絕緣管母線中間接頭故障及解決措施

國網西安供電公司 金 凱

1 引言

隨著我國電力能源消耗量不斷增加，用電負荷的不斷加劇以及土地資源的日益緊張，對6～35kV的變電所載流器容量大、體積小、布局緊湊等問題提出了更高的要求。在這種情況下，絕緣管母線依靠自身載流量高、機械性能強、絕緣性能好、占地面積小等優(yōu)點被越來越多采用和開發(fā)。

2 絕緣母線應用現狀分析

絕緣管母線采用了同軸電容原理，具體為用銅管子做導線，將絕緣材料注入銅管內。絕緣管的母線有纏繞式、擠包式和澆注式等三種類型。由于繞包絕緣管的局部放電較難控制，所以在野外較少使用；擠出型和澆注成型的絕緣管是目前較為常用的一種。在導體連接方式、中間接頭和末端的絕緣設計上，不同廠家的產品類型也不盡相同。綜合考慮生產、運輸、安裝等方面的考慮，目前所用的絕緣管母線，其長度通常不會超過10m，并在工地上用中間接頭進行連接。我國開始應用絕緣母線時間相對較短，在絕緣母線的設計、生產、安裝、質檢以及運維等方面都需要進行不斷優(yōu)化和完善[1]。

目前，我國一些大型城市已開始大面積推廣使用環(huán)氧澆注絕緣管母線，但在投入使用一段時間后，發(fā)生多起斷開、燒毀等事故。由于絕緣管的母線失效，不但會導致大范圍的斷電，還會導致變壓器、開關柜等主要設備的損壞，從而對電力系統(tǒng)的安全性和可靠性產生不利的影響。針對上述問題，對絕緣管母線中間接合部位的失效進行了分析，并提出了相應的解決措施，為保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行具有一定的借鑒意義[2]。

3 導致絕緣管母線中間接頭失效原因分析

3.1 絕緣管母線中間連接件的構造

典型的預制絕緣管母線中間接頭的構造如圖1所示，其由一端密封法蘭、一絕緣筒、一彈簧觸指組成。在此基礎上，在保溫管的內部，通常使用環(huán)氧樹脂澆鑄，并在其內部設置了一個金屬護套，以達到均勻絕緣管的軟接點上的電場強度[3]。

圖1 絕緣管母線中間接頭結構圖

3.2 絕緣管母線中間連接處的失效原因分析

某地區(qū)220kV地下變電所3號主變220kV側開關在2016年7月發(fā)生故障。經現場調查，在3樓3主變35kV 5段絕緣管母線一根垂直安裝的中間接頭出現了放電現象。經現場調查，在3樓3主變35kV 5段絕緣管母線一根垂直安裝的中間接頭出現了放電現象。中間接頭在3號主變35kV 5段開關倉下面，三相連接的外部保護層都被燒毀、斷裂，頂部的頂棚被熏成焦炭，A相連接的二次線也有很多地方被燒毀。

這部分的絕緣管母線位于地下室。事故發(fā)生時正值當地的梅雨季節(jié)，地下室內的平均濕度達到82%，同時出現了大量的露水。由于失效相燒損較大，經認真檢查A、C相后，發(fā)現其連接絕緣管的端面密封狀況不理想，端面密封法蘭有凝結水，密封環(huán)有明顯的變形，并有水跡滲入密封環(huán)。B相端部法蘭上的密封環(huán)穿透水漬較為明顯，由此推斷，B相失效是由于密封較差造成的濕氣滲入了絕緣筒體內部，造成了絕緣等級的降低。從失效的情況來看，應該是在絕熱圓筒內的凝結水沿內壁滑落，使下法蘭接點出現了閃絡。

在絕緣管的母線中間連接處，容易發(fā)生失效。根據筆者對該區(qū)域5年來的電力故障事故調查數據進行分析后發(fā)現，在絕緣管母線失效中，節(jié)點失效占80%以上。主要有端部閃絡、過熱引起的設備絕緣老化、加速老化等。對接合位置的失效通過對其共性的分析，得出了以下幾點原因。

一是絕緣管母線匯流端的爬電比距非常短，根據電力《十八項反措實施細則》（2018）中的要求可知，絕緣管母線端口的爬電比距不得低于20mm/kV。二是絕緣管母線中間區(qū)域的密封性不足。由于受潮、結露等原因，主絕緣層的絕緣性能急劇降低，并產生局部放電，如果初始電壓驟降至正常工作時電壓，此時依然呈現局部放電狀態(tài)，會在絕緣管母線的高壓部分產生閃絡。

目前，有關絕緣管母線失效的研究多集中在電磁場分析和結構改進上[4]，尤其是在絕緣管母線連接部位，因其結構復雜，容易產生內部電場畸變。本文主要側重于改善電場的分布，較少涉及爬電比距離，從而忽視了爬電比距離的影響。根據現場使用經驗，特別是當絕緣管的母線污垢、受潮、結露時，爬電比距離會嚴重影響到放電和擊穿。

