一起500kV復(fù)合絕緣子操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)對(duì)地閃絡(luò)事件分析

呂 禹 余榮興 雷鳴東 陳超泉

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司大理局，云南 大理 671000）

0 引言

±800kV特高壓新東直流輸電工程的送端新松換流站位于海拔2 328m的云南劍川縣，是全世界海拔最高的特高壓直流換流站。在云貴高原地區(qū)，由于空氣稀薄，太陽(yáng)中較多的紫外線可以穿過(guò)大氣層到達(dá)地面，紫外線輻射強(qiáng)度較大，年紫外線輻射總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，在此地區(qū)運(yùn)行的戶(hù)外有機(jī)絕緣子在強(qiáng)紫外線的輻射下對(duì)復(fù)合絕緣子表面會(huì)產(chǎn)生老化作用，降低表面憎水性，導(dǎo)致絕緣性能急劇下降，甚至引發(fā)閃絡(luò)事故，造成巨大損失[1]。因此，500kV交流復(fù)合絕緣子在海拔2 328m的特高壓換流站使用，對(duì)其性能要求更加苛刻。

復(fù)合絕緣子的耐污閃能力較強(qiáng)，在保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和推動(dòng)我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了顯著作用[2]。至今為止，我國(guó)輸變電設(shè)備中已成功地使用了復(fù)合絕緣子約200萬(wàn)支，大大提高了輸變電設(shè)備安全運(yùn)行可靠性[3]。電力系統(tǒng)內(nèi)因復(fù)合絕緣子故障導(dǎo)致的事件時(shí)有發(fā)生，例如，2016年云南某換流站發(fā)生多次復(fù)合絕緣子絕緣下降導(dǎo)致的跳閘事件，該事件發(fā)生的原因是生產(chǎn)工藝不符合要求，最終該批復(fù)合絕緣子全部更換，增加了運(yùn)維難度和停電檢修時(shí)間。因此，復(fù)合絕緣子在生產(chǎn)和出廠試驗(yàn)的過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷須引起重視，通過(guò)出廠監(jiān)造及試驗(yàn)減少電力系統(tǒng)事故的發(fā)生。

1 某換流站復(fù)合絕緣子操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)過(guò)程

1）試品信息

設(shè)備類(lèi)型為 GIS設(shè)備用復(fù)合絕緣子，規(guī)格為φ446mm×φ470mm×6 000mm，電壓等級(jí)為 550kV。

2）試驗(yàn)項(xiàng)目

操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)等級(jí)為 1 495kV，試驗(yàn)次數(shù)為正負(fù)極性各15次。

3）試驗(yàn)過(guò)程

第一次試驗(yàn)：2017年3月在某科學(xué)研究院電力高壓試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)，正極性第10次及第11次連續(xù)出現(xiàn)外部對(duì)地閃絡(luò)，試驗(yàn)停止?，F(xiàn)場(chǎng)初步分析可能引起對(duì)地閃絡(luò)的原因?yàn)榫鶋涵h(huán)安裝的方式及高壓引線接線方式。

第二次試驗(yàn)：現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)均壓環(huán)安裝的方式及高壓引線接線進(jìn)行調(diào)整重新進(jìn)行試驗(yàn)，分別進(jìn)行了4次正極性操作沖擊試驗(yàn)，其中1 440kV耐受、1 498kV對(duì)地閃絡(luò)、1 503kV耐受、1 495kV對(duì)地閃絡(luò)，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)每次外閃放電路徑均從均壓環(huán)斜向外側(cè)打在地面上，試驗(yàn)停止。后續(xù)試驗(yàn)將先在復(fù)合絕緣子廠家驗(yàn)證，再到某科學(xué)研究院進(jìn)行試驗(yàn)。

