220 kV斷路器套管淋雨條件下的沖擊閃絡特性研究

葉自強，梅冰笑

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

近年來電網(wǎng)變電設備的套管外絕緣雨閃事故屢有發(fā)生，主要集中在變壓器、電流互感器、斷路器及避雷器套管上。大型套管發(fā)生雨閃的氣象條件為雷雨和暴雨，時間主要集中在6-9月間，而此時套管外絕緣的積污量一般在0.01～0.03 mg/cm2范圍內(nèi)。調(diào)查表明，無論國產(chǎn)還是進口設備，均發(fā)生過套管雨閃事故，發(fā)生雨閃的套管均滿足GB 311.1-83《高壓輸變電設備的絕緣配合》中各項絕緣水平的要求，結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)條件滿足IEC-815《絕緣子污穢條件選用導則》的規(guī)定，設備外絕緣的爬電比距符合污穢等級標準。

目前，雖然對于套管外絕緣的雨閃機理及過程的認識存在一定的差異，但大多數(shù)研究者認為：套管外絕緣發(fā)生雨閃的原因是套管結(jié)構(gòu)不適用于污穢地區(qū)，要提高設備外絕緣水平，除了增加爬電比距外，還應重視外絕緣結(jié)構(gòu)的研究。

1 套管雨閃原因分析

輸電線路和敞開式變電站處于復雜的大氣環(huán)境中，淋雨將影響輸變電設備外絕緣的放電特性。據(jù)統(tǒng)計，1990-2004年，全國變電設備外絕緣閃絡事故中污閃占總數(shù)的30%，而雨閃占40%。上世紀90年代以來，對輸電線路的調(diào)爬使外絕緣水平有一定提高，污閃相對減少，而變電設備外絕緣的薄弱環(huán)節(jié)開始顯現(xiàn)，變電設備的雨閃事故已上升為電力系統(tǒng)外絕緣問題的主要矛盾。

目前，國內(nèi)外對瓷套管外絕緣雨閃事故的分析認為，瓷套管外絕緣選用過小的放電距離、采用了不合理的分節(jié)瓷套管、未考慮瓷套管直徑增大對有效爬電距離的影響是導致雨閃事故的主要原因。瓷套管雨閃的特點是：

（1）多發(fā)生于大直徑的瓷套管。

（2）多發(fā)生于進口產(chǎn)品。

（3）發(fā)生雨閃的設備外絕緣均滿足IEC及國家相關標準。

（4）設備未發(fā)生過污閃事故。

（5）雨閃事故多發(fā)生于污穢地區(qū)久旱后突然來雨，雨量較大且開始下雨幾分鐘后。

分析指出，瓷套管傘裙結(jié)構(gòu)過密而導致雨水橋接了套管傘裙之間的空氣間隙，是導致頻繁發(fā)生雨閃事故的根本原因。

對絕緣子雨閃的機理及特性，目前國內(nèi)外已進行了廣泛的研究，主要的結(jié)論有：雨水電阻率與絕緣子濕閃電壓的關系為：

式中：ρs為雨水電阻率；A為系數(shù)；n為與絕緣子形狀相關的常數(shù)。

重慶大學的實驗結(jié)果表明，濕閃絡電壓隨雨水電阻率的增大而升高，當達到200 Ω·m左右時逐漸趨于飽和。西安高壓電器研究所對雨水溫度與濕閃絡電壓的研究表明，在固定雨水電阻率的情況下，不同水溫時濕閃絡電壓的差異較大，在進行雨閃實驗時必須把雨水電阻率校核到20℃時 100 Ω·m。

隨著大氣污染的加劇，酸雨、酸霧氣候也相應增多。研究人員對酸雨、酸霧與絕緣子濕閃絡電壓關系的研究表明，交流濕閃絡電壓都隨雨水、霧的pH值減小而下降，以pH=6.0為基準，當pH＞4.5時，雨、霧閃絡電壓下降約6%左右，當3.0≤pH≤4.5時，閃絡電壓下降10%～20%。

2 開關斷口瓷套管淋雨下沖擊閃絡特性

為分析220 kV 3AQ1-EE型開關斷口瓷套管在淋雨條件下發(fā)生外絕緣濕閃絡的原因，模擬瓷套管在閃絡時的大氣條件，進行開關斷口瓷套管操作和雷電沖擊的U50濕閃絡電壓試驗。

