一起主變?nèi)^緣管型母線異常事件分析

聞煜峰，魏澤民，王耀升，趙玉成，聞芷馨

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

全絕緣管型母線(簡稱全絕緣管母)因載流量大、散熱條件好、集膚效應(yīng)低、允許應(yīng)力大及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于變電站的主變低壓母線。與傳統(tǒng)矩形銅排母線相比，全絕緣管母技術(shù)的優(yōu)勢十分顯著，但在全絕緣管母制造和接頭制作過程中，絕緣層內(nèi)部的雜質(zhì)、微孔、半導(dǎo)電層突起和分層缺陷均可能引起局部放電，進(jìn)而造成貫穿性的導(dǎo)通放電，導(dǎo)致變壓器跳閘，嚴(yán)重影響供電可靠性。

1 全絕緣管母分類

1.1 澆注式全絕緣管母

澆注式絕緣管母在國內(nèi)出現(xiàn)最早，為電容屏結(jié)構(gòu)，絕緣材料是環(huán)氧樹脂澆注紙絕緣。澆注式絕緣管母本體絕緣主要采用絕緣、半導(dǎo)電(粘性)電工皺紋紙帶纏繞，經(jīng)環(huán)氧樹脂真空浸漬、加溫固化，形成一體化固體絕緣。環(huán)氧浸漬紙絕緣是一種絕緣紙與環(huán)氧樹脂的復(fù)合絕緣，導(dǎo)體、半導(dǎo)體層和絕緣紙經(jīng)加溫固化后，形成致密、緊實(shí)的一體化結(jié)構(gòu)，既具有絕緣紙和環(huán)氧的良好絕緣和介電性能，又具有良好的機(jī)械特性。

澆注式絕緣管母生產(chǎn)基本流程是：現(xiàn)場查勘管型母線尺寸—彎曲銅管—纏繞電容屏—真空澆注環(huán)氧樹脂—成品局部加工—廠內(nèi)熱縮外護(hù)套—發(fā)送現(xiàn)場安裝，其中最關(guān)鍵的工藝是真空澆注環(huán)氧樹脂，如果澆注過程控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生裂紋或氣泡。環(huán)氧樹脂澆注式管型母線的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)較好、絕緣強(qiáng)度較高、介損相對(duì)較低，缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、價(jià)格較高、中間接頭需現(xiàn)場安裝且受安裝工藝影響。

1.2 擠包式全絕緣管母

擠包式絕緣管母采用交聯(lián)聚乙烯型擠包絕緣、三元乙丙橡膠型擠包絕緣或硅橡膠擠包絕緣。通過擠包機(jī)在導(dǎo)體表面擠出內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層和外半導(dǎo)電層，生產(chǎn)中采用三層共擠工藝來保障半導(dǎo)電層與導(dǎo)電層緊密結(jié)合。擠包式絕緣管母結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 擠包式全絕緣管母結(jié)構(gòu)

擠包式絕緣管母生產(chǎn)成本較高，直線部分的絕緣強(qiáng)度較高、質(zhì)量可靠性較好；缺點(diǎn)是很多現(xiàn)場需要的彎曲半徑較小，導(dǎo)致在彎曲部分出現(xiàn)絕緣損傷，若在驗(yàn)收時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)給后續(xù)安全運(yùn)行留下隱患；此外中間接頭在現(xiàn)場安裝，易受現(xiàn)場安裝條件影響。

1.3 繞包式全絕緣管母

繞包式全絕緣管母采用聚四氟乙烯纏繞絕緣或聚酯薄膜纏繞絕緣，即在銅管或鋁管外層利用聚四氟乙烯帶或聚酯薄膜纏繞，層間涂抹硅油形成主絕緣層。結(jié)構(gòu)分布由內(nèi)往外依次為導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、主絕緣層(聚四氟乙烯或聚酯薄膜)、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、保護(hù)層，如圖2 所示。

圖2 繞包式全絕緣管母結(jié)構(gòu)

