某500 kV變電站直流融冰裝置35 kV管母故障分析

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(1.國網(wǎng)四川省電力公司都江堰市供電分公司，四川 成都 610072； 2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610072；3.重慶大學(xué), 重慶 400044)

0 引 言

覆冰災(zāi)害是電網(wǎng)安全運行的嚴(yán)重威脅，為了降低覆冰對輸電線路的危害，采用融冰裝置對線路進(jìn)行融冰是一種較為有效的手段，但隨著投入的融冰裝置的長期運行，其自身也可能會出現(xiàn)故障。案例中的500 kV站內(nèi)融冰管母于2012年初投入使用，當(dāng)年完成了對5條次線路的融冰操作，未發(fā)現(xiàn)融冰裝置異?，F(xiàn)象。2014年1月，該500 kV變電站進(jìn)行直流融冰時35 kV交流側(cè)管母絕緣護(hù)套燒損，2月12日該變電站站融冰時該段管母再次出現(xiàn)著火、冒煙、鼓包等異?，F(xiàn)象。7月，電科院、檢修公司會同南京南瑞、融冰絕緣管母生產(chǎn)廠家江蘇維爾電氣有限公司等技術(shù)人員共同對出現(xiàn)故障的管母進(jìn)行了相關(guān)試驗，并對故障絕緣管母段進(jìn)行了解體檢查[1]。

1 基本情況及試驗內(nèi)容

1.1 管母布置情況

該500 kV變電站35 kV側(cè)至融冰換流器之間采用交流絕緣管母線連接，絕緣管母長度約150 m，絕緣管母設(shè)有銅屏蔽層，銅屏蔽層單點接地。銅帶采用0.1 mm厚、約25 mm寬銅箔以間繞方式在現(xiàn)場人工繞制。對部分絕緣管母解剖結(jié)果表明，銅帶匝間距在3～40 mm之間不等，其布置示意圖如圖1所示，銅帶的下方鋪設(shè)有半導(dǎo)電層。

圖1 35 kV絕緣管母的繞制圖

1.2 相關(guān)試驗內(nèi)容

為全面詳細(xì)地探究管母故障的原因，在測試融冰裝置的絕緣電阻后對其進(jìn)行了5種交流耐壓試驗[1～3]。相關(guān)試驗具體內(nèi)容及試驗結(jié)果如下。

1.2.1 耐壓試驗前絕緣電阻測試

絕緣電阻測試主要測試35 kV交流融冰絕緣管母主絕緣對地絕緣電阻。測試儀器為KYORITSU KEW 3121A 型2 500 kV絕緣電阻表。測試數(shù)據(jù)如表1所示。單從絕緣電阻的測量結(jié)果來看，無法判斷故障的原因。

表1 主絕緣電阻 /MΩ

1.2.2 35 kV交流側(cè)管母主絕緣耐壓試驗

為確定是否為主絕緣造成的故障，首先用串聯(lián)諧振裝置分別對35 kV側(cè)交流融冰管母A、B、C三相主絕緣開展了耐壓試驗，并測量記錄了銅屏蔽層接地電流。其中試驗電壓34 kV(1.7UN)，耐壓時間為0.5小時。試驗數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象如表2。

表2 交流耐壓時銅屏蔽層接地電流

對A、C相施加34 kV電壓，耐壓半小時后未發(fā)現(xiàn)鼓包、冒泡現(xiàn)象。對B相施加34 kV電壓，未到半小時已發(fā)現(xiàn)B相管母出現(xiàn)新的鼓包，并在此次耐壓試驗前已有的一個破損處冒出濃煙，此時紅外顯示最高溫度為172.6 ℃。完成耐壓試驗后，再次測量B相管母主絕緣電阻為17 000 MΩ。判斷此次故障B相主絕緣已被破壞。

解體電纜后發(fā)現(xiàn)，燒蝕主要集中在銅屏蔽層邊緣，銅屏蔽層邊沿有明顯發(fā)熱痕跡，且沿邊的半導(dǎo)電帶已燒蝕，并有部分蔓延到對側(cè)銅屏蔽層。管母燒蝕部位基本都位于半導(dǎo)電層，且基本沿通道邊緣蔓延。

