滲水對10kV全絕緣管型母線屏蔽筒的影響研究

廖言寶，江炊福，龍 洋，游勇華

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭335000；3.江西水利職業學院，江西 南昌 330013）

0 引言

絕緣管型母線是一種新型母線型式，其實質是利用銅或鋁管母作為導體，外敷絕緣的一種母線產品。由于載流量大、電氣絕緣性能強、機械強度大、散熱條件好、絕緣性能好、環境適應性強等優點，近十年的時間內，絕緣管型母線在變電站、發電廠和大型光伏發電工程等領域內得到了越來越多的應用[1-4]。

早期，管型母線在國外開始應用，已有幾十年的運行經驗。國內最早由大連第一互感器有限責任公司于2002年從德國引進該技術，于2004年完成型式試驗，之后逐步開始生產干式絕緣管型母線，其絕緣材料采用環氧樹脂，生產工藝采用真空澆注。隨后，有較多的廠家企業開始采用繞包工藝生產絕緣管型母線，其絕緣采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯帶，層間表面涂硅油。到2008年，有企業開始研究用擠包工藝來生產絕緣管型母線，其絕緣材料采用三元乙丙橡膠（EPDM）或硅橡膠[5-7]。隨后，其部分企業開始采用擠包工藝生產絕緣管型母線。根據絕緣形式不同，絕緣管型母線分為全絕緣和半絕緣。如圖1所示，全絕緣管型母線利用金屬管外層的絕緣層作為固體絕緣，多用聚四氟乙烯薄膜繞包；外表面為銅膜屏蔽層（零電位），輔以非磁性抱箍固定、金屬支架支撐。在特定區域、特定領域中，絕緣管型母線確實是優于矩形母線的選擇。

圖1 繞包式全絕緣管型母線截面結構

在國內，近十年來，絕緣管型母線生產廠家一方面引進技術，一方面積極研究新型絕緣管型母線，生產水平和能力不斷提高。絕緣管型母線的使用領域越來越廣，數量也越來越多，并有較好的發展勢頭。然而，由于早期絕緣管母（繞包式）的技術門檻低，催生了眾多作坊式的生產廠家，其缺乏規范的檢測設備、缺乏合格的技術人員，作坊式的生產條件無法保證產品質量。另外，由于目前缺乏相關的技術規范，不同廠家、不同型式的絕緣管型母線在產品設計、生產成本、產品質量、安全可靠性方面存在著很大差異[8-9]。這些問題極大威脅著電網設備運行安全，對運維檢測水平提出了新的要求和挑戰[10-12]。

近幾年，多地發生了全絕緣管型母線故障[8]，并且故障次數呈現增長趨勢。固然，絕緣管母故障主要源于產品質量欠佳，但隨著在運年限增長，其早期隱患缺陷日益突顯。本文將根據一起典型的全絕緣管型母線故障，通過故障分析和仿真計算，得出針對性的有效結論，以指導現有絕緣管母改造。

1 故障案例

1.1 故障過程

2017年7 月23 日，監控報某220kV變電站10kV I段母線電壓異常，A相10.37kV、B相10.48kV、C相1.28kV。運行人員對10 kV高壓室及1號主變低壓側設備進行外觀巡視檢查，未發現異常。通過相關設備逐個轉檢修并檢查，發現僅在對10 kV I段母線充電時有電壓異常情況（現場驗電筆檢測到A、B相帶電，C相無電）。后經紅外測溫發現，C相管母屏蔽筒存在明顯的異常溫差。1號主變由運行轉為檢修狀態，分別對開關間隔設備、穿墻套管、電抗器、避雷器、10 kV管母進行試驗，發現C相管母絕緣不合格（0.2 MΩ）、耐壓不合格。并且外觀檢查發現C相管母屏蔽筒表面有受損痕跡。由此判斷C相絕緣管母屏蔽筒內有故障。故障管母型號參數如表1所示。

表1 10 kV全絕緣管型母線結構參數

1.2 解體情況

現場對A、B、C相管母屏蔽筒進行拆卸。圖2為全絕緣管型母線中間接頭處屏蔽筒示意圖，從內到外的結構：銅管（導電）→銅軟連接→均壓筒（不銹鋼）→熱縮管→絕緣套筒→熱縮管（與管母交界面處有防水膠帶，屏蔽筒外表面敷設的銅帶用于連接兩端管母的末屏接地線）。