繞包式全絕緣管母生產(chǎn)基本流程是：現(xiàn)場查勘管型母線尺寸—廠內(nèi)彎曲銅管—發(fā)送現(xiàn)場安裝銅管—現(xiàn)場纏繞絕緣層—熱縮外護(hù)套。其采用絕緣帶繞包的生產(chǎn)工藝，多層絕緣復(fù)合結(jié)構(gòu)，沿復(fù)合材料界面的法向和切向強(qiáng)度不同，需要合理設(shè)計(jì)電容屏尺寸和位置，并嚴(yán)格生產(chǎn)工藝以保證端部場強(qiáng)梯度分布合理；絕緣受現(xiàn)場濕度、灰塵等因素以及施工人員技術(shù)水平影響較大；母端部制作工藝難度高，接頭或端部部位一旦存在異物或氣隙將會(huì)導(dǎo)致持續(xù)性放電直至擊穿。

2 事件概況

2022-04-22，運(yùn)維人員在某220 kV 變電站現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)，2 號(hào)主變10 kV 戶外主變閘刀與串聯(lián)電抗器間A 相全絕緣管母有煙霧現(xiàn)象并伴有放電聲，且發(fā)展迅速，出現(xiàn)放電燒蝕并有往主變方向發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)場判斷僅拉開低壓開關(guān)無法阻止放電蔓延，且閘刀處在變壓器和異常電抗器之間，不具備人員操作條件，遂遙控?cái)嚅_主變?nèi)齻?cè)開關(guān)隔離隱患，10 kV 備自投正確動(dòng)作，無負(fù)荷損失，主變泡沫系統(tǒng)正確啟動(dòng)，放電燒蝕迅速減小并熄滅。該異常事件發(fā)現(xiàn)及時(shí)、處置得當(dāng)，成功避免了220 kV主變跳閘。

2.1 設(shè)備情況

該變電站2 號(hào)主變生產(chǎn)商為保定天威保變電氣股份有限公司，型號(hào)為SFSZ—240000/220，三相三繞組有載調(diào)壓變壓器，低壓側(cè)電壓等級(jí)為10 kV，2020 年6 月投運(yùn)。10 kV 側(cè)全絕緣管母生產(chǎn)商為江蘇如皋天安電氣設(shè)備科技有限公司，型號(hào)為JGM—10 kV/4 000 A，2020 年6 月投運(yùn)，結(jié)構(gòu)形式為繞包式全絕緣管母，戶外布置，因低壓側(cè)有閘刀和串抗，每相全絕緣管母分成三段。

2.2 解體檢查

2022-04-29，運(yùn)維人員邀請(qǐng)廠家技術(shù)人員參與對(duì)損傷段全絕緣管母進(jìn)行解體檢查，并在電科院指導(dǎo)下開展相關(guān)工作。具體檢查內(nèi)容為解體前測得管型導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)體屏蔽層絕緣電阻為20 MΩ，表明主絕緣已擊穿；測量燒損側(cè)管母相關(guān)位置距離，測量主絕緣層電容量；對(duì)完整側(cè)管母主絕緣層的5 層電容屏進(jìn)行逐層剝離，測量各電容屏層間距與電容量，自內(nèi)向外為1～5 層，測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 端部電容屏層間距與電容量測量數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明：端部電容屏呈梯度分布，每層間距53～64 mm 不等，從導(dǎo)電體到金屬屏蔽層累計(jì)距離為290 mm，絕緣距離滿足廠家設(shè)計(jì)要求(每層間距不少于40 mm，從導(dǎo)電體到金屬屏蔽層累計(jì)距離不少于200 mm)。從放電燒蝕痕跡來看，放電灼燒中心距端部約300 mm，與實(shí)測零屏距離290 mm 基本一致，表明擊穿放電發(fā)生在金屬屏蔽層的邊沿，判斷邊沿處存在絕緣薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)舸g。

