瓷制绝缘子是电网设备的重要组成部件, 由于其长期运行在强电场、强机械应力、风雷雨雪天气、环境污染严重等恶劣条件下, 以及瓷绝缘子本身在生产制造过程中产生的内部缺陷, 都使瓷质部件存在着很大的断裂风险。近年来, 国内已多次发生变电运行或检修工作人员由于绝缘子断裂导致伤亡的事故, 严重影响了电网设备的安全运行, 也给电力职工的人身安全造成了严重威胁。为了防患未然, 尽力避免发生此类事故, 国家电网公司已专门成立了高压支柱绝缘子事故调查小组, 对近年的多起事故进行调查分析并提出整改方案。华北电网有限公司制定了《高压支柱绝缘子超声波检测导则》及超声波探伤检测人员培训方案, 逐步将超声波探伤技术应用于实际的生产工作中。
超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。超声波是一种机械波, 机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。而超声波探伤中, 主要涉及到几何声学和物理声学中关于声波的反射、折射、波形转换、波的叠加、干涉、绕射、惠更斯原理等知识。如果能熟练的掌握相关知识, 对于在实际工作中分析和解决各种问题将是十分有益的。
超声波是一种机械波, 机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波探伤就是利用超声波的指向性和传播规律来检查工件中存在的缺陷情况。此类探伤工作需要使用专用的检测工具即探伤仪才能进行, 而探伤仪在一定条件下探测缺陷大小的能力被称为探伤仪的工作灵敏度, 它是决定探伤仪能否准确的发现被检测设备缺陷的重要因素。
利用超声波对瓷制绝缘子探伤最常用到的两种方法就是小角度纵波检测和爬波检测。所谓纵波, 是指介质质点振动方向与波的传播方向一致的波。爬波是指表面下纵波, 是当第一介质之中的纵波入射角位于第一临界角附近时在第二介质中产生的表面下纵波。常用的小角度纵波检测和爬波检测都是利用了纵波的传播特性来进行工作。
为了把超声波探伤仪的探头发射的超声波射入被测品, 避免探头和探伤接触面之间造成空隙而需要施加一种介质即声耦合剂 (如水、机油、纤维素合成物等) 。在检测过程中, 探伤仪所装备的显示屏上会实时的显示出各种信号, 其中包含有由于工件底面引起的反射波 (底波) 信号和由于缺陷引起的反射波 (缺陷波) 信号等。由于目前许多瓷制绝缘子表面都涂有一种用来提高设备憎水性和电绝缘性的涂料 (RTV) , 其对超声波检测有一定的影响, 有时会由于喷涂时产生的问题, 会在探伤仪上显示出一些干扰波信号。检测人员必须能清楚地分辨各种波的信号, 并根据信号判断是否存在缺陷。
对于用来进行探伤工作的超声波探伤仪, 在《中华人民共和国机械行业标准——超声波探测瓷件内部缺陷 (JB/T 9674—1999) 》中有明确的规定。
超声波探伤仪应满足以下要求。
(1) 仪器工作频率应包括1～5MHz。
(2) 仪器标称探测深度应不小于被试品的高度。
(3) 具有总衰减量不小于50dB, 衰减调节精度为±1dB以下的衰减器。
(4) 当探伤发射功率较大, 且电源电压在标称电压±10%范围内变化时, 水平线性下不应有明显的变化。
超声波探伤仪所使用的探头应满足下列要求。
(1) 采用单直探头, 根据需要在-5MHz范围内选择探头频率, 推荐为1.25MHz或2.5MHz。探头晶片直径可根据需要选择。
(2) 探头发射的超声波主声束在垂直方向偏向角应不大于2°。
对试品的规定如下。
瓷件两端面的平行度和主体轴线直线度应符合GB 772的规定。探测面应平滑, 其粗糙度应不大于10μm。
对耦合剂的规定如下。
应采用良好的声耦合剂, 如水、机油等, 且必须保持耦合剂的清洁。
在实际的工作中, 我所在公司使用的广东汕头超声电子股份有限公司生产的CTS-9008型陶瓷绝缘子超声探伤仪。该设备是针对电力行业中高压支柱瓷绝缘子及瓷套检测的专用数字式超声波探伤仪, 设备要求符合国家标准, 抗电磁干扰能力强, 而且携带比较方便, 对测试结果的显示也很清楚明白。目前已经大量装备于唐山供电公司及其各分公司。
随着电网的迅速发展, 使用瓷支柱绝缘子数量逐年加大, 高压瓷支柱绝缘子断裂引发的事故时有发生。据来自山东电网的不完全统计, 自1999年来共发生220kV瓷支柱绝缘子折断7起, 3次全站停电, 对电网的安全生产特别是人身安全构成极大威胁。
