玻璃絕緣子自爆率的影響因素及控制措施

玻璃絕緣子自爆率的影響因素及控制措施

0國內(nèi)玻璃絕緣子運行情況國內(nèi)設(shè)立的玻璃絕緣子已有52年的歷史。自20世紀(jì)60年代220kv雞西至波里（寒冷-40）和220kv西津至柳州（濕熱多雷）的玻璃絕緣體后，由于零值自爆、識別方便、無接觸事故和運行安全，玻璃絕緣體積越來越受到應(yīng)用。這在中國的35.1000kv電網(wǎng)中被廣泛使用。目前,國內(nèi)玻璃絕緣子廠商主要有南京電氣集團(tuán)、浙江金利華、浙江泰侖及四川宜賓環(huán)球等本土公司,以及意大利塞維斯玻璃集團(tuán)旗下位于四川、天津和上海的三家獨資或合資企業(yè)。表1所示為2007-2009年國家電網(wǎng)公司220kV及以上線路玻璃、瓷及復(fù)合絕緣子招投標(biāo)數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果。從表1中可以看出,玻璃絕緣子使用越來越普遍,使用數(shù)量持續(xù)上升。然而,在取得了較好的運行經(jīng)驗的同時,也發(fā)生了多起玻璃絕緣子集中自爆事件,嚴(yán)重影響輸電線路的安全運行。“零值自爆”是玻璃絕緣子的顯著特點之一,但這既是優(yōu)點,也是弱點。自爆率已成為判斷輸電線路能否安全運行的重要指標(biāo)之一。1月2日,利用玻璃絕緣子破裂到5月20片以及到5.國產(chǎn)鋼化玻璃絕緣子自1965年投入使用以來,集中自爆事件屢見不鮮。以下為近年來我國輸電線路上發(fā)生的部分鋼化玻璃絕緣子集中自爆事例。1)1976年11月16日,220kV南京長江大跨越線路的北長江北塔LXP-160玻璃絕緣子集中自爆11片,未造成污閃跳閘。經(jīng)調(diào)查,自爆發(fā)生時雨霧交加,該塔高125m,LXP-160為雙聯(lián)串50片,塔與熱電廠煙囪等高,相距200m,煙灰使LXP-160表面污穢厚度達(dá)5~20mm。2)1988年8月28日,寧夏自治區(qū)330kV靖大線(靖遠(yuǎn)至大壩)342號耐張塔的玻璃絕緣子一次性自爆48片,開關(guān)跳閘,重合閘成功。更嚴(yán)重的是,1990年3月2日,195號、210號和220號三基耐張塔分別被打破43片、47片和51片,造成開關(guān)跳閘,重合閘未成功。3)1999年5月20日,500kV瓶斗線(瓶窯至斗山線)249號耐張塔的LXY3-160玻璃絕緣子(37片,四聯(lián)串計148片)在毛毛雨的情況下,集中自爆9片,沒有發(fā)生污閃。經(jīng)調(diào)查,該塔附近有2個污穢源,距塔200m處有一耐火材料廠,距塔400m處有水泥廠,二廠煙塵使LXY3-160玻璃絕緣子表面積污厚度0.5~5mm。4)2003年5月6日-8日,500kV武繁線(武南至繁昌)16號直線塔的LXHY3-160玻璃絕緣子集中自爆10片,開關(guān)未動作。經(jīng)調(diào)查,該塔至水泥廠50m,水泥煙塵污染后,鐵塔標(biāo)記牌已看不清字跡,絕緣子呈灰白色。5)2004年8月20日,江蘇省500kV陽東二線382號塔(雙串、每串28片)自爆l6片LXHY4-160型玻璃絕緣子,其中僅上相大號側(cè)串自爆9片、上相小號側(cè)串自爆3片;同時,388號塔(雙串、每串28片自爆l6片LXHY4-160型玻璃絕緣子,其中下相小號側(cè)串自爆6片、下相大號側(cè)串自爆3片。6)2005年10月16日,500kV武瓶線(武南至瓶窯)四基直線塔(111號、113號、114號和139號LXHY3-160玻璃絕緣子發(fā)生集中自爆20片,未造成停電事故。