基于２２０ｋＶ输电线路支柱绝缘子断裂故障及处理措施研究

陈一鸣

摘要：文章从某起２２０ｋＶ输电线路电缆终端塔支柱绝缘子断裂故障进行深入分析，详细分析导致绝缘子根部断裂的原因，并提出了相应的处理措施，避免类似事故发生，以提升输电线路安全运行水平。

关键词：２２０ｋＶ；输电线路；支柱绝缘子；故障；处理措施

引言

随着时代的发展，我国电力行业也处于快速发展状态中，输电线路在整个电力系统中是重要的部分，所以想要电力系统能够安全稳定地运行，输电线路安全运行非常重要。电缆终端塔是架空线路与电缆线路连接的基本形式，塔上支柱绝缘子用于支撑、固定导线引下线，使得导线与杆塔之间存在足够安全距离。由于支柱绝缘子重量轻、运行维护少，因此得到广泛使用。支柱绝缘子根部是与杆塔连接的部位，承受着绝缘子在运行中各种作用力的弯曲复合。支柱绝缘子芯棒的脆断率为１／１００００，受温度、风力、湿度等自然环境的影响下，绝缘子根部易变形或断裂，导致引流线与塔身安全距离不足，引发线路跳闸事故。基于电网生产实际中发生的一起典型案例，研究支柱绝缘子根部断裂的根本原因，提出应对举措及建议，避免类似故障发生，对电网安全运行具有更为重要的实际意义。

１故障经过及保护动作情况

１．１故障时环境情况

接地短路故障发生时，天气为小到中雨，东北风７级，温度为７～１１℃，气象条件恶劣。接地点附近地势空旷，无特殊地形地貌，无高大建筑或树木，城市交通量稀少。

１．２故障经过及查线情况

故障巡视人员发现２２０ｋＶ某线路０５号电缆终端塔Ａ相电缆引下线上端支柱绝缘子接地端断裂，下端支柱绝缘子受压弯曲，致使Ａ相电缆引下线与Ｂ相电缆引下线安全距离不足，诱发ＡＢ相短路故障，如图１所示。从现场放电路径来看，故障表现为导线对杆塔构件放电，在通道内、导线上未发现异物灼烧的残留痕迹。

综上判断，本次故障跳闸的原因为恶劣天气下绝缘子底座断裂导致安全距离不足，形成放电回路引起的。

图１２２０ｋＶ某线路０５号塔故障现场

１．３保护动作情况

故障时，２２０ｋＶ某线路两侧开关主保护动作跳闸，Ａ相接地短路故障，１１０ｍｓ后转成ＡＢ相间短路，三跳重合不成功。

２支柱绝缘子断裂原因分析

２．１故障现场分析

根据故障现场断裂绝缘子测量可知，该绝支柱缘子结构总长２．９０ｍ，接地端根部厚６８ｍｍ、宽９．７ｍｍ，双伞伞裙结构，大伞群直径１５０ｍｍ，小伞裙直径１１５ｍｍ，伞裙长度２．５０ｍ。由运行的支柱绝缘子可知，绝缘子安装后变形较大，长期承受较大的扭曲弯矩，绝缘子棒芯已疲劳损伤。按线路设计规范、运行经验，抢修更换的绝缘子结构长

２．４５ｍ，断裂绝缘子比设计规范绝缘子长度明显增长。

２．２绝缘子安装选型分析

根据绝缘子型号的追溯，设计单位当时要求厂家提供两种类型的绝缘子，一种型号为ＦＦＰ－２２０／２．０，全长２．９０ｍ，用于悬垂绝缘子安装；另一种型号为ＦＳ－２２０／２．０，全长２．４５ｍ，用于支柱绝缘子安装。根部断裂绝缘子型号为ＦＦＰ－２２０／２．０，总长２．９０ｍ。由此可以初步判断，在施工过程中，施工单位误将悬垂式绝缘子安装成支柱式绝缘子。

２．３绝缘子断裂面断口形貌分析

支柱绝缘子底座的断口形貌如图2所示。断面基本平齐，表面均布有浅黄的锈迹，未见明显的陈旧性裂纹，表明开裂是在瞬时发生的，浅黄色的锈迹是断裂后在潮湿的环境中快速形成的。根据断口上的撕裂棱走向，判断开裂是在上表面中间部位先开始的，裂纹迅速扩展导致断裂。

图2绝缘子根部断口形貌

２．４根部材料成分检测、性能试验

制造厂提供的图纸显示，发生断裂的金属底座（图纸所示上附件）材料牌号为ＺＧ３１０－５７０，为了判断断裂金属底座的材料成分和力学性能是否符合标准要求，对其性能进行了分析和检测。

２．４．１材料成分检测

采用ＯＢＬＦ７５０－Ⅱ直读光谱仪对支柱绝缘子材料成分进行分析，对照ＧＢ／Ｔ１１３５２—２００９《一般工程用铸造碳钢》，检测样品的成分符合ＺＧ３１０－５７０的标准要求，见表１。

表１材料成分检测结果（质量分数）

２．４．２材料力学性能实验

在断裂件的平板上取样，进行材料的力学性能试验，试验项目包括拉伸强度、断后伸长率、冲击吸收能量，试验结果见表２。

表２材料力学性能试验结果

从材料力学性能试验结果来看，断裂金属底座的材料性能（除冲击吸收能量，见表２备注）符合ＺＧ３１０－５７０标准要求。

２．５断裂点受力分析

根据绝缘子安装情况，绝缘子底座固定端方板水平安装，呈悬臂梁受力状态，断口宽度６０ｍｍ，板厚度８ｍｍ，绝缘子大伞裙直径为１５０ｍｍ。结构受力主要来源三部分：一是自身的重力，方向为垂直向下；二是风载荷作用力，由于绝缘子安装高度在１５ｍ以下，在此高度的风受地面影响多为水平方向，因此风载荷也为水平方向；三是端部固定导线的重量载荷，方向为垂直向下。因此，绝缘子结构的受力俯视图如图3所示。

