氣體絕緣金屬封閉開關設備盆式絕緣子放電故障原因

劉高明, 陳國靜, 孫慶峰, 馬建艷, 李賢良, 許 挺

(1.國網湖州供電公司, 湖州 313000;2.山東泰開高壓開關有限公司, 泰安 217000;3.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗所有限公司, 杭州 310014;4.杭州凱達電力建設有限公司, 杭州 311100;5.國網麗水供電公司, 麗水 323000;6.國網杭州供電公司,杭州 310009)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)的安全可靠性是高壓電網穩定運行的關鍵因素,盆式絕緣子為GIS設備中的關鍵零部件,主要起支撐導體、隔離氣室和電氣絕緣的作用[1]。GIS設備具有結構緊湊、占地面積小等優點[2-3],廣泛應用于電網建設中。但在GIS設備發生故障并對其進行搶修處理時,其緊湊的結構往往給操作人員帶來極大的不便,而盆式絕緣子是GIS設備中故障較多的部件之一[4-5],其中擊穿[6]和閃絡[7]的發生頻率較高。

2020年,某220 kV擴建工程的耐壓試驗過程中,其A相發生放電故障,將其解體后發現盆式絕緣子表面有閃絡跡象,對故障絕緣子進行更換處理后,再次進行耐壓試驗時,該絕緣子再次發生放電故障。現場檢測時,未在殼體內部發現異物,且在盆式絕緣子表面未發現裂紋等缺陷,屏蔽罩、殼體內表面等位置也未發現可能引起放電的尖端,且試驗前微水等檢測結果均合格,但對故障絕緣子進行滲透檢測時,發現絕緣子嵌件和環氧本體間存在澆注間隙。

筆者采用宏觀觀察、滲透檢測、X射線檢測等方法分析了發生放電故障的原因,并利用仿真軟件計算了高電壓環境下不同澆注間隙對電場的影響,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對故障盆式絕緣子進行宏觀觀察,未在絕緣子表面發現裂紋、雜質等缺陷。閃絡痕跡沿嵌件和環氧樹脂本體的黏接處起始并向外延展,呈枝丫狀開叉,終止于盆式絕緣子和殼體間密封處(見圖1)。

圖1 故障盆式絕緣子宏觀形貌

1.2 滲透檢測

對故障絕緣子外表面進行滲透檢測,重點檢測了嵌件和環氧樹脂本體的黏接部位,滲透時間約為12 min,結果如圖2所示。由圖2可知:盆式絕緣子和嵌件部位存在兩處顯像痕跡,發生閃絡處弧長約50 mm,深度、寬度未知,且該顯像部位為閃絡起始點。

圖2 故障盆式絕緣子滲透檢測結果

1.3 X射線檢測

運用數字成像技術(DR系統)對故障絕緣子進行多角度X射線檢測,目的是檢測其內部是否存在裂紋等缺陷,結果如圖3所示。由圖3可知:該故障絕緣子內部組織均勻,未發現裂紋、雜質等缺陷。

圖3 故障盆式絕緣子X射線檢測結果

2 綜合分析

線膨脹系數是材料的物理特性之一,產品成型后,溫度變化以及應力作用造成的變形是無法改變的,因此在設計中要考慮不同材料之間的膨脹匹配性。GIS設備盆式絕緣子本體材料通常為絕緣性能較好的環氧樹脂,嵌件為導電性能較好的金屬材料。

相關文獻表明[8-9]:環氧樹脂在固化過程中會產生較大且不均勻的殘余應力,這是由于固化反應發生在高溫狀態,固化體系中的導熱性差,溫度場分布不均勻,使得固化收縮不均勻,此外,隨著Al2O3顆粒的加入,也會帶來分散不均、粒子聚集等問題,殘余應力使得盆式絕緣子和嵌件結合部位的微裂紋、分層等缺陷極難避免。

為保證環氧樹脂和金屬嵌件結合處的黏接力,需盡可能減少兩者間的分層,且保持高導電率,其中心嵌件一般選取和環氧樹脂膨脹系數較為接近的鋁材[10],這是因為當溫度變化時,內部的殘余應力較小,不易出現嵌件黏接面開裂的現象。

對發生放電故障的盆式絕緣子本體及其嵌件進行了化學成分分析。由于盆式絕緣子本體材料為環氧樹脂,手持式光譜儀無法檢測輕元素,嵌件元素化學成分如表1所示。

表1 故障盆式絕緣子嵌件元素化學成分 %

由表1可知,嵌件的化學成分符合GB/T 3190—2016 《變形鋁及鋁合金化學成分》的要求。

由于故障盆式絕緣子未分解,無法觀察環氧樹脂和嵌件間是否存在裂紋等缺陷,也缺乏相應的技術手段開展微裂紋的檢測,但采用滲透檢測方法發現環氧樹脂和嵌件部位存在澆注間隙,且該部位為閃絡起始點。絕緣子閃絡指的是由沿面局部電弧爬電所致的局部電弧貫通。胡大偉[11]通過棒-板電極空氣間隙模型,提出“線路懸式絕緣子的‘不明閃絡’并非真正意義上的沿面閃絡,而是在絕緣子附近空間內發生的絕緣子極間空氣間隙擊穿”的假說。周中升等[12]通過試驗驗證了1 mm間隙下變壓器油擊穿和有機玻璃沿面閃絡的試驗數據。

