淺談500kV斷路器瓷套管爆炸原因

霍建偉

摘要：套管在變壓器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期通過(guò)負(fù)載電流，當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路時(shí)，還要承載短路電流，因此必須具有規(guī)定的電氣強(qiáng)度和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還必須具有良好的熱穩(wěn)定性，能承受短路時(shí)的瞬間過(guò)熱。大型變壓器多采用電容式套管，這種套管以多層緊密配合的絕緣紙和鋁箔交錯(cuò)卷制成的電容芯子作為主絕緣。電容式套管分為膠紙電容式套管和油紙電容式套管兩大類。

關(guān)鍵詞：斷路器;瓷套管;炸裂;電場(chǎng)仿真計(jì)算

引言

高壓套管是高壓導(dǎo)體穿過(guò)與其電位不同的隔板，起絕緣和支持作用，是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，按照材料可分為瓷套管和復(fù)合絕緣子套管，蒙西電網(wǎng)500kV斷路器大部分使用的是瓷套管，瓷套管穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1套管結(jié)構(gòu)調(diào)研

1.1B廠家500kV斷路器套管設(shè)計(jì)情況

B廠家罐式斷路器所配瓷質(zhì)套管或復(fù)合套管外部為改善電場(chǎng)分布裝設(shè)了旋壓式（一體化）的超長(zhǎng)屏蔽罩。同時(shí)，B廠家所生產(chǎn)的罐式斷路器用套管形狀和高度均按照電壓等級(jí)的不同來(lái)設(shè)計(jì)，其500kV斷路器所配套管均為雙屏蔽結(jié)構(gòu)，整只套管由均壓環(huán)、中心導(dǎo)體、復(fù)合套管（瓷套管）、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐等構(gòu)成。接地屏蔽經(jīng)金屬法蘭與大地相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)地等電位;中間屏蔽由鋁質(zhì)材料制作而成，采用懸空設(shè)計(jì)，人為不施加電壓，起分壓作用，主要作用為使中心導(dǎo)體和接地屏蔽間的電場(chǎng)均勻分布。

為了保證所設(shè)計(jì)的套管滿足場(chǎng)強(qiáng)要求，B廠家設(shè)計(jì)人員利用ANSYS公司的Maxwell3D軟件對(duì)雙屏蔽結(jié)構(gòu)套管在雷電沖擊下的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明雙屏蔽結(jié)構(gòu)的瓷質(zhì)套管內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較高的部位主要集中在中間屏蔽層上，改變屏蔽層的高低和直徑都會(huì)對(duì)電場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，最終計(jì)算結(jié)果決定了套管內(nèi)部接地屏蔽和中間屏蔽的結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2A廠家500kV斷路器套管設(shè)計(jì)情況

A廠家供內(nèi)蒙古武川500kV變電站斷路器所使用的瓷質(zhì)套管與B廠家自主設(shè)計(jì)的瓷質(zhì)套管在結(jié)構(gòu)有所不同。其配套管采用單屏蔽結(jié)構(gòu)，即只有接地屏蔽而沒(méi)有中間屏蔽，且中心導(dǎo)體不是等徑的（導(dǎo)桿上部較粗，下部較細(xì)），套管內(nèi)部只有接地均壓屏，外部沒(méi)有均壓環(huán)。

2故障原因分析

2.1試驗(yàn)檢查情況

故障發(fā)生后，故障主變V、W相局部放電、油色譜、介損及電容量、低電壓阻抗、繞組變形、直流電阻等試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試數(shù)據(jù)縱橫比較均無(wú)異常。變電站內(nèi)2臺(tái)主變并列運(yùn)行，遭受同樣的大電流沖擊，因此停運(yùn)另一臺(tái)主變并進(jìn)行油色譜、介損及電容量、低電壓阻抗、繞組變形、直流電阻等試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試，縱橫比較均無(wú)異常。

2.2高壓套管爆炸故障誘因

故障主變自投運(yùn)以來(lái)，一直運(yùn)行良好。故障發(fā)生前，變壓器運(yùn)行及檢測(cè)（包括色譜檢測(cè)）記錄表明變壓器狀態(tài)良好。正常運(yùn)行條件下，變壓器不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性內(nèi)部故障。故障發(fā)生當(dāng)晚，變電站所在地區(qū)為雷雨天氣，氣溫20℃。該220kV開(kāi)關(guān)U相首先發(fā)生內(nèi)部接地故障，42ms后主變U相內(nèi)部發(fā)生故障?？梢?jiàn)，該開(kāi)關(guān)內(nèi)部U相接地故障是本次變壓器套管故障的直接誘因。

2.3電力電纜在非正常狀況下運(yùn)行

電力電纜的正常運(yùn)行狀態(tài)是指恒定負(fù)荷下的穩(wěn)定狀態(tài)，而在實(shí)際運(yùn)行中，電力電纜短時(shí)運(yùn)行、間歇運(yùn)行以及短路運(yùn)行均屬于常見(jiàn)的非正常工作狀態(tài)。短時(shí)運(yùn)行是指持續(xù)時(shí)間不足以使電纜達(dá)到溫度穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，在時(shí)間tb內(nèi)，給電纜施加一個(gè)Ib>Iz的恒定負(fù)載，之后的時(shí)間間歇又會(huì)使溫度降到加載前。間歇運(yùn)行是指在tb內(nèi)，有一穩(wěn)定負(fù)載Ib>Iz之后有一個(gè)間歇期，如此不斷進(jìn)行周期運(yùn)行。而短路運(yùn)行這種故障狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線壽命的縮短和導(dǎo)線線路及電纜附件的額外負(fù)荷。非正常工作下的電纜會(huì)使絕緣發(fā)生老化，直接影響電纜爆炸的產(chǎn)生。