图3绝缘子受力结构俯视图

（１）计算参数

绝缘子实际重量自重：ｍ１＝１５ｋｇ；７级风计算风速：Ｖ＝１６．８ｍ／ｓ

；（按现场提供的数据）远端导线重量ｍ２＝１ｋｇ；断口宽度ｂ＝６０ｍｍ，厚度ｈ＝８ｍｍ；绝缘子安装长度：ｌ＝２９００ｍｍ；绝缘子风荷载最小作用面积：２５４０ｍｍ×１５０ｍｍ。

（２）断口点受力计算

支柱绝缘子断裂点受力情况如图4所示，远端主要承受由自重弯矩、导线与风载荷引起的拉应力，根部主要承受由自重弯矩、导线与风载荷引起的压应力。可见，根部是整根绝缘子承受拉应力最大的部位，远端是承受压应力最大的部位。

图4断裂点受力图

（３）受力结果分析

通过受力分析可以看出，在绝缘子断裂点，由绝缘子自重及导线自重产生的应力占主要部分，高达９０％，不同风速下的断口处应力曲线见图根据材料ＺＧ３１０－５７０的性能参数，其屈服强度为３１０Ｎ／ｍｍ２，抗拉强度５７０Ｎ／ｍｍ２，由于材料是铸钢，根据常规安全系数取１．５～２．５。如取１．５估算，材料的许用应力为３８０Ｎ／ｍｍ２。由此可见，此结构的应力基本都已超过了许用应力，也就是说，结构在运行时均已超出了安全系数。

２．６综合分析结论

由材料成分和性能检测分析结果可知，发生断裂的金属部件材质成分和强度指标均符合对应标准的要求。

通过结构受力分析发现，绝缘子水平呈悬臂梁布置时，由于断裂点截面最小，是受力最大的部位。而此部位的应力值已超过了材料的屈服应力，也已超过了材料的许用应力，说明结构在运行时已超过了设计安全裕度。由于材料的实际性能往往高于标准要求值，因此绝缘子还能够持续运行。

图5断口部位应力对比图

此外，由于风载荷是动载荷，会使得材料出现疲劳损伤，材料的疲劳强度不仅与屈服强度和抗拉强度有关，在很大程度上更取决于韧性指标，如冲击吸收能量。铸钢ＺＧ３１０－５７０冲击吸收能量标准要求值为１５Ｊ，同等强度的结构钢（热轧钢）Ｑ３４５，冲击吸收能量在３４Ｊ以上，可见铸件的冲击耐受性能并不良好，使得其更容易因风载荷的疲劳作用而发生脆性断裂。

综上所述，本次绝缘子底座的断裂原因为施工过程安装选型错误，错误的将悬垂式绝缘子安装成支柱式绝缘子，导致悬垂式绝缘子在支撑导线引下线时，许用应力安全裕度不足，局部强风作用下材料疲劳损伤，最终导致断裂。

３处理措施

针对此起典型故障案例，输电、电缆设备运维管理部门密切沟通，全面开展支柱绝缘子专项排查工作。根据电缆设备运维管理部门提供的数据，某地区现有２２０ｋＶ电缆终端塔

９３基，由输电部门抽调专业力量对９３基电缆终端塔、５４２根支柱绝缘子的数量、长度、厂家信息、接地端部厚度、宽度等部位进行排查，共发现绝缘子错误安装、接地端薄弱、缺少螺栓、安装不规范等缺陷５２处。根据缺陷情况分类编制了缺陷排查汇总表、相关分析报告，制定专项的整改计划，逐步完成相关整改工作。

（１）建立支柱绝缘子专项验收卡。运维部门在验收环节已建立支柱绝缘子专项验收卡，卡片内容包括外观检查、合格证、型号、长度、端部结构尺寸、爬距、受力情况、安装位置等信息。

（２）完善支柱绝缘子安装管控流程。运维部门结合此次事故进一步完善了支柱绝缘子安装管控流程，将流程细化为“施工交底—绝缘子型号核对—施工安装—安装位置检查—施工验收”。施工交底环节，告知绝缘子参数信息、安装方法、位置、注意事项等；型号核对环节，再次核对绝缘子选型是否有误；安装后，进行绝缘子位置、方向、尺寸复检；最后对绝缘子的方向、螺栓、穿钉等系统验收。

（３）施工结束后，收集绝缘子合格证，并且随同竣工资料一同进行存档，避免故障绝缘子上厂家信息无处查询的情况出现。

４结束语

该起２２０ｋＶ输电线路支柱绝缘子断裂虽然为一起个案，但是不能排除本地区电网也存在类似缺陷，为了保障电网安全运行，深入研究２２０ｋＶ支柱绝缘子根部断裂故障的典型案例，对提升输电线路安全运行水平具有重要意义。

参考文献：

［1］架空输电线路运行规程，ＤＬ／Ｔ７４１—２０１０［Ｓ］．

［2］李光辉，高虹亮．架空输电线路运行与维护［Ｍ］．北京：中国三峡出版社，２０００．

［3］张逸群，李海星．输电线路典型故障案例分析及预防［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１２．

［4］周新华．高压输电铁塔结构强度分析［Ｄ］．保定：华北电力大学，２００２．