2.1 建立模型

該盆式絕緣子為三相共箱式非圓周對稱結構,需采用三維電場進行分析。采用計算機輔助設計軟件對盆式絕緣子進行1…1建模,為更好地反映盆式絕緣子在實際工程中的應用效果,電場仿真模型包括盆式絕緣子、兩側殼體、內部屏蔽及導體等,忽略了對電場、電位基本沒有影響的金屬連接件,盆式絕緣子電場計算模型如圖4所示。

圖4 盆式絕緣子電場計算模型

考慮到無法準確測量澆注間隙的大小,特分別選取寬度為0.05,0.1,0.2 mm的間隙進行對比研究。間隙弧長為50 mm,間隙深度為10 mm,澆注間隙如圖5所示。

圖5 澆注間隙示意

2.2 仿真試驗

計算時,取盆式絕緣子環氧樹脂和SF6的相對介電常數分別為4.5與1.002 5。

在設計盆式絕緣子時,主要考慮的是環氧樹脂表面和接地法蘭的電場強度,設計基準為盆式絕緣子各關鍵部位場強(或切向場強)的最大允許值[13],其中主要關注環氧樹脂表面的合成場強最大值Eh、表面切向場強最大值Eq,關注接地法蘭表面的合成場強最大值Ef。根據經驗Eh>Eq,在后續計算中,只考察Eh和Ef兩個場強。

2.2.1 無澆注間隙的盆式絕緣子電場計算

首先對該盆式絕緣子進行電場校核計算,驗證其絕緣性能是否能夠滿足產品使用需求。將搭建好的無澆注間隙的盆式絕緣子計算模型導入電場模塊中,外殼施加低電位為0 kV,內部導體A相(耐壓時閃絡相序)施加高電位1 050 kV,B、C兩相施加低電位0 kV。

圖6為無澆注間隙下的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布,由圖6可知:絕緣子表面合成場強最大值為11.2 kV/mm,位于絕緣子凹面環氧柱根部的圓弧處。外殼表面合成場強最大值為10 kV/mm,位于殼體法蘭圓弧處。

圖6 無澆注間隙的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布

通過計算可知,該盆式絕緣子表面合成場強最大值及接地法蘭表面合成場強最大值均符合場強設計要求,能夠滿足工程應用。

2.2.2 存在澆注間隙的盆式絕緣子電場計算

將澆注間隙寬度分別為0.05,0.1,0.2 mm的盆式絕緣子計算模型導入電場模塊中,邊界條件同上節,此處不再贅述。3種間隙的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布如圖7～9所示。

圖7 澆注間隙為0.05 mm的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布

圖8 澆注間隙0.1 mm的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布

圖9 澆注間隙0.2 mm的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布

2.3 結果分析

盆式絕緣子電場計算結果如表2所示。

表2 盆式絕緣子電場計算結果

由表2可知:澆注間隙對盆式絕緣子環氧樹脂表面及外殼表面的場強大小和分布影響不大,均滿足設計基準值的要求。澆注間隙主要影響環氧樹脂和嵌件黏接位置的場強,一旦產生澆注間隙,場強就會發生畸變,遠超設計基準值要求,并且根據計算可知,澆注間隙在深度和弧長不變的條件下,其寬度越小,場強發生的畸變越大,間隙也越容易被擊穿。

故障盆式絕緣子無其他缺陷,且在事故GIS殼體內部未發現異物,屏蔽罩、殼體內表面等位置也未發現可能引起放電的尖端存在,試驗前微水等檢測結果均合格,僅滲透試驗過程中發現環氧樹脂和嵌件部位存在澆注間隙,且其為閃絡起始點,可判斷在高電壓環境下的澆注間隙內產生的畸變電場是導致盆式絕緣子沿面閃絡的主要原因,仿真結果也驗證了該結論。

3 結語

(1) 澆注間隙會使盆式絕緣子的電場發生畸變,且在澆注間隙深度、弧長相等的狀態下,其寬度越小,電場的畸變越大,間隙越容易被擊穿,從而發生閃絡故障。

(2) 在盆式絕緣子生產過程中,澆注間隙較難避免,生產廠家應制定合理的固化工藝,并嚴格執行。

(3) 采用滲透檢測方法能有效檢測出嵌件黏接處的澆注間隙等缺陷。