关于复合绝缘子在运行中发生断裂的原因分析2004-07

复合绝缘子在运行中发生断裂的原因分析
摘要：随着复合绝缘子挂网运行的数量不断增加，在运行中发生各式各样的事故也在增加。

本文就是针对目前复合绝缘子脆断状况及事故的原因进行初浅地分析，以供大家参
考！
关键词：复合绝缘子、芯棒脆断、应力腐蚀、平滑断面、粗糙断面。

一：问题提出：
复合绝缘子在运行中发生的断裂事故，国内外均有发生，特别是脆性断裂，国际大电网会议1997年在世界范围内统计其事故概率不到万分之一。

国内挂网运行的时间较短，据不完全统计也发生数十起，和挂网运行的近300万支复合绝缘子用量相比，事故率比国外更低！但由于它是会引起导线落地、杆塔倾倒的恶性事故。

必然引起运行部门及生产厂家有关人员的高度重视，本文想对此类事故的原因作些初浅的分析，以供大家参考，有不当之处欢迎批评指正！
二；复合绝缘子断裂的现象分析；
2-1；按照材料力学的概念，材料断裂可分为脆性断裂及正常受力断裂两大类，当材料发生断裂时在断裂面上及其附近没有塑性变形时，这种断裂就叫脆性断裂，反之就是正常受力断裂。

对运行中的复合绝缘子芯棒而言，脆断是指发生断裂时，其断面光滑平整且垂直于芯棒的轴线方向（受力方向）为特点的断裂，实际脆断的断面大多是由约占芯棒断面80-90%左右且垂直于芯棒轴线的平滑断面及约占10-20%大小的粗糙断面组成的，其中占芯棒断面80-90%而且垂直于芯棒轴线的平滑断面是属于脆断的状况，而约占10-20%的粗糙断面是属于超负荷的正常受力断裂状况。

所谓芯棒正常受力断裂，它是指芯棒在超负荷情况下发生断裂时，其断裂面是粗糙不平且大约与复合绝缘子的轴线成45º角，有时会出现多个粗糙台阶组成的断裂面的情况。

典型的脆断面如下图所示：
典型脆断照片-01 典型脆断照片-02
而正常受力断裂的照片如下所示：
正常受力断裂照片-03 正常受力断裂照片-04
清华大学梁曦东教授在实验室中用模拟复合绝缘子实际运行条件得出的两种复合绝缘子芯棒脆断的断面如下：它们共同的特点是断面中大部分是平滑且是垂直于芯棒轴线的。

其中恒定应力法是对芯棒施加一恒定应力进行酸腐蚀试验，是用来检查芯棒的耐酸腐蚀性能的试验。

另外是用递减应力法来模拟出和运行中复合绝缘子脆断断面相似断口形状的试验。

2-2：据复合绝缘子在运行中发生断裂时断面位置及断面的状况可分为三类：
（1）断面是位于复合绝缘子高压端金具端口内附近，而且芯棒的断面和护套的断面是处在同一平面上。

其断面绝大部份光滑平整而且是垂直于芯棒的轴线方向，只有小部分粗糙不平断面其周边有时还可能带着少量的拉丝，运行中发生断裂属此情况的较多。

（2）断面处在复合绝缘子高压端金具以外的位置，芯棒断面和护套的断面处在同一平面上，芯棒断面绝大部分垂直于芯棒轴线的平滑断面及小部分的粗糙不平台阶式断面组成的，在复合绝缘子的断面附近护套可见到有损坏及损伤痕迹。

（3）复合绝缘子芯棒断面与护套断面不在同一平面上，芯棒断裂面位置有在高压端金具内、也有在金具以外的位置，护套的断裂面和芯棒断裂面不在同一平面上且两断裂断面相距从几十至几百毫米之远不等。

整个芯棒断裂面为几个台阶式粗糙断面组成大约与芯棒轴线成45°角的倾斜面，伴随有大量的玻璃纤维与树脂基体的分离分层现象，有的断面一侧还带有长度不等的拉丝及拉片。

上述的（1）、（2）类断裂情况可定为复合绝缘子脆断。

第三类情况一般认为是正常受力断裂。

三：复合绝缘子在运行中发生断裂的原因分析：
3-1；脆性断裂的原因分析：当前认为复合绝缘子的脆断是由机械负荷、电气放电及环境因素综合作用造成的，其根本原因是在酸性环境中复合绝缘子芯棒受到应力腐蚀造成断裂的，脆断发生的原因可归结为：（A）：水分的入侵。

由于复合绝缘子护套芯棒在生产成形、运输搬运、安装起吊及运行维护等过程中，难免会受到振动及弯曲荷载的作用，不可避免地会产生一些微小裂纹存在，它为水分的入侵提供了通道。

入侵的水分首先和环氧树脂发生溶胀效应，其结果使环氧树脂与玻璃纤维的界面受到破坏，继而引起玻璃纤维的损伤破坏，如此反复的反应过程总体来说是缓慢地局部发展的，这是复合绝缘子发生脆性断裂的第一因素。

（B）：第二因素是电晕放电。

由于复合绝缘子本身细长棒形结构使得沿其轴向的电压分布极不均匀，靠高压端附近的复合绝缘子区段要承受大部分的电压降，其电场强度相当高，故这区段内复合绝缘子微裂纹的气隙中会产生电晕放电，在电晕放电中形成的NO2溶解于水溶液中便形成酸性溶液，它对玻璃纤维产生快速反应并使玻璃纤维滤出钙、铝等金属离子而造成断裂，这种现象也叫应力腐蚀破坏，其特点就是产生平滑而又垂直于轴向的断裂面。

