±500 kV换流站直流分压器外绝缘闪络事故分析及处理措施

2010-03-28叶廷路吴光亚吴巾克李建建宋福如林国强

电力建设 2010年12期

叶廷路，吴光亚，吴巾克，李建建，陈原，宋福如，林国强

（1.国家电网公司生技部，北京市，100031；2.国网电力科学研究院，武汉市，430074；3.国家电网公司运行分公司，北京市，100045；4.华北电力科学研究院有限责任公司，北京市，100045；5.河北硅谷化工有限公司，河北省邯郸市，057151）

0 引言

目前，我国已建成9条±500 kV直流输电工程，基本形成了±500 kV直流输电的标准模式，并且±660 kV、±800 kV直流输电工程也处于建设之中。我国能源资源与需求呈逆向分布，客观上需要能源大范围优化配置。在晋陕蒙宁开发大型煤电基地，在西南水电富集地区开发大型水电基地，向能源匮乏的中东部地区远距离、大容量、低损耗输电，是我国电力工业发展的必然趋势。直流输电容量大（可达1万MW），输电距离长（可超过3 000 km）。考虑远距离输电损耗较大，经济性较差，从客观上要求我国将会采用更高电压等级直流输电，如±1 000 kV特高压直流输电。

我国直流工程建设初期，大型直流输电工程的换流站设备尚不能自主制造，缺乏工程设计经验。随着直流输电技术的发展，我国±500 kV直流输电工程经历了一个从设备全部引进到完全国产化的发展历程。葛洲坝—上海南桥直流工程是我国第1个跨区、超高压、远距离±500 kV直流输电工程，工程设计、设备制造均由瑞士BBC公司和德国SIEMENS公司联合提供。该工程途经湖北、安徽、浙江，最后到达上海，为我国直流工程建设积累了宝贵经验，为我国自主研发直流设备提供了条件。进入21世纪，我国相继建成投产了天生桥—广州、三峡—常州、三峡—广东、贵州—广东和三峡—上海等±500 kV直流工程。2005年我国第1个背靠背灵宝±500 kV直流工程正式建成投产，工程设备国产化率为100%。

换流站设备包括直流分压器、直流绝缘子、穿墙套管、直流避雷器和直流隔离开关等。这些换流站高压设备的外绝缘设计是整个工程关键设计制造技术之一。若其外绝缘设计不合理，如结构设计、外绝缘材料选择等存在问题，将会导致闪络事故而大面积停电。本文对我国江陵和龙泉±500 kV换流站直流分压器的外绝缘闪络事故进行分析，针对分压器的结构和事故的性质提出了事故处理措施，供我国直流输电工程运行、设计、制造部门参考。

1 直流分压器的主要参数

直流分压器的主要参数：额定直流电压500 kV；最高运行电压515 kV；最小爬电距离9.785 m；干弧距离4.500 m；结构高度5.060 m；上下均压环的中心距离730 mm，直径1.540 m，管径240 mm；复合套管的大小伞直径分别为460 mm和482 mm，伞伸出和伞间距分别为48 mm和50 mm。

2 事故概况及初步处理措施

2005年年中和2009年年初，±500 kV江陵和龙泉换流站直流分压器分别发生了外绝缘闪络事故。发生闪络时的气象条件是持续2周以上中到小雨，不时间隔2～3天大雾，雾的能见度约5 m。直流分压器供货商认为龙泉、政平、江陵和鹅城换流站直流分压器是同一产品，且存在相同隐患，国家电网公司运行分公司于2010年1月在停电期间及时地对上述直流分压器的复合套管的外绝缘表面均涂覆了防污闪涂料（permanent room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating，PRTV），采取该措施后直流分压器运行至今无异常情况发生。

