某500 kV變電站直流融冰裝置35 kV管母故障分析

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(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司都江堰市供電分公司，四川 成都 610072； 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610072；3.重慶大學(xué), 重慶 400044)

0 引 言

覆冰災(zāi)害是電網(wǎng)安全運(yùn)行的嚴(yán)重威脅，為了降低覆冰對(duì)輸電線路的危害，采用融冰裝置對(duì)線路進(jìn)行融冰是一種較為有效的手段，但隨著投入的融冰裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行，其自身也可能會(huì)出現(xiàn)故障。案例中的500 kV站內(nèi)融冰管母于2012年初投入使用，當(dāng)年完成了對(duì)5條次線路的融冰操作，未發(fā)現(xiàn)融冰裝置異常現(xiàn)象。2014年1月，該500 kV變電站進(jìn)行直流融冰時(shí)35 kV交流側(cè)管母絕緣護(hù)套燒損，2月12日該變電站站融冰時(shí)該段管母再次出現(xiàn)著火、冒煙、鼓包等異常現(xiàn)象。7月，電科院、檢修公司會(huì)同南京南瑞、融冰絕緣管母生產(chǎn)廠家江蘇維爾電氣有限公司等技術(shù)人員共同對(duì)出現(xiàn)故障的管母進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并對(duì)故障絕緣管母段進(jìn)行了解體檢查[1]。

1 基本情況及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 管母布置情況

該500 kV變電站35 kV側(cè)至融冰換流器之間采用交流絕緣管母線連接，絕緣管母長(zhǎng)度約150 m，絕緣管母設(shè)有銅屏蔽層，銅屏蔽層單點(diǎn)接地。銅帶采用0.1 mm厚、約25 mm寬銅箔以間繞方式在現(xiàn)場(chǎng)人工繞制。對(duì)部分絕緣管母解剖結(jié)果表明，銅帶匝間距在3～40 mm之間不等，其布置示意圖如圖1所示，銅帶的下方鋪設(shè)有半導(dǎo)電層。

圖1 35 kV絕緣管母的繞制圖

1.2 相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容

為全面詳細(xì)地探究管母故障的原因，在測(cè)試融冰裝置的絕緣電阻后對(duì)其進(jìn)行了5種交流耐壓試驗(yàn)[1～3]。相關(guān)試驗(yàn)具體內(nèi)容及試驗(yàn)結(jié)果如下。

1.2.1 耐壓試驗(yàn)前絕緣電阻測(cè)試

絕緣電阻測(cè)試主要測(cè)試35 kV交流融冰絕緣管母主絕緣對(duì)地絕緣電阻。測(cè)試儀器為KYORITSU KEW 3121A 型2 500 kV絕緣電阻表。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。單從絕緣電阻的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，無(wú)法判斷故障的原因。

表1 主絕緣電阻 /MΩ

1.2.2 35 kV交流側(cè)管母主絕緣耐壓試驗(yàn)

為確定是否為主絕緣造成的故障，首先用串聯(lián)諧振裝置分別對(duì)35 kV側(cè)交流融冰管母A、B、C三相主絕緣開(kāi)展了耐壓試驗(yàn)，并測(cè)量記錄了銅屏蔽層接地電流。其中試驗(yàn)電壓34 kV(1.7UN)，耐壓時(shí)間為0.5小時(shí)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)現(xiàn)象如表2。

表2 交流耐壓時(shí)銅屏蔽層接地電流

對(duì)A、C相施加34 kV電壓，耐壓半小時(shí)后未發(fā)現(xiàn)鼓包、冒泡現(xiàn)象。對(duì)B相施加34 kV電壓，未到半小時(shí)已發(fā)現(xiàn)B相管母出現(xiàn)新的鼓包，并在此次耐壓試驗(yàn)前已有的一個(gè)破損處冒出濃煙，此時(shí)紅外顯示最高溫度為172.6 ℃。完成耐壓試驗(yàn)后，再次測(cè)量B相管母主絕緣電阻為17 000 MΩ。判斷此次故障B相主絕緣已被破壞。

