高壓電纜GIS 終端環(huán)氧套管典型缺陷仿真與故障分析*

周鳳爭，孟崢崢，宋鵬先，朱曉輝，李 旭，朱明正，于 洋，房晟辰

（國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384)

目前高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜線路以其安全可靠、節(jié)省空間和節(jié)約城市土地資源的特點，得到越來越多的應(yīng)用。尤其是高壓變電站內(nèi)變壓器和氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）之間、高壓變電站與高壓變電站之間廣泛采用高壓電纜線路進(jìn)行連接。高壓電纜線路的安全運行對電力系統(tǒng)運行具有重要意義。

電纜附件是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)，近年來系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生多起高壓電纜GIS 終端絕緣擊穿故障，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)主要原因是終端內(nèi)部絕緣套管內(nèi)部存在氣泡絕緣缺陷［1-3］。高壓電纜GIS 終端的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，結(jié)構(gòu)主要包括硅橡膠應(yīng)力錐和環(huán)氧套管。環(huán)氧套管是在高壓電極和地電極之間真空澆注環(huán)氧樹脂而成。

圖1 高壓電纜GIS 終端結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of high voltage GIS(gas insulated switchgear) cable accessory

1 高壓電纜GIS 終端仿真與故障分析

1.1 仿真分析

采用ansoft maxwell 電磁場有限元分析軟件對圖1所示的220kV 高壓電纜GIS 終端進(jìn)行了仿真分析，其電位分布圖和電場強(qiáng)度分布圖分別如圖2 和圖3 所示。在圖2 中，紅色為高電位，最高為相電壓127kV，藍(lán)色為地電位0V，在應(yīng)力錐以下部分，電位分布主要集中在XLPE 絕緣部分，應(yīng)力錐以上部分，電壓分布從高壓線芯和高壓電極過渡到應(yīng)力錐和地電極。在圖3 的高壓電纜GIS 終端場強(qiáng)分布圖中可以看出，在應(yīng)力錐以下部分，場強(qiáng)集中在XLPE 絕緣中；在應(yīng)力錐以上部分，場強(qiáng)主要集中在高壓電極附近。

圖2 高壓電纜GIS 終端電位分布圖Fig.2 Voltage distribution of high voltage GIS cable accessory

圖3 高壓電纜GIS 終端場強(qiáng)分布圖Fig.3 Field strength distribution of high voltage GIS cable accessory

圖4 是電場強(qiáng)度沿著圖3 中高壓電極和地電極之間（黑線所示）的分布圖。圖5 是環(huán)氧套管內(nèi)部高壓電極附近存在氣泡缺陷的CT 掃描圖［3］。高壓電極附近的最高電場強(qiáng)度為76kV/cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣擊穿場強(qiáng)30kV/cm。如果高壓電極附近存在氣泡氣隙，將會引起局部放電，引發(fā)絕緣擊穿故障。

圖4 高壓電極和地電極間 的電場強(qiáng)度分布圖 Fig.4 Electric field intensity distribution between high voltage electrode and ground electrode

圖5 環(huán)氧套管CT 掃描圖 Fig.5 CT scan of epoxy bushing

1.2 高壓電纜GIS 終端故障分析

220kV 高壓電纜GIS 終端C 相故障，C 相電纜終端環(huán)氧罩外表已被電弧灼燒變黑，且從內(nèi)向外發(fā)生炸裂，有大片裂片散落，露出內(nèi)層高壓電極，如圖6 所示。

圖6 220kV 高壓電纜GIS 終端故障圖Fig.6 Insulation breakdown of 220kV high voltage GIS cable accessory

現(xiàn)場解剖發(fā)現(xiàn)擊穿點位于環(huán)氧絕緣體內(nèi)部的高壓電極與環(huán)氧樹脂的接觸界面處，由于界面處存在氣隙絕緣缺陷，引起該部位電場發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部放電，放電通過逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致環(huán)氧絕緣體擊穿，放電能量將部分外殼炸開，如圖7 所示，其擊穿路徑如圖8 所示。

圖7 環(huán)氧套管內(nèi)部 絕緣擊穿圖 Fig.7 Inner insulation breakdown of epoxy bushing

圖8 絕緣擊穿路徑圖 Fig.8 Path of insulation breakdown

2 環(huán)氧套管預(yù)防技術(shù)措施

目前高壓電纜附件主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11017、GB/T 18890 和GB/T 22078，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要檢測項目見表1。

表1 110kV～500kV 高壓電纜附件的主要檢測項目Table 1 Test items of 110kV～500kV high voltage cable accessory

上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了橡膠應(yīng)力錐和整體預(yù)制橡膠絕緣件的電氣試驗（包括局部放電試驗和工頻電壓試驗），從而確保了應(yīng)力錐的產(chǎn)品質(zhì)量；而對環(huán)氧套管只規(guī)定了密封試驗，對環(huán)氧套管內(nèi)部絕緣缺陷缺少檢測項目，不能確保絕緣套管的出廠產(chǎn)品質(zhì)量。

通過上述故障分析，對于高壓電纜GIS 終端用環(huán)氧套管質(zhì)量管控十分必要，為了避免有絕緣缺陷的環(huán)氧套管引發(fā)電纜線路絕緣擊穿故障發(fā)生，應(yīng)該在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中增加環(huán)氧套管絕緣缺陷檢測項目，確保環(huán)氧套管出廠產(chǎn)品質(zhì)量。在例行試驗（出廠試驗）中除密封試驗外增加局部放電試驗和CT 掃描項目，具體如下：

（1）局部放電試驗應(yīng)根據(jù)GB/T 3048.12，其靈敏度優(yōu)于或等于10pC(110kV)、5pC(220kV 和500kV)，試驗電壓應(yīng)逐漸升至1.75U0 并保持10s，然后慢慢地降至1.5U0，在1.5U0 下被試品無可檢測出的放電。局部放電試驗可以采用無局放的應(yīng)力錐配合環(huán)氧套管的方式，逐個對環(huán)氧套管進(jìn)行局部放電檢測。

（2）對局部放電不合格的環(huán)氧套管進(jìn)行CT 掃描定位，重點檢查高壓電極與環(huán)氧樹脂澆注界面是否接合緊密，高壓電極周邊是否存在微孔、氣隙等缺陷。