穿墙套管放电原因分析及消除措施

孔丽

（国网山西省电力公司检修公司，山西太原 030000）

穿墙套管放电原因分析及消除措施

孔丽

（国网山西省电力公司检修公司，山西太原 030000）

介绍了穿墙套管在运行中产生放电的原因，通过分析不均匀电场中气体放电原理，找出其放电的主要原因，并提出解决的措施。实际安装情况表明，母排与穿墙套管间的空气间隙越小，放电越明显，进一步证明所提出的消除穿墙套管放电的措施是可行的。

穿墙套管；放电；消除措施

0 引言

穿墙套管是用于变电站、配电装置、高压电器中，在导电部分穿过墙壁或其他接地物时起支撑及绝缘作用而采用的制品。

当前，高压开关行业在我国已发展为全封闭、全绝缘、小型化的室内高压成套开关设备，促使穿墙套管在开关柜的应用也随之增多。据统计，在我国这种放电现象主要在24～40.5 kV电压等级的开关设备上表现地比较普遍[1]。

虽然这种放电现象对正常供电设备的影响不大，但不可忽视其危害。具体表现为：长期气体放电造成电能损耗；长期气体放电引起套管绝缘热击穿；放电过程中产生的脉冲所形成的电磁干扰波影响附近通讯设备正常工作，故需要及时消除这种放电现象[2]。

1 穿墙套管产生放电的原因

1.1 凝露现象引起放电

开关柜一般安装于室内，同时会与地下电缆沟相通，因此潮湿、高温的室外空气会进入湿度较低的室内空间，再加之室内不具备安装空调的条件，极易使开关柜受到外部环境的影响，也会增大相对湿度。当空气中的温度低于露点温度时，在柜内易形成凝露并且有大量灰尘进入，引起放电[1]。

1.2 不均匀电场引起气体放电

开关柜在生产方面、穿墙套管在制造安装方面存在不足。目前，大部分开关设备厂家在研发24～40.5 kV开关设备时，简单地将12 kV开关设备的结构放大，但与其在运行电压的升高过程中带来的电场分布并不匹配；尺寸、外形的缩小使带电体间的距离缩小，产生了穿墙套管与地面之间的电场强度更集中更不均匀的问题，导致电晕放电[1]。此外，穿墙套管在安装过程中，开关柜中母排穿墙套管的内壁与母线排之间存在空间间隙，由于间隙距离较大，造成电场的不均匀，在不均匀电场中的局部放电就是电晕放电。

2 不均匀电场引起套管放电的原因

2.1 不均匀电场中气体放电原理

均匀电场中，在形成气体间隙内的流注后，当放电达到自持程度时，气体间隙就会被击穿。而在不均匀电场中，气体放电的情况就不同了[2]。下面用经典球隙放电特性做分析，图1为半径为r的球间隙放电特性与极间d间的关系图。

当d＜4r时，电场还比较均匀，击穿电压与电晕起始电压相同，击穿以前，间隙中看不到放电迹象；当4r＜d＜8r时，属于过渡区域，放电过程不稳定，随着电压的升高而开始出现电晕；当d＜8r时，属于极不均匀电场，间隙击穿前出现蓝紫色光晕，并伴有“咝咝”的响声，出现电晕放电，电晕起始电压明显低于击穿电压。

图1 半径r的球间隙放电特性与极间d的关系

从上述分析可知，电场不均匀程度随着两球间隙的增大而增强，放电现象也随着两球间隙的不同而不同；两球间隙越大，电场越不均匀，由于电晕发生在间隙击穿之前，间隙击穿之后的放电都是在电晕空间电荷已强烈畸变下的外电场中进行的，因此间隙距离是影响击穿电压的主要因素。

2.2 穿墙套管放电原因分析

穿墙套管的电场分布是一种强垂直分量电场[3]，并且在中间法兰边缘处电场表现十分集中。以穿墙套管的一般安装经验：套管内壁与导电母排不接触（两者之间估计留有约为0.1～0.3 cm的空气间隙），将这样的套管视为组合绝缘体（2种介质），并将其简化为均匀电场展开分析[2]。

取套管一小段侧截面进行分析，等值图如图2所示，假设空气层与穿墙套管绝缘体的面积相等，平均厚度设为d1、d2且均匀，将本文中所分析的电场简化为2种介质内的均匀电场。

图2 套管侧截面等值图

其中空气间隙厚度为d1，相对介质系数为ε1；绝缘体厚度为d2，相对介质系数为ε2，相电压为U，如略去介质电导，则有

其中U1、U2分别为空气介质的电压、绝缘介质的电压，由式（1）、（2）、（3）得

以用于35 kV系统中的环氧树脂穿墙套管为例，其母排至套管内壁空气间隙d1=0.5 cm，套管的壁厚d2=2 cm，空气间隙介电常数为1，环氧树脂介电常数为3.8，相电压。将相电压代入式（4）、（5）得E1=19.68kV/cm、E2=5.18kV/cm。

在极不均匀电场气隙中，因空气间隙距离大，击穿电压取决于间隙距离，而与电极的形状关系不大，故可将棒—棒或棒—板作为研究极不均匀电场放电特性的典型电极。其中棒—棒间隙在工频电压下的平均击穿场强较棒—板稍高一些，有效值约为3.8 kV/cm、幅值约为5.36 kV/cm。

