35 k V穿墻套管放電故障分析及解決措施

劉守坤（大慶油田中油電能供電公司）

一座35 kV變電站自投產以來，開關柜內時常有放電聲音，放電部位不明，陰雨天氣情況下放電尤為頻繁。對母線絕緣子進行了交流耐壓試驗，并對絕緣子表面涂刷耐污涂料，運行后放電聲音仍然存在。對該變電站35 kV高壓室安裝了濕度測試儀并加強通風，通過每天檢測高壓室濕度，同時監測高壓室內放電聲音，發現空氣濕度在30%以下時基本聽不到放電聲音，當空氣濕度達到40%以上，放電聲音增強。

1 試驗情況

經過一段時期運行，運行人員發現2#主變高壓側32開關柜內放電聲音明顯。技術人員隨后在高壓室內進行觀測，確認放電聲音處于32開關柜內，決定停電進行檢查。

1.1 外觀檢查

該變電站35 kVⅡ段母線由運行轉檢修，檢查發現母線外表面有電暈放電造成的污跡，母線穿墻套管A相處放電痕跡較為明顯，套管內表面有放電造成的晶狀物體附著在上面，并有大量石灰狀物體，套管內母排有輕微放電造成的腐蝕。

1.2 試驗情況

外觀檢查后對A相母線及穿墻套管進行了交流耐壓試驗。當試驗電壓升至20 kV時，出現放電聲音，放電音隨著試驗電壓升高而逐步增強。當試驗電壓升至30 kV時，關閉高壓室內照明燈，發現套管法蘭根部有明顯的放電火花，電壓逐步升高，火花愈加明顯。當升至72 kV（35 kV母線交流耐壓標準）時套管法蘭根部有一光圈。對其它兩相進行試驗時，現象相同。

2 故障分析

該變電所35 kV母線穿墻套管型號是CMJ2-35，生產日期是1998年6月，該型號穿墻套管是一次性澆鑄而成，檢查發現在套管內表面與外表面以及法蘭盤處未作任何均壓處理。測量穿墻套管的安裝尺寸，繪制套管絕緣結構等值圖（圖1）。

圖1 套管絕緣結構等值圖

已知相電壓20.2 kV（35 kV系統），如略去介質的電導，則有：

式中：U1為空氣氣隙d1兩端的交流電壓值，kV；U2為瓷絕緣件d2兩端的交流電壓值，kV；d1為空氣氣隙（取0.2），cm；d2為瓷絕緣體（取3.0），cm；εd1為空氣介質介電系數（取1）；εd2為瓷介質介電子數（取6）。

由式（1）、（2）求得：U1=5.77kV，U2=14.4kV。

在空氣及瓷介質中又有：

式中：E1為空氣氣隙d1部分的電場強度，kV/cm；E2為瓷絕緣體d2部分的電場強度，kV/cm。

由式（3）、（4）可知，E1=28.8 kV/cm，E2=2.4 kV/cm。

當取空氣氣隙d1取0.5 cm時，根據上式計算得出空氣氣隙的場強E1為20.2 kV/cm。

以上計算是假設套管內部電場是均勻電場，實際因電場分布不均勻，計算更復雜。

CMJ2-35型穿墻套管在運行中，其帶電母線（電極1）至法蘭（電極3）之間的電場有強垂直分量，是一個典型的不均勻電場，并且套管內外表面和法蘭制造時未實施均勻電場的措施，顯然其間空氣間隙中的電場是極不均勻的。對于極不均勻電場，其工頻電壓下的平均擊穿場強為3.8 kV/cm（有效值）、5.36 kV/cm（幅值），而實際計算出來的空氣中最小場強是20.2 kV/cm，其最小場強大于平均擊穿場強，故套管內空氣介質出現擊穿放電現象。

