許廣虎，金 銘，張 陵，吳 標(biāo)，何丹東，王 建

(國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011)

0 引言

近年來全球氣候不穩(wěn)定性加劇致使出現(xiàn)雨線北移現(xiàn)象，導(dǎo)致我國西北干旱區(qū)域出現(xiàn)了罕見的暴雨極端天氣，影響西電東送的交直流工程變電站(換流站)中戶外電氣設(shè)備除了傳統(tǒng)的污閃、風(fēng)偏等事故威脅之外還有雨閃事故發(fā)生[1-2]。如2012年，青海某750 kV變電站1號變壓器B相高壓套管發(fā)生淋雨閃絡(luò)，導(dǎo)致1號節(jié)變壓器發(fā)生跳閘事故。2014年青海某開關(guān)站魚沙II線電抗器B相750 kV套管外絕緣發(fā)生閃絡(luò)放電，造成魚沙II線跳閘[3]。高壓套管作為變電設(shè)備實(shí)現(xiàn)與外部電氣網(wǎng)絡(luò)連接的重要裝置之一，發(fā)揮著支撐和絕緣的作用[4-9]。文獻(xiàn)[10-12]分析了我國近些年暴雨環(huán)境下變電站(換流站)套管外絕緣閃絡(luò)事故，發(fā)現(xiàn)事故套管大都為密集型傘裙結(jié)構(gòu)的瓷質(zhì)套管，其外絕緣結(jié)構(gòu)符合當(dāng)?shù)匚鄯x條件。

筆者通過分析2021年西北地區(qū)某坑口電廠自備變電站500 kV高壓套管暴雨環(huán)境下的外絕緣閃絡(luò)典型事故，介紹事故發(fā)生經(jīng)過，根據(jù)事故時(shí)設(shè)備和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了高壓試驗(yàn)事故過程模擬，詳細(xì)分析導(dǎo)致事故發(fā)生的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為雨線北移氣候環(huán)境下西北地區(qū)輸變電工程用高壓套管改進(jìn)提供技術(shù)參考。

1 典型案例分析

2021年6月16日，西北某電廠所在地區(qū)出現(xiàn)罕見極端暴雨，通過查詢雷電監(jiān)測和微氣象系統(tǒng)，自備變電站及沿線當(dāng)天并無雷電活動(dòng)，但短時(shí)降雨量達(dá)到罕見的60 mm/h，且伴有最大20 m/s的局部大風(fēng)，500 kV電壓等級變壓器C相高壓套管卻在暴雨來臨后5 min左右發(fā)生外絕緣閃絡(luò)，閃絡(luò)時(shí)站內(nèi)并無操作。故障前變壓器三相相電壓在317 kV～320 kV范圍，故障前變壓器負(fù)荷為420 MVA，三相分配均勻，故障后查看錄波圖，C相高壓側(cè)最大故障電流達(dá)15 085 A，持續(xù)時(shí)間為60 ms，系統(tǒng)無其它故障，除變壓器差動(dòng)動(dòng)作保護(hù)外，無其它保護(hù)動(dòng)作?，F(xiàn)場對C相變壓器套管進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)500 kV高壓套管底座法蘭處有放電燒蝕，附件傘裙表面有燒蝕痕跡，放電部位見圖1。

圖1 事故套管閃絡(luò)部位Fig.1 Flashover position of accident bushing

事后對套管進(jìn)行了絕緣電阻、介損損耗、電容量和絕緣油色譜檢測，結(jié)果均未超標(biāo)。

2 試驗(yàn)參數(shù)及布置

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

考慮到高壓套管外絕緣閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，環(huán)境中存在著雨水、風(fēng)力、污穢等因素，本研究在試驗(yàn)中對事故時(shí)的降水、雨水電阻率、風(fēng)力風(fēng)向和污穢程度等參數(shù)進(jìn)行模擬擬合，分析出高壓套管真實(shí)的閃絡(luò)原因。

2.1.1 瞬時(shí)雨強(qiáng)