當(dāng)電力電纜在運(yùn)行過(guò)程中遭受過(guò)電壓，短路電流的沖擊，便不可避免的造成電纜發(fā)生爆炸起火。電纜終端地線引出處絕緣燒熔炭化現(xiàn)象，是由于電纜本體發(fā)生接地故障后，地線中流過(guò)短路電流，因該處地線焊接不良，而導(dǎo)致局部過(guò)熱所致。有研究者利用有限元方法初略研究了電纜頭內(nèi)部界面上存在雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，沿雜質(zhì)會(huì)形成放電通道。分析認(rèn)為主要原因是三相不平衡電流在鎧裝鋼帶中產(chǎn)生渦流發(fā)熱而使絕緣損壞（實(shí)際監(jiān)測(cè)設(shè)備的三相電流確實(shí)是不平衡）。在載流導(dǎo)體周圍存在著磁場(chǎng)，且磁力線與通過(guò)載流導(dǎo)體的電流成正比。當(dāng)通過(guò)三芯電纜的電流不平衡時(shí)，在鋼帶中將產(chǎn)生交變磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在鋼帶中將產(chǎn)生渦流使電纜發(fā)熱。不平衡電流越大，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)越大，那么電纜發(fā)熱也就越嚴(yán)重。

2.4中壓電網(wǎng)常見(jiàn)的過(guò)電壓類型

中壓電網(wǎng)的過(guò)電壓可分為外部過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓。外部過(guò)電壓主要是由于雷擊引起的，本文不作詳細(xì)敘述。內(nèi)部過(guò)電壓通常包括操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。在故障或操作時(shí)瞬間發(fā)生的稱為操作過(guò)電壓，它具有持續(xù)時(shí)間較短，在幾十毫秒以內(nèi)，幅值較高特點(diǎn)，此種過(guò)電壓可以分為4種：（1）中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)的弧光接地過(guò)電壓;（2）空載線路或電容性負(fù)荷的拉閘過(guò)電壓;（3）切除電感性負(fù)荷或空載變壓器的過(guò)電壓;（4）空載線路的合閘過(guò)電壓。

3確保帶電作業(yè)人員安全的建議和措施

在具有配網(wǎng)自動(dòng)化功能線路上進(jìn)行配網(wǎng)不停電作業(yè)，為了確保作業(yè)安全，建議從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、作業(yè)方法改進(jìn)和作業(yè)人員培訓(xùn)等方面采取措施。

（1）在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造中，參照2016年版國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)（10kV架空線路分冊(cè)），在電壓互感器（TV）和10kV線路間安裝跌落式熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)，避免裝置性違章。

（2）不具備典設(shè)改造條件的電桿，建議選用集成了固體絕緣電容分壓式電壓傳感器的智能開(kāi)關(guān)，電壓傳感器的電容量小、電流小，且少了外置的電壓互感器和跌落式熔斷器等設(shè)備以及相應(yīng)的引線，裝置結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，即滿足帶電作業(yè)安全條件，又為帶電作業(yè)創(chuàng)造了作業(yè)空間。

（3）建議采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器或電容式電壓互感器。勵(lì)磁特性好的互感器鐵芯不易飽和，可以避免出現(xiàn)諧振，其勵(lì)磁特性曲線近似于線性，電容式電壓互感器是屬于電容性質(zhì)的負(fù)載，可應(yīng)用與易發(fā)生鐵磁諧振的場(chǎng)合。

（4）在進(jìn)行帶電斷接引線前，斗內(nèi)電工先對(duì)TV進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，確保相-相和相-地的絕緣電阻滿足規(guī)程要求，避免因設(shè)備絕緣老化或不合格引進(jìn)的TV爆炸。據(jù)悉山東某電力公司采取此方法后，TV爆炸的事故大大減少。

（5）線路不滿足國(guó)網(wǎng)典型設(shè)計(jì)時(shí)，不進(jìn)行帶TV帶電斷接引線，否則，應(yīng)使用帶電作業(yè)專用的消弧開(kāi)關(guān)，或采用“絕緣斗臂車+絕緣操作桿”相結(jié)合的方式。使作業(yè)人員遠(yuǎn)離斷接點(diǎn)以避免激磁電流或過(guò)電壓的影響。

結(jié)語(yǔ)

此次套管爆炸故障是由套管熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和變壓器承載短路電流能力不足造成的。為避免此類事故再次發(fā)生，首先，生產(chǎn)廠家應(yīng)提高套管和變壓器的制造工藝和選材質(zhì)量，認(rèn)真落實(shí)各項(xiàng)反事故措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量;其次，設(shè)備運(yùn)維單位應(yīng)加強(qiáng)套管和變壓器的技術(shù)監(jiān)督工作，采用在線監(jiān)測(cè)和紅外測(cè)溫等技術(shù)手段掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，做好運(yùn)維工作，確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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