淺談500kV斷路器瓷套管爆炸原因

霍建偉

摘要：套管在變壓器運行時長期通過負載電流，當變壓器外部發生短路時，還要承載短路電流，因此必須具有規定的電氣強度和足夠的機械強度，同時還必須具有良好的熱穩定性，能承受短路時的瞬間過熱。大型變壓器多采用電容式套管，這種套管以多層緊密配合的絕緣紙和鋁箔交錯卷制成的電容芯子作為主絕緣。電容式套管分為膠紙電容式套管和油紙電容式套管兩大類。

關鍵詞：斷路器;瓷套管;炸裂;電場仿真計算

引言

高壓套管是高壓導體穿過與其電位不同的隔板，起絕緣和支持作用，是電力系統中的重要設備，按照材料可分為瓷套管和復合絕緣子套管，蒙西電網500kV斷路器大部分使用的是瓷套管，瓷套管穩定運行至關重要。

1套管結構調研

1.1B廠家500kV斷路器套管設計情況

B廠家罐式斷路器所配瓷質套管或復合套管外部為改善電場分布裝設了旋壓式（一體化）的超長屏蔽罩。同時，B廠家所生產的罐式斷路器用套管形狀和高度均按照電壓等級的不同來設計，其500kV斷路器所配套管均為雙屏蔽結構，整只套管由均壓環、中心導體、復合套管（瓷套管）、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐等構成。接地屏蔽經金屬法蘭與大地相連，實現對地等電位;中間屏蔽由鋁質材料制作而成，采用懸空設計，人為不施加電壓，起分壓作用，主要作用為使中心導體和接地屏蔽間的電場均勻分布。

為了保證所設計的套管滿足場強要求，B廠家設計人員利用ANSYS公司的Maxwell3D軟件對雙屏蔽結構套管在雷電沖擊下的內部場強分布進行了仿真計算分析。計算結果表明雙屏蔽結構的瓷質套管內部場強較高的部位主要集中在中間屏蔽層上，改變屏蔽層的高低和直徑都會對電場的分布產生影響，最終計算結果決定了套管內部接地屏蔽和中間屏蔽的結構尺寸。

1.2A廠家500kV斷路器套管設計情況

A廠家供內蒙古武川500kV變電站斷路器所使用的瓷質套管與B廠家自主設計的瓷質套管在結構有所不同。其配套管采用單屏蔽結構，即只有接地屏蔽而沒有中間屏蔽，且中心導體不是等徑的（導桿上部較粗，下部較細），套管內部只有接地均壓屏，外部沒有均壓環。

2故障原因分析

2.1試驗檢查情況

故障發生后，故障主變V、W相局部放電、油色譜、介損及電容量、低電壓阻抗、繞組變形、直流電阻等試驗項目的測試數據縱橫比較均無異常。變電站內2臺主變并列運行，遭受同樣的大電流沖擊，因此停運另一臺主變并進行油色譜、介損及電容量、低電壓阻抗、繞組變形、直流電阻等試驗項目的測試，縱橫比較均無異常。

2.2高壓套管爆炸故障誘因

故障主變自投運以來，一直運行良好。故障發生前，變壓器運行及檢測（包括色譜檢測）記錄表明變壓器狀態良好。正常運行條件下，變壓器不會出現突發性內部故障。故障發生當晚，變電站所在地區為雷雨天氣，氣溫20℃。該220kV開關U相首先發生內部接地故障，42ms后主變U相內部發生故障。可見，該開關內部U相接地故障是本次變壓器套管故障的直接誘因。

2.3電力電纜在非正常狀況下運行

電力電纜的正常運行狀態是指恒定負荷下的穩定狀態，而在實際運行中，電力電纜短時運行、間歇運行以及短路運行均屬于常見的非正常工作狀態。短時運行是指持續時間不足以使電纜達到溫度穩定的運行狀態，在時間tb內，給電纜施加一個Ib>Iz的恒定負載，之后的時間間歇又會使溫度降到加載前。間歇運行是指在tb內，有一穩定負載Ib>Iz之后有一個間歇期，如此不斷進行周期運行。而短路運行這種故障狀態，會導致導線壽命的縮短和導線線路及電纜附件的額外負荷。非正常工作下的電纜會使絕緣發生老化，直接影響電纜爆炸的產生。