3 复合套管外绝缘强度与憎水性之间的关系

3.1 复合套管表面水滴状态与憎水性分级和工频电气强度之间的关系

憎水性优良的复合绝缘子，其外绝缘表面只有分离的水珠，大部分水珠的后退角θr≥80°（HC1级）或50°＜θr＜80°（HC2级）。

憎水性较优良的复合绝缘子，在臭氧、紫外线、潮湿、+10℃～-5℃低温和高电场电应力等外界因素作用下，运行后会出现憎水性下降[1]，其外绝缘表面只有分离的水珠，水珠一般不再是圆的，大部分水珠的后退角20°＜θr＜50°（HC3级），或同时存在分离的水珠和水带，完全湿润的水带面积小于2 cm2，总面积小于被测区域面积的90%（HC4级）。

憎水性较差的复合绝缘子，其外绝缘表面完全湿润的水带面积大于2 cm2，总面积小于被测区域面积的90%（HC5级）。

憎水性很差的复合绝缘子，其外绝缘表面完全湿润总面积大于90%，仍存在少量干燥区域（点或带）（HC6级），更为严重的是整个被测区域形成连续水膜（HC7级）[2]。

显而易见，复合套管的憎水性若达HC6～HC7级时，其外绝缘表面会呈现出连续的水膜，完全湿润总面积达90%～100%，其憎水性与瓷、玻璃绝缘子相同，且表面电气击穿强度相对憎水性优良的复合绝缘子也会降低。因其单元伞裙的直径、伞间距等伞裙形状主要参数较瓷、玻璃绝缘子小，伞形参数特性较瓷、玻璃绝缘子差，导致复合绝缘子的爬电距离有效系数较瓷、玻璃绝缘子小，其自然污秽工频耐压特性也相对较差。复合绝缘子的憎水性降低，其污秽工频电气强度会下降，是复合绝缘子发生闪络的主要原因之一[3]。

3.2 憎水性与人工污秽工频闪络电压关系的验证

我国对憎水性与人工污秽工频闪络电压关系的研究较深入。为了进一步确认憎水性与工频电气强度的关系，本文对结构高度、绝缘距离、爬电距离和代号分别为680 mm、460 mm、1.500 m、A；630 mm、455 mm、1.105 m、B；645 mm、490 mm、1.375 m、C的FXBW4-35/70、FXBW3-35/70、FXBW4-35/100三种不同复合绝缘子进行了验证[4-5]。

试验前先将试品置于盛有水的容器中96 h后，立即放入雾室中并启动喷雾器。然后按GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》[6]规定的试验程序进行试验，试验结果如表1所示，试验盐度为80 kg/m3。

表1 憎水性与人工污秽工频闪络电压的关系Tab.1 relationship between Hydrophobic property and Artificial Pollution Flashover Voltage

由表1可知：憎水性为HC6～HC7级复合绝缘子，在一定盐度（80 kg/m3）下的工频闪络电压值比HC1～HC2级低30%～40%。验证结果充分说明了上文分析的复合套管表面水滴状态与憎水性分级和工频电气强度之间关系的合理性。

4 直流分压器闪络事故原因

直流分压器会受到正常运行状态下的工频电压、短时过电压、操作过电压和大气过电压的作用。对直流分压器复合套管而言，防止闪络事故所需的电气绝缘强度，可由自然污秽工频耐受电压来确定。在正常工频电压作用下，特别是在高湿度大气条件和暴露在自然污秽中的复合套管应有足够的电气强度，否则就会发生污秽闪络。

4.1 复合套管的憎水性下降至HC6～HC7级

在±500 kV超高压直流输电系统中，系统绝缘水平主要由内部过电压决定。对复合套管而言，在高湿度大气条件和较严重污秽地区的外绝缘水平除主要由系统最高运行电压决定外，还应考虑污秽工频耐受电压。随着直流输电系统额定电压的提高和限制过电压措施的不断完善，若过电压被限制到1.7～1.8倍的水平，工作电压就成为决定直流输电系统外绝缘水平的主要因素。但是若换流设备所选用的均压环结构不合理或复合套管所选用的复合硅橡胶外绝缘材料的电气、机械和憎水性能技术参数较低，就会导致外绝缘材料快速劣化，尤其是在较短运行时间内憎水性丧失，就会导致污秽绝缘水平明显降低，而不满足运行要求[1]。