由于大氣降水是一個(gè)較長時(shí)間的持續(xù)不均勻過程，考慮到導(dǎo)致高壓套管發(fā)生閃絡(luò)的重要影響因素短時(shí)最大降雨量，采用1 min內(nèi)的降雨總量，單位為mm/min來表征事故時(shí)瞬時(shí)雨強(qiáng)。由于當(dāng)?shù)貧庀蟛块T對瞬時(shí)雨強(qiáng)的實(shí)測數(shù)據(jù)較少，因此采用了雨量時(shí)程方程來推算閃絡(luò)時(shí)瞬時(shí)雨強(qiáng)[13-14]。雨量時(shí)程方程反映了在一次降雨過程中，雨量和時(shí)間的關(guān)系，見公式(1)。

(1)

公式(1)中，T是一次降雨的總歷時(shí)；R是T時(shí)段的降雨總量；t是T時(shí)段內(nèi)的某一時(shí)間片段，故t≤T；r是t時(shí)間段內(nèi)的降雨量。取t=1 min，計(jì)算得到的r即為相應(yīng)降雨時(shí)段的最大瞬時(shí)雨強(qiáng)。雨強(qiáng)取值為5.1 mm/min，考慮到計(jì)算的誤差，耐壓試驗(yàn)時(shí)瞬時(shí)雨強(qiáng)選用4 mm/min、5 mm/min、6 mm/min 3個(gè)等級，較符合套管閃絡(luò)時(shí)的真實(shí)雨強(qiáng)。

2.1.2 雨水電阻率

自然環(huán)境中雨水的電阻率范圍一般在(1～10)×103Ω·cm。但事故發(fā)生前，電廠所在地區(qū)長時(shí)間未下雨，且坑口電廠附近大氣中氣溶膠物質(zhì)較多，通過對電廠氣象站收集雨水的采集檢測，確定試驗(yàn)中雨水電阻率為0.8×103Ω·cm，比一般自然環(huán)境低。

2.1.3 風(fēng)速風(fēng)向

事故現(xiàn)場微氣象系統(tǒng)記錄最大風(fēng)速為20 m/s的局部大風(fēng)，考慮到閃絡(luò)發(fā)生時(shí)風(fēng)速存在一定的不確定性，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速分別取16 m/s、18 m/s、20 m/s。

風(fēng)向和設(shè)備存在一定的夾角會(huì)導(dǎo)致形成雨傾角，結(jié)合現(xiàn)場具體風(fēng)向，試驗(yàn)時(shí)雨傾角與水平面夾角為60°、45°和30°。

2.1.4 污穢程度

事故現(xiàn)場為西北內(nèi)陸地區(qū)，常年經(jīng)受沙塵襲擾，主要為A類污穢，通過調(diào)閱事故前檢測的變電站參照盤式絕緣子等值附鹽密度(ESDD)為0.1 mg/cm2和等值附灰密度(NSDD)2 mg/cm2。

2.2 試驗(yàn)布置

本研究試驗(yàn)選用事故交流500 kV電容式陶瓷變壓器套管的備品件，傘裙為一大一小傘型，總長度7 760 mm，最大桿徑615 mm，平均桿徑395 mm，導(dǎo)電桿直徑100 mm，上瓷套干弧距離5 470 mm，見圖2。

圖2 套管具體尺寸圖(單位：mm)Fig.2 Specific dimensions of bushsing(unit:mm)

1 000 kV/2 000 kVA工頻試驗(yàn)變壓器產(chǎn)生試驗(yàn)所需電壓，其峰值不確定度滿足高壓試驗(yàn)要求。模擬事故時(shí)的風(fēng)雨環(huán)境是由變頻風(fēng)機(jī)、淋雨排構(gòu)成。通過改變風(fēng)機(jī)的輸出功率和葉片偏轉(zhuǎn)角度來獲得試驗(yàn)所需的風(fēng)速、風(fēng)向，風(fēng)機(jī)最大穩(wěn)定輸出風(fēng)速可達(dá)30 m/s，選用三杯風(fēng)向風(fēng)速儀進(jìn)行復(fù)測。淋雨排選用直徑為1.5 mm標(biāo)準(zhǔn)噴頭，滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，其噴淋有效覆蓋面積為10×5 m，通過控制輸入水量來實(shí)現(xiàn)雨強(qiáng)大小控制，且使用翻斗式雨量傳感器進(jìn)行復(fù)測，淋雨排垂直置于套管上方10 m處[15-16]。通過在自來水中加NaCl來配制0.8×103Ω·cm的雨水，且用電導(dǎo)率儀進(jìn)行復(fù)測。套管污穢污液主要由氯化鈉、硅藻土和純凈水組成，采用固體污層法進(jìn)行均勻涂抹。試驗(yàn)布置見圖3。

