絕緣管母線中間接頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

何夢(mèng)，徐楠，莊璇，樂佳琪，魯志沖

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

隨著用電負(fù)荷的日益增長和土地資源的日益緊張，對(duì)變電站內(nèi)低壓(6～35 kV)載流裝置提出了載流量高、小型化、排布緊湊化的要求。在此現(xiàn)狀下，絕緣管母線以其載流量大、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣絕緣性能好及占地空間小等優(yōu)勢(shì)，得到了日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1]。絕緣管母線是利用同軸電容原理，以銅管作為導(dǎo)體，在銅管外澆注絕緣材料的載流裝置。絕緣管母線主要有繞包式、擠包式、澆注式3種。繞包式絕緣管母線因局部放電量難以控制，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不多；擠壓式與澆注式絕緣管母線應(yīng)用較為廣泛。不同廠家在導(dǎo)體連接方式、中間連接處和端部的絕緣設(shè)計(jì)方面有不同的型式結(jié)構(gòu)。綜合考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝等因素，現(xiàn)階段采用的絕緣管母線每段長度一般不超過10 m，并在現(xiàn)場(chǎng)通過中間接頭連接[2]。

絕緣管母線在國內(nèi)的發(fā)展起步較晚，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝工藝、質(zhì)量檢測(cè)、運(yùn)行維護(hù)等全環(huán)節(jié)均還不夠成熟。以上海地區(qū)為例，所采用的環(huán)氧澆注式絕緣管母線在投運(yùn)幾年以來，陸續(xù)出現(xiàn)了多起中間接頭部位擊穿、燒毀等事故[3-5]。絕緣管母線故障往往不僅會(huì)直接引發(fā)大面積停電，而且還會(huì)造成與其連接的變壓器、開關(guān)柜等主設(shè)備嚴(yán)重受損，對(duì)供電安全穩(wěn)定性及可靠性造成惡劣影響。鑒于這些情況，本文分析絕緣管母線中間接頭部位故障多發(fā)原因并給出對(duì)策，為保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 絕緣管母線中間接頭故障分析

1.1 絕緣管母線中間接頭的結(jié)構(gòu)

典型的預(yù)制絕緣管母線中間接頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括端部密封法蘭、絕緣筒、彈簧觸指等主要組件。其中，絕緣筒一般采用環(huán)氧澆注材料，其內(nèi)壁有金屬屏蔽筒，用于均勻絕緣管母線軟連接處的場(chǎng)強(qiáng)。

圖1 絕緣管母線中間接頭結(jié)構(gòu)圖

1.2 絕緣管母線中間接頭故障原因分析

2016年7月，上海地區(qū)某220 kV地下變電站3號(hào)主變220 kV側(cè)開關(guān)跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，位于地下三層的3號(hào)主變35 kV五段絕緣管母線有一處豎直安裝的中間接頭發(fā)生放電。該中間接頭位于3號(hào)主變35 kV五段開關(guān)倉位正下方，三相接頭外保護(hù)套全部燒損開裂，位于接頭正上方的天花板熏黑，A相接頭相鄰的二次電纜多處燒損。絕緣管母線中間接頭故障實(shí)例見圖2。

圖2 絕緣管母線中間接頭故障實(shí)例

該段絕緣管母線處于地下室。在故障發(fā)生時(shí)，是上海地區(qū)的梅雨季節(jié)，地下室平均濕度約為82%，并且凝露現(xiàn)象明顯。由于故障相燒損嚴(yán)重，通過對(duì)A，C相仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)其接頭絕緣筒兩端的密封情況不佳，端部密封法蘭處有凝露積水，其密封圈已明顯變形，并且有貫穿密封圈的水漬。B相端部法蘭的密封圈貫穿水漬更明顯，根據(jù)現(xiàn)象可推測(cè)，B相故障應(yīng)為密封不良導(dǎo)致潮氣進(jìn)入絕緣筒內(nèi)部，引發(fā)絕緣水平下降。從故障現(xiàn)象來看，應(yīng)是絕緣筒內(nèi)的凝露沿著內(nèi)壁下滑，從而對(duì)下部法蘭接地點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)。

絕緣管母線的中間接頭是一個(gè)易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。根據(jù)上海地區(qū)近5年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，接頭部位故障占絕緣管母線故障的80%。常見的故障有：因電場(chǎng)分布不均勻?qū)е露瞬块W絡(luò)，由于過熱導(dǎo)致設(shè)備絕緣老化加速等[6-7]。對(duì)接頭部位的故障進(jìn)行共性分析發(fā)現(xiàn)，主要原因如下。