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,排除了外力破壞線路,但該線段地處河網(wǎng)和水稻田,晨霧的濕度較大,LXHY3-160玻璃絕緣子表面有輕度積污,積污鹽密檢測達(dá)II級污區(qū),有可能因積污受潮持續(xù)時間過長,引起了LXHY3-160產(chǎn)品產(chǎn)生集中自爆現(xiàn)象。2玻璃絕緣子的爆炸性特性2.1投運初期13年玻璃無爆不同于瓷和復(fù)合絕緣子的老化率,玻璃絕緣子的自爆具有“早期暴露,逐年下降”的特點,見圖1?？v觀應(yīng)用于中國輸電線路上的不同生產(chǎn)線(手工生產(chǎn)線、國產(chǎn)生產(chǎn)線及引進(jìn)生產(chǎn)線)的玻璃絕緣子,都存在投運初期的自爆峰值,一般為1~3年,而后自爆率逐年下降并趨于平穩(wěn)。表2、3所示的具體線路自爆情況也說明了鋼化玻璃絕緣子自爆率逐年下降的規(guī)律。2.2在玻璃絕緣體的反擊中鋼化玻璃絕緣子自爆后,傘盤玻璃破碎散落后形成殘錘,見圖2。玻璃絕緣子自爆是從張應(yīng)力層開始釋放應(yīng)力,并伴有輕微的爆破聲音。2.2.1玻璃件自身質(zhì)量引起的自殺分析玻璃絕緣子自爆后的絕緣子殘錘上的碎玻璃形狀,可以判斷絕緣子自爆的起始點。1)若殘錘上的碎玻璃渣呈放射性形狀時,則自爆起始點位于玻璃件的頭部(見圖3(a)),該情況下的自爆是玻璃件自身質(zhì)量引起,如配料、熔制工序等。2)若殘錘上的碎玻璃渣呈魚鱗狀,則自爆起始點位于玻璃件靠近鐵帽底部附近(見圖3(b)),該情況下的自爆原因有兩種可能,可能是由于產(chǎn)品自身的缺陷(比如雜質(zhì))引起的自爆或者外力引起的玻璃破碎,這種外力可以是機(jī)械應(yīng)力;也可能是電應(yīng)力(比如持續(xù)的電火花打擊,工頻大電流的破壞等)。3)若殘錘上的碎玻璃渣呈魚鱗狀和放射性形狀同時存在時,則自爆起始點位于玻璃件的傘裙上(見圖3(c)),該情況下的自爆,內(nèi)因及外因都有可能導(dǎo)致,或者是兩者共同作用的結(jié)果。2.2.2玻璃碎粒的殘余強(qiáng)度玻璃絕緣子自爆后,不會導(dǎo)致掉線事故。究其原因,一方面,傘盤玻璃會脫落成碎塊或碎粒,絕緣子頭部玻璃也碎成碎粒,因自爆產(chǎn)生膨脹力的作用,玻璃碎粒牢牢地卡死在鐵帽內(nèi),有足夠的殘余強(qiáng)度,能保持絕緣子串的完整性而不致有導(dǎo)線落地的危險。另一方面,電弧的引流通道從鐵帽邊緣和鋼腳桿徑直接連通(如圖2所示),不會引起絕緣子爆炸而導(dǎo)致掉線事故[11,12,13,14,15,16]。3影響因素：磁體氧化的影響因素3.1玻璃絕緣子的自爆率應(yīng)用于中國輸電線路上的玻璃絕緣子按采用生產(chǎn)工藝可分為3種,即手工生產(chǎn)玻璃絕緣子、國產(chǎn)線玻璃絕緣子和引進(jìn)線玻璃絕緣子。生產(chǎn)工藝的不同對玻璃絕緣子的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的影響,并直接影響著絕緣子的自爆率。根據(jù)1979年對運行的52萬片玻璃絕緣子的統(tǒng)計,手工玻璃絕緣子的自爆率為0.305%,國產(chǎn)線玻璃絕緣子為0.17%。經(jīng)內(nèi)水壓試驗考核的玻璃絕緣子的運行自爆率為0.02%~0.05%。引進(jìn)線玻璃絕緣子的自爆率穩(wěn)定在0.01%~0.04%。3.2月間價值高一些,顯著影響產(chǎn)品的自爆率輸電線路的環(huán)境溫度對手工生產(chǎn)玻璃絕緣子和國產(chǎn)線玻璃絕緣子的自爆率有一定的影響。北方輸電線路運行的產(chǎn)品自爆率要比南方的低一些;一年之中的6-9月,其自爆率要比其他月份高一些。例如,220kV雞勃線(雞西至勃利)、220kV西柳線(西津水電站至柳州)的運行統(tǒng)計顯示,每年7-9月,產(chǎn)品自爆片數(shù)比其他月份要多一些。