由前文可知，复合绝缘子的憎水性若丧失到HC6～HC7级时，在一定盐度（80 kg/m3）下的工频闪络电压值比HC1～HC2级低30%～40%。由此可见，若复合绝缘子的憎水性丧失到HC6～HC7级时，在正常工作电压下就会发生污秽闪络。

2009年7月，国网电力科学研究院对龙泉站直流分压器的复合套管，分别按DL/T 810—2002《±500 kV直流棒形悬式复合绝缘子技术条件》所规定的憎水性试验方法[7]和GB/T 22707—2009《直流系统用高压绝缘子的人工污秽试验方法》[8]所规定的污秽度测量方法进行了憎水性和污秽度测量。测量结论是复合套管的憎水性为HC6～HC7级，污秽度等级为非常轻a级的上限。因此，复合套管的憎水性下降至HC6～HC7级而导致污秽闪络是直流分压器发生闪络的主要原因。

4.2 伞裙形状参数特性较差

近年来，虽然复合套管的伞裙形状参数特性有较大改善，但其伞裙形状参数特性较瓷、玻璃绝缘子差。较小伞间距离的伞裙形状，易使相邻伞裙间局部爬电距离被空气短路而发生伞裙间飞弧短接，使其爬电距离减少；尤其是在运行若干年后，其憎水性完全或部分丧失后，这种现象更易发生。在同一结构高度和相同运行条件下，复合套管的污秽闪络电压较瓷、玻璃绝缘子串明显降低。污秽闪络特性取决于绝缘子的尺寸和伞裙形状，通常是伞间距增大后，其同一绝缘距离的污秽闪络电压提高[9]。目前伞裙形状参数特性优良的复合套管的伞伸出应大于或等于70 mm，伞间距至少为70 mm。该伞形提高了单元伞的有效爬电距离，也提高了污秽工频闪络电压[9]。而该直流分压器的伞伸出48 mm，伞间距为50 mm。其伞径和伞间距较小，污秽工频闪络电压值可能会降低30%～40%，伞裙形状参数特性较差也是导致该直流分压器发生污秽闪络的原因之一。

4.3 均压环结构不合理

该直流分压器上下均压环中心距离为730 mm，均压环直径为1.540 m，管径为240 mm。复合套管的伞径为482 mm，结构高度为5.000 m，干弧距离为4.500 m，爬电距离为9.785 m。其放电路径只能是从下均压环到复合套管离地4.180 m以下某个伞裙边沿处首先发生空气击穿，然后沿复合套管伞裙表面对地放电而导致闪络，即因上下均压环中心距离和均压环直径过大，使其爬电距离和干弧距离分别减少约10%。本文建议应将上下均压环中心距离减少约30%。不合理的均压环也是该直流分压器发生闪络的原因之一。

5 直流分压器闪络事故的防治措施

5.1 重新设计分压器

5.1.1 伞裙和护套硅橡胶绝缘材料选择

氟硅橡胶作为复合绝缘子伞裙和护套用绝缘材料，具有优良的电气、耐高低温、抗紫外和老化性能，独特的憎水性、憎水性的减弱特性、憎水性的恢复特性和憎水性的迁移特性，以及良好的机械特性与加工性能。运行经验表明具有优良耐老化性能的硅橡胶的老化速度很慢，其使用寿命长，一般情况下为15～20年。