(1)絕緣管母線端部爬電比距小。廠方設(shè)計(jì)的絕緣管母線端部爬電比距未達(dá)到《十八項(xiàng)反措實(shí)施細(xì)則》(2018)對(duì)有機(jī)絕緣不小于20 mm/kV的要求[8]。

(2)絕緣管母線中間接頭密封不良。主絕緣表面因受潮甚至凝露使得絕緣性能驟減，其局部放電，起始電壓也下降至正常運(yùn)行相電壓附近，局部放電不斷發(fā)展從而形成母線高壓部分沿主絕緣表面對(duì)接地屏閃絡(luò)。

目前，對(duì)絕緣管母線故障的相關(guān)研究主要集中于電場(chǎng)分析以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[9]，特別是在絕緣管母線接頭處，由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部電場(chǎng)易發(fā)生畸變[10-11]。研究中關(guān)注點(diǎn)更集中于電場(chǎng)分布的改善，對(duì)爬電比距研究較少，因而忽略了爬電比距的影響。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，尤其是在絕緣管母線接頭臟污受潮或受潮凝露時(shí)，爬電比距對(duì)放電甚至擊穿有很大的影響。

2 絕緣管母線中間接頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為減少絕緣管母線中間接頭故障的發(fā)生概率，以增加絕緣管母線中間接頭的爬電比距、提高防潮性能為設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行絕緣管母線中間接頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 新增傘裙結(jié)構(gòu)

對(duì)絕緣管母線中間接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，絕緣管母線端部到接地屏的爬電距離僅為260 mm，標(biāo)稱電壓35 kV的絕緣管母線，其額定電壓為40.5 kV，爬電比距約為6.4 mm/kV。要保證爬電比距不低于20 mm/kV，絕緣管母線端部到接地屏的爬電距離應(yīng)不低于810 mm。在接頭端部和屏蔽筒內(nèi)壁新增絕緣傘裙可增加其爬電距離，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)設(shè)計(jì)的絕緣管母線中間接頭結(jié)構(gòu)圖

考慮到絕緣傘裙對(duì)電場(chǎng)分布的影響，采用有限元分析軟件中的Maxwell模塊對(duì)絕緣管母線中間接頭的電場(chǎng)分布進(jìn)行了建模。由于初始結(jié)構(gòu)沿x軸軸向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，對(duì)其模型進(jìn)行簡化處理，在不影響整體結(jié)果正確性的前提下，既可以節(jié)省運(yùn)算過程，又可以減少計(jì)算時(shí)間，在Maxwell模塊中可以采用2D靜電場(chǎng)對(duì)此分析。

整個(gè)模型的最內(nèi)側(cè)是高壓部分，高壓部分的材料為銅；管母線整體的絕緣材料選擇環(huán)氧樹脂，樹脂中分布著半導(dǎo)電層，起到均壓作用；在最外層電容屏外均勻纏繞著金屬屏蔽層，材料為銅箔，接地處理。根據(jù)傘裙在電氣性能和力學(xué)性能方面的要求，材料為硅橡膠。

仿真通過改變傘裙的結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析屏蔽筒內(nèi)電位和電場(chǎng)分布的變化。仿真的傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)包括傘裙形狀(等徑傘、不等徑交替?zhèn)?、傘間距、傘徑及內(nèi)外傘裙布置方式(對(duì)齊、錯(cuò)開)等。加裝傘裙前后屏蔽筒內(nèi)的電位分布和電場(chǎng)分布如圖4和圖5所示。

圖4 加裝傘裙前絕緣筒內(nèi)電位及電場(chǎng)分布

圖5 加裝傘裙后絕緣筒內(nèi)電位及電場(chǎng)分布

仿真計(jì)算結(jié)果表明：采用等徑傘、傘徑25 mm、傘間距30 mm、內(nèi)外傘裙對(duì)齊的布置方式時(shí)，屏蔽筒內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較低，電場(chǎng)分布也相對(duì)均勻，此時(shí)絕緣管母線端部到接地屏之間沿傘裙表面的爬電比距達(dá)到不小于20 mm/kV的要求。

2.2 絕緣筒的密封設(shè)計(jì)

