不到14年，根据对抚顺电瓷厂同期产品性能的分析，以及与唐山电瓷厂生产的上节元件的性能进行对比，如果此次断裂故障是由于瓷件老化所致，那么老化与制造质量不良密切相关，如瓷件的过烧，以及胶装部位局部应力集中等问题加速了瓷件的老化。5. 同类事故的预防措施（1）变电工程设计工程设计时应充分考虑变电站母线支柱瓷绝缘子和隔离开关支柱瓷绝缘子的强度要求，并留有适当的裕度。根据国家电网公司110kV500kV变电站主设备典型规范的规定，220kV支柱瓷绝缘子的额定弯曲破坏负荷分别为8kN、12.5kN、16kN。与GB/T 8287.2-1999相比，典型规范中对于220kV支

24、柱瓷绝缘子减少了4kN这个等级，从而增大了220kV支柱瓷绝缘子的弯曲破坏负荷裕度，对减少220kV支柱瓷绝缘子断裂故障的发生是极为有利的。（2）订货加强订货管理，支柱瓷绝缘子、隔离开关的订货应严格执行招投标制度。招标时，应优先选择未发生过，或很少发生支柱瓷绝缘子断裂故障生产厂家的产品。调研结果表明，国家电网公司系统内的支柱瓷绝缘子在运率超过2%的7家生产厂中，只有2家的产品在国家电网公司系统中未发生过断裂故障，这两家制造厂分别是河南红星和西安双佳。西瓷厂早期生产的支柱瓷绝缘子断裂故障较为严重，其中1987年投运的支柱瓷绝缘子故障数量达到10支，约占西瓷当年投运支柱瓷绝缘子数量的2.51；19

25、91年投运的支柱瓷绝缘子故障达到7支，约占西瓷当年投运支柱瓷绝缘子数量的2.64。但此后投运的支柱瓷绝缘子故障开始明显下降。西瓷厂1994年至2005年投运的支柱瓷绝缘子再未发生过断裂故障。科学合理的制订招标技术文件，明确对支柱瓷绝缘子（含隔离开关配套支柱瓷绝缘子）的技术要求。订货时应优先选择采用等静压工艺生产的高强瓷质支柱瓷绝缘子。等静压工艺，通常也称为干法加工工艺。这种工艺工序相对较少，且人工参与不多，从原料到成瓷的工艺过程中不易受到环境的影响，因此产品瓷质均匀、致密，强度高，分散性小，而且因工艺流程短，波动因素少。建议今后在支柱瓷绝缘子订货中，明确要求产品采用等静压生产工艺。高强瓷，又称

26、为高铝瓷。据统计，国家电网公司系统发生断裂的支柱瓷绝缘子中，高强瓷绝缘子仅占5%。这说明高强瓷的强度确实优于普通瓷。需要指出的是，有些制造厂在石英中加入一定比例的氧化铝后，将其产品也称为高强瓷。实际上这种瓷应称为中强瓷，或者混合瓷。经过长期运行后，其强度的下降远大于纯铝质的高强瓷。（3）安装应严格按照安装技术规范和安装使用说明书，开展隔离开关、母线的安装工作，尺寸位置应调整准确，避免存在安装应力。安装、调试工作完成后，投运前必须按验收标准进行验收。在支柱瓷绝缘子安装完成后，进行逐个超声波探伤检测是有可能的，而且也是有必要的。通过探伤测试，能够避免一些存在缺陷的支柱瓷绝缘子挂网运行。但是需要指出

27、超声探伤检测的效果是有限的，对于致密度不够，或应胶装工艺问题造成的局部应力集中，通过超声探伤检测，不一定能够发现。因此，对高压支柱瓷绝缘子的机械性能、瓷件致密度存在怀疑时，建议通过机械破坏负荷试验和孔隙性试验的抽检进行判断。由于同批次产品的生产条件和生产过程基本一致，孔隙性试验对同批次产品具有很好的代表性。若被抽检试品的孔隙性试验不合格，则可能意味着同批次产品的致密度都存在问题。（4）运行维护应加强支柱瓷绝缘子的运行管理工作，建立、健全有关技术档案。定期对支柱瓷绝缘子运行中存在的问题进行分析总结。应定期开展对支柱瓷绝缘子的巡视检查工作，并做好记录，发现异常应及时汇报。若发现支柱瓷绝缘子出现裂纹等紧急缺陷时，应立即申请停电更换。应正确操作隔离开关，隔离开关操作前，应对支柱瓷绝缘子进行外观检查。发现存在裂纹时，严禁操作隔离开关。操作过程中，隔离开关出