國(guó)網(wǎng)西安供電公司 金 凱

1 引言

隨著我國(guó)電力能源消耗量不斷增加，用電負(fù)荷的不斷加劇以及土地資源的日益緊張，對(duì)6～35kV的變電所載流器容量大、體積小、布局緊湊等問(wèn)題提出了更高的要求。在這種情況下，絕緣管母線依靠自身載流量高、機(jī)械性能強(qiáng)、絕緣性能好、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多采用和開(kāi)發(fā)。

2 絕緣母線應(yīng)用現(xiàn)狀分析

絕緣管母線采用了同軸電容原理，具體為用銅管子做導(dǎo)線，將絕緣材料注入銅管內(nèi)。絕緣管的母線有纏繞式、擠包式和澆注式等三種類型。由于繞包絕緣管的局部放電較難控制，所以在野外較少使用；擠出型和澆注成型的絕緣管是目前較為常用的一種。在導(dǎo)體連接方式、中間接頭和末端的絕緣設(shè)計(jì)上，不同廠家的產(chǎn)品類型也不盡相同。綜合考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等方面的考慮，目前所用的絕緣管母線，其長(zhǎng)度通常不會(huì)超過(guò)10m，并在工地上用中間接頭進(jìn)行連接。我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用絕緣母線時(shí)間相對(duì)較短，在絕緣母線的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、質(zhì)檢以及運(yùn)維等方面都需要進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善[1]。

目前，我國(guó)一些大型城市已開(kāi)始大面積推廣使用環(huán)氧澆注絕緣管母線，但在投入使用一段時(shí)間后，發(fā)生多起斷開(kāi)、燒毀等事故。由于絕緣管的母線失效，不但會(huì)導(dǎo)致大范圍的斷電，還會(huì)導(dǎo)致變壓器、開(kāi)關(guān)柜等主要設(shè)備的損壞，從而對(duì)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性產(chǎn)生不利的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)絕緣管母線中間接合部位的失效進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施，為保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的借鑒意義[2]。

3 導(dǎo)致絕緣管母線中間接頭失效原因分析

3.1 絕緣管母線中間連接件的構(gòu)造

典型的預(yù)制絕緣管母線中間接頭的構(gòu)造如圖1所示，其由一端密封法蘭、一絕緣筒、一彈簧觸指組成。在此基礎(chǔ)上，在保溫管的內(nèi)部，通常使用環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄，并在其內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)金屬護(hù)套，以達(dá)到均勻絕緣管的軟接點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度[3]。

圖1 絕緣管母線中間接頭結(jié)構(gòu)圖

3.2 絕緣管母線中間連接處的失效原因分析

某地區(qū)220kV地下變電所3號(hào)主變220kV側(cè)開(kāi)關(guān)在2016年7月發(fā)生故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在3樓3主變35kV 5段絕緣管母線一根垂直安裝的中間接頭出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在3樓3主變35kV 5段絕緣管母線一根垂直安裝的中間接頭出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。中間接頭在3號(hào)主變35kV 5段開(kāi)關(guān)倉(cāng)下面，三相連接的外部保護(hù)層都被燒毀、斷裂，頂部的頂棚被熏成焦炭，A相連接的二次線也有很多地方被燒毀。

這部分的絕緣管母線位于地下室。事故發(fā)生時(shí)正值當(dāng)?shù)氐拿酚昙竟?jié)，地下室內(nèi)的平均濕度達(dá)到82%，同時(shí)出現(xiàn)了大量的露水。由于失效相燒損較大，經(jīng)認(rèn)真檢查A、C相后，發(fā)現(xiàn)其連接絕緣管的端面密封狀況不理想，端面密封法蘭有凝結(jié)水，密封環(huán)有明顯的變形，并有水跡滲入密封環(huán)。B相端部法蘭上的密封環(huán)穿透水漬較為明顯，由此推斷，B相失效是由于密封較差造成的濕氣滲入了絕緣筒體內(nèi)部，造成了絕緣等級(jí)的降低。從失效的情況來(lái)看，應(yīng)該是在絕熱圓筒內(nèi)的凝結(jié)水沿內(nèi)壁滑落，使下法蘭接點(diǎn)出現(xiàn)了閃絡(luò)。