以全年統(tǒng)計,雞勃線(北方地區(qū))運行的產(chǎn)品自爆率比西柳線(華南地區(qū))的低一些。云、貴、川高海拔地區(qū)因氣溫變化無常,日溫差大,有時一座高山存在四季的溫度分布,有時還伴有雷電、覆冰等惡劣氣候,對產(chǎn)品的自爆率存在一定影響。另一方面,隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高,氣溫變化對經(jīng)內(nèi)水壓試驗考核的玻璃絕緣子和引進(jìn)線玻璃絕緣子的自爆率沒有明顯影響。3.3鋼化冷卻時期的敏感性輸電線路導(dǎo)線荷載大小對手工生產(chǎn)玻璃絕緣子和國產(chǎn)線玻璃絕緣子自爆率有明顯的影響,如導(dǎo)線截面積大和用于耐張串的玻璃絕緣子,其自爆率高于導(dǎo)線截面積小和懸垂串的玻璃絕緣子。這個時期生產(chǎn)的產(chǎn)品均采用高壓鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)進(jìn)行鋼化冷卻處理,所獲得的鋼化強(qiáng)度偏低,在長期運行時,對機(jī)械負(fù)荷有較大的敏感性,顯然,自爆率要高一些。另一方面,國產(chǎn)線的內(nèi)水壓試驗產(chǎn)品,因剔除了玻璃元件頭部鋼化不良的制品,導(dǎo)線荷載的機(jī)械力作用對這批產(chǎn)品的自爆率的影響不明顯。同樣,引進(jìn)線的產(chǎn)品,采用壓縮空氣進(jìn)行鋼化冷卻處理,因工藝設(shè)施和控制手段完善,它所獲得的鋼化強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鼓風(fēng)機(jī)鋼化冷卻處理的強(qiáng)度,后者產(chǎn)品的自爆率對導(dǎo)線荷載大小無明顯的規(guī)律,有時還出現(xiàn)了耐張串產(chǎn)品的自爆率低于懸垂串的現(xiàn)象。3.4泄漏電流的產(chǎn)生玻璃絕緣子內(nèi)傘裙污穢嚴(yán)重,在大氣中濕氣形成的霧露或小雨的作用下,污穢堆積物被浸濕變成導(dǎo)電體并產(chǎn)生泄漏電流,泄漏電流產(chǎn)生的熱使玻璃件上的水被蒸發(fā),在玻璃件表面上形成局部“干帶”,“干帶”常出現(xiàn)在鋼腳附近。鋼腳附近“干帶”部位的大泄漏電流會導(dǎo)致局部放電,長時間的局部放電會造成玻璃體局部受熱不均勻,進(jìn)而引起熱擊穿。在文中第1節(jié)所列舉的實例1)、5)、6)都說明了嚴(yán)重積污對玻璃絕緣子自爆的影響。3.5西柳線和葛洲壩水電廠4年運行形式220kV雞勃線(雞西至勃利)以110kV電壓運行13年后升壓220kV運行,220kV西柳線(西津水電站至柳州)以110kV運行3年后升壓220kV運行,500kV葛常株線路(葛洲壩水電廠至常德、株洲)以220kV運行2年后升壓500kV運行。線路玻璃絕緣子自爆率統(tǒng)計結(jié)果表明,線路電壓等級雖升高,但產(chǎn)品的自爆率未出現(xiàn)升高現(xiàn)象,說明電場強(qiáng)度對玻璃絕緣子自爆無明顯影響。4玻璃絕緣子的自發(fā)釋放機(jī)制鋼化玻璃絕緣子的自爆與玻璃絕緣子的制料及生產(chǎn)工藝等有著緊密的關(guān)系。4.1機(jī)械在純金屬中的作用玻璃屬于硅酸鹽材料之一,是由石英砂、白云石、長石、石灰石等礦物原料和化工原料(碳酸鋇、鉀、鈉)組成,再經(jīng)高溫(1500℃)熔融成液體,經(jīng)冷凝而成質(zhì)地均勻、結(jié)構(gòu)致密、透明如鏡的非晶體材料,沒有確定的熔點,狀態(tài)變化(液態(tài)變固態(tài)或相反)是在一定溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的,即質(zhì)點的物理化學(xué)性質(zhì)為逐漸和連續(xù)的變化,而且是可逆的。