通过计算E1＞5.36 kV/cm，故空气介质会出现击穿放电现象。

采用另一种简化模型进行验证，将扁平的矩形母排优化为圆柱母排，此时可将穿墙套管内场强分布看作一典型的同轴柱电极在多种电介质的电场分布情况，其正截面等效图如图3所示。

图3 套管正截面等值图

图3中，设母排半径为r1，母排中心道套管内壁的距离为r2，母排中心到套管外壁为r3，空气间隙和绝缘体的相对介质系数分别为ε1、ε2，套管内外壁上电压分别为U1、U2，相电压为U。取介质中的电感应强度为半径方向，则套管内外壁的电感强度分别为

由于在介质分界面处，不同介质中电感应强度的法向分量连续，有

由于介质中的最大场强分布在其圆柱的外表面，因此，该套管与母排间隙之间的最大场强集中在套管内壁处，即

套管外壁场强为

同样取一用于35 kV系统中的穿墙套管，相应数据为r1=40mm、 r2=45mm、 r3=55mm、 ε1=1、ε2=3.8、U=20.2 kV。将上述数据代入式（10）、（11）中，得:Em1=29.6 kV/cm、Em2=6.9 kV/cm。

套管内外壁电晕起始场强可使用皮克公式估算得到，在标准大气压下圆柱导体电晕起始场强为

将相应数据代入式（12）中，得

Ec1=34.5kV/cm、Ec2=34.5kV/cm，对比可知:Ec1＞Em1、Ec2＞Em2，说明套管的内外壁均具备电晕起辉条件。

通过上述2种简化等值模型的场强分析，这种普通的母排穿墙套管内壁与母排之间的间隙在额定电压下能发生电晕放电现象，说明该穿墙套管的结构设计存在不合理。

3 消除穿墙套管内电晕放电现象的措施

由于凝露现象而引起的放电，可通过改善开关柜运行环境避免，为防止电缆沟内的潮湿空气进入开关柜，采用一定措施将电缆沟和开关柜进行封闭处理[4]。另外，可通过加装加热器和除湿装置，适时改变柜内温度与外界进行互补，尤其在夏日炎热天气下，更应该增强巡视力度，及时发现隐患。

若是因不均匀电场气体放电引起穿墙套管放电的，通过上述分析，其原因是由于空气间隙的存在而造成的，可采用下列措施消除。

a） 消除套管绝缘体与母排接触面的缝隙。可在套管内壁喷铝，并用弹簧与母排紧密接触，或在套管中间法兰的部位用半导体釉作为均压层，并保证所做的均压层均匀致密，同时保证导电母排的接触弹簧片与均压层接触良好，避免套管与母排间空气发生电晕。

b） 加大套管内腔直径。降低电晕的根本方法是限制导线表面电场强度，根据前面分析，从式（4）、（5）可知，要使空间间隙不发生放电，就需要降低两者之间的场强，在相电压及绝缘厚度d2不变的情况下，可通过增大空气间隙距离d1来实现；从式（10）、（11）可知，在母排不变，保持套管r3/r2不变，即r2、r3同时增大，可将套管场强降低，达到预期目标。

c） 可在普通套管内加装屏蔽层，使套管和母排等电位，即通过安装具有屏蔽作用的穿墙套管来消除开关柜内不均匀电场产生的放电现象。

d） 通过改善电极形状以改善套管电场分布。通过采用增大电极曲率半径的方法，使电场分布更加均匀，通过提高间隙的平均击穿场强来提高间隙的击穿电压。此外，为消除电场局部场强，还可以采用去除电极上的毛刺、棱角、焊斑等来降低电极表面的粗糙度[5]。

e）提高运行维护人员的专业素质及工作责任心。加强巡视、检修力度，及时消除隐患，预防此类事故的发生[6]。

现在变电站开关柜穿墙套管的实际消除措施采用了上述第一种的方法，具体方法如图4所示。

经过改进后，导电母排与套管之间的空气间隙通过铝层和弹簧，使母排与套管实现良好接触。

[1] 郝放，滕振业.绝缘套管放电原因分析与对策[J].科技世界，2012（12）:59.

[2]高保华.CME-10型高压穿墙套管放电的原因分析及消除措施[J].高压技术，2006（8）:86-88.

[3]杜岩伟，郑卫东，罗道军，等.CWB-35型穿墙套管内腔放电原因分析[J].河南电力，2011（1）:40-41.

[4] 张力游.KYN61-40.5开关柜存在放电现象的现场处理[J].电气技术，2010（12）:58-59.

[5]王文峰，张清杰，蒋立齐.40.5 kV开关柜穿墙套管电场分析与优化设计[J].华电技术，2011（33）:20-21.

[6]姚震.35 kV高压开关柜故障分析与改进[J].硅谷，2011（4）：39.

Reason Analysis and Eliminating Measures of Wall Bushing Discharge

KONG Li

(State Grid Maintenance Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030000,China)

The reasons for the discharge of wall bushing in operation are introduced. By analyzing the gas discharge principle in nonuniform electric field, the main reasons for the discharge are identified, and measures are proposed correspondingly. The actual situation showed that the smaller the air gap between wall bushing and bus- bar is, more obvious the discharge will be, thus, it has further proved that the proposed measures to eliminate wall bushing discharge are feasible.

wall bushing; discharging; measures for elimination

TM85

B

1671-0320（2016）01-0020-03

2015-11-17，

2015-12-03

孔 丽（1989），女，山西忻州人，2012年毕业于北京交通大学电气工程专业，硕士，工程师，从事高压试验工作。