1.2.3 屏蔽層伏安特性試驗

為確定此故障是否可能為屏蔽層存在缺陷，再次對35 kV交流融冰管母A相管母施加試驗電壓。試驗初始電壓5 kV，以1 kV為步長增長到34 kV。當(dāng)電壓加至11 kV時開始冒煙，此時輸出電流和屏蔽層接地電流分別為0.43 A和0.166 A；當(dāng)外加加壓達(dá)到17 kV時，開始出現(xiàn)明火，此時輸出試驗電流和銅屏蔽層接地電流分別為0.65 A和0.277 A。測得的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

試驗電流與銅屏蔽層接地電流曲線伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 A相融冰管母試驗電壓與接地電流曲線

輸出試驗電壓/kV輸出試驗電流/A銅屏蔽層接地電流/A備注50.220.78860.250.92070.290.10780.320.1219.50.350.136100.390.150110.430.166開始冒煙120.460.182130.500.200140.530.215150.560.243160.610.248170.650.277出現(xiàn)明火180.670.274190.700.279200.750.314210.7870.324220.800.331230.880.358240.890.368250.920.376260.970.402281.200.432301.800.475311.130.483321.280.490341.240.520

1.2.4 不同屏蔽層間繞方式進(jìn)行交流耐壓試驗

通過前述試驗分析，初步推斷可能是屏蔽層銅帶的布置存在隱患，造成了此起故障，為驗證這一推斷，設(shè)計了不同間繞方式下的交流耐壓試驗[6]。間繞方式如圖1所示，搭蓋纏繞方式如圖3所示，將整個管母均用銅帶纏繞。

(1)首先是在間繞方式下進(jìn)行試驗：剝開一段A相絕緣管母外護(hù)套和聚四氟乙烯帶，露出銅屏蔽層。然后進(jìn)行34 kV交流耐壓試驗，并用紅外熱像儀和紫外放電檢測儀對銅屏蔽層進(jìn)行觀察。銅屏蔽層間隙初始溫度為33.8 ℃，隨著耐壓試驗進(jìn)行，銅屏蔽層間隙溫度上升至149.7 ℃，出現(xiàn)明顯高溫點并伴有冒煙現(xiàn)象。同時，紫外測試測得發(fā)熱部位伴隨大量放電現(xiàn)象。[7]

(2)然后在帶間隙搭蓋纏繞方式下進(jìn)行試驗，剝開另一段A相絕緣管母外護(hù)套和聚四氟乙烯帶，用銅屏蔽層包裹這段銅屏蔽層，確保銅屏蔽層之間沒有間隙。此后試驗步驟與間繞方式相同。銅屏蔽層間隙初始溫度為38 ℃，加壓到與間繞方式相同時間時，銅屏蔽層間隙溫度為40 ℃，并未出現(xiàn)明顯高溫點。

圖3 搭蓋纏繞方式

1.2.5 去除銅帶及銅帶存在尖端凸出情況下的耐壓試驗

(1)將故障段的銅帶去除，兩端的銅帶分別接地，此時同樣將電纜加壓至34 kV，故障段電纜沒有發(fā)現(xiàn)明顯的發(fā)熱和表面放電現(xiàn)象。

(2)在半導(dǎo)電層上重新繞制新銅絲后的耐壓試驗：在故障最嚴(yán)重處重新用裸銅線密集繞制，并將繞制的銅絲一端接地，并加壓至34 kV，未發(fā)現(xiàn)明顯的發(fā)熱和放電現(xiàn)象。

(3)為驗證不均勻電場對放電的影響，在電纜的無故障段解剖一段后將銅帶裸露，并在銅帶的不同部位上各開兩個具備尖端放電特征的小口，加壓至34 kV后，未發(fā)現(xiàn)明顯的升溫和放電現(xiàn)象。