解體電纜后發(fā)現(xiàn)，燒蝕主要集中在銅屏蔽層邊緣，銅屏蔽層邊沿有明顯發(fā)熱痕跡，且沿邊的半導(dǎo)電帶已燒蝕，并有部分蔓延到對(duì)側(cè)銅屏蔽層。管母燒蝕部位基本都位于半導(dǎo)電層，且基本沿通道邊緣蔓延。

1.2.3 屏蔽層伏安特性試驗(yàn)

為確定此故障是否可能為屏蔽層存在缺陷，再次對(duì)35 kV交流融冰管母A相管母施加試驗(yàn)電壓。試驗(yàn)初始電壓5 kV，以1 kV為步長(zhǎng)增長(zhǎng)到34 kV。當(dāng)電壓加至11 kV時(shí)開(kāi)始冒煙，此時(shí)輸出電流和屏蔽層接地電流分別為0.43 A和0.166 A；當(dāng)外加加壓達(dá)到17 kV時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)明火，此時(shí)輸出試驗(yàn)電流和銅屏蔽層接地電流分別為0.65 A和0.277 A。測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

試驗(yàn)電流與銅屏蔽層接地電流曲線伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 A相融冰管母試驗(yàn)電壓與接地電流曲線

輸出試驗(yàn)電壓/kV輸出試驗(yàn)電流/A銅屏蔽層接地電流/A備注50.220.78860.250.92070.290.10780.320.1219.50.350.136100.390.150110.430.166開(kāi)始冒煙120.460.182130.500.200140.530.215150.560.243160.610.248170.650.277出現(xiàn)明火180.670.274190.700.279200.750.314210.7870.324220.800.331230.880.358240.890.368250.920.376260.970.402281.200.432301.800.475311.130.483321.280.490341.240.520

1.2.4 不同屏蔽層間繞方式進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)

通過(guò)前述試驗(yàn)分析，初步推斷可能是屏蔽層銅帶的布置存在隱患，造成了此起故障，為驗(yàn)證這一推斷，設(shè)計(jì)了不同間繞方式下的交流耐壓試驗(yàn)[6]。間繞方式如圖1所示，搭蓋纏繞方式如圖3所示，將整個(gè)管母均用銅帶纏繞。

(1)首先是在間繞方式下進(jìn)行試驗(yàn)：剝開(kāi)一段A相絕緣管母外護(hù)套和聚四氟乙烯帶，露出銅屏蔽層。然后進(jìn)行34 kV交流耐壓試驗(yàn)，并用紅外熱像儀和紫外放電檢測(cè)儀對(duì)銅屏蔽層進(jìn)行觀察。銅屏蔽層間隙初始溫度為33.8 ℃，隨著耐壓試驗(yàn)進(jìn)行，銅屏蔽層間隙溫度上升至149.7 ℃，出現(xiàn)明顯高溫點(diǎn)并伴有冒煙現(xiàn)象。同時(shí)，紫外測(cè)試測(cè)得發(fā)熱部位伴隨大量放電現(xiàn)象。[7]

(2)然后在帶間隙搭蓋纏繞方式下進(jìn)行試驗(yàn)，剝開(kāi)另一段A相絕緣管母外護(hù)套和聚四氟乙烯帶，用銅屏蔽層包裹這段銅屏蔽層，確保銅屏蔽層之間沒(méi)有間隙。此后試驗(yàn)步驟與間繞方式相同。銅屏蔽層間隙初始溫度為38 ℃，加壓到與間繞方式相同時(shí)間時(shí)，銅屏蔽層間隙溫度為40 ℃，并未出現(xiàn)明顯高溫點(diǎn)。

圖3 搭蓋纏繞方式

1.2.5 去除銅帶及銅帶存在尖端凸出情況下的耐壓試驗(yàn)

(1)將故障段的銅帶去除，兩端的銅帶分別接地，此時(shí)同樣將電纜加壓至34 kV，故障段電纜沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的發(fā)熱和表面放電現(xiàn)象。