第三次試驗(yàn)：將另外1只相同型號(hào)產(chǎn)品安裝于地面上，在復(fù)合絕緣子廠家的電力高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行正極性 5次操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)，其中1 494kV對(duì)地閃絡(luò)、1 502kV對(duì)地閃絡(luò)、1 503kV耐受、1 503kV對(duì)地閃絡(luò)、1 490kV對(duì)地閃絡(luò)。技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，每次外閃放電路徑均從均壓環(huán)斜向外側(cè)打在地面上，與前兩次試驗(yàn)現(xiàn)象相同。分析原因可能是由于未安裝與套管匹配的試驗(yàn)工裝進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 600137《交流電壓高于1 000V的絕緣套管》試驗(yàn)規(guī)定，套管應(yīng)安裝在一接地平臺(tái)上，該接地平臺(tái)應(yīng)從套管的軸線沿套管的徑向方向至少伸出0.4L（L為套管的干弧距離）[4]。

第四次試驗(yàn)：將第三次試驗(yàn)的同一根產(chǎn)品與試驗(yàn)工裝對(duì)接后安裝于地面上，在廠內(nèi)進(jìn)行正負(fù)極性各15次操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)，均未出現(xiàn)閃絡(luò)情況。由于復(fù)合絕緣子廠家無(wú)相關(guān)試驗(yàn)資質(zhì)，需有資質(zhì)單位開(kāi)展第五次試驗(yàn)驗(yàn)證。

第五次試驗(yàn)：將某科學(xué)研究院使用的復(fù)合絕緣子試品與試驗(yàn)工裝對(duì)接安裝于地面上，在電力高壓試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行正負(fù)極性各 15次操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)，均未出現(xiàn)閃絡(luò)情況，試驗(yàn)通過(guò)。

有無(wú)試驗(yàn)工裝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響見(jiàn)表 1，試驗(yàn)時(shí)有無(wú)工裝筒對(duì)比如圖1所示。

表1 有無(wú)試驗(yàn)工裝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖1 試驗(yàn)時(shí)有無(wú)工裝筒對(duì)比

2 對(duì)地閃絡(luò)原因分析及試驗(yàn)改進(jìn)措施研究

本次試驗(yàn)為復(fù)合絕緣子在直流工作電壓的作用下，復(fù)合絕緣子均壓環(huán)對(duì)接地體的放電特性，大致可由和棒-棒間隙或正極性棒-板間隙的直流放電特性來(lái)確定[5]。將試驗(yàn)簡(jiǎn)化后，試驗(yàn)可以等效為正棒-板電極模型和正棒-棒電極模型。試驗(yàn)及初步原因分析過(guò)程見(jiàn)表2。試驗(yàn)等效簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

表2 試驗(yàn)及初步原因分析過(guò)程

首次操作沖擊干耐受試驗(yàn)，等效正棒-負(fù)板電極模型；第二次操作沖擊干耐受試驗(yàn)，未改變電極方式，試驗(yàn)現(xiàn)象與首次試驗(yàn)相同，因此，對(duì)地發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象不是由于均壓環(huán)安裝的方式及高壓引線接線導(dǎo)致；第三次和前兩次試驗(yàn)結(jié)果相同，并非由于復(fù)合絕緣子個(gè)體差異導(dǎo)致；第四、五次試驗(yàn)均為復(fù)合絕緣子與試驗(yàn)工裝對(duì)接后進(jìn)行試驗(yàn)，未發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)現(xiàn)象，此時(shí)試驗(yàn)可以等效為正棒-棒電極模型。

圖2 試驗(yàn)等效簡(jiǎn)化模型

從圖2可以看出，第一、二、三次試驗(yàn)與第四、五次試驗(yàn)分別存在均壓環(huán)對(duì)地面的放電路徑1和均壓環(huán)對(duì)下法蘭的放電路徑 2，路徑 1可以等效為正棒-板電極，路徑 2可以等效為正棒-棒電極，操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)時(shí)放電路徑取決于不同路徑的耐受沖擊電壓絕緣強(qiáng)度。操作沖擊電壓下，空間電荷對(duì)間隙放電路徑有影響[6]。

圖 3為棒-板和棒-棒空氣間隙在波形為 500kV/2 500μs的操作沖擊下的U50%與間隙距離的關(guān)系[7]。從圖3中可知，正棒-棒空氣間隙的50%操作沖擊耐受電壓明顯比正棒-板空氣間隙的 50%操作沖擊耐受電壓高。

