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  • 標題:探討絕緣礙子的故障模式
    參考資料之來源及日期:“Review of Insulator Failure Modes”,INMR, May, 7, 2016 , (網頁:http://www.inmr.com/review-insulator-failure-modes/)
    作者:Prof. Ravi Gorur

    絕緣礙子是電力系統重要的組成元件,若絕緣礙子的選擇與裝設不適當,對於系統的安全性與穩定性有很大的影響,目前世界有三種成熟的絕緣礙子技術應用在電力系統中:陶瓷礙子(Porcelain Insulator)、玻璃礙子(Glass Insulator)、以及複合礙子(Composite Insulator),而我國「電業供電線路裝置規則」(中華民國104年11月1日施行)第八章「架空線路絕緣」也有礙子絕緣等級及機械強度等相關規定。

    陶瓷礙子通常採用典型的濕法工藝製成,原料主要是黏土、石英、長石和剛玉等,陶瓷是一種脆性材料,它的抗壓強度比抗拉強度高,而雖然瓷體外表均勻,但在微觀下它仍然具有各種尺寸的晶體和有著不同細孔和矽晶粒。玻璃礙子具有與陶瓷礙子同等級的穩定性,其原料包括純鹼、長石和碎玻璃以及少量其他混合物成分,玻璃經過退火與鋼化可以顯著提高機械強度,使得玻璃殼適用於高強度的插梢等金屬鐵配件。複合礙子通常是由中央玻璃纖維芯、聚合物傘殼和金屬配件組成。中央玻璃纖維芯提供機械和電器強度,而外部聚合物傘殼與金屬配件則提供保護的功能,抵抗風化及潮濕環境導致電暈和表面放電所造成的損壞。

    這三種絕緣礙子通常會因為技術與材質的差異,產生有不同的故障模式。而當礙子發生故障的時候,會影響電力系統的穩定性與安全性,甚至某些故障模式將導致礙子完全失去功用,因此清楚認識礙子的故障模式是非常重要的。在Prof. Ravi Gorur的文章“Review of Insulator Failure Modes”中更指出7種絕緣礙子的故障模式:

    1. 插梢等鐵件腐蝕(Pin Corrosion):
      插梢等鐵件腐蝕通常發生在嚴重汙染的地方(水氣、溫度、酸性、鹽分等),基本上插梢等鐵件腐蝕對於陶瓷或玻璃介電料無關,而在複合礙子的的情況下,聚合物洩流距離限制了洩漏電流,致使複合礙子的鐵件腐蝕不是一個嚴重的問題。

    2. 外部閃絡(External Flashover):
      當絕緣礙子發生外部閃絡時,會導致絕緣礙子表面絕緣強度下降,發生原因主要取決於汙染的狀況和雷電的活動。複合礙子利用其表面之殼體抑制水分在外部形成水膜,因而減少水膜吸引積汙導致外部閃絡。而陶瓷礙子與玻璃礙子因為容易受潮的特性,更容易發生外部閃絡的問題。

    3. 內部穿刺(Internal Puncture):
      這種問題通常發生在陶瓷礙子,主要是因為不良的原料與與低劣的生產過程與品質控制,它不只影響礙子的外觀與性能,更使得瓷體本身的微觀結構有細微裂紋等瑕疵存在。在這種情況下運行條件與外界環境所產生的多重壓力下可能導致細微裂紋繼續成長,最終導致礙子破裂。而這種故障模式只能使用精密儀器進行測量。

    4. 機械分離(Mechanical Separation):
      這個問題有可能是因為異常事件導致頻繁的電弧融化接頭或相導體不受控制的擺動導致礙子疲勞斷損。經驗指出,這個問題很大程度上與老化現象有關,導致在頻繁的電和熱機械應力下產生裂縫,使得礙子更容易發生機械分離。

    5. 局部破損(Partial Breakage)/介電材料損害(Damage in Dielectric Material):
      這種問題最常發生在陶瓷礙子上,可能是因為外力破壞或不當的安裝過程所引起。玻璃礙子只有瓷盤小部分的損壞或不易被查明的內部裂紋,而複合礙子也有被鳥啄損的案例,破壞情形從傘盤小部分的撕裂到完全移除都有。

    6. 介電外殼的破碎(Shattering of Dielectric Shell):
      這類的問題通常只發生在玻璃礙子,是由於內部應力瞬間釋放所引起。有時候此種故障模式無須熱和外部媒介,而稱自發性粉碎(Spontaneous Shattering),這可能是礙子本身品質不良或玻璃體的張力區有明顯雜質所引起。

    7. 徑向裂紋(Radial Cracking):
      這種類型的故障是因為黏固水泥增長現象,僅發生在使用具有過度膨脹性的波特蘭水泥(Portland Cement)的礙子。

    有時候會發現這三種礙子技術混合應用在電力傳輸系統的同一線路上,甚至被應用於同一個電桿或鐵塔上。由於線路的設計並未反映出這些技術的不同,因此有時候會被誤以為這三種礙子適用相同維護方式。但事實上並非如此,一條輸電路可能經過各類地形,以及遇到不同汙染源,因此線路的設計應該因應環境與礙子的特性而有所不同。而探討絕緣礙子的故障模式對電力系統的影響比單獨討論故障率是更有意義,因為故障率依線路電壓等級而有區別,但對於使用者來說,更趨向在重要輸電線路中使用經過驗證的產品。而Prof. Ravi Gorur的文章“Review of Insulator Failure Modes”所探討的內容,有助於使用者更了解礙子的故障模式,也可以作為我國設計與施作的參考。

    (進一步內容說明詳見參考網頁)

    經濟部能源局105年度「電力工程技術研究發展及業務推動計畫」
    台灣綜合研究院電力工程研究團隊 編輯
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