(2)在半導(dǎo)電層上重新繞制新銅絲后的耐壓試驗(yàn)：在故障最嚴(yán)重處重新用裸銅線密集繞制，并將繞制的銅絲一端接地，并加壓至34 kV，未發(fā)現(xiàn)明顯的發(fā)熱和放電現(xiàn)象。

(3)為驗(yàn)證不均勻電場(chǎng)對(duì)放電的影響，在電纜的無(wú)故障段解剖一段后將銅帶裸露，并在銅帶的不同部位上各開(kāi)兩個(gè)具備尖端放電特征的小口，加壓至34 kV后，未發(fā)現(xiàn)明顯的升溫和放電現(xiàn)象。

2 故障原因分析及結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果分析故障的形成機(jī)理如下。

(1)間繞的銅帶致使其與半導(dǎo)電層之間形成縱向電勢(shì)

銅帶采用間繞方式，形成銅帶-半導(dǎo)電層-銅帶的表面。由于銅帶單端接地，使銅帶基本上保持零地位(管線加34 kV電壓時(shí)，銅帶上電壓為0.5 V左右)，而銅帶間隙的半導(dǎo)電層沒(méi)有直接接地，設(shè)半導(dǎo)電層上A點(diǎn)到銅帶上的B點(diǎn)的電阻為Rx，等效電路圖如圖4所示。

圖4 采用間繞方式的銅屏蔽層與半導(dǎo)電層等效電路

(1)

由式(1)可知，隨著Rx的增大，A、B兩點(diǎn)之間的電壓UAB也隨之增大。

(2)半導(dǎo)電層-銅帶層的場(chǎng)強(qiáng)分布不均誘發(fā)局部放電

經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)，由于采用手工繞制，半導(dǎo)電層和銅帶繞制的工藝差，存在褶痕多、與半導(dǎo)電層之間接觸不緊密等問(wèn)題，使得半導(dǎo)電層-銅帶的表面場(chǎng)強(qiáng)極不均勻。同時(shí)，由于半導(dǎo)電層的劣化，致使其電阻率分布不均，局部電阻率出現(xiàn)不正常的升高，致使其與銅帶之間的電阻Rx增大，進(jìn)而導(dǎo)致UAB增大。當(dāng)UAB增大到一定程度時(shí)就會(huì)在臨近銅帶的半導(dǎo)電層上發(fā)生半導(dǎo)電層向銅帶的放電。

(3)半導(dǎo)電層和熱縮管阻燃性差是導(dǎo)致故障擴(kuò)大、燒毀的原因

由于局部放電在半導(dǎo)電層積聚能量，使半導(dǎo)電層上出現(xiàn)了局部高溫點(diǎn)，由于半導(dǎo)電層和熱縮管均沒(méi)有采用阻燃性材料，在高溫作用下局部開(kāi)始出現(xiàn)火花甚至燃燒現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)電層大面積燒損。

綜合上述分析可知，此故障產(chǎn)生的根本原因在于銅帶纏繞不當(dāng)，誘發(fā)了局部放電，再加之外層包裹材料阻熱性差，導(dǎo)致熱量無(wú)法散失而不斷聚集最終導(dǎo)致絕緣和管母起火繼而燒毀。

3 改進(jìn)措施與建議

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和故障分析，為防止此類(lèi)事故的再次發(fā)生，應(yīng)采取以下技術(shù)措施。

(1)銅屏蔽層和半導(dǎo)電層的繞制工藝必須嚴(yán)格按照絕緣管母銅屏蔽層采用疊繞方式纏繞，并且銅屏蔽層不宜采用多點(diǎn)接地方式。

(2)外護(hù)套、熱縮管要采用阻燃性材料。

(3)加強(qiáng)對(duì)同類(lèi)絕緣管母的排查整改，整改后的絕緣管母投運(yùn)前必須做檢測(cè)試驗(yàn)，主要包括絕緣性能及紅外檢測(cè)、半導(dǎo)電層的理化試驗(yàn)、半導(dǎo)電層和熱縮管的防水、阻燃性檢測(cè)等[5]。

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