滲水對10kV全絕緣管型母線屏蔽筒的影響研究

廖言寶，江炊福，龍 洋，游勇華

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭335000；3.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

絕緣管型母線是一種新型母線型式，其實質(zhì)是利用銅或鋁管母作為導(dǎo)體，外敷絕緣的一種母線產(chǎn)品。由于載流量大、電氣絕緣性能強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度大、散熱條件好、絕緣性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，近十年的時間內(nèi)，絕緣管型母線在變電站、發(fā)電廠和大型光伏發(fā)電工程等領(lǐng)域內(nèi)得到了越來越多的應(yīng)用[1-4]。

早期，管型母線在國外開始應(yīng)用，已有幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗。國內(nèi)最早由大連第一互感器有限責(zé)任公司于2002年從德國引進(jìn)該技術(shù)，于2004年完成型式試驗，之后逐步開始生產(chǎn)干式絕緣管型母線，其絕緣材料采用環(huán)氧樹脂，生產(chǎn)工藝采用真空澆注。隨后，有較多的廠家企業(yè)開始采用繞包工藝生產(chǎn)絕緣管型母線，其絕緣采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯帶，層間表面涂硅油。到2008年，有企業(yè)開始研究用擠包工藝來生產(chǎn)絕緣管型母線，其絕緣材料采用三元乙丙橡膠（EPDM）或硅橡膠[5-7]。隨后，其部分企業(yè)開始采用擠包工藝生產(chǎn)絕緣管型母線。根據(jù)絕緣形式不同，絕緣管型母線分為全絕緣和半絕緣。如圖1所示，全絕緣管型母線利用金屬管外層的絕緣層作為固體絕緣，多用聚四氟乙烯薄膜繞包；外表面為銅膜屏蔽層（零電位），輔以非磁性抱箍固定、金屬支架支撐。在特定區(qū)域、特定領(lǐng)域中，絕緣管型母線確實是優(yōu)于矩形母線的選擇。

圖1 繞包式全絕緣管型母線截面結(jié)構(gòu)

在國內(nèi)，近十年來，絕緣管型母線生產(chǎn)廠家一方面引進(jìn)技術(shù)，一方面積極研究新型絕緣管型母線，生產(chǎn)水平和能力不斷提高。絕緣管型母線的使用領(lǐng)域越來越廣，數(shù)量也越來越多，并有較好的發(fā)展勢頭。然而，由于早期絕緣管母（繞包式）的技術(shù)門檻低，催生了眾多作坊式的生產(chǎn)廠家，其缺乏規(guī)范的檢測設(shè)備、缺乏合格的技術(shù)人員，作坊式的生產(chǎn)條件無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。另外，由于目前缺乏相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，不同廠家、不同型式的絕緣管型母線在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、安全可靠性方面存在著很大差異[8-9]。這些問題極大威脅著電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全，對運(yùn)維檢測水平提出了新的要求和挑戰(zhàn)[10-12]。

近幾年，多地發(fā)生了全絕緣管型母線故障[8]，并且故障次數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。固然，絕緣管母故障主要源于產(chǎn)品質(zhì)量欠佳，但隨著在運(yùn)年限增長，其早期隱患缺陷日益突顯。本文將根據(jù)一起典型的全絕緣管型母線故障，通過故障分析和仿真計算，得出針對性的有效結(jié)論，以指導(dǎo)現(xiàn)有絕緣管母改造。

1 故障案例

1.1 故障過程

2017年7 月23 日，監(jiān)控報某220kV變電站10kV I段母線電壓異常，A相10.37kV、B相10.48kV、C相1.28kV。運(yùn)行人員對10 kV高壓室及1號主變低壓側(cè)設(shè)備進(jìn)行外觀巡視檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。通過相關(guān)設(shè)備逐個轉(zhuǎn)檢修并檢查，發(fā)現(xiàn)僅在對10 kV I段母線充電時有電壓異常情況（現(xiàn)場驗電筆檢測到A、B相帶電，C相無電）。后經(jīng)紅外測溫發(fā)現(xiàn)，C相管母屏蔽筒存在明顯的異常溫差。1號主變由運(yùn)行轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，分別對開關(guān)間隔設(shè)備、穿墻套管、電抗器、避雷器、10 kV管母進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)C相管母絕緣不合格（0.2 MΩ）、耐壓不合格。并且外觀檢查發(fā)現(xiàn)C相管母屏蔽筒表面有受損痕跡。由此判斷C相絕緣管母屏蔽筒內(nèi)有故障。故障管母型號參數(shù)如表1所示。

表1 10 kV全絕緣管型母線結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 解體情況

現(xiàn)場對A、B、C相管母屏蔽筒進(jìn)行拆卸。圖2為全絕緣管型母線中間接頭處屏蔽筒示意圖，從內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)：銅管（導(dǎo)電）→銅軟連接→均壓筒（不銹鋼）→熱縮管→絕緣套筒→熱縮管（與管母交界面處有防水膠帶，屏蔽筒外表面敷設(shè)的銅帶用于連接兩端管母的末屏接地線）。

