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.國網四川省電力公司都江堰市供電分公司，四川 成都 610072； 2.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610072；3.重慶大學, 重慶 400044)

0 引 言

覆冰災害是電網安全運行的嚴重威脅，為了降低覆冰對輸電線路的危害，采用融冰裝置對線路進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期運行，其自身也可能會出現故障。案例中的500 kV站內融冰管母于2012年初投入使用，當年完成了對5條次線路的融冰操作，未發現融冰裝置異常現象。2014年1月，該500 kV變電站進行直流融冰時35 kV交流側管母絕緣護套燒損，2月12日該變電站站融冰時該段管母再次出現著火、冒煙、鼓包等異常現象。7月，電科院、檢修公司會同南京南瑞、融冰絕緣管母生產廠家江蘇維爾電氣有限公司等技術人員共同對出現故障的管母進行了相關試驗，并對故障絕緣管母段進行了解體檢查[1]。

1 基本情況及試驗內容

1.1 管母布置情況

該500 kV變電站35 kV側至融冰換流器之間采用交流絕緣管母線連接，絕緣管母長度約150 m，絕緣管母設有銅屏蔽層，銅屏蔽層單點接地。銅帶采用0.1 mm厚、約25 mm寬銅箔以間繞方式在現場人工繞制。對部分絕緣管母解剖結果表明，銅帶匝間距在3～40 mm之間不等，其布置示意圖如圖1所示，銅帶的下方鋪設有半導電層。

圖1 35 kV絕緣管母的繞制圖

1.2 相關試驗內容

為全面詳細地探究管母故障的原因，在測試融冰裝置的絕緣電阻后對其進行了5種交流耐壓試驗[1～3]。相關試驗具體內容及試驗結果如下。

1.2.1 耐壓試驗前絕緣電阻測試

絕緣電阻測試主要測試35 kV交流融冰絕緣管母主絕緣對地絕緣電阻。測試儀器為KYORITSU KEW 3121A 型2 500 kV絕緣電阻表。測試數據如表1所示。單從絕緣電阻的測量結果來看，無法判斷故障的原因。

表1 主絕緣電阻 /MΩ

1.2.2 35 kV交流側管母主絕緣耐壓試驗

為確定是否為主絕緣造成的故障，首先用串聯諧振裝置分別對35 kV側交流融冰管母A、B、C三相主絕緣開展了耐壓試驗，并測量記錄了銅屏蔽層接地電流。其中試驗電壓34 kV(1.7UN)，耐壓時間為0.5小時。試驗數據與試驗現象如表2。

表2 交流耐壓時銅屏蔽層接地電流

對A、C相施加34 kV電壓，耐壓半小時后未發現鼓包、冒泡現象。對B相施加34 kV電壓，未到半小時已發現B相管母出現新的鼓包，并在此次耐壓試驗前已有的一個破損處冒出濃煙，此時紅外顯示最高溫度為172.6 ℃。完成耐壓試驗后，再次測量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。

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

1.2.3 屏蔽層伏安特性試驗

為確定此故障是否可能為屏蔽層存在缺陷，再次對35 kV交流融冰管母A相管母施加試驗電壓。試驗初始電壓5 kV，以1 kV為步長增長到34 kV。當電壓加至11 kV時開始冒煙，此時輸出電流和屏蔽層接地電流分別為0.43 A和0.166 A；當外加加壓達到17 kV時，開始出現明火，此時輸出試驗電流和銅屏蔽層接地電流分別為0.65 A和0.277 A。測得的相關數據如表3所示。

試驗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相融冰管母試驗電壓與接地電流曲線

輸出試驗電壓/kV輸出試驗電流/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開始冒煙120.460.182130.500.200140.530.215150.560.243160.610.248170.650.277出現明火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行交流耐壓試驗

通過前述試驗分析，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，為驗證這一推斷，設計了不同間繞方式下的交流耐壓試驗[6]。間繞方式如圖1所示，搭蓋纏繞方式如圖3所示，將整個管母均用銅帶纏繞。