針對(duì)環(huán)氧澆注式絕緣管母線中間接頭的絕緣筒，采用冗余密封設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)防水防潮性能。

(1)在絕緣筒兩端的絕緣法蘭之間、法蘭與絕緣管母線之間，安裝高性能O型硅橡膠密封圈。

(2)絕緣筒的外法蘭設(shè)置尾管，固定好絕緣筒以后，采用專用密封膠和熱縮套管，將絕緣管母線表面和尾管再次進(jìn)行熱縮密封處理。

(3)針對(duì)運(yùn)行環(huán)境濕度過大的情況，可再增加一層密封膠和熱縮護(hù)套將屏簡筒與絕緣管母線連接部位整體包裹，如圖6所示。

圖6 密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

此外，在絕緣筒的外法蘭上設(shè)計(jì)抽真空接口。整個(gè)絕緣筒在現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，使用真空泵對(duì)絕緣筒內(nèi)抽真空，真空度達(dá)到-0.04 MPa左右，保持30 min真空度無下降，然后在真空狀態(tài)下向絕緣筒內(nèi)灌注高純氮?dú)庵琳４髿鈮海儆猛繚M螺紋膠的螺栓將絕緣筒密封。

3 改進(jìn)接頭的驗(yàn)證試驗(yàn)

采用硅橡膠制作好的絕緣傘裙一部分安裝在絕緣筒內(nèi)壁，另一部分安裝在絕緣母線外壁，加裝了絕緣傘裙(見圖7)，但未安裝絕緣筒的絕緣管母線接頭部分。

圖7 加裝傘裙的絕緣管母線

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)的中間接頭的電氣性能是否得到改善，進(jìn)行了局部放電對(duì)比試驗(yàn)。采用加濕器調(diào)整中間接頭絕緣筒內(nèi)的濕度，測(cè)試中間接頭改進(jìn)前后的局部放電起始電壓。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 局部放電起始電壓

當(dāng)屏蔽筒內(nèi)濕度低于60%時(shí)，改進(jìn)前后的中間接頭局部放電起始電壓是一致的。當(dāng)濕度逐漸增大，兩種中間接頭的局部放電起始電壓都開始下降，原接頭在濕度超過80%時(shí)迅速下降，而改進(jìn)后的接頭起始電壓下降相對(duì)緩慢，如圖8所示。

圖8 接頭改進(jìn)前后的局部放電起始電壓

3.2 型式試驗(yàn)

絕緣管母線及改進(jìn)中間接頭已經(jīng)通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)，所有試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體試驗(yàn)情況如表2所示。

表2 型式試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及建議

近兩年來，在上海地區(qū)220 kV和500 kV變電站內(nèi)出現(xiàn)的多起絕緣管母線中間接頭故障，均已采用該改進(jìn)后的中間接頭進(jìn)行消缺。運(yùn)行情況表明：采用改進(jìn)后的絕緣管母線接頭，故障發(fā)生率明顯降低。根據(jù)日常運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了幾點(diǎn)可以提高絕緣管母線運(yùn)行可靠性的建議。

(1)加強(qiáng)中間接頭的現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝管控，選擇天氣良好時(shí)進(jìn)行施工，避免潮氣進(jìn)入絕緣筒內(nèi)部。

(2)在濕度較大的環(huán)境下，中間接頭建議水平安裝，盡量避免豎直安裝。同時(shí)，建議配備除濕設(shè)備，以降低濕度、減少凝露發(fā)生。

(3)日常運(yùn)維期間，應(yīng)積極開展?fàn)顟B(tài)檢測(cè)，有效掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在雷雨潮濕季節(jié)及大負(fù)荷期間，開展紅外測(cè)溫及末屏接地電流檢測(cè)，定期進(jìn)行非接觸式超聲和特高頻局部放電檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備缺陷。

5 結(jié)語

針對(duì)運(yùn)行中的環(huán)氧澆注式絕緣管母線常見的中間接頭故障問題，分析了故障多發(fā)的原因在于中間接頭部位易受潮、爬電比距小。從增大爬電比距和改善防水防潮兩方面出發(fā)，改進(jìn)了中間接頭的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，通過改進(jìn)提高了中間接頭的電氣性能和防水防潮性能，大大降低了絕緣管母線中間接頭的故障發(fā)生率，提高了絕緣管母線的運(yùn)行可靠性。