圖3 試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test layout

2.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)中，依據(jù)GB/T 16927.1-2011標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)運(yùn)行時(shí)監(jiān)測到的相電壓對高壓套管進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)。同一工況條件下開展5次試驗(yàn)以保障試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)后將套管表面剩余污穢沖洗干凈干燥后再進(jìn)行下一次涂抹，試驗(yàn)前后記錄環(huán)境大氣壓強(qiáng)和溫濕度值。

3 工頻電壓試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，高壓套管在30°、45°、60°雨傾角條件下分別選擇4 mm/min、5 mm/min，6 mm/min的瞬時(shí)雨強(qiáng)和16 m/s、18 m/s、20 m/s的風(fēng)速結(jié)合條件下進(jìn)行320 kV工頻耐受試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)套管典型閃絡(luò)圖見圖4。試驗(yàn)中電弧沿套管表面放電，電弧最先在套管下半部發(fā)展。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖4 高壓套管典型閃絡(luò)圖Fig.4 Typical flashover diagram of high voltage bushing

表1 工頻電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表Table 1 Data and results of power frequency voltage test

通過表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在瞬時(shí)雨強(qiáng)6 mm/min、20 m/s風(fēng)速，45°雨傾角條件下，500 kV高壓套管出現(xiàn)閃絡(luò)。同樣在6 mm/min雨強(qiáng)、30°雨傾角、18 m/s、20 m/s風(fēng)速條件下，500 kV高壓套管也發(fā)生閃絡(luò)?？紤]到事故時(shí)30°雨傾角發(fā)生情況概率較低，可以判斷出C相套管發(fā)生閃絡(luò)事故時(shí)的環(huán)境因素為6 mm/min、20 m/s風(fēng)速，45°雨傾角。

4 原因分析

4.1 有限元仿真分析

按照圖2所示設(shè)備尺寸和材料的相對介電常數(shù)，利用有限元仿真軟件建立事故時(shí)變壓器高壓套管有限元仿真模型[17-21]，得到套管電場分布圖，見圖5。

圖5 套管電場分布圖Fig.5 Electric field distribution of bushing

圖5中套管的電場分布圖，套管外絕緣電場主要集中在下端法蘭盤上方傘裙和頂端傘裙處，中間部分傘裙電場強(qiáng)度相對較小，表2中數(shù)值為套管外露部分平均10等分時(shí)，相對應(yīng)傘裙表面最大場強(qiáng),圖5中曲線為套管外表面電場強(qiáng)度的等值線，在套管傘裙邊緣和根部干濕交集區(qū)域等值線密度變大，電場出現(xiàn)了明顯的畸變。

表2 不同位置傘裙表面最大電場強(qiáng)度數(shù)值表Table 2 Maximum electric field intensity of shed surface at different positions

當(dāng)雨水濕潤套管表面超過一定量時(shí)，其在瓷表面的粘合力和重力實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。在水滴表面張力作用下，致使水滴在傘裙邊緣緩慢墜落，形成了掛在邊緣的水珠鏈，在傘裙的迎風(fēng)雨面一側(cè)，環(huán)繞傘裙邊緣水珠鏈分布不規(guī)則，同時(shí)在重力和風(fēng)力作用下沿著傘裙向下流淌，易形成雨簾。當(dāng)雨量較小時(shí)，后續(xù)雨水的補(bǔ)充不濟(jì)使得其張力較小從而不會(huì)橋接傘裙間的空氣間隙。然而當(dāng)事故為瞬時(shí)雨強(qiáng)為6 mm/min這種暴雨級別時(shí)，短時(shí)可造成雨水的流量增大，邊緣水滴的體積快速變大，并最終由于重力和風(fēng)力的作用下迅速拉長，形成不間斷的水柱導(dǎo)致傘裙間的空氣間隙減少，形成 “表面+水柱+空氣間隙”串聯(lián)路徑的放電路徑，同時(shí)傘裙間低電阻率的水汽彌散，干燥的空氣間隙迅速減少，套管傘裙下表面外沿部分容易受潮而形成新的濕污區(qū)，套管爬電距離縮小，同時(shí)靠近套管芯棒的上下表面暫未受潮部分形成的干區(qū)表面電場畸變嚴(yán)重，承受了更高的電壓，導(dǎo)致整支套管的放電電壓降低[22-24]。

