廣西送變電建設(shè)有限責(zé)任公司 許嘉毅

1 ±800kV特高壓直流穿墻套管基本設(shè)計(jì)

此次研究的±800kV 特高壓直流穿墻套管基本設(shè)計(jì)參數(shù)是套管長度為20.156m，戶外絕緣凈距為9.9m，戶內(nèi)絕緣凈距為7.4m，絕緣傘群直徑為0.923m。直流穿墻套管的外絕緣結(jié)構(gòu)以硅橡膠為主，未設(shè)置固體電容芯子，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣體絕緣變電站相像[1]。±800kV 特高壓直流穿墻套管應(yīng)用期間，SF6氣體充滿的情況下氣壓平均值為0.7MPa。以中間法蘭連接套管的戶內(nèi)外側(cè)，套管的安裝結(jié)構(gòu)選擇插拔式，測量好套管內(nèi)外側(cè)導(dǎo)體間距后將外側(cè)插入內(nèi)側(cè)，以螺栓將其固定。

直流穿墻套管的鏈接，選擇鋁合金金屬導(dǎo)桿為中間長導(dǎo)桿，并且設(shè)置觸指結(jié)構(gòu)，保證中間位置靈活滑動。導(dǎo)桿的具體參數(shù)是外徑為160mm，壁厚為15mm，截面積為6833mm2，電流密度前提條件為5000A、0.73A/mm2，阻抗計(jì)算值前提條件為20℃、95μΩ。導(dǎo)桿應(yīng)用之前，插頭、插銷等表面必須進(jìn)行電鍍銀處理并壓花，增強(qiáng)導(dǎo)桿使用功能[2]。

支撐絕緣子的設(shè)計(jì)以環(huán)氧樹脂為主要材料，必須滿足填充氧化鋁的條件。隨后設(shè)計(jì)成三角結(jié)構(gòu)，度數(shù)要求以120°為主。絕緣子支撐結(jié)構(gòu)的組成，要求數(shù)量必須為3 支，這樣能夠達(dá)到直流穿墻套管同心度的要求，保證機(jī)械支撐力[3]。

2 ±800kV特高壓直流穿墻套管故障研究

±800kV 特高壓直流穿墻套管運(yùn)行期間，常見故障集中出現(xiàn)在夏季，如閃絡(luò)、氣壓異常、安全隔板損壞等。對于±800kV 特高壓直流穿墻套管故障研究，主要從以下幾方面研究。

2.1 確定故障位置

根據(jù)±800kV 特高壓直流穿墻套管異常情況，對異常區(qū)域進(jìn)行解剖，并且確定閃絡(luò)發(fā)生的具體位置，集中在垂直支撐絕緣子表面。通過對電弧路徑的觀察發(fā)現(xiàn)，閃絡(luò)現(xiàn)象以法蘭為起點(diǎn)，由絕緣子表面延伸至直流穿墻套管的金屬護(hù)套[4]。護(hù)套表面出現(xiàn)不同程度的融化，法蘭的表面與兩側(cè)也出現(xiàn)金屬痕跡，由此可以鎖定此位置是閃絡(luò)現(xiàn)象的源頭。

2.2 解剖中心導(dǎo)體

結(jié)合故障具體情況，需對±800kV 特高壓直流穿墻套管中心導(dǎo)體進(jìn)行解剖，經(jīng)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，中心導(dǎo)體的觸指結(jié)構(gòu)，受閃絡(luò)現(xiàn)象的影響鍍銀外層出現(xiàn)不同程度變黃與磨損，彈簧結(jié)構(gòu)金屬銜接位置出現(xiàn)金屬熔化[5]。此現(xiàn)象的出現(xiàn)主要因?yàn)镾F6放電氣體暴露，與中心導(dǎo)體觸指結(jié)構(gòu)鍍銀層產(chǎn)生反映，繼而造成鍍銀層表面變黃。金屬熔化現(xiàn)象的原因是氣體在溫度異常情況下持續(xù)膨脹，鋁液體被迫進(jìn)入直流穿墻套管中心導(dǎo)體。中心導(dǎo)管解剖期間，導(dǎo)管插頭、各個連接位置等都出現(xiàn)不同程度的摩擦。尤其是插頭插銷位置，摩擦特征明顯，彈簧凹槽位置也出現(xiàn)很大程度的磨損，磨損現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是彈簧線圈角度的控制與插頭運(yùn)動等。

