銅屏蔽層繞制方式對絕緣管母安全運行影響的研究

宋永佳，全杰雄，溫才權(quán)，禤海貞，吳科，周凱

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002；2.四川大學 電氣信息學院，成都 610065）

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對電力的需求越來越大［1］。在城市各電壓等級配電網(wǎng)中，隨著配電變壓器容量的快速增加，配電變壓器低壓側(cè)母線的額定電流也在不斷增大，對低壓側(cè)母線的發(fā)熱和短路電動力提出了更高的要求［2-3］，母線出現(xiàn)故障時，影響范圍較大，短時間內(nèi)恢復供電困難，絕緣管母工作的可靠性直接影響供電可靠性。因此，絕緣管母的安全運行一直備受供電企業(yè)的關(guān)注［1-3］。實際運行經(jīng)驗表明，絕緣管母半導電層上的銅屏蔽層的繞制方式有會影響絕緣管母的運行安全，管母銅屏蔽層選擇何種繞制方式對于減少管母故障發(fā)生及維護電力系統(tǒng)的可靠供電具有重要意義。

國內(nèi)大部分主變低壓側(cè)采用常規(guī)的矩形母線進行功率的輸送和分配［4-5］。實際上，隨著主變?nèi)萘康脑黾?，常?guī)的矩形母線存在發(fā)熱和短路電動力不達標的問題，其使用受到越來越多的限制。絕緣管母是一種將銅作為導體，外面繞制一層絕緣的母線產(chǎn)品，其具有大電流、高機械強度、適用范圍廣等優(yōu)點［6-7］。目前，國內(nèi)對絕緣管母的研究主要針對絕緣管母的局部放電檢測［2］、新型絕緣管母設計和優(yōu)化［5］運行過程中出現(xiàn)的事故案例的故障分析等［8-12］。文獻［10］對絕緣管母的兩種繞制方式做了大量實驗，主要從實驗結(jié)果對絕緣管母銅屏蔽層的繞制方式進行了對比說明，并取得了一定成果。然而過去的研究主要針對出現(xiàn)的事故案例進行分析，并未涉及到銅屏蔽層繞制方式對絕緣管母半導電導的表面電勢分布、電流密度及阻性發(fā)熱情況的研究。絕緣管母銅屏蔽層選擇合適的繞制方式可能有助于減少絕緣管母屢屢發(fā)生的絕緣故障。

通過對某110 kV變電站35 kV側(cè)絕緣管母外護套燒蝕擊穿故障進行分析，研究了絕緣管母銅屏蔽層繞制方式對其運行安全的影響。另外，結(jié)合有限元仿真，分析了不同繞制方式下絕緣管母半導電層表面的電勢分布、電流密度及阻性發(fā)熱情況，這對于選擇合適的繞制方式及保證電力系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義。

1 故障簡介

某110 kV變電站35 kV側(cè)母線采用絕緣管母，管母主絕緣采用具有優(yōu)良電氣和化學性能的聚四氟乙烯材料制成。2015年1月，變電站運行人員進行日常巡檢時，發(fā)現(xiàn)1號主變壓器35 kV低壓側(cè)A相絕緣管母出現(xiàn)外護套局部過熱的現(xiàn)象，3月份該段絕緣管母同樣位置出現(xiàn)了放電，冒煙，打火等異常現(xiàn)象，隨即對該35 kV絕緣管母進行了停運檢修。35 kV絕緣管母的結(jié)構(gòu)及出現(xiàn)的事故照片如圖1所示。圖1（a）中，絕緣管母的結(jié)構(gòu)為中心是管母銅導電體，導體表面是聚四氟乙烯絕緣層，絕緣層的表面還敷設一層半導電層，其表面繞制了一層銅屏蔽層，具有良好的導電性能，絕緣管母采用單端接地的方式最外層為絕緣護套層。

由圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，絕緣管母半導電層表面銅屏蔽層采用繞包的方式，半導電層與表面銅屏蔽帶是交錯出現(xiàn)的，且銅屏蔽帶間分布也不均勻，匝間距離分布在10 mm～50 mm不等，銅帶與半導電層之間存在一些空氣間隙，間隙在0.5mm～2mm不等，絕緣管母燒蝕擊穿最嚴重的地方主要集中在銅屏蔽層與半導電層之間的空隙處及半導電層表面未被完全覆蓋的區(qū)域。圖1（c）是對出現(xiàn)故障絕緣管母進行的紅外成像，可以發(fā)現(xiàn)絕緣管母表面存在一片明顯的過熱區(qū)域，且存在明顯的局部過熱點，過熱點溫度較周圍環(huán)境溫度高出10℃左右，隨著絕緣管母運行時間的增加，故障點溫度的持續(xù)升高，導致管母絕緣外護套部分出現(xiàn)冒煙、起明火以及鼓包等異?，F(xiàn)象，最終燒蝕擊穿。

圖1 35 kV絕緣管母結(jié)構(gòu)及事故照片F(xiàn)ig.1 Structure of the 35 kV pipe type busbar and the accident photos

2 故障分析

由于絕緣管母半導電層采用的是單端接地的方式，根據(jù)電磁感應定律，電流通過絕緣管母導體時，產(chǎn)生的磁場會與銅屏蔽層相交鏈，因此在銅屏蔽層上存在感應電位，感應電位的大小隨著銅屏蔽層距離接地點的距離的增加而增加，流過絕緣管母的電流越大，屏蔽層上的感應電位也越大，更容易造成絕緣管線外護套絕緣的擊穿。

