聚氨酯材料作為直流套管絕緣介質(zhì)的應(yīng)用分析

【摘要】根據(jù)某公司直流套管在運(yùn)行過程中發(fā)生的放電事故，分析造成此次放電事故的原因，并利用電場計(jì)算軟件驗(yàn)證在交、直流電壓作用下套管的絕緣強(qiáng)度。說明絕緣材料電阻率對(duì)于直流套管的影響。從而判斷出在此次放電事故中，選擇電阻率較小的聚氨酯絕緣材料較合理。

【關(guān)鍵詞】聚氨酯；直流套管；電阻率；電場強(qiáng)度

一、前言

平波電抗器與直流濾波器一起構(gòu)成高壓直流換流站直流側(cè)的直流諧波濾波回路，平波電抗器能防止由直流線路或直流開關(guān)站所產(chǎn)生的陡波沖擊波進(jìn)入閥廳，從而使換流閥免于遭受過電壓應(yīng)力而損壞；平波電抗器能平滑直流電流中的紋波，能避免在低直流功率傳輸時(shí)的斷續(xù)；平波電抗器通過限制由快速電壓變化所引起的電流變化率來降低換相失敗率，因此，平波電抗器在換流站中起著重要的作用[1]。油浸式平波電抗器主要由線圈、鐵芯和油箱、套管、冷卻系統(tǒng)等部件組成。套管是將平波電抗器內(nèi)部的引線引導(dǎo)到油箱外部的電氣部件，它不但作為引線對(duì)地絕緣，而且負(fù)擔(dān)著固定引線的作用。

近年來，隨著電壓等級(jí)的提高和新材料的應(yīng)用，套管在交流電壓以及在直流極性反轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生的電場分布均有所不同。絕緣材料選取不同，產(chǎn)生的絕緣效果也有很大差異。正確選擇套管絕緣材料不僅能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也能為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)算、簡化生產(chǎn)過程提供保障。

套管在直流電壓作用下，環(huán)氧樹脂、紙等介質(zhì)的絕緣特性與在交流電壓作用下存在明顯的差異。交流電壓下，電場強(qiáng)度分布取決于材料的介電常數(shù)；直流電壓下，電場強(qiáng)度分布取決于材料的電阻率，介質(zhì)交界面的束縛電荷對(duì)電場的分布影響較大，同時(shí)極性反轉(zhuǎn)作用下，空間電荷對(duì)電場起很大的作用，致使電場不均勻程度加劇。因此，合理選擇直流套管的絕緣材料是避免套管發(fā)生事故的重要因素[2]。

二、事故起因

2010年末月至2011年中旬，運(yùn)行于楓涇換流站平波電抗器母線側(cè)直流套管出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。該套管在運(yùn)行期間伴隨有間歇性不正常的響聲，通過遠(yuǎn)紅外線探測儀觀察，發(fā)現(xiàn)該套管外絕緣傘裙中部有明顯的放電痕跡，見圖1。該套管內(nèi)絕緣由環(huán)氧樹脂、聚氨酯等材料構(gòu)成，外絕緣由復(fù)合硅橡膠套構(gòu)成，見圖2套管外形圖。其中A是環(huán)氧樹脂絕緣材料；B是聚氨酯絕緣材料；C是玻璃纖維筒；D是硅橡膠絕緣外套。為深入分析故障原因，明確處理方案，2011年中旬，將一只故障直流套管退出運(yùn)行，進(jìn)行交流試驗(yàn)，以便檢查該套管內(nèi)絕緣是否損壞，進(jìn)而判斷其它在線運(yùn)行的同類套管是否安全可靠，這樣為其它在線運(yùn)行的套管做后續(xù)安排。表1是退出運(yùn)行的套管試驗(yàn)結(jié)果。從表1交流試驗(yàn)結(jié)果可見，該套管內(nèi)絕緣性能沒有發(fā)生變化，絕緣電氣性能完好。那么，是什么原因造該套管硅橡膠外套放電呢？是絕緣裕度太小還是套管的外絕緣高度不夠？還是聚氨酯的絕緣性能不適宜用在該套管這種高電壓領(lǐng)域？為進(jìn)一步分析放電原因，決定對(duì)套管進(jìn)行解體檢查分析。