2.1 操作沖擊干濕閃試驗

在2種操作沖擊電壓波形下進行瓷套管外絕緣干閃絡試驗結(jié)果如表1所示，電壓波形如圖1，2所示。

表1 正極性干閃絡電壓試驗結(jié)果

瓷套管在模擬人工雨水電導率為375 μs/cm，降雨量分別為0.64，11.5 mm/min的環(huán)境條件下進行試驗，結(jié)果如表2所示。

圖1 264/2 680操作沖擊電壓波形

圖2 140/2 540操作沖擊電壓波形

表2 瓷套管操作沖擊濕閃絡電壓試驗結(jié)果

由表1，2試驗數(shù)據(jù)可以看出，在操作沖擊電壓為正極性及相同的波形條件下，當降雨量為0.64 mm/min時，濕閃絡電壓比干閃絡電壓下降了10.4%；在降雨量為11.5 mm/min時，濕閃絡電壓比干閃絡電壓下降了13.7%。

操作沖擊的正極性低于負極性，取正極性標準偏差為5.0%，分別計算不同降雨量時耐受概率為99.87%（或閃絡概率為0.13%）時的正極性操作沖擊電壓。

（1）降雨量為 0.64 mm/min時：

（2）降雨量為 11.5 mm/min時：

瓷套管在淋雨條件下放電的物理模型如圖3所示。淋雨條件下，瓷套管傘裙的上表面直接淋濕并被水膜覆蓋而具有較大的電導。傘的下表面和一部分絕緣表面BCA′不直接被雨淋濕，但由下一個傘裙表面濺回來的水滴以及由電場吸入的一些微小水珠所沾濕，濕潤程度較小，因而表面電導也較小。顯然外施電壓的絕大部分由表面電導較小的BCA′部分承受，如果此表面承受的電壓使表面場強超過了表面空氣的臨界擊穿場強，則形成局部電弧，并沿BCA′放電或直接使空氣間隙BA′擊穿，外施電壓就全部加在AB和A′B′等上。由于AB和A′B′是濕表面，電導較大，因泄漏電流產(chǎn)生的焦耳熱將在瞬間出現(xiàn)分布不均（由于套管直徑、濕潤程度等影響）的干燥帶而使空氣表面擊穿，局部電弧連通ABA′，相當于短接了爬電距離ABA′，可以認為外施電壓加在A′上，因此電弧就很容易向前發(fā)展而形成貫通性閃絡。如果雨量特別大，雨水直接將套管的傘緣BB′橋接，則相當于雨水將BB′短路，放電就可能在空氣間隙BB′中產(chǎn)生。

圖3 淋雨條件下的瓷套管放電物理模型

淋雨條件下的瓷套管放電電壓與雨量關系如圖4所示。由圖可知，無論是正極性還是負極性，操作沖擊濕閃絡電壓隨雨量的增加而減小。正極性時，雨量為11.5 mm/min比0.64 mm/min時的濕閃絡電壓降低3.7%；負極性時，雨量為11.5 mm/min比0.64 mm/min時的濕閃絡電壓降低18.1%。

圖4 瓷套管放電電壓與雨量的關系

濕閃絡電壓隨雨量增加而減小的機理分析如下：由于淋雨時瓷套管放電是沿著被雨淋濕表面和干燥表面空氣間隙串聯(lián)路徑進行，在雨量較小時，表面干燥區(qū)域大，淋濕表面所占比例小，濕閃絡的電壓就較高；而在雨量較大時，表面干燥區(qū)域小，淋濕表面所占比例大，濕閃絡的電壓就低。雨量特別大時，雨水直接將傘裙緣的空氣間隙橋接，則相當于雨水將傘緣短路，濕閃絡的電壓就更低。

國內(nèi)外的大量研究結(jié)果表明：雨閃事故多發(fā)生于大雨和暴雨的天氣，瓷套管傘裙的結(jié)構(gòu)過密而導致雨水橋接傘裙空氣間隙是導致頻繁發(fā)生雨閃事故的主要原因。附加硅橡膠傘裙套可以有效防止雨閃，在瓷套管傘裙緣上分段膠合幾個比瓷傘裙稍大的硅橡膠傘裙套，它能像雨帽一樣，將沿瓷裙往下流淌的雨水分段隔離并濺開，避免出現(xiàn)過量的雨水短路瓷裙間的空氣間隙；同時利用硅橡膠材料的憎水性和絕緣性能，提高瓷套管在污濕狀態(tài)下的表面電阻，抑制泄漏電流，從而達到提高絕緣強度和防止閃絡的目的。