因此，該套管放電主要是因為套管空氣氣隙處在極不均勻電場造成的。從以上計算過程可以得出，影響擊穿電壓的主要因素是空氣間隙距離，距離越大，擊穿電壓越高。空氣濕度越大，介電系數越大，導致擊穿電壓越低，即更容易放電[1]。

3 解決方案

從上面的分析可知，套管內的放電現象主要是因為空氣間隙的存在而引起的，因此為減少或消除套管內放電現象，可采取如下措施。

3.1 減少空氣間隙

使電極附近的電位線只穿過單一介質(固體瓷介)，一般來說，電極附近的場強總是最大的，如該處的電位線貫穿氣體與固體瓷介質，則與縫隙的情況類似，氣體部分的場強必然被強化，產生氣體閃絡、擊穿放電。因此，可在母排穿過套管部分，增加母排厚度，消除母排與瓷質絕緣的空氣氣隙，提高閃絡放電電壓。該方案實施需最大化消除空氣間隙（圖2），上下各增加4～6片銅母排，施工難度較大，材料費用3 000元/套管（只），此方案增加長母排局部承重，長時間運行母排易變形。

圖2 消除空氣間隙實施方案

3.2 電場中加入屏障

在套管內極不均勻的空氣間隙中，放入固體絕緣材料（例如紙、紙板），即稱為屏障，這樣在一定條件下，可以顯著提高介電系數，相應的擊穿電壓也得到提高。該方案在空氣間隙塞滿硬紙板材料，需要設計材料模具并制作，材料費用不高，施工難度易，但紙板材料易受空氣濕度而受潮和長期使用臟污影響，介電系數大，擊穿電壓降低，容易發生放電。

3.3 更換新型穿墻套管

目前國內制造廠生產的穿墻套管，內表面與外表面都加裝了屏蔽網，內表面屏蔽網與母排連接形成等電位，外表面屏蔽網與地連接，這樣消除了電場不均勻造成的擊穿放電。更換新型套管需要定制，周期較長，考慮到設備帶病運行容易引發事故，而用戶均為油田產能裝置，間接影響油田礦區產能建設，另外改造成本也很高[2]。

3.4 高壓封閉柜改造

將35 kV高壓封閉柜改造成敞開式高壓柜，取消穿心套管，柜內母線采用貫通式連接，減少放電源。該方案使電場處于單一空氣介質，技術論證可行，需要擴大原來柜體開孔孔徑，使放電距離符合35 kV交流電壓等級即可，改造施工難度低，幾乎不增加其它材料，改造成本低。該改造前的35 kV套管在陰雨天或濕度大的天氣會放電，在放電期間35 kV系統處于動態負荷模式，該所35 kV系統安裝DSSD876型號的0.5級電子式電能表，在短時和長時動態負荷模式下，不同的通斷比狀態，電能表動態誤差變化很大，可達電能表的誤差等級（0.5級）的10倍以上[3]，該所全年供電量約3250×104kWh，按照黑龍江省2016年平均降水天數39天計算，僅在陰雨天就造成該所全年電量損失為3.472 6×105kWh，而改造后解決了套管內的放電現象；另外此方案也解決了設備潛在故障，避免了因長期運行引發事故給油田產能用戶帶來的經濟損失。

4 方案對比

根據4種方案對比分析結合現場實際情況，4種方案對比情況見表1。采取了第4種方案，即將35 kV高壓封閉柜改造成敞開式高壓柜，該方案投資小，安全運行可靠，也徹底解決了穿墻套管頻繁放電的問題。

表1 4種方案對比情況

5 結語

通過建立35 kV母線穿墻套管絕緣結構模型，詳細闡述了空氣氣隙放電分析方法，根據分析結果提出了解決穿墻套管氣隙放電的4種方案，對方案從施工周期、難度、成本維護及可靠性等方面進行了對比分析，最終封閉柜改造成敞開式高壓柜是符合用戶利益的最佳方案。提出的絕緣結構分析方法可作為研究其它簡單絕緣放電特性的參考。