(1) 2002年4月12日, 莱芜电厂220kVⅡ母线、泉莱线、莱山线春季停电清扫、预试, 当拉开#3923-3刀闸 (GW4/220) , 刀闸头相距80cm时, 开关侧B相支柱瓷绝缘子下节法兰根部断裂, 上节掉落, 相邻的TA接线板在引线作用下断开, 未造成停电和人员伤害。断裂的支柱绝缘子为1981年普通强度瓷产品, 断面有黄芯, 分析为产品质量问题。
(2) 2 0 0 4年3月13日, 临沂温水站将220kV#1母线负荷并列倒至#2母线运行, 拉开201-1刀闸, 当导电摺架下落至中间位置时, 201-1刀闸B相支持支柱绝缘子断裂, 造成220kV#2母线A、B相相间短路, 并将A相支柱瓷瓶拉断, 全站失压进而使温云线单电源供电的220kV云蒙站全站停电。断裂支柱绝缘子为1995年普通强度瓷产品, 折断部位在下节支柱的上法兰根部, 上、下节抗弯强度6kN, 而实有2.5kN。分析为上、下节装配不对, 下节应具备倒装试验要求。
(3) 2012年5月8日17:13, 陕西电网330kV延安变进行110kV母线倒闸操作过程中, 110kV1116延马1线II母侧刀闸支柱瓷瓶断裂, 110kV母差保护动作, 两条110kV母线跳闸, 致使马家湾、吴起、志丹、东郊4座110kV变电站失压, 损失负荷8.1万千瓦。
(1) 用来制造瓷绝缘子的原材料的质量是影响绝缘子质量的基本因素。原材料必须具备化学、物理和矿源稳定性。化学成分的不稳定将影响瓷质的均匀程度。例如:电瓷原料中Si O2含量过高, 烧成时残余石英颗粒将相应增加, 残余石英颗粒与其周围的玻璃间常存在微裂纹, 这将缩短瓷质的疲劳寿命。部分生产厂家由于经济实力或采购问题, 选购原材料产地矿源不稳定, 管理不严, 各原料间界面不清, 影响配料的准确性, 导致所生产的瓷制绝缘子存在严重的质量问题。
(2) 法兰胶装毛坯在滚花或刻槽工艺过程中存在内应力和微裂纹等隐患, 绝缘子在运行一段时间后, 微裂纹不断扩大, 容易发生低值破坏。我国在20世纪80年代末期建设的变电站中有许多发生断裂的绝缘子其断裂点就在滚花与主体交接处。
(3) 瓷绝缘子在生产过程中的烧成温度是影响其成品质量的又一重要因素。烧成温度一般在1250～1300℃间, <1250℃就出现生烧, >1300℃为过烧。传统的燃煤倒焰窑和一些普通煤气窑温度控制与测量有较大偏差, 同窑产品中有合格或生烧过烧。如果出厂检验率较低, 会导致部分不合格产品投入运行中。
(4) 在处理瓷支柱折断事故时, 常遇到断面有黄芯。黄芯的产生是因为在烧制中采用还原焰, 当还原气氛不足或还原时间不够时, 支柱表面还原充分, Fe2O3被还原成FeO, 瓷质呈正常的灰白色, 而中心部分没还原, 仍以Fe2O3形式存在, 呈黄色。黄芯与正常瓷质膨胀系数相差很大, 在运行中遇到急温热天气或剧烈震动, 极易导致绝缘子发生折断。据资料统计, 由于黄芯现象导致绝缘子断裂的事故在山东电网中占80%以上。
(5) 瓷件与水泥的热膨胀系数不同, 通常在瓷件胶装表面涂抹一层沥青缓冲层, 以缓解热胀冷缩时带来的应力。如果沥青层很薄, 在热胀冷缩过程中会产生较大的应力导致瓷件在胶装处断裂。
(6) 通常在瓷件与法兰间会涂有一层防水密封胶。在冬季, 如果瓷件胶装处密封胶破损严重, 产生在空隙, 就会由于渗入的水分产生冰冻, 冰冻应力导致支柱折断, 在我国北方地区尤其严重。
(7) 少数隔离开关生产厂家在配件入厂、装配环节存在管理漏洞。为降低成本, 对入厂的绝缘子配件不做相关检测, 导致不合格配件装到刀闸开关上。此外, 对于多节组合的支柱绝缘子, 除最上节外, 其余都要做正、倒装试验, 以保证两端法兰承受一定的弯曲负荷。
(1) 个别电力部门在选购和设计支柱瓷绝缘子时, 误认为该类产品结构简单, 不需要精密的仪器进行检测, 从而简化验收程序, 降低验收标准, 设计施工过程中裕度偏低, 在恶劣天气或异常受力情况下易造成瓷件断裂。
(2) 安装调试不合理。在硬管母线安装或站内隔离开关和其他设备连接时引线连接过紧, 导致支柱绝缘子或隔离开关的瓷制部分长时间受机械应力作用, 强度不断下降造成断裂。
(3) 检修维护不当。电网设备逐年增多, 工作人员少, 造成刀闸开关超期检修, 出现传动机构锈蚀、卡涩、别劲等现象, 如操作不正确, 极易导致支柱断裂。据统计GW6型隔离开关断裂数量较多。
