淺談500 kV斷路器瓷套管爆炸原因

牛 會

(內(nèi)蒙超高壓供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

內(nèi)蒙古超高壓供電局500 kV變電站2015年8月和2016年12月接連發(fā)生兩起斷路器瓷套管炸裂造成的變電站跳閘事故。高壓套管是高壓導(dǎo)體穿過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)500 kV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

1.1 B廠家500 kV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分布裝設(shè)了旋壓式(一體化)的超長屏蔽罩。同時，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的不同來設(shè)計(jì)，其500 kV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均勻分布。

為了保證所設(shè)計(jì)的套管滿足場強(qiáng)要求，B廠家設(shè)計(jì)人員利用ANSYS公司的Maxwell 3D軟件對雙屏蔽結(jié)構(gòu)套管在雷電沖擊下的內(nèi)部場強(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對電場的分布產(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。

1.2 A廠家500 kV斷路器套管設(shè)計(jì)情況

A廠家供內(nèi)蒙古武川500 kV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，外部沒有均壓環(huán)。

1.3 C廠家500 kV瓷質(zhì)套管情況

C廠家所供國內(nèi)各大開關(guān)廠500 kV瓷質(zhì)套管的結(jié)構(gòu)尺寸均由各開關(guān)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)。其中，供B廠家500 kV斷路器所配瓷質(zhì)套管高度為4.9 m、下口內(nèi)徑為460 mm、上口內(nèi)徑為130 mm，供A廠家500 kV斷路器所配瓷質(zhì)套管高度為4.6 m、下口內(nèi)徑為490 mm、上口內(nèi)徑為120 mm。

A廠家供內(nèi)蒙古超高壓供電局武川站500 kV斷路器所配瓷質(zhì)套管的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)蜑锳廠家所采用的歐洲420 kV電壓等級設(shè)計(jì)，裕度可能較小。在極端條件下，容易發(fā)生閃絡(luò)，而且套管外部沒有均壓環(huán)，采用單屏蔽結(jié)構(gòu)也會降低屏蔽作用。以上可能是構(gòu)成斷路器套管不能穩(wěn)定運(yùn)行的不利因素。

1.4 D廠家500 kV斷路器套管設(shè)計(jì)分析情況

D廠家技術(shù)人員在考慮瓷質(zhì)套管各環(huán)節(jié)出廠試驗(yàn)的嚴(yán)格性后，認(rèn)為套管炸裂的可能原因是電。技術(shù)人員指出：歐洲電氣設(shè)備較小型化，日本的電氣產(chǎn)品對抗震性能要求較高，而A廠家的電氣裕度雖較小，但極端不合理的情況很少出現(xiàn)；在氣溫較低的情況下，電場強(qiáng)度會受到影響，但是六氟化硫的分子數(shù)沒有變，而起絕緣能力的關(guān)鍵是六氟化硫的分子數(shù)量。技術(shù)人員提醒較低氣溫可能會引起六氟化硫液化，套管頂部的六氟化硫分子數(shù)量會減少。在日本的伊敏電廠(音譯)曾有過類似事故，一致認(rèn)為六氟化硫液化對瓷套內(nèi)壓力產(chǎn)生影響是事故的主要原因；對于A廠家中心導(dǎo)體內(nèi)徑不一致的原因，技術(shù)人員分析可能有散熱的因素，內(nèi)徑越大，散熱效果越好。套管單屏蔽和雙屏蔽相比，單屏蔽通關(guān)產(chǎn)品的制造、運(yùn)輸、安裝比雙屏蔽產(chǎn)品要簡單，雙屏蔽套管工藝復(fù)雜，但是對電場的優(yōu)化優(yōu)于單屏蔽。

2 套管電場強(qiáng)度有限元分析

單屏蔽套管結(jié)構(gòu)簡單、安裝制作方便、成本較低，經(jīng)過對單屏蔽套管場強(qiáng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)單屏蔽套管場強(qiáng)較雙屏蔽套管大、難以滿足設(shè)計(jì)要求。國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的500 kV單雙屏蔽套管某型號瓷質(zhì)管場強(qiáng)分布仿真計(jì)算結(jié)果詳如表1，2。對國內(nèi)某型號套管在無內(nèi)屏蔽電極、單層接地電極及雙層屏蔽電極3種情況的電位分布進(jìn)行分析。

表1 電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及許用值 kV/cm

無內(nèi)屏蔽電極時接地法蘭附近等位線較為密集，空心絕緣子表面場強(qiáng)較高。內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)的作用是強(qiáng)制性地將約50 %的電位控制在空心絕緣子中部。由表1和表2以及電位可以看出雙屏蔽套管均壓效果更好，絕緣裕度大于單屏蔽。

表2 額定相電壓下電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及許用值 kV/cm

3 結(jié)語

A廠家設(shè)計(jì)的瓷套管采用單屏蔽結(jié)構(gòu)，只有接地屏蔽而沒有中間屏蔽，中間屏蔽的作用主要是使中心導(dǎo)體和接地屏蔽間的電場均勻分布，電場仿真發(fā)現(xiàn)單屏蔽場強(qiáng)高于雙屏蔽；另外，A廠家設(shè)計(jì)的瓷套管偏短，瓷套管絕緣距離短，出口端無均壓環(huán)，其設(shè)計(jì)的瓷套管裕量偏小。電場分布不均勻帶來的局部高場強(qiáng)和套管裕量偏小會大大增加運(yùn)行中瓷套管絕緣出現(xiàn)放電故障的概率。