(1)首先是在間繞方式下進行試驗：剝開一段A相絕緣管母外護套和聚四氟乙烯帶，露出銅屏蔽層。然后進行34 kV交流耐壓試驗，并用紅外熱像儀和紫外放電檢測儀對銅屏蔽層進行觀察。銅屏蔽層間隙初始溫度為33.8 ℃，隨著耐壓試驗進行，銅屏蔽層間隙溫度上升至149.7 ℃，出現明顯高溫點并伴有冒煙現象。同時，紫外測試測得發熱部位伴隨大量放電現象。[7]

(2)然后在帶間隙搭蓋纏繞方式下進行試驗，剝開另一段A相絕緣管母外護套和聚四氟乙烯帶，用銅屏蔽層包裹這段銅屏蔽層，確保銅屏蔽層之間沒有間隙。此后試驗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間時，銅屏蔽層間隙溫度為40 ℃，并未出現明顯高溫點。

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

(1)將故障段的銅帶去除，兩端的銅帶分別接地，此時同樣將電纜加壓至34 kV，故障段電纜沒有發現明顯的發熱和表面放電現象。

(2)在半導電層上重新繞制新銅絲后的耐壓試驗：在故障最嚴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，未發現明顯的發熱和放電現象。

(3)為驗證不均勻電場對放電的影響，在電纜的無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兩個具備尖端放電特征的小口，加壓至34 kV后，未發現明顯的升溫和放電現象。

2 故障原因分析及結論

根據上述試驗的現象和數據結果分析故障的形成機理如下。

(1)間繞的銅帶致使其與半導電層之間形成縱向電勢

銅帶采用間繞方式，形成銅帶-半導電層-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，銅帶上電壓為0.5 V左右)，而銅帶間隙的半導電層沒有直接接地，設半導電層上A點到銅帶上的B點的電阻為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電層等效電路

(1)

由式(1)可知，隨著Rx的增大，A、B兩點之間的電壓UAB也隨之增大。

(2)半導電層-銅帶層的場強分布不均誘發局部放電

經解體發現，由于采用手工繞制，半導電層和銅帶繞制的工藝差，存在褶痕多、與半導電層之間接觸不緊密等問題，使得半導電層-銅帶的表面場強極不均勻。同時，由于半導電層的劣化，致使其電阻率分布不均，局部電阻率出現不正常的升高，致使其與銅帶之間的電阻Rx增大，進而導致UAB增大。當UAB增大到一定程度時就會在臨近銅帶的半導電層上發生半導電層向銅帶的放電。

(3)半導電層和熱縮管阻燃性差是導致故障擴大、燒毀的原因

由于局部放電在半導電層積聚能量，使半導電層上出現了局部高溫點，由于半導電層和熱縮管均沒有采用阻燃性材料，在高溫作用下局部開始出現火花甚至燃燒現象，進而導致半導電層大面積燒損。

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

3 改進措施與建議

根據上述試驗結果和故障分析，為防止此類事故的再次發生，應采取以下技術措施。

(1)銅屏蔽層和半導電層的繞制工藝必須嚴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接地方式。

(2)外護套、熱縮管要采用阻燃性材料。

(3)加強對同類絕緣管母的排查整改，整改后的絕緣管母投運前必須做檢測試驗，主要包括絕緣性能及紅外檢測、半導電層的理化試驗、半導電層和熱縮管的防水、阻燃性檢測等[5]。

[1] 張真濤，張斌，邢文濤，等. 變壓器絕緣管母護套燒損故障分析及處理[J].河南電力，2012(3):23-24.

[2] 趙宇,劉青,高援利，等. 高壓XLPE電纜線路局部放電測試系統應用研究[J]. 電力設備，2008(9)：45-49.

[3] 鄭云海，吳奇寶，何華琴，等. 全絕緣母線局部放電檢測與分析診斷[J] 絕緣材料，2010(4):63-66.

[4] 陳衛中. 35 kV及以上主變壓器狀態檢修的探討[J]. 浙江電力, 1999(5): 40-42.

[5] 電力工業部. 電力設備預防性試驗規程[M]. 北京:中國電力出版社, 1997.

[6] 丁樹峰. 軋制變壓器銅帶邊部處理技術[J].機械設計與制造，2006(8)：98-100.

[7] 戴利波.紫外成像技術在高壓設備帶電檢測中的應用[J].電力系統自動化, 2003, 27(20): 97-98.