玻璃件就是利用以上特性進(jìn)行配料、熔制、成形和鋼化處理的。4.2行業(yè)中的玻璃絕緣子生產(chǎn)鋼化玻璃絕緣子的生產(chǎn)工藝流程見圖4。熔制與鋼化等是鋼化玻璃絕緣子的關(guān)鍵工序。4.2.1缺陷破壞玻璃的化學(xué)均勻性玻璃件中的結(jié)石(通稱雜質(zhì))、疙瘩、條紋和氣泡等缺陷都是在熔制過程中產(chǎn)生的,這些缺陷破壞了玻璃的化學(xué)均勻性,使鋼化困難,造成鋼化制品易自動破碎。4.2.2鋼化熱處理法玻璃件成形后,因各部位有溫差而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。工藝上可采用鋼化的熱處理方法來使內(nèi)應(yīng)力均勻分布。玻璃的鋼化可在特制的鋼化風(fēng)柵中進(jìn)行急劇的快速冷卻,使玻璃件獲得了均勻分布的內(nèi)應(yīng)力。1速冷卻時表面層的張應(yīng)力和壓應(yīng)力作用鋼化玻璃件的內(nèi)應(yīng)力包含表面的壓應(yīng)力層和內(nèi)部的張應(yīng)力層。內(nèi)應(yīng)力的生成過程如下:當(dāng)已被加熱至軟化溫度(760~780℃)的玻璃件快速冷卻時,表面因急冷力求收縮,而內(nèi)部處在熱膨脹狀態(tài),阻止表面層的收縮,此時表面層感受到張應(yīng)力的作用,內(nèi)部感受到壓應(yīng)力的作用。當(dāng)玻璃件繼續(xù)快速冷卻,應(yīng)力狀態(tài)隨之變化,內(nèi)部因急冷要求占據(jù)最小體積,卻受到了表面層已經(jīng)硬化成脆性體的阻礙,不讓內(nèi)層收縮,這時表面層產(chǎn)生了壓應(yīng)力,內(nèi)層產(chǎn)生了張應(yīng)力,這兩種應(yīng)力一直到完全冷卻和溫度梯度全部消失后均勻分布在玻璃件內(nèi),通常稱這兩種應(yīng)力為永久應(yīng)力。2應(yīng)力層的對稱分布理想的鋼化內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)見圖5,即玻璃件兩側(cè)表面是透明、厚度相等的壓應(yīng)力層,正中間為不透明、白絮狀的張應(yīng)力層,是屬于應(yīng)力層的對稱性分布。如果鋼化處理不當(dāng)或玻璃件內(nèi)含有雜質(zhì)和條紋等缺陷(因缺陷物的膨脹系數(shù)與玻璃不相同)時,壓、張兩種應(yīng)力會在玻璃件內(nèi)產(chǎn)生偏移現(xiàn)象,達(dá)不到均勻分布的目的,見圖6。3熱膨脹系數(shù)的影響玻璃件經(jīng)鋼化處理獲得的內(nèi)應(yīng)力(視為鋼化強(qiáng)度)與玻璃的熱膨脹系數(shù)有密切關(guān)系,玻璃熱膨脹系數(shù)越大,產(chǎn)生的鋼化強(qiáng)度越大。另一方面,設(shè)計懸式絕緣子時,要求玻璃件和鐵帽、鋼腳之間任何部分的膨脹和收縮應(yīng)匹配良好,避免產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致其劣化,這同樣要求選用熱膨脹系數(shù)較大的玻璃?；谶@兩個因素的考慮,國內(nèi)外生產(chǎn)廠家均采用熱膨脹系數(shù)較大的玻璃來制造玻璃件。但是,影響玻璃熱膨脹系數(shù)的是鈉和鉀氧化物,若Na+和K+含量過高,雖能提高玻璃的膨脹系數(shù),但會導(dǎo)致電絕緣性能下降。因此,應(yīng)通過工藝試驗,選擇合理的玻璃成分。4.3制配器內(nèi)部爆炸的原因4.3.1玻璃液中含有硫化鎳雜質(zhì)影響玻璃液化學(xué)均一性的因素有原料的清潔、稱量的準(zhǔn)確性、配合料的均勻度以及玻璃熔制過程中配合料的熔化、均化和澄清程度。只有玻璃液在沒有雜質(zhì)、條紋等情況下,才能獲得較好的鋼化處理效果。