由于傘裙電場強(qiáng)度大,見表2，最大接近10 kV/cm,且電場分布極不均勻，容易在畸變處產(chǎn)生局部放電，套管承受放電電壓過低，最終造成閃絡(luò)事故。

4.2 雨傾角對閃絡(luò)的影響

降水時(shí)，風(fēng)向和風(fēng)力作用易造成一定角度的雨傾角，然而套管大傘裙對小傘裙存在一定的遮蔽作用，當(dāng)在無風(fēng)和小角度風(fēng)的條件下表現(xiàn)為對雨水完全遮蔽，空氣中彌漫的水汽會(huì)對套管污穢層起到濕潤作用，但浸濕過程較長，如果要發(fā)生閃絡(luò)事故，一般是在降水過程的中后期[25]。當(dāng)存在較大迎風(fēng)角時(shí)，則表現(xiàn)為不完全遮蔽，見圖6。當(dāng)大小傘裙之間的傘間距和大小傘裙之間的伸出差之間的正切角大于風(fēng)向角度時(shí)，迎風(fēng)側(cè)大傘裙不能完全遮擋雨水，小傘裙上有部分區(qū)域被雨水潤濕。

圖6 雨傾角對套管表面影響示意圖(單位：mm)Fig.6 Schematic diagram of influence of rain inclination on bushing surface(unit:mm)

見圖6，設(shè)小傘伸出為p1，大傘伸出為p2，大小傘距為h，θ為雨傾角與水平面的夾角，r為套管的半徑。設(shè)立二維坐標(biāo)，建立圓的方程(2)。

(2)

見圖7，濕潤面積對應(yīng)為弦AB對應(yīng)的大小傘裙的弓形面積之差，弓形面積為對應(yīng)扇形面積減去弦與兩條半徑圍成三角形的面積。

圖7 套管小傘裙?jié)駶櫭娣e示意圖Fig.7 Schematic diagram of wet area of casing small umbrella skirt

令y1=y2，得到x1=x2，

(3)

弦AB長度為

(4)

得到小傘裙對應(yīng)劣弧弓形面積S1，

(5)

同理大傘裙對應(yīng)劣弧弓形面積S2

(6)

計(jì)算得到濕潤面積為

S濕=S1-S2

(7)

由公式(7)可以看出，當(dāng)套管尺寸確定后，隨著雨傾角與高壓套管的夾角越大，小傘裙被雨水直接浸濕的面積也就越大，當(dāng)雨傾角角度30°，小傘裙?jié)駶櫭娣e27 245 mm2；角度45°，濕潤面積為8 602 mm2；角度60°，濕潤面積為321 mm2；當(dāng)角度大于61.9°，小傘裙表現(xiàn)為不濕潤，當(dāng)角度小于26.56°雨水將直接濕潤套管迎風(fēng)面?zhèn)銖剑纱丝梢钥闯鲇陜A角越小，導(dǎo)致套管的干區(qū)面積減少，整個(gè)套管表面電阻會(huì)減小，干區(qū)承受的電壓增加，兩個(gè)電極間在相同電壓下流過更大的泄漏電流，更容易發(fā)生閃絡(luò)，見表1，第一次閃絡(luò)發(fā)生時(shí)泄流電流峰值高達(dá)1 857 mA。

4.3 套管尺寸對閃絡(luò)的影響

由圖2套管尺寸圖可以看出，暴雨期間“上小下大”的圓錐形套管結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致其上部的雨水會(huì)順著套管表面流淌至下部，加速了下部傘裙間的雨水橋接趨勢。

傘間距是影響套管外絕緣閃絡(luò)的原因之一，較小的傘間距使得傘裙上表面流下的水柱引起成傘間空氣間隙縮小，且容易被所直接短接，同時(shí)使得滴落在下傘裙上表面的水滴更容易飛濺至上方傘裙的下表面，見圖8，使得整套管的受潮面積擴(kuò)大，表面電阻降低和泄漏電流增大[26-28]。