4 絕緣套管中間連接件的改進

如要想進一步減少絕緣管母線中間接頭區(qū)域的失效率，提升爬電比距，提高防潮能力，需要對其加以改造。

4.1 新型傘裙構造

筆者在分析絕緣管母線中間接頭區(qū)域的結構之后，分析出絕緣管母線末端和接地屏之間爬電比距為206mm。一般情況下，標稱電壓35kV的絕緣管母線額定電壓為40.5kV，爬電比距為6.4mm/kV，如果想要確保絕緣管母線的爬電比距符合規(guī)定，則要求絕緣管母線和接地屏的爬電比距在810mm左右，故筆者嘗試在絕緣管母線連接端及屏蔽筒內壁增設絕緣傘裙，以此來增加爬電比距，如圖2所示。

圖2 改進后的絕緣管匯流排中間接頭的構造

在考慮了絕緣傘裙的作用下，利用Maxwell軟件建立了絕緣管中間連接處的電場分布模型。由于原始構造是沿x軸對稱的，所以對其進行簡單的建模，可以節(jié)約計算時間，同時也不會影響總體結果的正確性[5]。

全型號的內部為高壓段，高壓段采用銅材質；整個管母線的絕緣選用了環(huán)氧樹脂，其中有一層半導電層，起到了均勻的作用；在最外面的電容屏上，均勻地包覆了一層金屬屏蔽層。依據傘裙的電學和機械特性，選用硅橡膠。

模擬計算了遮陽罩的結構參數，并對其內部電勢及電場分布進行了分析。模擬傘裙的構造參數：等徑傘、不等徑交替?zhèn)?、傘間距、傘徑、內外傘裙排列（對齊、錯開）等。通過模擬分析計算得出最終結果：采用等徑傘、傘徑25mm、傘間距30mm、內外傘裙對齊時，罩內最大場強和電場分布比較均勻，這時，絕緣管母線末端至接地屏的爬電比應達到20mm/kV以上。

4.2 絕緣筒的密封性設計

為了加強防潮防水，在環(huán)氧澆注絕緣管的母線中間連接處，采用了多余的密封結構。第一，可以將高性能O型硅橡膠密封件安裝于絕緣圓筒的兩個絕緣凸緣之間，以及法蘭和絕緣管的匯流排之間[6]。第二，在絕熱圓筒的外法蘭上安裝有尾管，在將其緊固后，再用特殊的密封膠和熱收縮套管對其外殼和尾部進行熱收縮密封。第三，當操作環(huán)境中水分過大時，可以在屏幕簡稱和絕緣管匯流部分上添加另一種密封膠和熱收縮保護套。另外，在絕熱圓筒的外法蘭上還設有真空吸氣接口。當整個保溫桶安裝完畢后，用真空泵對其進行真空抽吸，保證其真空度為-0.04MPa，并保持30min不變，然后將高純度的氮氣注入絕緣管中，直至正常大氣壓力，并用帶螺紋的螺釘將其密封。

5 提高連接性能的檢驗

應用以硅橡膠為原料制作而成的絕緣傘裙，將其一部分安裝在絕緣管母線內側壁上，另一部分安裝在絕緣管的外殼上，但是該絕緣管匯流條接頭部分沒有安裝該絕緣管。

5.1 分析比較

為檢驗絕緣管母線中間連接處的性能，筆者嘗試通過局部放電比較試驗，試驗人員對絕緣管母線中間的絕緣圓筒進行了濕氣調節(jié)，然后對局部放電前后的初始電壓進行了測量，經過測量后發(fā)現，在防護罩內部含濕量小于60%的情況下，改進前后的局部放電起始電壓基本相同。隨著濕度的增加，兩個中間節(jié)點的初始放電電壓均出現了降低，而在80%以上的溫度下，初始電壓下降較慢[7]。

5.2 型式試驗

絕緣管母線和改良的中間連接件已通過了國家電線電纜質量監(jiān)督檢測中心的形式測試，各項測試指標和各項指標都達到了國家標準。表1為型式試驗參數。

表1 型式試驗參數及結果

6 現場應用與建議

近年來，一些城市的220kV、500kV變電站發(fā)生了多起絕緣管母線中間連接故障，并對其進行了處理。實際使用結果顯示，改進后的絕緣管母線連接可顯著減少故障。通過對實際維護工作的實踐，提出了一些能夠提高絕緣管母線工作可靠性的措施[8]。第一，加強對中間連接的現場安裝工藝控制，在晴好的天氣條件下進行，防止潮濕的空氣滲入到絕緣筒內。第二，在高濕度條件下，應采用橫向連接，以防止垂直。同時，為降低濕度，減少凝露，應配置除濕裝置。第三，在日常維護過程中，要主動進行狀態(tài)監(jiān)測，及時掌握設備的工作狀況。在雷雨、濕季、大負載的情況下，對終端進行紅外測溫、終端接地電流的監(jiān)測，定期采用超聲波、UHF等方法，對設備的故障進行及時的檢測和處理。

7 結語

綜上所述，本文介紹了環(huán)氧澆注絕緣管在實際生產過程中常出現的中間接頭失效現象，并對其發(fā)生的原因進行了分析，認為其主要原因是其易受潮、爬電比距較小。為了提高爬電比和防水防潮性能，對中間連接進行了改進。