圖2 管母中間接頭示意圖

解體發現，三相均壓筒外裹的熱縮套表面都有滲水后熱老化的痕跡，如圖3所示。故障相C相屏蔽筒內壁有閃絡放電痕跡，如圖4所示，并且均壓筒表面的熱縮套嚴重燒損。由此，判定C相管母屏蔽筒內部閃絡擊穿。

圖3 屏蔽筒解體后均壓筒外熱縮套浸水痕跡

圖4 屏蔽筒解體后內壁閃絡放電痕跡

屏蔽筒內直徑18.5 cm，均壓筒外直徑17.5 cm。

現場對故障屏蔽筒內部各部件進行了尺寸測量。環氧樹脂屏蔽筒壁厚為0.8 cm、內直徑為18.5 cm，均壓筒外徑（剝除熱縮套后裸金屬筒外徑）為17.5 cm，熱縮套厚約0.1 cm。考慮熱縮套厚度后，運行時均壓筒外壁與屏蔽筒內部的距離約為0.4 cm，均壓筒邊緣與絕緣屏蔽筒邊緣相距約30 cm，參見圖2所示。均壓筒處于高壓電位（10 kV/3），環氧樹脂屏蔽筒外壁纏繞錫箔紙并與端部接地相連。這意味著，正常情況下，屏蔽筒內絕緣依賴于環氧樹脂壁（0.8 cm厚）、約0.4 cm的微小空氣間隙以及0.1 cm薄的熱縮套，滿足運行要求。然而，實際在運時，隨著投運時間增加，早期的防水工藝隱患突顯，內部存在極大的滲水風險。根據現場解體情況，三相屏蔽筒內部皆有滲水后熱縮套熱老化的現象。滲水是此種絕緣屏蔽筒絕緣可靠的關鍵點，往往成為老舊絕緣管母故障的誘因。

2 故障分析

2.1 故障分析

根據設計，該絕緣屏蔽筒端部的防水功效取決于密封圈（不銹鋼圓環）和外裹的熱縮套管。不銹鋼圓環支撐著環氧絕緣屏蔽筒，并保持其與管母本體同軸。通過熱縮套與密封膠結合，以隔絕水滲入。解體發現，屏蔽筒兩端的熱縮管與管母之間僅有一薄層防水帶。當防水帶敷設不足、防水帶年久失效時，極易造成水平安置的屏蔽筒內腔表面凝露、積水。此時，均壓筒（高壓）-屏蔽筒端部（接地）之間趨近短接，極易發生沿面擊穿，如圖4所示。圖5為屏蔽筒內浸水后沿面放電示意圖。屏蔽筒內部環境干燥時，屏蔽筒絕緣配合滿足運行要求；浸水后，屏蔽筒內壁局部積水，極易導致沿面閃絡，發生單相接地故障。

圖5 屏蔽筒內沿面放電示意圖

2.2 理論分析

由于實際三維模型具有典型的點對稱結構，靜電場計算可采用二維r-z結構1/4模型，如圖6。

圖6 計算模型與網格劃分（單位：cm）

1）正常情況下

在絕緣屏蔽筒內部干燥的正常情況下，其內部靜電場分布結果如圖7所示。電場強度集中分布在均壓筒邊緣的微小氣隙內，其最大場強值達到11.4 kV/cm。圖8給出了屏蔽筒內表面電位、電場分布，以均壓筒邊緣為坐標起點（圖7中o-x坐標表示）。圖中，x=0 cm處為均壓筒邊緣，x=30 cm為屏蔽筒邊緣。屏蔽筒端部附近是強場區、高電位區，也是容易發生局部放電的地方。在正常情況下，計算結果顯示，絕緣配合滿足運行要求。

圖7 正常情況下屏蔽筒內電場分布E分布云圖及電位等勢線分布

圖8 屏蔽筒內部表面電位V與場強E分布

2）浸水情況下

早期生產的全絕緣管母多采用繞包式工藝，隨著運行時間長久，防水失效、絕緣老化等潛在隱患突顯。在本故障案例中，屏蔽筒端部的防水層年久失效，內部極易積水，特別是在雨季。為此，將考慮屏蔽筒內部浸水后靜電場分布情況。