2 故障原因分析及結(jié)論

根據(jù)上述試驗的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果分析故障的形成機(jī)理如下。

(1)間繞的銅帶致使其與半導(dǎo)電層之間形成縱向電勢

銅帶采用間繞方式，形成銅帶-半導(dǎo)電層-銅帶的表面。由于銅帶單端接地，使銅帶基本上保持零地位(管線加34 kV電壓時，銅帶上電壓為0.5 V左右)，而銅帶間隙的半導(dǎo)電層沒有直接接地，設(shè)半導(dǎo)電層上A點到銅帶上的B點的電阻為Rx，等效電路圖如圖4所示。

圖4 采用間繞方式的銅屏蔽層與半導(dǎo)電層等效電路

(1)

由式(1)可知，隨著Rx的增大，A、B兩點之間的電壓UAB也隨之增大。

(2)半導(dǎo)電層-銅帶層的場強(qiáng)分布不均誘發(fā)局部放電

經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)，由于采用手工繞制，半導(dǎo)電層和銅帶繞制的工藝差，存在褶痕多、與半導(dǎo)電層之間接觸不緊密等問題，使得半導(dǎo)電層-銅帶的表面場強(qiáng)極不均勻。同時，由于半導(dǎo)電層的劣化，致使其電阻率分布不均，局部電阻率出現(xiàn)不正常的升高，致使其與銅帶之間的電阻Rx增大，進(jìn)而導(dǎo)致UAB增大。當(dāng)UAB增大到一定程度時就會在臨近銅帶的半導(dǎo)電層上發(fā)生半導(dǎo)電層向銅帶的放電。

(3)半導(dǎo)電層和熱縮管阻燃性差是導(dǎo)致故障擴(kuò)大、燒毀的原因

由于局部放電在半導(dǎo)電層積聚能量，使半導(dǎo)電層上出現(xiàn)了局部高溫點，由于半導(dǎo)電層和熱縮管均沒有采用阻燃性材料，在高溫作用下局部開始出現(xiàn)火花甚至燃燒現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)電層大面積燒損。

綜合上述分析可知，此故障產(chǎn)生的根本原因在于銅帶纏繞不當(dāng)，誘發(fā)了局部放電，再加之外層包裹材料阻熱性差，導(dǎo)致熱量無法散失而不斷聚集最終導(dǎo)致絕緣和管母起火繼而燒毀。

3 改進(jìn)措施與建議

根據(jù)上述試驗結(jié)果和故障分析，為防止此類事故的再次發(fā)生，應(yīng)采取以下技術(shù)措施。

(1)銅屏蔽層和半導(dǎo)電層的繞制工藝必須嚴(yán)格按照絕緣管母銅屏蔽層采用疊繞方式纏繞，并且銅屏蔽層不宜采用多點接地方式。

(2)外護(hù)套、熱縮管要采用阻燃性材料。

(3)加強(qiáng)對同類絕緣管母的排查整改，整改后的絕緣管母投運前必須做檢測試驗，主要包括絕緣性能及紅外檢測、半導(dǎo)電層的理化試驗、半導(dǎo)電層和熱縮管的防水、阻燃性檢測等[5]。

[1] 張真濤，張斌，邢文濤，等. 變壓器絕緣管母護(hù)套燒損故障分析及處理[J].河南電力，2012(3):23-24.

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[3] 鄭云海，吳奇寶，何華琴，等. 全絕緣母線局部放電檢測與分析診斷[J] 絕緣材料，2010(4):63-66.

[4] 陳衛(wèi)中. 35 kV及以上主變壓器狀態(tài)檢修的探討[J]. 浙江電力, 1999(5): 40-42.

[5] 電力工業(yè)部. 電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程[M]. 北京:中國電力出版社, 1997.

[6] 丁樹峰. 軋制變壓器銅帶邊部處理技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2006(8)：98-100.

[7] 戴利波.紫外成像技術(shù)在高壓設(shè)備帶電檢測中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化, 2003, 27(20): 97-98.