牛 會

(內(nèi)蒙超高壓供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

內(nèi)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(fā)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(dǎo)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(tǒng)中的重要設(shè)備，按照材料可分為瓷套管和復(fù)合絕緣子套管，蒙西電網(wǎng)500 kV斷路器大部分使用的是瓷套管，瓷套管穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

1 套管結(jié)構(gòu)調(diào)研

1.1 B廠家500 kV斷路器套管設(shè)計情況

B廠家罐式斷路器所配瓷質(zhì)套管或復(fù)合套管外部為改善電場分布裝設(shè)了旋壓式(一體化)的超長屏蔽罩。同時，B廠家所生產(chǎn)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(shè)計，其500 kV斷路器所配套管均為雙屏蔽結(jié)構(gòu)，整只套管由均壓環(huán)、中心導(dǎo)體、復(fù)合套管(瓷套管)、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐等構(gòu)成。接地屏蔽經(jīng)金屬法蘭與大地相連，實現(xiàn)對地等電位；中間屏蔽由鋁質(zhì)材料制作而成，采用懸空設(shè)計，人為不施加電壓，起分壓作用，主要作用為使中心導(dǎo)體和接地屏蔽間的電場均勻分布。

為了保證所設(shè)計的套管滿足場強要求，B廠家設(shè)計人員利用ANSYS公司的Maxwell 3D軟件對雙屏蔽結(jié)構(gòu)套管在雷電沖擊下的內(nèi)部場強分布進行了仿真計算分析。計算結(jié)果表明雙屏蔽結(jié)構(gòu)的瓷質(zhì)套管內(nèi)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(chǎn)生影響，最終計算結(jié)果決定了套管內(nèi)部接地屏蔽和中間屏蔽的結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 A廠家500 kV斷路器套管設(shè)計情況

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

1.3 C廠家500 kV瓷質(zhì)套管情況

C廠家所供國內(nèi)各大開關(guān)廠500 kV瓷質(zhì)套管的結(jié)構(gòu)尺寸均由各開關(guān)生產(chǎn)廠家設(shè)計。其中，供B廠家500 kV斷路器所配瓷質(zhì)套管高度為4.9 m、下口內(nèi)徑為460 mm、上口內(nèi)徑為130 mm，供A廠家500 kV斷路器所配瓷質(zhì)套管高度為4.6 m、下口內(nèi)徑為490 mm、上口內(nèi)徑為120 mm。

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

1.4 D廠家500 kV斷路器套管設(shè)計分析情況

D廠家技術(shù)人員在考慮瓷質(zhì)套管各環(huán)節(jié)出廠試驗的嚴格性后，認為套管炸裂的可能原因是電。技術(shù)人員指出：歐洲電氣設(shè)備較小型化，日本的電氣產(chǎn)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(xiàn)；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(shù)沒有變，而起絕緣能力的關(guān)鍵是六氟化硫的分子數(shù)量。技術(shù)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(shù)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(nèi)壓力產(chǎn)生影響是事故的主要原因；對于A廠家中心導(dǎo)體內(nèi)徑不一致的原因，技術(shù)人員分析可能有散熱的因素，內(nèi)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(guān)產(chǎn)品的制造、運輸、安裝比雙屏蔽產(chǎn)品要簡單，雙屏蔽套管工藝復(fù)雜，但是對電場的優(yōu)化優(yōu)于單屏蔽。

2 套管電場強度有限元分析

單屏蔽套管結(jié)構(gòu)簡單、安裝制作方便、成本較低，經(jīng)過對單屏蔽套管場強分布進行仿真計算分析，發(fā)現(xiàn)單屏蔽套管場強較雙屏蔽套管大、難以滿足設(shè)計要求。國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的500 kV單雙屏蔽套管某型號瓷質(zhì)管場強分布仿真計算結(jié)果詳如表1，2。對國內(nèi)某型號套管在無內(nèi)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(jié)果及許用值 kV/cm

無內(nèi)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(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)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(jié)果及許用值 kV/cm

3 結(jié)語

A廠家設(shè)計的瓷套管采用單屏蔽結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體和接地屏蔽間的電場均勻分布，電場仿真發(fā)現(xiàn)單屏蔽場強高于雙屏蔽；另外，A廠家設(shè)計的瓷套管偏短，瓷套管絕緣距離短，出口端無均壓環(huán)，其設(shè)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(xiàn)放電故障的概率。