35 k V穿墙套管放电故障分析及解决措施

刘守坤（大庆油田中油电能供电公司）

一座35 kV变电站自投产以来，开关柜内时常有放电声音，放电部位不明，阴雨天气情况下放电尤为频繁。对母线绝缘子进行了交流耐压试验，并对绝缘子表面涂刷耐污涂料，运行后放电声音仍然存在。对该变电站35 kV高压室安装了湿度测试仪并加强通风，通过每天检测高压室湿度，同时监测高压室内放电声音，发现空气湿度在30%以下时基本听不到放电声音，当空气湿度达到40%以上，放电声音增强。

1 试验情况

经过一段时期运行，运行人员发现2#主变高压侧32开关柜内放电声音明显。技术人员随后在高压室内进行观测，确认放电声音处于32开关柜内，决定停电进行检查。

1.1 外观检查

该变电站35 kVⅡ段母线由运行转检修，检查发现母线外表面有电晕放电造成的污迹，母线穿墙套管A相处放电痕迹较为明显，套管内表面有放电造成的晶状物体附着在上面，并有大量石灰状物体，套管内母排有轻微放电造成的腐蚀。

1.2 试验情况

外观检查后对A相母线及穿墙套管进行了交流耐压试验。当试验电压升至20 kV时，出现放电声音，放电音随着试验电压升高而逐步增强。当试验电压升至30 kV时，关闭高压室内照明灯，发现套管法兰根部有明显的放电火花，电压逐步升高，火花愈加明显。当升至72 kV（35 kV母线交流耐压标准）时套管法兰根部有一光圈。对其它两相进行试验时，现象相同。

2 故障分析

该变电所35 kV母线穿墙套管型号是CMJ2-35，生产日期是1998年6月，该型号穿墙套管是一次性浇铸而成，检查发现在套管内表面与外表面以及法兰盘处未作任何均压处理。测量穿墙套管的安装尺寸，绘制套管绝缘结构等值图（图1）。

图1 套管绝缘结构等值图

已知相电压20.2 kV（35 kV系统），如略去介质的电导，则有：

式中：U1为空气气隙d1两端的交流电压值，kV；U2为瓷绝缘件d2两端的交流电压值，kV；d1为空气气隙（取0.2），cm；d2为瓷绝缘体（取3.0），cm；εd1为空气介质介电系数（取1）；εd2为瓷介质介电子数（取6）。

由式（1）、（2）求得：U1=5.77kV，U2=14.4kV。

在空气及瓷介质中又有：

式中：E1为空气气隙d1部分的电场强度，kV/cm；E2为瓷绝缘体d2部分的电场强度，kV/cm。

由式（3）、（4）可知，E1=28.8 kV/cm，E2=2.4 kV/cm。

当取空气气隙d1取0.5 cm时，根据上式计算得出空气气隙的场强E1为20.2 kV/cm。

以上计算是假设套管内部电场是均匀电场，实际因电场分布不均匀，计算更复杂。

CMJ2-35型穿墙套管在运行中，其带电母线（电极1）至法兰（电极3）之间的电场有强垂直分量，是一个典型的不均匀电场，并且套管内外表面和法兰制造时未实施均匀电场的措施，显然其间空气间隙中的电场是极不均匀的。对于极不均匀电场，其工频电压下的平均击穿场强为3.8 kV/cm（有效值）、5.36 kV/cm（幅值），而实际计算出来的空气中最小场强是20.2 kV/cm，其最小场强大于平均击穿场强，故套管内空气介质出现击穿放电现象。

因此，该套管放电主要是因为套管空气气隙处在极不均匀电场造成的。从以上计算过程可以得出，影响击穿电压的主要因素是空气间隙距离，距离越大，击穿电压越高。空气湿度越大，介电系数越大，导致击穿电压越低，即更容易放电[1]。

3 解决方案

从上面的分析可知，套管内的放电现象主要是因为空气间隙的存在而引起的，因此为减少或消除套管内放电现象，可采取如下措施。

3.1 减少空气间隙

使电极附近的电位线只穿过单一介质(固体瓷介)，一般来说，电极附近的场强总是最大的，如该处的电位线贯穿气体与固体瓷介质，则与缝隙的情况类似，气体部分的场强必然被强化，产生气体闪络、击穿放电。因此，可在母排穿过套管部分，增加母排厚度，消除母排与瓷质绝缘的空气气隙，提高闪络放电电压。该方案实施需最大化消除空气间隙（图2），上下各增加4～6片铜母排，施工难度较大，材料费用3 000元/套管（只），此方案增加长母排局部承重，长时间运行母排易变形。

图2 消除空气间隙实施方案

3.2 电场中加入屏障

在套管内极不均匀的空气间隙中，放入固体绝缘材料（例如纸、纸板），即称为屏障，这样在一定条件下，可以显著提高介电系数，相应的击穿电压也得到提高。该方案在空气间隙塞满硬纸板材料，需要设计材料模具并制作，材料费用不高，施工难度易，但纸板材料易受空气湿度而受潮和长期使用脏污影响，介电系数大，击穿电压降低，容易发生放电。

3.3 更换新型穿墙套管

目前国内制造厂生产的穿墙套管，内表面与外表面都加装了屏蔽网，内表面屏蔽网与母排连接形成等电位，外表面屏蔽网与地连接，这样消除了电场不均匀造成的击穿放电。更换新型套管需要定制，周期较长，考虑到设备带病运行容易引发事故，而用户均为油田产能装置，间接影响油田矿区产能建设，另外改造成本也很高[2]。

3.4 高压封闭柜改造

将35 kV高压封闭柜改造成敞开式高压柜，取消穿心套管，柜内母线采用贯通式连接，减少放电源。该方案使电场处于单一空气介质，技术论证可行，需要扩大原来柜体开孔孔径，使放电距离符合35 kV交流电压等级即可，改造施工难度低，几乎不增加其它材料，改造成本低。该改造前的35 kV套管在阴雨天或湿度大的天气会放电，在放电期间35 kV系统处于动态负荷模式，该所35 kV系统安装DSSD876型号的0.5级电子式电能表，在短时和长时动态负荷模式下，不同的通断比状态，电能表动态误差变化很大，可达电能表的误差等级（0.5级）的10倍以上[3]，该所全年供电量约3250×104kWh，按照黑龙江省2016年平均降水天数39天计算，仅在阴雨天就造成该所全年电量损失为3.472 6×105kWh，而改造后解决了套管内的放电现象；另外此方案也解决了设备潜在故障，避免了因长期运行引发事故给油田产能用户带来的经济损失。

4 方案对比

根据4种方案对比分析结合现场实际情况，4种方案对比情况见表1。采取了第4种方案，即将35 kV高压封闭柜改造成敞开式高压柜，该方案投资小，安全运行可靠，也彻底解决了穿墙套管频繁放电的问题。

表1 4种方案对比情况

5 结语

通过建立35 kV母线穿墙套管绝缘结构模型，详细阐述了空气气隙放电分析方法，根据分析结果提出了解决穿墙套管气隙放电的4种方案，对方案从施工周期、难度、成本维护及可靠性等方面进行了对比分析，最终封闭柜改造成敞开式高压柜是符合用户利益的最佳方案。提出的绝缘结构分析方法可作为研究其它简单绝缘放电特性的参考。