圖8 套管傘裙表面濕潤和橋接過程示意圖[22]Fig.8 Schematic diagram of surface wetting and bridging process of casing skirt[22]

同時(shí)根據(jù)4.1仿真分析，隨著傘間距的縮小，上下兩個(gè)傘裙、傘根處兩點(diǎn)之間的畸變電場疊加效益增大，導(dǎo)致整個(gè)套管電場畸變程度加深，更容易發(fā)生閃絡(luò)。

4.4 降水和污穢的影響

降水過程前期，由于水珠的張力以及與瓷表面粘合力的作用，傘裙上的水珠不斷集聚形成水膜，當(dāng)大氣降水補(bǔ)充迅速時(shí)，套管表面的水膜面積短時(shí)迅速擴(kuò)大，水膜縮短了套管的絕緣距離，造成其絕緣水平的下降，閃絡(luò)所需電壓大幅度減小，同時(shí)當(dāng)雨水電阻率變小時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致雨閃所需電壓的逐漸下降[29-30]。

由于降水初期，雨水未能及時(shí)沖刷套管表面污穢，導(dǎo)致污穢溶入套管表面水膜從而加劇電阻率快速下降，閃絡(luò)更易發(fā)生。同時(shí)側(cè)面也反映了閃絡(luò)事故是在暴雨降臨的5 min內(nèi)套管發(fā)生，暴雨后期未發(fā)生其它套管閃絡(luò)事故的原因。

5 預(yù)防改進(jìn)措施

通過第4節(jié)原因分析，發(fā)現(xiàn)這起套管外絕緣閃絡(luò)事故是多物理因素耦合導(dǎo)致的污雨閃事故，通過改進(jìn)套管自身客觀的條件之一，破壞事故鏈發(fā)展因素，可防止閃絡(luò)事故的再次發(fā)生。

雨閃的防范措施主要從減少雨水侵襲作用方面來考慮，從運(yùn)行角度看，加裝隔雨傘被認(rèn)為是一種能夠有效提升套管耐雨閃的性能的防護(hù)措施。本研究選用傘伸出長度120 mm隔雨傘，設(shè)計(jì)圖見圖9。試驗(yàn)表明，隔雨傘加大了傘伸出，當(dāng)隔雨傘上表面的雨水自然流淌到邊緣時(shí)的速度也越大，水平動(dòng)能也相應(yīng)增大，造成了雨簾的外斜現(xiàn)象，避免了與下傘裙發(fā)生橋接的可能，同時(shí)減緩了隔雨傘下面3片傘裙被雨水濕潤程度，且有效增加了套管的爬電距離，并使得部分傘裙具備良好的憎水性和憎水性遷移特性。

圖9 隔雨傘設(shè)計(jì)圖Fig.9 Dimension of shed

在套管上安裝隔雨傘試驗(yàn)和現(xiàn)場效果見圖10。

圖10 隔雨傘試驗(yàn)和現(xiàn)場效果圖Fig.10 Shed test and field effect

6 結(jié)論

針對西北地區(qū)一起高壓套管雨閃事故，開展了模擬高壓試驗(yàn)，進(jìn)行詳細(xì)的原因分析，并提出了改進(jìn)措施，得出結(jié)論如下：

1)本次變壓器高壓套管的外絕緣閃絡(luò)事故主要是由大角度的疾風(fēng)、低電阻率的暴雨和套管自身污穢等多方面因素耦合導(dǎo)致的，事故時(shí)環(huán)境因素大概率為6 mm/min雨強(qiáng)、20 m/s風(fēng)速和45°雨傾角。

2)事故發(fā)生前夕，高壓套管傘裙和根部電場畸變嚴(yán)重，局部傘裙表面電場強(qiáng)度接近10 kV/cm。

3)風(fēng)力和迎風(fēng)角度形成的雨傾角度對高壓套管的雨閃有著嚴(yán)重的影響，雨傾角越大，雨閃發(fā)生的概率越大。

4)適當(dāng)加大傘間距有利于提高爬電距離，防止傘裙間的空氣間隙被擊穿，降低套管雨閃的發(fā)生概率。

5)通過加裝隔雨傘可減緩傘裙被暴雨濕潤程度，提高套管防雨閃性能。