2.3 故障主要原因分析

±800kV 特高壓直流穿墻套管閃絡(luò)等故障的出現(xiàn)，主要原因是直流穿墻套管中出現(xiàn)污染物，不斷摩擦過程中產(chǎn)生金屬粉塵，金屬粉塵打破環(huán)境隔離模式，繼而引發(fā)電場畸變，絕緣子表面吸附在粉塵功能受損，增加特高壓直流穿墻套管應(yīng)用風(fēng)險[6]。

3 ±800kV 特高壓直流穿墻套管絕緣子耐壓試驗(yàn)研究

±800kV 特高壓直流穿墻套管的安全性需要提高，必須對故障出現(xiàn)原因進(jìn)行驗(yàn)證，并鎖定主要原因，以此更好地對±800kV 特高壓直流穿墻套管故障進(jìn)行解決與設(shè)計(jì)改進(jìn)。此次以縮比支撐絕緣子耐壓研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定污染物引發(fā)套管故障的原因。

SF6氣體非線性電導(dǎo)數(shù)學(xué)模型是特高壓直流穿墻套管就源自耐壓試驗(yàn)研究的前提，通過對SF6氣體的分析并且對支柱絕緣子的研究，梳理其中表面電荷聚集情況，其主要包括三種機(jī)制。第一種機(jī)制是以電流連續(xù)性方程為基礎(chǔ)所生成的體電荷密度分布模型，需借助歐姆定律實(shí)現(xiàn)。第二種機(jī)制是以弱電離氣體載流子云方程為基礎(chǔ)，所形成的表面電荷暫態(tài)模型，漂移擴(kuò)散模型是基本條件。第三種機(jī)制是以非線性偏微分方程為基礎(chǔ)，利用有限元方法對電荷分布進(jìn)行求解，借此得到SF6氣體電場分布信息。

直流高壓穿墻套管豎立放置的方式進(jìn)行截取，結(jié)構(gòu)的下端以圓柱狀絕緣子為主，為方便試驗(yàn)觀察，對±800kV 特高壓直流穿墻套管實(shí)際尺寸進(jìn)行同比縮小。試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的上下底面以軸線為中心，并未完全平行于側(cè)面，而是預(yù)留5°夾角，根據(jù)±800kV 特高壓試驗(yàn)要求，絕緣子兩端分別設(shè)置圓盤電極，保證試驗(yàn)操作中場強(qiáng)與±800kV 特高壓直流穿墻套管實(shí)際情況保持一致，借此確保試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性。此外還要檢測試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的右側(cè)電極，試驗(yàn)分析期間將其接通高壓電源后，可以準(zhǔn)確對導(dǎo)桿電壓、圓盤電位差等進(jìn)行模式測試。

為確保試驗(yàn)之前支撐絕緣子無電荷狀態(tài)，必須提前對其表面進(jìn)行專業(yè)擦拭處理，全面放電后方可投入試驗(yàn)。將處理好的支撐絕緣子進(jìn)行安裝，期間檢測±800kV 特高壓直流穿墻套管腔體狀態(tài)，保證無任何金屬粉塵。待支撐絕緣子插入腔內(nèi)后，將蓋板密封。安裝完畢進(jìn)入到常壓測試階段，待電壓不斷調(diào)整中，升至170kV 直流穿墻套管出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值如表1所示。

表1 絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值

由表1可知，170kV 以下并未出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，但是170kV以上卻出現(xiàn)明顯閃絡(luò)現(xiàn)象。隨后調(diào)整常壓試驗(yàn)條件，環(huán)氧支撐絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值如表2所示。

表2 環(huán)氧支撐絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值

直流電壓保持在200kV絕緣子時，并不存在閃絡(luò)現(xiàn)象，隨后將直流電壓上調(diào)至325kV，絕緣子試驗(yàn)出現(xiàn)變化，并且閃絡(luò)次數(shù)明顯增加，環(huán)氧支撐絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值如表3所示。

