大电流高压柜支持瓷瓶断裂原因分析及预防措施

摘 要：本文通过一起10kV大电流高压柜支持瓷瓶断裂的缺陷案例，从材料的使用、安装运输过程中的操作、使用环境等方面对瓷瓶断裂原因进行了分析，并提出相关的预防控制措施。

关键词：瓷瓶；断裂；预防措施

中图分类号：X934 文献标识码：A

支柱瓷瓶是高压设备运行的重要部件，近年来，因支柱瓷瓶断裂而发生的故障也并不少见。这一方面不仅会造成严重的电网事故、影响安全供电；另一方面还会对运行及检修人员的人身安全构成威胁，给电力系统安全运行带来很大的隐患。因此，认真分析其断裂产生的原因，及时采取相应的预防控制措施是很有必要的。

1缺陷概况

2013年8月，惠州供电局某110kV变电站在停电检修过程中，发现多组GN30-12/3150型隔离开关的多个支持瓷瓶出现不同程度的断裂情况，如图1所示。

由于GN30-12/3150型隔离开关原设计均为全国统一的设计形式，按照GB287.1-1998《高压支柱瓷瓶绝缘子第一部分：技术条件》3.3绝缘子机械强度等级，选择抗弯强度要求仅为不小于8kN。部分厂家的GN30-12/3150型隔离开关使用的支柱瓷瓶绝缘子强度有一定的分散性，一部分的抗弯强度可能稍低于8kN。再者8kN虽然已达到国家标准，但由于实际运行过程中对绝缘子所产生的作用力多方面的，会有可能超过8kN以上，所以正常的普通瓷瓶绝缘子也会有开裂的情况。

对于陶瓷支柱绝缘子来说，质量的分散性较大。陶瓷内部也存在许多形状不同、大小和分布不等的结构性空隙或隐蔽性裂纹：同时陶瓷的塑性变形能力又极差，所以受力时在裂纹尖端容易产生很高的应力集中，并且材料的裂纹扩展抗力极低，在应力峰值超过一定的大小时，裂纹就会很快扩展，直至发生脆性断裂。

2原因分析

根据现场所了解的情况，支柱瓷瓶绝缘子的裂纹的位置、形状、方向等情形各异，说明其所受到力的大小、方向、作用点有所不一样。据分析外力影响大体有以下几种情况：

（1）不良应力

大电流高压柜的母排电流都比较大，不同相的母排之间会产生较大的电动应力：另外珠三角地区拉闸限电频繁，而操作开关时也会产生一个冲击力，这两个力会在操作开关时对支柱绝缘子产生不良的横向合力。这些因素使个别支柱绝缘子产生裂纹，产生了裂纹的绝缘子长期在连接母排的不良应力及电动力的反复震动下运行，微裂纹逐渐扩大而引至加深。在应力峰值超过一定的大小时，裂纹就会很快扩展，直至发生脆性断裂。

（2）高温度作用下的金属材料系数变化

GN30-12/3150型隔离开关运行过程中，如果在负荷高峰时，电流过大会造成隔离开关触头温度高及发热现象。受温度变化的影响，包括母排等金属材料的物理性能发生变化（冷缩热涨），改变了材料的工作长度，这一些的改变也可能引致对支柱绝缘子产生一定的应力。

（3）母排与开关的连接与安装

母排的连接和安装较为重要，在连接时由于偏离较大而采取外力矫正时，对其支柱绝缘子的影响同样大。母排的连接和安装主要反应下面的4个方面：

①母排安装的吻合度；

②母排安装的上下左右偏离度；

③母排安装孔的同心度；

④母排安装的平面度。

本次发生断裂的瓷瓶都是3150A的大电流开关柜。开关柜内的连接母排截面比较大，而且是双母排或者是三母排。对于上述母排的4种安装连接要求是比较高的。如果外力施加调整，位移间距较大时，其外力作用就会很大（上述4种安装的偏离所产生于瓷瓶的作用力的方向都不一样）。假如再加上产品通电过程中不断形成的电动力、高温作用下金属材料的膨胀、开关的草纸应力等影响，侧施加于开关瓷瓶的作用力就会很大，当其作用合力达到某一峰值时，就有产出开关/刀闸瓷瓶爆裂的可能。

（4）由于支柱绝缘子瓷质部分与金属嵌件为不同的材料且为硬连接，当外部各处产出的应力积聚传递至绝缘子时，已无法产出位移缓冲，而最终将应力作用于瓷瓶上，造成瓷瓶开裂。

（5）支柱绝缘子用于浇装嵌件的填充剂（一般采用环氧树脂），其受热膨胀系数可能比金属嵌件及瓷瓶大，当支柱绝缘子在长期受热状态下，由于填充剂的膨胀体积比其它材料要大，当绝缘子内部也么有足够的缓冲空间，最好可能导致填充剂从内部将瓷瓶撑裂。

经过综合各方面原因分析，本次绝缘子断裂可能与安装的环境条件有一定关系。因当初绝缘子是在变电站现场安装，安装过程中一些参数由于现场环境原因没法与车间生产现场一样要求得那么精细，在综合以上条件，从而导致了重大缺陷的发生。

3预防控制措施

针对上述的问题，在改进作业方式的同时，建议采取如下的预防控制措施：

（1）优化支柱绝缘子瓷质部分与金属嵌件或金属嵌件与铜导体之间的硬连接方式，增加绝缘纸垫或薄体金属作连接过渡，减轻甚至消除应力积聚对绝缘子的影响作用。

（2）改进填充剂的成分、填充工艺、填充部分的结构设计，力求消除绝缘子在高温环境下因内部作用力而损坏绝缘子。

（3）出现类似瓷瓶开裂的缺陷，建议整个开关一起拆卸下来，经过现场安装人员重新调整，检测各项技术指标合格后再重新安装上去，尽量不要在变电站高压柜内现场更换零部件。

结语

支持瓷瓶绝缘子是高压设备的重要绝缘部件，是设备安全稳定运行的前提。本文通过对一起大电流开关柜支持瓷瓶断裂原因的分析，找到相应的预防控制措施，这对于确保瓷瓶的健康安全运行，保障电网的安全，具有积极的意义。

参考文献

[1]罗飞.一起隔离开关瓷瓶缺陷案例分析[J].四川电力技术，2011（10）.

[2]吕琪.瓷瓶断裂原因分析及预防措施[J].江西电力职业技术学院学报，2008（03）.