2.3 原因分析

該全絕緣管母為繞包式絕緣結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分布由內(nèi)往外依次為導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、主絕緣層(聚四氟乙烯)、絕緣屏蔽層、銅箔金屬屏蔽層、雙層熱縮保護(hù)套，主絕緣層內(nèi)分布5 個(gè)電容屏，端部電容屏呈梯度分布。通過解體檢查發(fā)現(xiàn)放電擊穿點(diǎn)位于金屬屏蔽層的邊沿、電容層末屏，由此判斷故障原因?yàn)閺S商制造工藝不良，金屬屏蔽層首末邊沿場強(qiáng)分布不均，戶外長期運(yùn)行下局部擊穿后導(dǎo)致間隙性放電，并發(fā)展為單相接地。

3 全絕緣管母運(yùn)行缺陷分析

3.1 歷史運(yùn)行情況

2021 年巡檢中首次發(fā)現(xiàn)該變電站1 號(hào)、2 號(hào)主變?nèi)^緣管母局部熱場不均。2022-04-26，現(xiàn)場紅外檢測情況為：1 號(hào)主變?nèi)^緣管母正常溫度25.5 ℃，A 相發(fā)熱點(diǎn)36.9 ℃，C 相發(fā)熱點(diǎn)30.1 ℃；2 號(hào)主變?nèi)^緣管母正常溫度26 ℃，B 相發(fā)熱點(diǎn)37.6 ℃，C 相發(fā)熱點(diǎn)39.7 ℃。同時(shí)，另一變電站1 號(hào)、3 號(hào)主變?nèi)^緣管母也發(fā)現(xiàn)了局部熱場不均的問題。2022-04-26，現(xiàn)場紅外檢測情況：1 號(hào)主變?nèi)^緣管母正常溫度28.5 ℃，A 相發(fā)熱點(diǎn)36.3 ℃；3 號(hào)主變?nèi)^緣管母正常溫度26.4 ℃，A 相發(fā)熱點(diǎn)32.8 ℃，A 相避雷器引出線發(fā)熱點(diǎn)40.0 ℃，A 相套管出線端發(fā)熱點(diǎn)39.7 ℃。

兩變電站主變?nèi)^緣管母均出現(xiàn)局部熱場不均的現(xiàn)象，廠家評(píng)估為表面積污引起，暫無惡化趨勢，要求運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)該市近年來部分變電站全絕緣管母的缺陷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如下。

1) A 變2 號(hào)主變10 kV 限流電抗器B 相絕緣管母與穿墻套管接頭位置發(fā)熱，墻內(nèi)側(cè)溫度135.0 ℃，A、C 兩相墻內(nèi)側(cè)32.0 ℃。將2 號(hào)主變低壓側(cè)停電進(jìn)行消缺。

2) B 變1 號(hào)主變10 kV 限流電抗器B、C 相絕緣管母與穿墻套管接頭位置發(fā)熱，B、C 相墻內(nèi)側(cè)溫度80.1 ℃，A 相30.0 ℃。將1 號(hào)主變低壓側(cè)停電進(jìn)行消缺。

3) C 變1 號(hào)主變低壓10 kV 側(cè)絕緣管母絕緣偏低，其中B 相正常，A、C 相偏低。分段解體后，發(fā)現(xiàn)穿墻套管至電抗器段絕緣降低。檢查絕緣管母發(fā)現(xiàn)存在部分受潮現(xiàn)象，重新用3M 材料包裹后，回阻試驗(yàn)合格。

4) D 變1 號(hào)主變局部熱場不均，經(jīng)廠家評(píng)估為表面積污引起，2021 年首次發(fā)現(xiàn)。觀察無惡化趨勢，要求運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注。

5) E 變1 號(hào)主變局部熱場不均，經(jīng)廠家評(píng)估為表面積污引起，2021 年首次發(fā)現(xiàn)。觀察無惡化趨勢，要求運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注。

6) F 變2 號(hào)主變10 kV A 相絕緣管母發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，緊急拉停2 號(hào)主變，并將全絕緣管母改為半絕緣管母。