表3 環(huán)氧支撐絕緣子加壓試驗(yàn)數(shù)值

由表3可知，直流電壓調(diào)整至325kV，絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，隨著電壓的持續(xù)上調(diào)，絕緣子閃絡(luò)現(xiàn)象更加嚴(yán)重，該數(shù)據(jù)對特高壓直流穿墻套管故障分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)在N2常壓條件下，閃絡(luò)現(xiàn)象的出現(xiàn)集中在170kV，但是空氣閃絡(luò)試驗(yàn)中，閃絡(luò)現(xiàn)象出現(xiàn)的波動比較大，-121～129kV 范圍內(nèi)均存在閃絡(luò)風(fēng)險。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，保證直流穿墻套管內(nèi)部環(huán)境，并且不存在電極缺陷的情況下，以相同溫度與氣壓條件，空氣N2絕緣水平較空氣絕緣水平差。因?yàn)镾F6氣體試驗(yàn)條件的設(shè)置，耐壓水平明顯超出N2試驗(yàn)條件。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，電壓極性并不會對閃絡(luò)電壓水平變化造成較大的影響，證明，±800kV特高壓直流穿墻套管設(shè)計(jì)安裝期間，必須做到內(nèi)部無污染，并且中心構(gòu)件與絕緣子等局部無放電，預(yù)留出充足的絕緣裕度，以此對套管內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)，有效降低±800kV 特高壓直流穿墻套管故障率。

4 ±800kV特高壓直流穿墻套管設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

4.1 ±800kV特高壓直流穿墻套管設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

注意調(diào)整導(dǎo)桿連接件的間距，有效減少相互旋轉(zhuǎn)摩擦影響?？茖W(xué)調(diào)整彈簧觸指接頭，特別是戶外側(cè)低場強(qiáng)區(qū)，控制好彈簧觸指接頭與套管符合絕緣子的關(guān)系。預(yù)留出單獨(dú)隔離腔體空間，及時放入彈簧觸指接頭，降低金屬粉塵污染氣體的風(fēng)險。

4.2 ±800kV特高壓直流穿墻套管設(shè)計(jì)優(yōu)化

將多段導(dǎo)桿調(diào)整為一整根導(dǎo)桿，減少冗余的滑動連接設(shè)置，將套管中心位置設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，隨后增加熱力伸縮補(bǔ)償裝置，通過對套管腔體的分割，利用伸縮補(bǔ)償裝置去隔絕主絕緣氣體，降低粉塵產(chǎn)生率，從而保障氣室安全。

將三角支撐絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，正中間垂直部分取消，于法蘭底側(cè)增加支撐絕緣子，根據(jù)數(shù)值計(jì)算軟件對三角支撐絕緣子結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真計(jì)算，并得到仿真模型。仿真模型分析中主要包括以下幾個內(nèi)容。

一是最大載荷數(shù)值設(shè)定為14.1g，運(yùn)輸時載荷嚴(yán)重，但是仍然在三角支撐絕緣子的承受范圍內(nèi)，可以充分保障直流穿墻套管運(yùn)行安全。三角支撐絕緣子承受應(yīng)力與運(yùn)行安全參數(shù)如表4所示。

表4 三角支撐絕緣子承受應(yīng)力與運(yùn)行安全參數(shù)

二是研究前提是地震狀態(tài)，直流穿墻套管設(shè)計(jì)載荷必須作出調(diào)整，從水平與垂直兩方面，加速度值分別為1.78g、1.42g。

5 結(jié)語

根據(jù)±800kV 特高壓直流穿墻套管故障的研究，總結(jié)當(dāng)前±800kV 特高壓直流穿墻套管存在的薄弱點(diǎn)，尤其是閃絡(luò)與電壓異常等問題?；瑒佑|頭與支撐絕緣子的距離控制不當(dāng)會導(dǎo)致摩擦粉塵增加，嚴(yán)重威脅電場平穩(wěn)性，繼而出現(xiàn)電場畸變現(xiàn)象。所以需要以支撐絕緣子為中心的故障原因進(jìn)行研究試驗(yàn)，鎖定故障原因并對±800kV 特高壓直流穿墻套管設(shè)計(jì)積極優(yōu)化，借此達(dá)到提高±800kV 特高壓直流穿墻套管安裝與運(yùn)行安全性的目的，為±800kV特高壓直流穿墻套管的優(yōu)化積累更多經(jīng)驗(yàn)。