在絕緣管的母線中間連接處，容易發(fā)生失效。根據(jù)筆者對(duì)該區(qū)域5年來(lái)的電力故障事故調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在絕緣管母線失效中，節(jié)點(diǎn)失效占80%以上。主要有端部閃絡(luò)、過(guò)熱引起的設(shè)備絕緣老化、加速老化等。對(duì)接合位置的失效通過(guò)對(duì)其共性的分析，得出了以下幾點(diǎn)原因。

一是絕緣管母線匯流端的爬電比距非常短，根據(jù)電力《十八項(xiàng)反措實(shí)施細(xì)則》（2018）中的要求可知，絕緣管母線端口的爬電比距不得低于20mm/kV。二是絕緣管母線中間區(qū)域的密封性不足。由于受潮、結(jié)露等原因，主絕緣層的絕緣性能急劇降低，并產(chǎn)生局部放電，如果初始電壓驟降至正常工作時(shí)電壓，此時(shí)依然呈現(xiàn)局部放電狀態(tài)，會(huì)在絕緣管母線的高壓部分產(chǎn)生閃絡(luò)。

目前，有關(guān)絕緣管母線失效的研究多集中在電磁場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)上[4]，尤其是在絕緣管母線連接部位，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)畸變。本文主要側(cè)重于改善電場(chǎng)的分布，較少涉及爬電比距離，從而忽視了爬電比距離的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，特別是當(dāng)絕緣管的母線污垢、受潮、結(jié)露時(shí)，爬電比距離會(huì)嚴(yán)重影響到放電和擊穿。

4 絕緣套管中間連接件的改進(jìn)

如要想進(jìn)一步減少絕緣管母線中間接頭區(qū)域的失效率，提升爬電比距，提高防潮能力，需要對(duì)其加以改造。

4.1 新型傘裙構(gòu)造

筆者在分析絕緣管母線中間接頭區(qū)域的結(jié)構(gòu)之后，分析出絕緣管母線末端和接地屏之間爬電比距為206mm。一般情況下，標(biāo)稱電壓35kV的絕緣管母線額定電壓為40.5kV，爬電比距為6.4mm/kV，如果想要確保絕緣管母線的爬電比距符合規(guī)定，則要求絕緣管母線和接地屏的爬電比距在810mm左右，故筆者嘗試在絕緣管母線連接端及屏蔽筒內(nèi)壁增設(shè)絕緣傘裙，以此來(lái)增加爬電比距，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的絕緣管匯流排中間接頭的構(gòu)造

在考慮了絕緣傘裙的作用下，利用Maxwell軟件建立了絕緣管中間連接處的電場(chǎng)分布模型。由于原始構(gòu)造是沿x軸對(duì)稱的，所以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的建模，可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也不會(huì)影響總體結(jié)果的正確性[5]。

全型號(hào)的內(nèi)部為高壓段，高壓段采用銅材質(zhì)；整個(gè)管母線的絕緣選用了環(huán)氧樹(shù)脂，其中有一層半導(dǎo)電層，起到了均勻的作用；在最外面的電容屏上，均勻地包覆了一層金屬屏蔽層。依據(jù)傘裙的電學(xué)和機(jī)械特性，選用硅橡膠。

模擬計(jì)算了遮陽(yáng)罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其內(nèi)部電勢(shì)及電場(chǎng)分布進(jìn)行了分析。模擬傘裙的構(gòu)造參數(shù)：等徑傘、不等徑交替?zhèn)?、傘間距、傘徑、內(nèi)外傘裙排列（對(duì)齊、錯(cuò)開(kāi)）等。通過(guò)模擬分析計(jì)算得出最終結(jié)果：采用等徑傘、傘徑25mm、傘間距30mm、內(nèi)外傘裙對(duì)齊時(shí)，罩內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)和電場(chǎng)分布比較均勻，這時(shí)，絕緣管母線末端至接地屏的爬電比應(yīng)達(dá)到20mm/kV以上。