圖3 操作沖擊電壓（500kV/2 500μs）作用下棒-板及棒-棒空氣間隙的50%擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系

當(dāng)時(shí)試驗(yàn)布置為正棒-板時(shí)，路徑1操作沖擊耐受電壓低于路徑2耐受電壓值，因此閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，放電通道沿路徑1發(fā)展，與高壓試驗(yàn)大廳觀察放電路徑一致。此時(shí)考核的外絕緣并非復(fù)合絕緣子干弧距離的絕緣強(qiáng)度，而是復(fù)合絕緣子均壓環(huán)對(duì)地的絕緣強(qiáng)度，不符合本次試驗(yàn)考核復(fù)合絕緣子均壓環(huán)對(duì)下法蘭干弧距離絕緣的目的。

當(dāng)試驗(yàn)布置改為正棒-棒時(shí)，增加了路徑1的間隙長(zhǎng)度，路徑1操作干耐受電壓水平升高，此時(shí)路徑2間隙長(zhǎng)度未發(fā)生改變，路徑2操作耐受電壓水平不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)試驗(yàn)工裝筒增加到足夠高，使路徑1操作耐受電壓高于路徑2時(shí)，放電將發(fā)生在路徑2上，此時(shí)考核的外絕緣為復(fù)合絕緣子的干弧距離是否足夠，即考核均壓環(huán)對(duì)下法蘭的操作干耐受電壓。

當(dāng)復(fù)合絕緣子均壓環(huán)對(duì)下法蘭和對(duì)地的絕緣強(qiáng)度足夠時(shí)，在進(jìn)行操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)時(shí)則不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，證明復(fù)合絕緣子通過(guò)了操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)生閃絡(luò)原因分析見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)發(fā)生閃絡(luò)原因分析

3 復(fù)合絕緣子現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)

復(fù)合絕緣子在換流站現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖4所示，交流進(jìn)線側(cè)復(fù)合絕緣子距離大地5.14m，交流出線側(cè)復(fù)合絕緣子距離大地4.94m，復(fù)合絕緣子的安裝方式符合棒-棒電極模型。

圖4 復(fù)合絕緣子現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

4 結(jié)論

1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 600137《交流電壓高于1 000V的絕緣套管》對(duì)復(fù)合絕緣子的操作沖擊干耐受試驗(yàn)的方法進(jìn)行了規(guī)范和明確，增加工裝底座的方法符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。某工程最終通過(guò)加裝試驗(yàn)工裝，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?，?yàn)證了該換流站500kV交流GIS用復(fù)合絕緣子質(zhì)量符合要求，為該換流站復(fù)合絕緣子日后穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2）從電氣原理上分析，本試驗(yàn)發(fā)生的直接原因是由于均壓環(huán)對(duì)地操作沖擊干耐受電壓小于均壓環(huán)對(duì)下法蘭的操作沖擊干耐受電壓，根本原因是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)人員對(duì)試驗(yàn)方法考慮不足，未提前做好試驗(yàn)預(yù)想，最終使試驗(yàn)延期，延誤相關(guān)廠家生產(chǎn)進(jìn)度。本試驗(yàn)過(guò)程分析及得出的結(jié)論，為以后相關(guān)工程復(fù)合絕緣子操作沖擊干耐受電壓試驗(yàn)提供了良好的經(jīng)驗(yàn)。

3）復(fù)合絕緣子試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響巨大。經(jīng)驗(yàn)表明，試驗(yàn)結(jié)果不正常，不一定是試驗(yàn)試品存在質(zhì)量問(wèn)題，也有可能是試驗(yàn)方法的差異引起的。這需要試驗(yàn)者認(rèn)真掌握每一項(xiàng)試驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)原理。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的異常進(jìn)行認(rèn)真分析和總結(jié)，使試驗(yàn)切實(shí)達(dá)到預(yù)期檢測(cè)目的。