2.2 雷電沖擊濕閃絡試驗

瓷套管在正極性雷電沖擊電壓下的濕閃絡電壓試驗結(jié)果如表3所示，波形如圖5所示。取標準偏差為3.0%，可算出在耐受概率為99.87%（或閃絡概率為0.13%）時的電壓為：

由表2，3可知，在相同的雨水電導率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正極性雷電沖擊濕閃絡電壓比正極性操作沖擊濕閃絡電壓高66.6%。

表3 正極性雷電沖擊電壓下的瓷套管濕閃絡試驗結(jié)果

圖5 1.2/42.7雷電沖擊波形

2.3 操作沖擊電壓下的極性效應

由表3的試驗數(shù)據(jù)可以看出，操作沖擊電壓下的瓷套管濕閃絡電壓具有明顯的極性效應。正極性低于負極性的濕閃電壓，如圖6所示。

從圖6可以看出，雨量為0.64 mm/min時，負極性操作沖擊濕閃絡電壓比正極高27.6%；雨量為11.5mm/min時，負極性操作沖擊濕閃絡電壓比正極性高8.5%。

圖6 操作沖擊下瓷套管濕閃絡電壓的極性效應

2.4 沖擊擊穿時間及放電電壓與沖擊電壓波形的關系

試驗過程中采集了所有發(fā)生瓷套管外絕緣放電的沖擊電壓波形。瓷套管沖擊擊穿時間的統(tǒng)計情況如表4所示。從表4可以看出：對于操作沖擊電壓，無論是干閃絡電壓還是濕閃絡電壓，正極性下的擊穿絕大部分發(fā)生在波前，表4中①，②，③，⑤4種條件下波前擊穿的概率分別為90.9%，100%，88.9%，53.8%；負極性下?lián)舸┙^大部分發(fā)生在波尾，④，⑥兩種條件下波尾擊穿的概率為90.9%，100%。對于雷電沖擊電壓，放電均發(fā)生在波尾。

表4 瓷套管沖擊擊穿時間統(tǒng)計

從試驗結(jié)果還可以看出，無論是干閃絡還是濕閃絡，放電電壓與波前時間存在明顯關系，波前時間越短，放電電壓越高。以表4中①，②兩種情況為例，與波前時間為264 μs的操作波相比，波前時間為140 μs的操作波的U50升高了13.1%；以⑥，⑦兩種情況為例，相同條件下雷電沖擊U50比操作沖擊U50升高了66.6%。

3 結(jié)論及建議

（1）在操作沖擊電壓為正極性及相同的波形條件下，當降雨量為0.64 mm/min時，濕閃絡電壓比干閃絡電壓下降了10.4%；在降雨量為11.5 mm/min時，濕閃絡電壓比干閃絡電壓下降了13.7%。

（2）無論是正極性還是負極性，操作沖擊濕閃絡電壓隨雨量的增加而減小。雨量特別大時，操作沖擊濕閃絡電壓顯著降低。

（3）操作沖擊電壓下瓷套管的濕閃絡電壓具有明顯的極性效應。正極性濕閃絡電壓低于負極性。

（4）在相同的雨水電導率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正極性雷電沖擊濕閃絡電壓比正極性操作沖擊濕閃絡電壓高66.6%。

（5）對于操作沖擊電壓，無論是干閃絡還是濕閃絡，正極性下的套管外絕緣擊穿絕大部分發(fā)生在波前，負極性下?lián)舸┙^大部分發(fā)生在波尾；對于雷電沖擊電壓，放電均發(fā)生在波尾。無論是干閃還是濕閃，放電電壓與波前時間存在明顯的關系，波前時間越短，放電電壓越高。

（6）雨閃事故多發(fā)生于大雨和暴雨天氣，由于瓷套管傘裙結(jié)構(gòu)過密而導致雨水橋接傘裙的空氣間隙，是導致頻繁發(fā)生雨閃事故的主要原因。在條件具備的前提下，建議變電站內(nèi)全部安裝線路避雷器用以限制線路雷電沖擊過電壓幅值，保護站內(nèi)設備。對于無法安裝線路避雷器的線路間隔，建議對套管傘裙密集、易被雨水橋接的套管類或支柱類的瓷絕緣子添加硅橡膠傘裙套，防止雨閃事故的發(fā)生。

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