圖2 管母中間接頭示意圖

解體發(fā)現(xiàn)，三相均壓筒外裹的熱縮套表面都有滲水后熱老化的痕跡，如圖3所示。故障相C相屏蔽筒內(nèi)壁有閃絡(luò)放電痕跡，如圖4所示，并且均壓筒表面的熱縮套嚴(yán)重?zé)龘p。由此，判定C相管母屏蔽筒內(nèi)部閃絡(luò)擊穿。

圖3 屏蔽筒解體后均壓筒外熱縮套浸水痕跡

圖4 屏蔽筒解體后內(nèi)壁閃絡(luò)放電痕跡

屏蔽筒內(nèi)直徑18.5 cm，均壓筒外直徑17.5 cm。

現(xiàn)場對故障屏蔽筒內(nèi)部各部件進(jìn)行了尺寸測量。環(huán)氧樹脂屏蔽筒壁厚為0.8 cm、內(nèi)直徑為18.5 cm，均壓筒外徑（剝除熱縮套后裸金屬筒外徑）為17.5 cm，熱縮套厚約0.1 cm。考慮熱縮套厚度后，運(yùn)行時均壓筒外壁與屏蔽筒內(nèi)部的距離約為0.4 cm，均壓筒邊緣與絕緣屏蔽筒邊緣相距約30 cm，參見圖2所示。均壓筒處于高壓電位（10 kV/3），環(huán)氧樹脂屏蔽筒外壁纏繞錫箔紙并與端部接地相連。這意味著，正常情況下，屏蔽筒內(nèi)絕緣依賴于環(huán)氧樹脂壁（0.8 cm厚）、約0.4 cm的微小空氣間隙以及0.1 cm薄的熱縮套，滿足運(yùn)行要求。然而，實際在運(yùn)時，隨著投運(yùn)時間增加，早期的防水工藝隱患突顯，內(nèi)部存在極大的滲水風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)場解體情況，三相屏蔽筒內(nèi)部皆有滲水后熱縮套熱老化的現(xiàn)象。滲水是此種絕緣屏蔽筒絕緣可靠的關(guān)鍵點，往往成為老舊絕緣管母故障的誘因。

2 故障分析

2.1 故障分析

根據(jù)設(shè)計，該絕緣屏蔽筒端部的防水功效取決于密封圈（不銹鋼圓環(huán)）和外裹的熱縮套管。不銹鋼圓環(huán)支撐著環(huán)氧絕緣屏蔽筒，并保持其與管母本體同軸。通過熱縮套與密封膠結(jié)合，以隔絕水滲入。解體發(fā)現(xiàn)，屏蔽筒兩端的熱縮管與管母之間僅有一薄層防水帶。當(dāng)防水帶敷設(shè)不足、防水帶年久失效時，極易造成水平安置的屏蔽筒內(nèi)腔表面凝露、積水。此時，均壓筒（高壓）-屏蔽筒端部（接地）之間趨近短接，極易發(fā)生沿面擊穿，如圖4所示。圖5為屏蔽筒內(nèi)浸水后沿面放電示意圖。屏蔽筒內(nèi)部環(huán)境干燥時，屏蔽筒絕緣配合滿足運(yùn)行要求；浸水后，屏蔽筒內(nèi)壁局部積水，極易導(dǎo)致沿面閃絡(luò)，發(fā)生單相接地故障。

圖5 屏蔽筒內(nèi)沿面放電示意圖

2.2 理論分析

由于實際三維模型具有典型的點對稱結(jié)構(gòu)，靜電場計算可采用二維r-z結(jié)構(gòu)1/4模型，如圖6。

圖6 計算模型與網(wǎng)格劃分（單位：cm）

1）正常情況下

在絕緣屏蔽筒內(nèi)部干燥的正常情況下，其內(nèi)部靜電場分布結(jié)果如圖7所示。電場強(qiáng)度集中分布在均壓筒邊緣的微小氣隙內(nèi)，其最大場強(qiáng)值達(dá)到11.4 kV/cm。圖8給出了屏蔽筒內(nèi)表面電位、電場分布，以均壓筒邊緣為坐標(biāo)起點（圖7中o-x坐標(biāo)表示）。圖中，x=0 cm處為均壓筒邊緣，x=30 cm為屏蔽筒邊緣。屏蔽筒端部附近是強(qiáng)場區(qū)、高電位區(qū)，也是容易發(fā)生局部放電的地方。在正常情況下，計算結(jié)果顯示，絕緣配合滿足運(yùn)行要求。

圖7 正常情況下屏蔽筒內(nèi)電場分布E分布云圖及電位等勢線分布

圖8 屏蔽筒內(nèi)部表面電位V與場強(qiáng)E分布

2）浸水情況下

早期生產(chǎn)的全絕緣管母多采用繞包式工藝，隨著運(yùn)行時間長久，防水失效、絕緣老化等潛在隱患突顯。在本故障案例中，屏蔽筒端部的防水層年久失效，內(nèi)部極易積水，特別是在雨季。為此，將考慮屏蔽筒內(nèi)部浸水后靜電場分布情況。

