110kV盆式絕緣子法蘭金屬缺陷局部放電分析

李文昊

摘要：我國電力運營產(chǎn)業(yè)逐步走上高速發(fā)展道路，針對電網(wǎng)線路的安全運營進行分析，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子設(shè)備間斷性發(fā)生局部放電情況，不利于保持電網(wǎng)運營的安全性。本文對局放不穩(wěn)定現(xiàn)象做出原因查找，并采用有限元的仿真方法驗證分析，確認帶金屬法蘭的盆式絕緣子由于澆注體和法蘭之間存在氣隙分布不均情況，導致局放不穩(wěn)，為解決該問題，提出可行的調(diào)節(jié)方案。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)運營;盆式絕緣子;局放不穩(wěn)定

1 查找局放不穩(wěn)定現(xiàn)象原因

在帶有法蘭且未使用全屏蔽內(nèi)環(huán)的設(shè)備生產(chǎn)完畢后，需要對110kV盆式絕緣子做以細致的局部放電檢查，對出廠檢測合格產(chǎn)品進行安裝后的再次檢測，多次檢測保障其功用穩(wěn)定。當在出廠、運輸、安裝等流程下發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品時，需要立即返廠重新處理，處理結(jié)束再次接受局放檢查，合格后方可出廠。

針對不合格盆式絕緣子做出缺陷故障排查措施，比如使用X光透視，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)外并無氣泡等雜質(zhì)問題缺陷出現(xiàn)，但發(fā)現(xiàn)另一批次不帶有法蘭結(jié)構(gòu)、附帶全屏蔽內(nèi)環(huán)的設(shè)備通過率較高，幾乎沒有不合格產(chǎn)品出現(xiàn)。因此對法蘭結(jié)構(gòu)和全屏蔽內(nèi)環(huán)做出設(shè)計結(jié)構(gòu)、施工安裝、應用原理等因素下的分析，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子會因為澆注材料發(fā)生收縮情況，導致外圈法蘭結(jié)構(gòu)將會在澆注完成后，與澆筑體之間存在縫隙，且該縫隙各處數(shù)值并不均勻，實踐運行中該縫隙內(nèi)將充滿空氣。當對該縫隙內(nèi)充入六氟化硫時，局放檢查結(jié)果均合格，由此可推測，空氣縫隙將產(chǎn)生設(shè)備的局放不穩(wěn)定后果。

屏蔽內(nèi)環(huán)主要負責將空氣屏蔽在外，而產(chǎn)生局放不穩(wěn)定則正是由于法蘭和澆注體間存在空氣縫隙，因此可作出如下檢測驗證推斷。第一，絕緣子設(shè)備的不同批次產(chǎn)物進行比較，發(fā)現(xiàn)有無屏蔽內(nèi)環(huán)和屏蔽范圍等因素將會對局放檢查結(jié)果產(chǎn)生一定影響，全屏蔽內(nèi)環(huán)將很少出現(xiàn)局放現(xiàn)象。第二，當法蘭和澆注體中間出現(xiàn)縫隙且填滿空氣后，局放現(xiàn)象比例較大;將縫隙內(nèi)填充六氟化硫，則局放檢查合格[1]。

2 電場仿真計算分析

對盆式絕緣子進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)局放檢查結(jié)果，對不穩(wěn)定區(qū)域的位置做出標記，針對該位置探究其故障原因，進行有限元的電場仿真分析，提出三個仿真方案，并結(jié)合理論分析方案的適用性。方案一采用仿照實際生產(chǎn)的方法，在圖紙上模擬電場進行分析，以設(shè)計中的正確安裝模型為例，做以準確數(shù)值探究。方案二是采用人為措施，直接在模擬路徑中建立因安裝不規(guī)范導致的法蘭金屬缺陷，對該模型進行仿真數(shù)值分析。方案三則是對全屏蔽內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)下的盆式絕緣子進行模型仿真，計算其數(shù)值。

在該仿真計算過程中，應控制變量，首先保證加載電壓、導體都采用同一規(guī)格，比如加載導體電壓為425kV環(huán)境下進行測試。另外要將屏蔽環(huán)和法蘭皆加載電壓為0伏特，并控制模擬中的氣息寬度為1.5毫米。方案一和二采用的是部分屏蔽結(jié)構(gòu)下的內(nèi)環(huán)裝置，其內(nèi)環(huán)弧角也要保持統(tǒng)一，該方案中設(shè)置為80°，方案三使用全屏蔽的內(nèi)環(huán)。

方案一，根據(jù)電場仿真結(jié)果計算，局放異常的疑似部位其場強數(shù)值最大可達到2.52kV/mm，而且檢出位置主要位于未施加屏蔽范圍之中。在實際生產(chǎn)圖紙中的空氣設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)值為3.00kV/mm，因該仿真計算數(shù)值遠遠小于標準要求，所以在其電場驗證中可知設(shè)計及理想實踐階段并無問題。