4.2 絕緣筒的密封性設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)防潮防水，在環(huán)氧澆注絕緣管的母線中間連接處，采用了多余的密封結(jié)構(gòu)。第一，可以將高性能O型硅橡膠密封件安裝于絕緣圓筒的兩個(gè)絕緣凸緣之間，以及法蘭和絕緣管的匯流排之間[6]。第二，在絕熱圓筒的外法蘭上安裝有尾管，在將其緊固后，再用特殊的密封膠和熱收縮套管對(duì)其外殼和尾部進(jìn)行熱收縮密封。第三，當(dāng)操作環(huán)境中水分過(guò)大時(shí)，可以在屏幕簡(jiǎn)稱和絕緣管匯流部分上添加另一種密封膠和熱收縮保護(hù)套。另外，在絕熱圓筒的外法蘭上還設(shè)有真空吸氣接口。當(dāng)整個(gè)保溫桶安裝完畢后，用真空泵對(duì)其進(jìn)行真空抽吸，保證其真空度為-0.04MPa，并保持30min不變，然后將高純度的氮?dú)庾⑷虢^緣管中，直至正常大氣壓力，并用帶螺紋的螺釘將其密封。

5 提高連接性能的檢驗(yàn)

應(yīng)用以硅橡膠為原料制作而成的絕緣傘裙，將其一部分安裝在絕緣管母線內(nèi)側(cè)壁上，另一部分安裝在絕緣管的外殼上，但是該絕緣管匯流條接頭部分沒(méi)有安裝該絕緣管。

5.1 分析比較

為檢驗(yàn)絕緣管母線中間連接處的性能，筆者嘗試通過(guò)局部放電比較試驗(yàn)，試驗(yàn)人員對(duì)絕緣管母線中間的絕緣圓筒進(jìn)行了濕氣調(diào)節(jié)，然后對(duì)局部放電前后的初始電壓進(jìn)行了測(cè)量，經(jīng)過(guò)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，在防護(hù)罩內(nèi)部含濕量小于60%的情況下，改進(jìn)前后的局部放電起始電壓基本相同。隨著濕度的增加，兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的初始放電電壓均出現(xiàn)了降低，而在80%以上的溫度下，初始電壓下降較慢[7]。

5.2 型式試驗(yàn)

絕緣管母線和改良的中間連接件已通過(guò)了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的形式測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)和各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表1為型式試驗(yàn)參數(shù)。

表1 型式試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與建議

近年來(lái)，一些城市的220kV、500kV變電站發(fā)生了多起絕緣管母線中間連接故障，并對(duì)其進(jìn)行了處理。實(shí)際使用結(jié)果顯示，改進(jìn)后的絕緣管母線連接可顯著減少故障。通過(guò)對(duì)實(shí)際維護(hù)工作的實(shí)踐，提出了一些能夠提高絕緣管母線工作可靠性的措施[8]。第一，加強(qiáng)對(duì)中間連接的現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝控制，在晴好的天氣條件下進(jìn)行，防止潮濕的空氣滲入到絕緣筒內(nèi)。第二，在高濕度條件下，應(yīng)采用橫向連接，以防止垂直。同時(shí)，為降低濕度，減少凝露，應(yīng)配置除濕裝置。第三，在日常維護(hù)過(guò)程中，要主動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握設(shè)備的工作狀況。在雷雨、濕季、大負(fù)載的情況下，對(duì)終端進(jìn)行紅外測(cè)溫、終端接地電流的監(jiān)測(cè)，定期采用超聲波、UHF等方法，對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和處理。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹了環(huán)氧澆注絕緣管在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常出現(xiàn)的中間接頭失效現(xiàn)象，并對(duì)其發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為其主要原因是其易受潮、爬電比距較小。為了提高爬電比和防水防潮性能，對(duì)中間連接進(jìn)行了改進(jìn)。