根據(jù)前面的計算結(jié)果，屏蔽筒內(nèi)部的強(qiáng)場區(qū)主要集中在均壓筒邊緣與屏蔽筒內(nèi)部之間的微小氣隙內(nèi)，而屏蔽筒邊緣則是弱場強(qiáng)、低電位區(qū)。下面開展分析浸水的位置對場強(qiáng)畸變的影響。假設(shè)屏蔽筒內(nèi)壁浸水（水薄膜厚1 mm），選取三種典型情況：x=[15 cm，30 cm]（參見圖7所示），一半?yún)^(qū)域浸水；x=[0 cm，15 cm]，另一半?yún)^(qū)域浸水；x=[0 cm，30 cm]，完全浸水。圖9、圖10為三種情況與正常情況（干燥時）的電位分布和電場強(qiáng)度分布。其中，角標(biāo)“0.0”為干燥時，角標(biāo)“0.5-”為x=[15 cm，30 cm]區(qū)域浸水時，角標(biāo)“0.5+”為x=[0 cm，30 cm]區(qū)域浸水時，角標(biāo)“1.0”為x=[0 cm，30 cm]區(qū)域完全浸水時。對比發(fā)現(xiàn)：1）浸水在低壓端（屏蔽筒邊緣）時，對場強(qiáng)畸變的影響較小，近乎于干燥時；2）浸水在高壓端（均壓筒邊緣）時，對場強(qiáng)畸變的影響較大，尤其是均壓筒邊緣附近的場強(qiáng)急劇變大（14.2 kV/cm），且足以誘發(fā)強(qiáng)烈的局部放電。因此，浸水后屏蔽筒內(nèi)壁均壓筒邊緣極易發(fā)生強(qiáng)烈的局放。

圖9 不同情況下屏蔽筒內(nèi)部表面電位分布

圖10 不同情況下屏蔽筒內(nèi)部表面電場強(qiáng)度分布

考慮到實際安裝情況，在運(yùn)的屏蔽筒并非完全水平，大多為傾斜安裝。因而，一旦屏蔽筒浸水后，微積水會先在內(nèi)部一端積攢，短期內(nèi)不會影響設(shè)備的安全運(yùn)行，但卻長期帶來因泄漏電流產(chǎn)生的熱致老化作用。當(dāng)遇到連綿雨季或強(qiáng)降雨時，浸水容易積累到均壓筒附近，產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部放電，進(jìn)而誘發(fā)閃絡(luò)擊穿，形成單相接地故障。

2.3 處理措施

文中全絕緣管母故障位于屏蔽筒內(nèi)。根據(jù)解體情況分析，故障原因為屏蔽筒內(nèi)腔浸水，源自防水帶失效。這種屏蔽筒結(jié)構(gòu)存在巨大的隱患缺陷：防水帶薄弱，長時耐候性差，容易造成內(nèi)腔壁浸水，導(dǎo)致高壓均壓筒與屏蔽筒內(nèi)壁之間發(fā)生強(qiáng)烈的局部放電，進(jìn)而發(fā)展為沿面擊穿。依據(jù)上述計算結(jié)果，該故障的根本原因在于：1）設(shè)備本體的絕緣配合設(shè)計缺陷，均壓筒與屏蔽筒之間的微小間隙是不合理；2）防水工藝的長時耐候性欠佳，在長時間運(yùn)行后滲水風(fēng)險極大，嚴(yán)重影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

對此，建議取消屏蔽筒結(jié)構(gòu)的連接方式，可改造為直接軟連接，或可按照全絕緣形式對中間接頭進(jìn)行現(xiàn)場繞包。改造前，可用紅外精確測溫、高頻電流法等帶電檢測方法加強(qiáng)監(jiān)測。

3 結(jié)語

文中以一例典型的主變低壓側(cè)10 kV全絕緣管型母線故障為例，通過故障解體、故障分析、理論分析等方法，研究了故障的深層原因，得出了如下結(jié)論：

1）該變電站低壓側(cè)10 kV全絕緣管型母線故障的直接原因為中間接頭的絕緣屏蔽筒浸水。

2）因屏蔽筒端部的防水層年久失效，水滲入屏蔽筒。早期防水工藝的長時耐候性欠佳，在長時間運(yùn)行后滲水風(fēng)險極大，嚴(yán)重影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

3）通過靜電場仿真計算，絕緣管母屏蔽筒的絕緣配合不合理。均壓筒與屏蔽筒之間的微小間隙是強(qiáng)場區(qū)，極易發(fā)生局部放電。一旦浸水，將發(fā)生強(qiáng)烈的局部放電，并發(fā)展為沿面閃絡(luò)。

4）滲水導(dǎo)致高壓均壓筒與絕緣屏蔽筒之間的場強(qiáng)進(jìn)一步畸變，尤其是均壓筒邊緣；而滲水對屏蔽筒兩端電場分布的影響微弱。

5）對全絕緣管型母線，建議加強(qiáng)帶電技術(shù)檢測，盡快完成改造。取消屏蔽筒結(jié)構(gòu)的中間接頭方式，可改造為直接軟連接，或可按照全絕緣形式對中間接頭進(jìn)行現(xiàn)場繞包。