（C）：应力腐蚀造成芯棒中玻璃纤维断裂随着发展为整根芯棒断裂的过程中是与芯棒是否受力及受力状况没有直接相关的，当复合绝缘子发生应力腐蚀时其芯棒受力较轻微，则应力腐蚀的绝大多数玻璃纤维断裂面均发生在同一断面并沿着垂直于轴向发展着。

当芯棒断面由此缩小到使得剩余的玻璃纤维受到超应力作用时，负荷较大的玻璃纤维产生急速断裂，紧接
着又有一批超负荷的玻璃纤维断裂，最后是芯棒整体断裂故形成粗糙不平的台阶式断面，有得其断面周围还有拉丝存在，清华大学曾在摸拟应力腐试验中得到和运行实际几乎相同的断裂面，从而证实了应力腐蚀理论的正确性！故判断复合绝缘子脆断的条件是：有一个或者几个垂直于复合绝缘子轴线的平滑断面，这平滑断面可能是占芯棒断面的一部份及绝大部分。

（D）：复合绝缘子的芯棒是由硅橡胶护套密封保护着的，其端部连接的部位也有可靠的密封设施，正常情况下水分是不容易入侵到芯棒表面的。

在运行中由于端部密封设施不好或者是密封设施发生破坏失效的情况下才能使水分有入侵到芯棒表面的事例子较多，因而发生上述（1）类断裂面状况的脆断。

而类似上述（2）类断面是由于复合绝缘子的护套缺陷以及受到不应有的损伤使水分入侵引起芯棒发生脆断的事例极少。

这是厂家在出厂时均有严格地检查，护套带有缺陷的复合绝缘子出厂的概率极小，护套的缺陷损伤可能是复合绝缘子在运输搬运中、入库存放时、安装起吊及运行维护过程中迂到种种意外因素引起的，例如受到碰撞弯扭及绳索磨损、小动物咬破、鸟类啄食等等。

另外的原因是复合绝缘子的原材料配方及成形过程中存在固有缺陷引起的，应当具体问题具体分析才行！
3-2：正常受力断裂的原因分析：
上述（3）类断面状况是正常受力断裂的断面特征。

一般情况下这种情况也不易发生，因为在选用复合绝缘子时均按规定的荷载安全系数选取，但运行中却有个别正常受力断裂的事例发生，其原因大概有：（1）因复合绝缘子串的金具组合不当，加上在运行中出现的冰、风等因素使得复合绝缘子受到较大的弯曲、冲击等载荷迭加，使复合绝缘子芯棒局部超负荷而使玻璃纤维断裂，继而发展成为整支芯棒断裂。

（2）施工安装时由于施工安装工艺选用不当而出现芯棒断裂破坏也发生过。

（3）运行中出现异常的超过设计允许的荷载条件的情况。

四；结论；对于复合绝缘子在运行中发生断裂掉串的事故虽然概率极少，但其危害性特大而倍受重视，本文对其可能发生的原因及判断作了粗糙的分析，认为断裂的发生可分为脆断及正常受力断裂，其判别准则是断面是否是平滑且又垂直于轴线方向的是应力腐蚀引发脆断。

否则就是正常受力断裂。

至于其发生的真实原因，应该从复合绝缘子的生产成形工艺的质量控制情况、端部密封密封装置的可靠性、护套损坏情况及施工安装过程、金具组合、运行中出现的地理气象环境等等综合分析才能作出符合实际的判断来！
五：国际大电网会谈CIGRE绝缘子工作组主席DeTourreil博士认为任何关于脆断的机理都必须回答以下3个问题：
（1）尽管大部分脆断都发生在绝缘子芯棒暴露的部位，但仍有一些发生脆断事故的绝缘子没有任何伞裙护套破坏或失效的证据。

（2）有数倍于脆断总数的绝缘子，其芯棒暴露于外界环境，但仍安全运行了很多年。

（3）在同一批绝缘子中，一到两个发生了脆断，而其他所有的包括那些伞裙护套破坏的却都在安全运行，而目前关于脆断的机理无法解释这几个现象，因此这些机理并不
完善，另外尽管很多研究机构都提出了各自的脆断试验方法，但目前没有一个方法
成为IEC标准，即使作为标准的草案也没有。

DeTourreil博士指出，不能证明采用ECR纤维是唯一解决脆断问题的方法，也不能证明密封失效一定会导致脆断，并从芯棒本身的角度提出他的研究小组对脆断机理的新认识和试验结果。

参考资料：1：国外专家谈复合绝缘子。

国家电力公司发输电运营部，2000年12月编辑出版第307页。

2：合成绝缘子机械性能和抗腐蚀性能的有关介绍。

山东电力公司供电部、山东电力研究院1999年8月编辑出版“合成绝缘子技术资料汇编”第16页。

3：合成绝缘子芯棒脆断性能及试验方法的研究。

清华大学电机系梁曦东等。

电网技术杂志2003年第一期。

4：烟台局220kV龙芝线合成绝缘子断裂事故分析报告。

山东电力研究院二零零零年九月。