三、套管解體檢查原因分析

根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明該直流套管電氣性能良好，套管芯體沒有損壞。但是什么原因造成外絕緣放電呢？為了探究放電實(shí)質(zhì)，對(duì)該套管進(jìn)行解體檢查。解體后發(fā)現(xiàn)套管導(dǎo)電桿和硅橡膠內(nèi)表面全部貫穿有放電通道，為進(jìn)一步分析，選擇硅橡膠外表面兩個(gè)具有針眼狀白色放電點(diǎn)的位置（見圖2）進(jìn)行徑向解體，解體發(fā)現(xiàn)與硅橡膠內(nèi)表面針眼狀放電點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的聚氨酯材料表面均存在大面積樹枝狀放電見圖3，且放電通道由導(dǎo)電桿、聚氨酯、玻璃纖維筒至硅橡膠外套全部貫穿。剝開硅橡膠外套，可見硅橡膠外套里的玻璃纖維筒內(nèi)壁有明顯燒蝕點(diǎn)，但未見樹枝狀放電痕跡。剖開玻璃纖維筒后，可見玻璃纖維筒內(nèi)壁燒蝕，筒內(nèi)聚氨酯表面存在明顯放電痕跡，中心部位碳化嚴(yán)重，四周呈現(xiàn)樹枝狀放電，通過解體發(fā)現(xiàn)，距套管高壓引線端約1800mm處出現(xiàn)徑向擊穿。從硅橡膠外套表面燒灼孔至套管導(dǎo)電桿間存在多條徑向擊穿通道。硅橡膠外套與玻璃纖維筒之間界面未發(fā)現(xiàn)樹枝狀放電，說明在所剖開范圍內(nèi)二者粘接良好。聚氨酯與玻璃纖維筒接觸面以及聚氨酯與導(dǎo)桿接觸面的樹枝狀放電最嚴(yán)重。導(dǎo)電桿表面放電點(diǎn)主要存在于電容芯端部聯(lián)接處的銅端蓋側(cè)。剖開與銅端蓋連接的導(dǎo)桿表面也存在個(gè)別放電點(diǎn)見圖4。這兩個(gè)位置可能是局部放電的起始點(diǎn)。聚氨酯內(nèi)部也存在樹枝性放電。對(duì)硅橡膠外套表面兩處針狀放電點(diǎn)進(jìn)行深度解剖，均在套管內(nèi)部聚氨酯表面發(fā)現(xiàn)有樹枝狀放電。

通過以上分析可見，聚氨酯材料是造成套管內(nèi)部樹枝放電的起因，從而引發(fā)套管外部局部放電的主要因素。從該類套管的運(yùn)行業(yè)績看出，填充聚氨酯的干式直流套管在楓涇換流站工程中首次采用，對(duì)該類型的絕緣材料和套管設(shè)計(jì)尚未積累足夠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，材質(zhì)的特性及穩(wěn)定性不明確，特別是無法實(shí)測聚氨酯絕緣材料的電阻率，該套管聚氨酯的電阻率僅為估計(jì)值。

為了進(jìn)一步確認(rèn)聚氨酯材料是造成此次事故的原因，下面利用電場計(jì)算軟件進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算和分析說明。

四、計(jì)算驗(yàn)證

下面利用ElecNet電場計(jì)算軟件，對(duì)聚氨酯的電導(dǎo)率分別設(shè)置兩個(gè)不同數(shù)值，計(jì)算套管在交、直流電壓作用下，套管的絕緣強(qiáng)度。第一種情況設(shè)置聚氨酯的電阻率為：1.5×107Ω·cm；第二種情況設(shè)置聚氨酯的電阻率為：1.5×1012Ω·cm，其它參數(shù)與第一種情況相同。

1）交流電壓下，直流套管的絕緣強(qiáng)度分析

按照GB/T22674-2008《直流系統(tǒng)用套管》的規(guī)定，平波電抗器側(cè)電壓局部放電電壓取值為：

Udm：每個(gè)閥橋的最高直流電壓

N：連接從直流導(dǎo)線中性點(diǎn)與換流變套管整流橋的一系列六脈動(dòng)橋數(shù)。

首先，建立直流套管模型，定義套管電極，設(shè)定邊界條件。這里把導(dǎo)體設(shè)為高壓電極，極板設(shè)置為浮置電極，套管的末屏及法蘭、油箱接地，設(shè)置求解階次、最大網(wǎng)格尺寸控制值等等。用Static 3D計(jì)算。A、B、C、D各點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 聚氨酯絕緣材料取值不同情況下，A、B、C、D各點(diǎn)處的絕緣強(qiáng)度對(duì)比

從表2可見交流電壓下，直流套管的電壓和電場強(qiáng)度不隨絕緣電阻率的改變而改變。

2）極性反轉(zhuǎn)電壓作用下，直流套管的絕緣強(qiáng)度分析

與交流電壓計(jì)算過程一樣，導(dǎo)體設(shè)為高壓電極，極板設(shè)置為浮置電極，套管的末屏及法蘭、油箱接地，設(shè)置求解階次、最大網(wǎng)格尺寸控制值等等。這里用ElecNet電場計(jì)算軟件設(shè)置0min是電壓達(dá)到規(guī)定值的開始時(shí)間，負(fù)極性電壓持續(xù)時(shí)間90min；接著電壓從負(fù)極反轉(zhuǎn)到正極性，反轉(zhuǎn)時(shí)間為1min，正極性持續(xù)時(shí)間90min；之后，再由正極性反轉(zhuǎn)到負(fù)極性，反轉(zhuǎn)時(shí)間1min，負(fù)極性持續(xù)時(shí)間45min。圖4是極性反轉(zhuǎn)作用下，電壓-時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。用Transient 3D計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖5，圖6，這里僅取套管A、B、C、D這4點(diǎn)位置（見圖1）在負(fù)極性反轉(zhuǎn)到正極性的計(jì)算結(jié)果。套管由正極性反轉(zhuǎn)到負(fù)極性的規(guī)律與此相同，這里不再贅述。

