淺談500 kV斷路器瓷套管爆炸原因

牛 會

(內蒙超高壓供電局，內蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

內蒙古超高壓供電局500 kV變電站2015年8月和2016年12月接連發生兩起斷路器瓷套管炸裂造成的變電站跳閘事故。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500 kV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

1.1 B廠家500 kV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500 kV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Maxwell 3D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。

1.2 A廠家500 kV斷路器套管設計情況

A廠家供內蒙古武川500 kV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。

1.3 C廠家500 kV瓷質套管情況

C廠家所供國內各大開關廠500 kV瓷質套管的結構尺寸均由各開關生產廠家設計。其中，供B廠家500 kV斷路器所配瓷質套管高度為4.9 m、下口內徑為460 mm、上口內徑為130 mm，供A廠家500 kV斷路器所配瓷質套管高度為4.6 m、下口內徑為490 mm、上口內徑為120 mm。

A廠家供內蒙古超高壓供電局武川站500 kV斷路器所配瓷質套管的設計圖紙原型為A廠家所采用的歐洲420 kV電壓等級設計，裕度可能較小。在極端條件下，容易發生閃絡，而且套管外部沒有均壓環，采用單屏蔽結構也會降低屏蔽作用。以上可能是構成斷路器套管不能穩定運行的不利因素。

1.4 D廠家500 kV斷路器套管設計分析情況

D廠家技術人員在考慮瓷質套管各環節出廠試驗的嚴格性后，認為套管炸裂的可能原因是電。技術人員指出：歐洲電氣設備較小型化，日本的電氣產品對抗震性能要求較高，而A廠家的電氣裕度雖較小，但極端不合理的情況很少出現；在氣溫較低的情況下，電場強度會受到影響，但是六氟化硫的分子數沒有變，而起絕緣能力的關鍵是六氟化硫的分子數量。技術人員提醒較低氣溫可能會引起六氟化硫液化，套管頂部的六氟化硫分子數量會減少。在日本的伊敏電廠(音譯)曾有過類似事故，一致認為六氟化硫液化對瓷套內壓力產生影響是事故的主要原因；對于A廠家中心導體內徑不一致的原因，技術人員分析可能有散熱的因素，內徑越大，散熱效果越好。套管單屏蔽和雙屏蔽相比，單屏蔽通關產品的制造、運輸、安裝比雙屏蔽產品要簡單，雙屏蔽套管工藝復雜，但是對電場的優化優于單屏蔽。

2 套管電場強度有限元分析

單屏蔽套管結構簡單、安裝制作方便、成本較低，經過對單屏蔽套管場強分布進行仿真計算分析，發現單屏蔽套管場強較雙屏蔽套管大、難以滿足設計要求。國內某廠家生產的500 kV單雙屏蔽套管某型號瓷質管場強分布仿真計算結果詳如表1，2。對國內某型號套管在無內屏蔽電極、單層接地電極及雙層屏蔽電極3種情況的電位分布進行分析。

表1 電場強度計算結果及許用值 kV/cm

無內屏蔽電極時接地法蘭附近等位線較為密集，空心絕緣子表面場強較高。內屏蔽結構的作用是強制性地將約50 %的電位控制在空心絕緣子中部。由表1和表2以及電位可以看出雙屏蔽套管均壓效果更好，絕緣裕度大于單屏蔽。

表2 額定相電壓下電場強度計算結果及許用值 kV/cm

3 結語

A廠家設計的瓷套管采用單屏蔽結構，只有接地屏蔽而沒有中間屏蔽，中間屏蔽的作用主要是使中心導體和接地屏蔽間的電場均勻分布，電場仿真發現單屏蔽場強高于雙屏蔽；另外，A廠家設計的瓷套管偏短，瓷套管絕緣距離短，出口端無均壓環，其設計的瓷套管裕量偏小。電場分布不均勻帶來的局部高場強和套管裕量偏小會大大增加運行中瓷套管絕緣出現放電故障的概率。