根據前面的計算結果，屏蔽筒內部的強場區主要集中在均壓筒邊緣與屏蔽筒內部之間的微小氣隙內，而屏蔽筒邊緣則是弱場強、低電位區。下面開展分析浸水的位置對場強畸變的影響。假設屏蔽筒內壁浸水（水薄膜厚1 mm），選取三種典型情況：x=[15 cm，30 cm]（參見圖7所示），一半區域浸水；x=[0 cm，15 cm]，另一半區域浸水；x=[0 cm，30 cm]，完全浸水。圖9、圖10為三種情況與正常情況（干燥時）的電位分布和電場強度分布。其中，角標“0.0”為干燥時，角標“0.5-”為x=[15 cm，30 cm]區域浸水時，角標“0.5+”為x=[0 cm，30 cm]區域浸水時，角標“1.0”為x=[0 cm，30 cm]區域完全浸水時。對比發現：1）浸水在低壓端（屏蔽筒邊緣）時，對場強畸變的影響較小，近乎于干燥時；2）浸水在高壓端（均壓筒邊緣）時，對場強畸變的影響較大，尤其是均壓筒邊緣附近的場強急劇變大（14.2 kV/cm），且足以誘發強烈的局部放電。因此，浸水后屏蔽筒內壁均壓筒邊緣極易發生強烈的局放。

圖9 不同情況下屏蔽筒內部表面電位分布

圖10 不同情況下屏蔽筒內部表面電場強度分布

考慮到實際安裝情況，在運的屏蔽筒并非完全水平，大多為傾斜安裝。因而，一旦屏蔽筒浸水后，微積水會先在內部一端積攢，短期內不會影響設備的安全運行，但卻長期帶來因泄漏電流產生的熱致老化作用。當遇到連綿雨季或強降雨時，浸水容易積累到均壓筒附近，產生強烈的局部放電，進而誘發閃絡擊穿，形成單相接地故障。

2.3 處理措施

文中全絕緣管母故障位于屏蔽筒內。根據解體情況分析，故障原因為屏蔽筒內腔浸水，源自防水帶失效。這種屏蔽筒結構存在巨大的隱患缺陷：防水帶薄弱，長時耐候性差，容易造成內腔壁浸水，導致高壓均壓筒與屏蔽筒內壁之間發生強烈的局部放電，進而發展為沿面擊穿。依據上述計算結果，該故障的根本原因在于：1）設備本體的絕緣配合設計缺陷，均壓筒與屏蔽筒之間的微小間隙是不合理；2）防水工藝的長時耐候性欠佳，在長時間運行后滲水風險極大，嚴重影響設備安全可靠運行。

對此，建議取消屏蔽筒結構的連接方式，可改造為直接軟連接，或可按照全絕緣形式對中間接頭進行現場繞包。改造前，可用紅外精確測溫、高頻電流法等帶電檢測方法加強監測。

3 結語

文中以一例典型的主變低壓側10 kV全絕緣管型母線故障為例，通過故障解體、故障分析、理論分析等方法，研究了故障的深層原因，得出了如下結論：

1）該變電站低壓側10 kV全絕緣管型母線故障的直接原因為中間接頭的絕緣屏蔽筒浸水。

2）因屏蔽筒端部的防水層年久失效，水滲入屏蔽筒。早期防水工藝的長時耐候性欠佳，在長時間運行后滲水風險極大，嚴重影響設備安全可靠運行。

3）通過靜電場仿真計算，絕緣管母屏蔽筒的絕緣配合不合理。均壓筒與屏蔽筒之間的微小間隙是強場區，極易發生局部放電。一旦浸水，將發生強烈的局部放電，并發展為沿面閃絡。

4）滲水導致高壓均壓筒與絕緣屏蔽筒之間的場強進一步畸變，尤其是均壓筒邊緣；而滲水對屏蔽筒兩端電場分布的影響微弱。

5）對全絕緣管型母線，建議加強帶電技術檢測，盡快完成改造。取消屏蔽筒結構的中間接頭方式，可改造為直接軟連接，或可按照全絕緣形式對中間接頭進行現場繞包。