3.2 缺陷解決

針對(duì)該220 kV 變電站全絕緣管母故障進(jìn)行分析，全絕緣管母投產(chǎn)以來每月進(jìn)行常規(guī)紅外線測溫，均未發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱情況。同步對(duì)投產(chǎn)以來低壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生單相接地情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，只有1 號(hào)、2 號(hào)主變低壓側(cè)多次發(fā)生單相接地情況。結(jié)合2 號(hào)主變低壓側(cè)全絕緣管母已發(fā)生絕緣損壞事件以及1 號(hào)主變運(yùn)行期間低壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生2 次接地原因不明的永久接地故障，安排2022 年10 月開展該站全絕緣管母改造工作。

4 改進(jìn)措施

1) 加快在運(yùn)全絕緣管母改造，完成220 kV 及戶外站110 kV 變壓器繞包式全絕緣管母改半絕緣管母以及戶內(nèi)站110 kV 繞包式全絕緣管母改半絕緣管母的治理工作。

2) 加強(qiáng)紅外測溫與巡視，重點(diǎn)關(guān)注中間接頭、終端、拐彎等關(guān)鍵部位的發(fā)熱、異響、振動(dòng)、老化等異常情況，繞包式全絕緣管母和有缺陷的其他類型全絕緣管母在改造前都應(yīng)納入一站一庫管控。

3) 組織開展在運(yùn)全絕緣管母專業(yè)巡視和檢測，重點(diǎn)查看全絕緣管母外絕緣狀態(tài)、外絕緣顏色分布、鼓包、異響、振動(dòng)、老化開裂、屏蔽線接地有無異常等情況，同步檢查全絕緣管母所處母線電壓(如存在電壓異常、母線單相接地，判斷是否由絕緣管母絕緣異常引起)；具備條件時(shí)開展屏蔽線接地電流檢測、特高頻及超聲局放帶電檢測。

4) 結(jié)合變壓器、開關(guān)柜停電檢修窗口，開展全絕緣管母絕緣電阻和吸收比測量、介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量測量，必要時(shí)進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，定期開展設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。全絕緣管母檢測試驗(yàn)項(xiàng)目及要求如下。

①檢測主絕緣絕緣電阻，要求主絕緣絕緣電阻滿足廠家規(guī)程要求。

② 檢測吸收比，要求吸收比不小于1.3 或極化指數(shù)不小于1.5。

③檢測介質(zhì)損耗因數(shù)，介質(zhì)損耗因數(shù)應(yīng)滿足如下條件：環(huán)氧樹脂不大于0.007；橡膠類不大于0.007；聚四氟乙烯、聚脂薄膜不大于0.005。

④ 進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。要求試驗(yàn)電壓采用出廠試驗(yàn)電壓的80 %，頻率30～300 Hz，持續(xù)時(shí)間1 min，試品應(yīng)無閃絡(luò)、無擊穿。

5) 對(duì)密封不良引起的發(fā)熱、異常放電等缺陷或停電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)等存在異常的全絕緣管母，在采取相應(yīng)措施后仍無法消除的，應(yīng)盡快開展技術(shù)改造。

6) 加強(qiáng)基建工程源頭管控，新、改、擴(kuò)建工程應(yīng)優(yōu)先選用安全可靠、便于搶修的導(dǎo)電排、半絕緣管母；受空間狹窄、額定電流等原因限制的，可采用澆注式或擠包式全絕緣管母，禁止選用繞包式全絕緣管母。

5 結(jié)束語

通過對(duì)一起220 kV 變電站主變?nèi)^緣管母缺陷情況的查找和分析，并結(jié)合該市部分變電站全絕緣管母的缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，總結(jié)提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，通過設(shè)備改造、巡檢檢修、加強(qiáng)設(shè)備檢測、優(yōu)化變電站設(shè)計(jì)選型等手段，預(yù)防和控制主變低壓側(cè)全絕緣管母異常事故的再次發(fā)生，以保證電網(wǎng)供電的安全可靠。