为了加强高压支柱瓷绝缘子的技术监督工作, 进一步拓宽技术监督工作的范畴, 延伸技术监督工作的内涵, 保证设备安全、可靠、经济运行, 国家电网公司在2005年3月制定并发布了《72.5kV及以上电压等级支柱瓷绝缘子技术监督规定》。该规定依据国家、行业的有关标准和规范结合近年来国家电网公司在生产中积累的经验制订, 明确了高压支柱瓷绝缘子设备选型、订货、监造、出厂验收、现场安装、现场验收、运行、检修和技改的全过程技术监督内容。对设备的缺陷检测、评估、分析、告警和整改的过程监督工作提出了具体要求。并指出各网省电力公司可根据此规定, 结合本地区实际情况制定相应的实施细则。
该规定在设备监造方面明确指出, 252kV及以上高压支柱瓷绝缘子的订货数量在5 0只及以上的, 要进行入厂监造;126kV (72.5kV) 的高压支柱瓷绝缘子订货量较大的, 各单位根据具体情况进行监造。
在安装、投产验收方面, 规定中要求在高压支柱瓷绝缘子运抵安装现场时要进行外观检查和超声波探伤, 而且在安装、调试结束后 (投运前) 必须再次对高压支柱瓷绝缘子进行超声波探伤。尽力保证在施工过程中造成的隐患被及时发现并妥善处理。
对于运行的变电站支柱瓷绝缘子的超声波检测周期, 规定中要求有以下几方面。
(1) 新投运设备一年后须进行检测。
(2) 72.5kV及以上支柱瓷绝缘子自投运之日起, 三年为一个检测周期, 三个周期后检测周期缩短为一年, 检测率和发现问题处理率都必须为100%。
(3) 对运行20年及以上的支柱瓷绝缘子。经各电网公司有关部门鉴定后, 可以退出运行。
在《华北电网有限公司企业标准——高压支柱瓷绝缘子超声波检测导则 (讨论稿) 》及《中华人民共和国机械行业标准——超声波探测瓷件内部缺陷 (JB/T 9674—1999) 》等文件中均指出:从事高压支柱瓷绝缘子超声波检测及其他各类无损探伤工作的人员, 必须具备国家有关主管部门颁发的无损检测人员技术资格证。在电力行业, 必须经过电力行业无损检测考委会培训考试合格后持证上岗。
这就表示, 从事该项工作的人员必须认真负责的完成检测工作, 并要对检测过的设备建立相应的设备资料数据库。
在实际的生产工作中, 从事超声波无损检测的人员通常会遇到下列问题。
(1) 探伤工作中使用的探伤仪通常为便携式设备, 应当定期对设备进行充电、校验、检修及其他日常维护工作, 确保设备能随时投入生产工作中。
(2) 要注意对日常探伤工作中发现的问题和分析结果进行经验上的积累, 不断地学习增长专业知识, 这将能更好的帮助我们完成此类工作。
(3) 从事探伤工作尤其要注意自身的安全防护。由于变电站内大多数支柱瓷绝缘子或隔离开关的安装位置均在2～3m, 甚至高达10m左右。为此, 探伤人员应能熟练使用安全防护用具, 经过必要的高空作业培训, 必要时应申请使用辅助机械设备协助完成高空探伤作业。
(4) 对通过无损检测的设备除进行必要的记录外, 还应及时将可能诱发危险的问题 (如:连接引线过紧、防水密封胶脱落严重等) 上报相关领导, 发出预警, 做到早发现、早处理, 这才能确保设备的安全稳定运行。
由于高压瓷制绝缘子超声波检测技术在华北电网范围的实际推广应用还处于初期, 组织相关人员学习培训的机会不多, 而且参加并通过相关培训考核获得相应检测资格的工作人员还很少, 对检测工作中发现的各种问题的分析也比较浅薄, 可供互相参考学习的经验不多。而且本人也刚刚取得相关检测资格并在从事检测工作时间尚短, 经验不足, 文中涉及内容如有错误或不足之处, 请大家多提宝贵意见, 非常感谢!
摘要：本文对超声波探伤技术的基础理论作了简要说明, 并结合几个典型案例, 对变电站内瓷制绝缘子发生断裂事故的原因作了初步分析, 就超声波探伤技术在变电站瓷制绝缘子检测工作中的实际发现的问题作了介绍, 对从事检测工作的人员要求上也提出了几点建议。
关键词：超声波,超声波探伤,探伤仪的工作灵敏度,纵波,爬波,声耦合剂,底波,缺陷波,RTV
[1] 华北电网有限公司发布.华北电网有限公司企业标准——高压支柱瓷绝缘子超声波检测导则 (讨论稿) .
[2] 国家电力公司发输电运营部.电力工业技术监督标准汇编 (绝缘监督) 下册.
[3] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会组织.超声波探伤 (试用本) .
[4] 华北电力无损检测考委会.支柱绝缘子及瓷套超声波探伤工艺.
[5] 广东汕头超声电子股份有限公司.CTS-9008陶瓷绝缘子超声探伤仪 (操作指南) .
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