雜質(zhì)來源于不清潔的原料、原料顆粒偏大、玻璃熔窯和供料機(jī)耐火材料的剝落及未熔化的石英顆粒等。玻璃熔窯砌筑時的電焊渣和玻璃原料加工設(shè)備(如石英砂、長石等破碎機(jī))磨損而混入玻璃料中會導(dǎo)致玻璃液中含有硫化鎳(NiS)雜質(zhì)。由于雜質(zhì)和玻璃熱膨脹系數(shù)的差異,它會擾亂鋼化內(nèi)應(yīng)力的分布,致使在鋼化或經(jīng)熱、冷沖擊試驗過程中產(chǎn)生自爆。大量試驗研究表明,雜質(zhì)直徑在0.01mm以下(與玻璃形成共融體),分布在壓應(yīng)力層內(nèi),這種鋼化玻璃件基本上不會發(fā)生自爆。若雜質(zhì)直徑大于0.01mm,又分布在張應(yīng)力層,那么,鋼化玻璃件在生產(chǎn)、存放、運輸和線路運行時會產(chǎn)生自爆,有時會延續(xù)多年后或遇到有外界突發(fā)沖擊時,才產(chǎn)生自爆。條紋是由于玻璃液熔化工藝不穩(wěn)定,未充分熔化、均化和澄清而呈現(xiàn)的線條分層,破壞了玻璃液的化學(xué)均一性,用這種玻璃液制成的玻璃件在鋼化處理時也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。4.3.2弱電解件的制造若鋼化玻璃件中間張應(yīng)力層發(fā)生偏移,甚至貼近玻璃表面時,會削弱鋼化玻璃件的品質(zhì)。然而,玻璃件各部分厚度不均勻,尤其是傘盤的傘棱較高,頭部內(nèi)腔較深,傘棱根部又厚,在鋼化處理時,要使各部位同時均勻冷卻,并不容易,難免給鋼化玻璃件的自爆留有隱患。5減少磁體的自爆率的技術(shù)措施5.1改變玻璃的熔制工藝制料包括配料和玻璃熔制兩個環(huán)節(jié)。一方面,要加強(qiáng)原料和配合料的管理,杜絕雜質(zhì)或顆粒大的原料摻入,對玻璃熔窯和供料道要選擇耐火度高的耐火材料,減少剝落情況;另一方面,要改進(jìn)玻璃的熔制工藝,做到以下幾方面。1)選擇合理的熔制溫度,使玻璃在熔制過程中得到充分地澄清和均化。2)保持爐溫穩(wěn)定,爐壓穩(wěn)定,料面穩(wěn)定,加料均勻,出料均勻。3)在選擇熔爐時,應(yīng)考慮有足夠的熔化面積。4)采用高熱質(zhì)值燃料,以提高熔制溫度和熔制質(zhì)量。常用的燃料是重油、煤氣和天然氣等。5)配合料的成分要準(zhǔn)確,混合要均勻。5.2改進(jìn)玻璃件的鋼化工藝鋼化工藝包括玻璃件的恒溫溫度和時間、鋼化風(fēng)柵的結(jié)構(gòu)和風(fēng)嘴的配置、冷卻用壓縮空氣的凈化和壓力、玻璃件鋼化處理時間和支架的旋轉(zhuǎn)速度等。5.3去除不良鋼化玻璃絕緣子的方法5.3.1冷沖擊試驗含有雜質(zhì)的鋼化玻璃件遭受400℃熱沖擊試驗破壞時,其碎片呈細(xì)小顆粒狀,并能找到雜質(zhì)的自爆中心。冷沖擊試驗(溫差110℃)主要剔除鋼化不良或弱鋼化的制品,它的碎片較大或呈整體裂紋。第1次熱、冷沖擊(通常稱為“次熱、冷沖擊”),往往達(dá)不到降低產(chǎn)品自爆率的目的,仍需對鋼化玻璃件加做第2次熱、冷沖擊試驗,其淘汰率為0.02%左右。冷、熱沖擊試驗的內(nèi)應(yīng)力分布見圖7。5.3.2內(nèi)腔合作分區(qū)第2次熱、冷沖擊試驗對剔除鋼化玻璃件的傘盤部分的缺陷行之有效,但對鋼化玻璃件頭部內(nèi)腔的熱、冷沖擊效果不明顯,即頭部內(nèi)腔瞬時溫差達(dá)不到?jīng)_擊的目的。為此,可采用內(nèi)水壓試驗方法,將鋼化玻璃件頭部內(nèi)腔充水承受壓力作用,其作用力均勻分布在頭部內(nèi)腔各部位,見圖8。如果鋼化玻璃件頭部內(nèi)腔存在內(nèi)應(yīng)力不均勻時,薄弱部位因受力作用會產(chǎn)生敏感的沖擊,當(dāng)超過它的固有強(qiáng)度時,鋼化玻璃件自