硅橡胶伞裙和护套是由含活性基团的聚有机硅氧烷生胶、补强填料、硫化剂及其他辅料经混炼、再高温硫化成型而制成，复合绝缘子伞裙和护套的制造由于所选用的原材料质量、胶料配方、成型工艺上的差异，产品性能和使用寿命可能会出现一定的差异。运行在户外的复合绝缘子，要经受紫外光照射、冷热变化、雨雾、冰雪、氧、臭氧、酸、碱、溶剂等的侵蚀以及高电场作用。在高电场作用下，复合绝缘子的内外绝缘会遭受到局部放电、电晕放电、树枝状放电等引起的电弧灼伤、电蚀损、漏电起痕等。诸多因素的共同作用会造成伞裙和护套硅橡胶绝缘材料的老化，其表现为退色变色、失去光泽、变硬、发粘、变形、龟裂、脆化、粉化、憎水性下降或丧失、机械强度下降、附着力降低或丧失、绝缘电阻和介电强度下降等，而导致复合绝缘子不满足运行要求[9]。

为了保证产品质量和使用寿命，我国复合绝缘子制造企业，尤其是河北硅谷化工有限公司巳根据直流复合绝缘子的运行经验调整了绝缘材料配方。文献[10]对我国直流复合绝缘子绝缘材料的电气、机械和憎水性能作了规定，并被相关电力行业标准和国家电网公司企业标准采纳，因此本文建议该直流分压器复合套管用硅橡胶绝缘材料，应选择符合下列电气、机械和憎水性指标要求的优质氟硅橡胶胶料制作：体积电阻率不小于1.0×1012Ω·m，击穿场强不小于30 kV/mm，耐漏电起痕及电蚀损不小于TMA4.5级；机械性能满足抗撕裂强度不小于10 kN/ m，机械扯断强度不小于4.0 MPa，拉断伸长率不小于150%，邵氏硬度不小于50 Shore A，可燃性为FV-0级；憎水性一般为HC1～HC2级，憎水性的减弱特性一般为HC4～HC6级；憎水性的迁移特性一般为HC2～HC3级，且HC4～HC5级的试品不多于1个；憎水性恢复特性一般为HC2～HC3级，且HC4级的试品不多于1个。

5.1.2 重新设计均压环

重新设计均压环的原则：能改善复合套管的电位分布；保护金属附件、芯棒及伞套不被电弧灼伤；能保护两端金属附件连接区不因漏电起痕及蚀损导致密封性能的破坏；上下均压环中心距离和均压环直径合理配置，保证爬电距离和干弧距离不减少。

5.1.3 重新设计伞形

建议伞伸出大于或等于70 mm，伞间距至少为70 mm。

5.2 涂覆PRTV防污闪涂料

早期我国防污闪涂料RTV（room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating）的制造工艺简单，一般是普通的RTV-2、RTV-3防污闪涂料，即由2组份或3组份通过现场人工搅拌配制而成，该落后工艺的产品质量很不稳定，技术参数偏低，整体制造水平差，基本上不能满足运行要求。在2001年后，由河北硅谷有限公司研发的单组份PRTV持久性防污闪涂料制造工艺开始逐渐自动化。目前我国已能完全自动化生产优质的PRTV防污闪涂料，PRTV防污闪涂料技术参数达到或超过复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料。

文献[11]对普通RTV和PRTV防污闪涂料的技术参数进行了对比，其结论是PRTV防污闪涂料的粘度、固体含量、击穿强度、体积电阻率、耐电弧性、耐漏电起痕及电蚀损性、憎水性、拉伸强度及扯断伸长率、撕裂强度、防冰性等技术参数明显高于普通RTV防污闪涂料，且PRTV防污闪涂料的技术参数已达到或超过DL/T 864—2004《标称电压高于1 000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》所规定硅橡胶绝缘材料的水平。运行经验表明，巳运行若干年涂有PRTV防污闪涂料的支柱瓷或玻璃绝缘子的伞套起痕及电蚀损性能、附着力和耐腐蚀性能、憎水迁移、劣化性能性优良，其使用寿命可以达到15～20年。所以本文建议可以在直流分压器的复合套管的外绝缘表面涂覆PRTV防污闪涂料。