第一種情況：聚氨酯的電阻率取值較??；第二種情況：聚氨酯的電阻率取值較大，聚氨酯電阻率高于第一種情況5個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖5、6、7、8可見，第一種情況負(fù)極性下，A、B、C、D各點(diǎn)的電壓值（絕對(duì)值）小于第二種情況下電壓值（絕對(duì)值）。在負(fù)極性施加電壓達(dá)到5min時(shí)，兩種情況下電壓都達(dá)到最高點(diǎn)，這時(shí)第一種情況電壓值是第二種情況的0.21倍；圖9第一種情況下，電場強(qiáng)值遠(yuǎn)高于第二種情況，這是由于A點(diǎn)環(huán)氧樹脂的電阻率遠(yuǎn)高于B點(diǎn)聚氨酯的電阻率，電場強(qiáng)度分布取決于材料的電阻率，介質(zhì)交界面的束縛電荷對(duì)電場的分布影響較大，電荷不足以迅速下降，因而，第一種情況下的電場強(qiáng)度較高。圖10、11、12分別是B、C、D點(diǎn)處的電場強(qiáng)度值，從這3個(gè)圖形看，第一種情況下電場強(qiáng)度較平穩(wěn)，電壓達(dá)到平穩(wěn)時(shí)期的15-90min期間和極性反轉(zhuǎn)后的穩(wěn)定時(shí)期111-181min，這3點(diǎn)的電場值穩(wěn)定，沒有起伏波動(dòng)的改變；而第二種情況下，A、B、C、D各點(diǎn)電場強(qiáng)度在任何時(shí)刻都在改變，尤其在極性反轉(zhuǎn)的1min內(nèi)，變化尤為突出。由于電壓在極性反轉(zhuǎn)過程中，電荷在反轉(zhuǎn)瞬間還沒有完全充分釋放又迅速升高，使得外施電荷電場和空間電荷電場疊加造成電位升高很快，在場強(qiáng)不太高的情況下，電場強(qiáng)度對(duì)離子的轉(zhuǎn)移能力和對(duì)電阻率的影響都很小。當(dāng)電場強(qiáng)度增高時(shí)，離子的遷移能力隨電場強(qiáng)度的升高而增加，使電阻率下降。當(dāng)電場強(qiáng)度升高到使電介質(zhì)臨近擊穿時(shí)，由于出現(xiàn)大量電子遷移，使電阻率呈指數(shù)下降。因而造成聚氨酯的場強(qiáng)迅速升高又急速下降，尤其電阻率取值較大情況下，表現(xiàn)更為突出。從上述計(jì)算結(jié)果判斷，選擇電阻率較小的聚氨酯絕緣材料比較合理。

五、聚氨酯材料的特性

絕緣材料在直流電壓作用下能不斷提供離子，流向相應(yīng)的電極，若絕緣材料電阻率選擇不當(dāng)，有可能引起放電及發(fā)熱過程，該過程不僅腐蝕金屬，而且加速了聚合物材料的分解、老化和增大了電導(dǎo)，反過來又促進(jìn)材料進(jìn)一步老化，包括機(jī)械性能惡化，絕緣材料本身的結(jié)構(gòu)與組成，環(huán)境因素、電極材料和結(jié)構(gòu)形式等均影響電化學(xué)腐蝕過程，因此，直流電壓下，材料中發(fā)生的問題并不限于電化學(xué)腐蝕，還有直流電樹枝化，空間電荷積累以及電壓極性切換時(shí)因電場變化引起的一系列問題。[4]

六、結(jié)論

1）.根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果推斷，直流套管中，選擇電阻率小的聚氨酯絕緣材料作為該類套管介質(zhì)較好。

2）.合理選擇直流套管的絕緣材料，讓聚氨酯作為套管絕緣介質(zhì)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保直流套管的安全、可靠運(yùn)行是設(shè)計(jì)工作者應(yīng)當(dāng)考慮的問題。這有利于提高換流變壓器和平波電抗器的安全可靠性以及直流輸電系統(tǒng)能量的可用率。聚氨酯能否滿足直流套管絕緣性能的要求，還有待長時(shí)間進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]肖淦.換流變壓器出線裝置兩種設(shè)計(jì)方案的比較[J].高壓電器，2014，6

[3]電機(jī)工程手冊(cè)4[M].輸變電配電設(shè)備.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997

[4]巫松楨等編.電氣絕緣材料科學(xué)與工程[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1996

[5]GB/T 22674《直流系統(tǒng)用套管》[S]

作者簡介

肖淦：女，1966.5 江西省泰和人，特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，從事套管及出線裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。