為研究絕緣管母銅屏蔽層不同繞制方式對絕緣管母運行狀態(tài)的影響，依據(jù)35 kV絕緣管母的實際參數(shù)利用COMSOLMultiphysics數(shù)值仿真軟件建立了如圖2所示的管母二維有限元模型，管母絕緣結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外分別為管形導體、主絕緣層、半導電層、銅屏蔽層（接地屏蔽層）以及外護套層。仿真模型中，管形導體設置為高電位，半導電層表面銅屏蔽層設為地電位，銅屏蔽層之間的匝間距離設為40 mm，銅屏蔽帶的寬度設為25 mm，厚度設為0.13 mm，絕緣管母材料的仿真參數(shù)如表1所示。

為研究絕緣管母半導電層的表面電勢分布、電流密度及阻性發(fā)熱情況，沿圖2（a）中虛線箭頭方向進行了仿真計算。

圖2 35 kV絕緣管母仿真模型Fig.2 Simulation model of the 35 kV pipe type busbar

表1 絕緣管母材料參數(shù)Tab.1 Parameters of pipe type busbar materials

絕緣管母半導電層表面銅屏蔽層采用繞包方式時，沿絕緣管母銅屏蔽層截斷處的半導電層表面的電勢分布、電流密度以及阻性損耗密度如圖3所示。

由圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，絕緣管母半導電層未被銅屏蔽層完全搭蓋，在銅屏蔽層截斷處絕緣管母的半導電層表面會形成表面電位差ΔU，半導電層表面電位大小決定于電纜本體電容和外半導電層對地電容的分壓效應。另外，由于半導電層表面存在一定數(shù)值的表面電阻，阻性電流流過電阻發(fā)熱進而形成熱效應，在絕緣管母絕緣內(nèi)部形成局部的過熱區(qū)域。

另外，銅屏蔽層由于切口具有不平整性，與半導電層表面會存在氣隙。根據(jù)文獻［13］，在交流電壓下，介質(zhì)內(nèi)部電場與其相對介電常數(shù)成反比，由于空氣的相對介電常數(shù)較小，因此在銅屏蔽層與半導電層之間的空氣間隙會出現(xiàn)幅值較大的電場，電場強度達到一定強度時進而產(chǎn)生局部放電，導致管母絕緣層的燒蝕擊穿。由于圖1（b）中流過半導電層的表面電流密度在銅屏蔽層和半導電層搭接處存在明顯高點，表明電流密度在搭接處的值達到最大值，電流密度過大將導致局部區(qū)域的絕緣劣化速度加快，不利于絕緣管母的長期穩(wěn)定運行。圖1（c）中，阻性損耗密度在銅屏蔽層和半導電層搭接處存在明顯高點，阻性損耗密度大，搭接處形成明顯的過熱點，導致管母的絕緣燒蝕擊穿，這與圖1（b）中搭接處燒蝕程度最為嚴重的實際情況相符合。

圖3 銅屏蔽層繞包下的特征參數(shù)Fig.3 Parameters under copper shield wrapping mode

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，絕緣管母半導電層表面繞包銅屏蔽層時，不利于管母的長期穩(wěn)定運行。為改善管母的運行可靠性，管母半導電層改用疊包的繞制方式，絕緣管母處表面半導電層表面的電勢分布、電流密度以及阻性損耗密度的仿真如圖4所示。

圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，35 kV絕緣管母半導電層采用銅屏蔽層完全搭蓋時，半導電層表面形成的ΔU很小幾乎接近于零，流徑表面電阻的電流較小。因此產(chǎn)生的熱量不會造成局部區(qū)域過熱的現(xiàn)象。由圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，流過半導電層的表面電流密度在銅屏蔽層和半導電層搭接處電流密度接近于零，表明電流密度強度較小，電流密度的明顯降低減緩了絕緣管線絕緣劣化速度，有利于絕緣管母的長期穩(wěn)定運行。另外，圖4（c）中阻性損耗密度在銅屏蔽層和半導電層搭接處不存在明顯高點，阻性損耗密度很小幾乎接近于零，在搭接處不會形成明顯的過熱點，導致管母絕緣的燒蝕擊穿。

圖4 銅屏蔽層疊包下的特征參數(shù)Fig.4 Parameters under copper shield stacked packetmode

結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，絕緣管母半導電層的繞制方式會影響絕緣管母的安全運行。仿真結(jié)果表明，銅屏蔽層采用疊包繞制方式時將明顯優(yōu)于繞包，更有利于絕緣管母的安全穩(wěn)定運行。另外，實際運行中絕緣管母半導電層表面銅屏蔽層采用疊包繞制方式后并未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，目前運行狀態(tài)良好。

3 結(jié)束語

通過對一起某110 kV變電站35 kV側(cè)絕緣管母出現(xiàn)的絕緣燒蝕損毀事故案例進行了分析，對比了絕緣管母半導電層在兩種銅屏蔽層繞制方式下的電勢分布、電流密度、阻性損耗情況，得到的結(jié)論和建議如下：

（1）35 kV絕緣管母銅屏蔽層采用繞包造成的局部過熱點是引發(fā)此次事故的主要原因；

（2）絕緣管母銅屏蔽層采用不同的繞制方式會對絕緣管母半導電層的電勢分布、表面電流密度及阻性損耗產(chǎn)生影響，銅屏蔽層采用疊包纏繞后，電勢、表面電流密度以及阻性損耗均明顯降低，有利于管母的長期穩(wěn)定運行；

（3）絕緣管母的絕緣外護套應盡量采用阻燃性能更好的材料，降低外護套燒蝕擊穿事故的發(fā)生；

（4）加強對絕緣管母的巡查和檢測，對存在安全隱患的管母及時更換，提高管母的供電可靠性。