方案二，該方案下選用了三種不同的法蘭錯誤安裝方式，對其分別做出仿真計算，采用的區(qū)分辦法是利用螺栓結(jié)構(gòu)控制不同安裝方式下的氣隙分布情況。第一種方法是將兩個螺栓分別以180°、140°角度相對方向鎖緊，鎖緊距離需要比正常情況下的數(shù)值較短一些，由此便可將偏移氣隙變小。第二種方法僅僅將一個螺栓用140°角度鎖緊，其鎖緊距離也比正常數(shù)值要小。第三種方式將兩個螺栓用140°和120°相同方向進行鎖緊，距離短于正常鎖緊且減少氣隙。

第一種方法在120°偏移的方案仿真結(jié)果中，當偏移量超過0.6mm（即沒有屏蔽范圍內(nèi)的縫隙氣隙最小的寬度小于0.9mm）時，疑似問題部位的的最大場強值超過縫隙氣隙設(shè)計基準值3kV/mm（縫隙氣隙實為空氣），不符合設(shè)計要求[2]。第二種方法在140°偏移的方案仿真結(jié)果中，當偏移量超過0.4mm（即沒有屏蔽范圍內(nèi)的縫隙氣隙最小的寬度小于1.1mm）時，疑似問題部位的最大場強值超過縫隙氣隙設(shè)計基準值3 kV/mm，不符合設(shè)計要求。第三種方法在180°偏移的方案仿真結(jié)果中，當偏移量超過0.6mm（即沒有屏蔽范圍內(nèi)的縫隙氣隙最小的寬度小于0.9mm）時，疑似部位的最大場強值超過縫隙氣隙設(shè)計基準值3 kV/mm，不符合設(shè)計要求。根據(jù)方案二的模擬數(shù)據(jù)，在法蘭安裝過程中，當設(shè)計要求一定時，為達到設(shè)計需求的規(guī)定，需要將未屏蔽部位范圍中的縫隙寬度大于1.1毫米。

方案三，將盆式絕緣子進行內(nèi)部的全屏蔽生產(chǎn)設(shè)計，對其模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)值設(shè)置與方案二相同，分別為120°、140°、180°的偏移情況，由此得出了仿真計算結(jié)果，不同偏移角度將取得不同的偏移量，由此帶來了不同數(shù)值的最大場強數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，當使用全屏蔽內(nèi)環(huán)作為分析對象時，其電場數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相對平和趨勢發(fā)展，有效優(yōu)化了縫隙部位的電場表現(xiàn)性能，在所有的電場數(shù)據(jù)中，都小于3.00kV/mm，即符合設(shè)計基準值的要求。

3 分析結(jié)果試驗驗證

仿真計算結(jié)果得出后，選取8只不合格的設(shè)備再次進行局放檢查，并按照上述結(jié)論進行調(diào)整，以此驗證分析結(jié)果的適用性。對盆式絕緣子按照統(tǒng)一的測試方法進行測試，其測試結(jié)果都由不合格變?yōu)楹细?。取其?只測試為例，該盆式絕緣子在最后一次測試為不合格時，其B相未屏蔽部分氣隙最小處為0.53mm，通過工頻耐壓局放測試，其局放測試圖譜不符合設(shè)計標準。起始放電電壓為251 kV，測試的局放量為20pC，大于2pC的設(shè)計要求值，試驗結(jié)論為不合格。

通過使用螺栓設(shè)備對其氣隙分布進行調(diào)節(jié)，將范圍內(nèi)分布變得均勻，此時測得氣隙的平均寬度是1.48毫米，繼而將其經(jīng)過工頻耐壓的局部放電檢測，其檢測圖譜的數(shù)值顯示符合設(shè)計標準。經(jīng)測試該絕緣子局放量為0.76pC，小于2pC的設(shè)計要求值，試驗結(jié)論為合格。另外檢測了全屏蔽內(nèi)環(huán)下的16只設(shè)備，經(jīng)多次反復檢查，局放檢測數(shù)值均為合格。

結(jié)論：綜上，通過仿真計算的分析過程，可確定局部放電的偶發(fā)現(xiàn)象主要原因是設(shè)備澆注體和法蘭中間氣隙構(gòu)造不均，由此導致局放不穩(wěn)定。根據(jù)解決方案所示方法，處于屏蔽內(nèi)環(huán)盲區(qū)范圍內(nèi)，金屬法蘭作用效果將會受到安裝質(zhì)量的影響，其中偏移量越大將會造成的局放情況影響力便越大。針對上述問題，將已生產(chǎn)盆式絕緣子進行設(shè)備調(diào)節(jié)，使用螺栓設(shè)備來將法蘭氣隙均勻程度做以優(yōu)化，可在危害發(fā)生前期做以預防;若想根本性解決該問題，需要將盆式絕緣子的生產(chǎn)構(gòu)造加以改變，使用全屏蔽內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)來杜絕局放不穩(wěn)定問題。

參考文獻

[1]黃國良，鄭皓元，錢昊等.GIS設(shè)備內(nèi)部盆式絕緣子放電缺陷的現(xiàn)場分析[J].湖南電力，2018，38（03）：53-56.

[2]吳娜. 高壓盆式絕緣子電場優(yōu)化研究[D].上海電力學院，2017.

河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南?467000