當電力電纜在運行過程中遭受過電壓，短路電流的沖擊，便不可避免的造成電纜發生爆炸起火。電纜終端地線引出處絕緣燒熔炭化現象，是由于電纜本體發生接地故障后，地線中流過短路電流，因該處地線焊接不良，而導致局部過熱所致。有研究者利用有限元方法初略研究了電纜頭內部界面上存在雜質時，雜質周圍的電場強度分布，試驗觀察發現，在強電場作用下，沿雜質會形成放電通道。分析認為主要原因是三相不平衡電流在鎧裝鋼帶中產生渦流發熱而使絕緣損壞（實際監測設備的三相電流確實是不平衡）。在載流導體周圍存在著磁場，且磁力線與通過載流導體的電流成正比。當通過三芯電纜的電流不平衡時，在鋼帶中將產生交變磁力線，根據電磁感應原理，在鋼帶中將產生渦流使電纜發熱。不平衡電流越大，所產生的磁場越大，那么電纜發熱也就越嚴重。

2.4中壓電網常見的過電壓類型

中壓電網的過電壓可分為外部過電壓和內部過電壓。外部過電壓主要是由于雷擊引起的，本文不作詳細敘述。內部過電壓通常包括操作過電壓和諧振過電壓。在故障或操作時瞬間發生的稱為操作過電壓，它具有持續時間較短，在幾十毫秒以內，幅值較高特點，此種過電壓可以分為4種：（1）中心點不接地系統的弧光接地過電壓;（2）空載線路或電容性負荷的拉閘過電壓;（3）切除電感性負荷或空載變壓器的過電壓;（4）空載線路的合閘過電壓。

3確保帶電作業人員安全的建議和措施

在具有配網自動化功能線路上進行配網不停電作業，為了確保作業安全，建議從網架結構設計、設備選型、作業方法改進和作業人員培訓等方面采取措施。

（1）在網架結構設計改造中，參照2016年版國家電網公司配電網工程典型設計（10kV架空線路分冊），在電壓互感器（TV）和10kV線路間安裝跌落式熔斷器或隔離開關，避免裝置性違章。

（2）不具備典設改造條件的電桿，建議選用集成了固體絕緣電容分壓式電壓傳感器的智能開關，電壓傳感器的電容量小、電流小，且少了外置的電壓互感器和跌落式熔斷器等設備以及相應的引線，裝置結構大為簡化，即滿足帶電作業安全條件，又為帶電作業創造了作業空間。

（3）建議采用勵磁特性較好的電壓互感器或電容式電壓互感器。勵磁特性好的互感器鐵芯不易飽和，可以避免出現諧振，其勵磁特性曲線近似于線性，電容式電壓互感器是屬于電容性質的負載，可應用與易發生鐵磁諧振的場合。

（4）在進行帶電斷接引線前，斗內電工先對TV進行絕緣電阻測試，確保相-相和相-地的絕緣電阻滿足規程要求，避免因設備絕緣老化或不合格引進的TV爆炸。據悉山東某電力公司采取此方法后，TV爆炸的事故大大減少。

（5）線路不滿足國網典型設計時，不進行帶TV帶電斷接引線，否則，應使用帶電作業專用的消弧開關，或采用“絕緣斗臂車+絕緣操作桿”相結合的方式。使作業人員遠離斷接點以避免激磁電流或過電壓的影響。

結語

此次套管爆炸故障是由套管熱穩定性、機械強度和變壓器承載短路電流能力不足造成的。為避免此類事故再次發生，首先，生產廠家應提高套管和變壓器的制造工藝和選材質量，認真落實各項反事故措施，提高產品質量;其次，設備運維單位應加強套管和變壓器的技術監督工作，采用在線監測和紅外測溫等技術手段掌握設備運行狀態，做好運維工作，確保變壓器安全穩定運行。

參考文獻

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