浅谈500kV断路器瓷套管爆炸原因

霍建伟

摘要：套管在变压器运行时长期通过负载电流，当变压器外部发生短路时，还要承载短路电流，因此必须具有规定的电气强度和足够的机械强度，同时还必须具有良好的热稳定性，能承受短路时的瞬间过热。大型变压器多采用电容式套管，这种套管以多层紧密配合的绝缘纸和铝箔交错卷制成的电容芯子作为主绝缘。电容式套管分为胶纸电容式套管和油纸电容式套管两大类。

关键词：断路器;瓷套管;炸裂;电场仿真计算

引言

高压套管是高压导体穿过与其电位不同的隔板，起绝缘和支持作用，是电力系统中的重要设备，按照材料可分为瓷套管和复合绝缘子套管，蒙西电网500kV断路器大部分使用的是瓷套管，瓷套管稳定运行至关重要。

1套管结构调研

1.1B厂家500kV断路器套管设计情况

B厂家罐式断路器所配瓷质套管或复合套管外部为改善电场分布装设了旋压式（一体化）的超长屏蔽罩。同时，B厂家所生产的罐式断路器用套管形状和高度均按照电压等级的不同来设计，其500kV断路器所配套管均为双屏蔽结构，整只套管由均压环、中心导体、复合套管（瓷套管）、中间屏蔽、接地屏蔽、绝缘支撑等构成。接地屏蔽经金属法兰与大地相连，实现对地等电位;中间屏蔽由铝质材料制作而成，采用悬空设计，人为不施加电压，起分压作用，主要作用为使中心导体和接地屏蔽间的电场均匀分布。

为了保证所设计的套管满足场强要求，B厂家设计人员利用ANSYS公司的Maxwell3D软件对双屏蔽结构套管在雷电冲击下的内部场强分布进行了仿真计算分析。计算结果表明双屏蔽结构的瓷质套管内部场强较高的部位主要集中在中间屏蔽层上，改变屏蔽层的高低和直径都会对电场的分布产生影响，最终计算结果决定了套管内部接地屏蔽和中间屏蔽的结构尺寸。

1.2A厂家500kV断路器套管设计情况

A厂家供内蒙古武川500kV变电站断路器所使用的瓷质套管与B厂家自主设计的瓷质套管在结构有所不同。其配套管采用单屏蔽结构，即只有接地屏蔽而没有中间屏蔽，且中心导体不是等径的（导杆上部较粗，下部较细），套管内部只有接地均压屏，外部没有均压环。

2故障原因分析

2.1试验检查情况

故障发生后，故障主变V、W相局部放电、油色谱、介损及电容量、低电压阻抗、绕组变形、直流电阻等试验项目的测试数据纵横比较均无异常。变电站内2台主变并列运行，遭受同样的大电流冲击，因此停运另一台主变并进行油色谱、介损及电容量、低电压阻抗、绕组变形、直流电阻等试验项目的测试，纵横比较均无异常。

2.2高压套管爆炸故障诱因

故障主变自投运以来，一直运行良好。故障发生前，变压器运行及检测（包括色谱检测）记录表明变压器状态良好。正常运行条件下，变压器不会出现突发性内部故障。故障发生当晚，变电站所在地区为雷雨天气，气温20℃。该220kV开关U相首先发生内部接地故障，42ms后主变U相内部发生故障。可见，该开关内部U相接地故障是本次变压器套管故障的直接诱因。

2.3电力电缆在非正常状况下运行

电力电缆的正常运行状态是指恒定负荷下的稳定状态，而在实际运行中，电力电缆短时运行、间歇运行以及短路运行均属于常见的非正常工作状态。短时运行是指持续时间不足以使电缆达到温度稳定的运行状态，在时间tb内，给电缆施加一个Ib>Iz的恒定负载，之后的时间间歇又会使温度降到加载前。间歇运行是指在tb内，有一稳定负载Ib>Iz之后有一个间歇期，如此不断进行周期运行。而短路运行这种故障状态，会导致导线寿命的缩短和导线线路及电缆附件的额外负荷。非正常工作下的电缆会使绝缘发生老化，直接影响电缆爆炸的产生。

当电力电缆在运行过程中遭受过电压，短路电流的冲击，便不可避免的造成电缆发生爆炸起火。电缆终端地线引出处绝缘烧熔炭化现象，是由于电缆本体发生接地故障后，地线中流过短路电流，因该处地线焊接不良，而导致局部过热所致。有研究者利用有限元方法初略研究了电缆头内部界面上存在杂质时，杂质周围的电场强度分布，试验观察发现，在强电场作用下，沿杂质会形成放电通道。分析认为主要原因是三相不平衡电流在铠装钢带中产生涡流发热而使绝缘损坏（實际监测设备的三相电流确实是不平衡）。在载流导体周围存在着磁场，且磁力线与通过载流导体的电流成正比。当通过三芯电缆的电流不平衡时，在钢带中将产生交变磁力线，根据电磁感应原理，在钢带中将产生涡流使电缆发热。不平衡电流越大，所产生的磁场越大，那么电缆发热也就越严重。

2.4中压电网常见的过电压类型

中压电网的过电压可分为外部过电压和内部过电压。外部过电压主要是由于雷击引起的，本文不作详细叙述。内部过电压通常包括操作过电压和谐振过电压。在故障或操作时瞬间发生的称为操作过电压，它具有持续时间较短，在几十毫秒以内，幅值较高特点，此种过电压可以分为4种：（1）中心点不接地系统的弧光接地过电压;（2）空载线路或电容性负荷的拉闸过电压;（3）切除电感性负荷或空载变压器的过电压;（4）空载线路的合闸过电压。

3确保带电作业人员安全的建议和措施

在具有配网自动化功能线路上进行配网不停电作业，为了确保作业安全，建议从网架结构设计、设备选型、作业方法改进和作业人员培训等方面采取措施。

（1）在网架结构设计改造中，参照2016年版国家电网公司配电网工程典型设计（10kV架空线路分册），在电压互感器（TV）和10kV线路间安装跌落式熔断器或隔离开关，避免装置性违章。

（2）不具备典设改造条件的电杆，建议选用集成了固体绝缘电容分压式电压传感器的智能开关，电压传感器的电容量小、电流小，且少了外置的电压互感器和跌落式熔断器等设备以及相应的引线，装置结构大为简化，即满足带电作业安全条件，又为带电作业创造了作业空间。

（3）建议采用励磁特性较好的电压互感器或电容式电压互感器。励磁特性好的互感器铁芯不易饱和，可以避免出现谐振，其励磁特性曲线近似于线性，电容式电压互感器是属于电容性质的负载，可应用与易发生铁磁谐振的场合。

（4）在进行带电断接引线前，斗内电工先对TV进行绝缘电阻测试，确保相-相和相-地的绝缘电阻满足规程要求，避免因设备绝缘老化或不合格引进的TV爆炸。据悉山东某电力公司采取此方法后，TV爆炸的事故大大减少。

（5）线路不满足国网典型设计时，不进行带TV带电断接引线，否则，应使用带电作业专用的消弧开关，或采用“绝缘斗臂车+绝缘操作杆”相结合的方式。使作业人员远离断接点以避免激磁电流或过电压的影响。

结语

此次套管爆炸故障是由套管热稳定性、机械强度和变压器承载短路电流能力不足造成的。为避免此类事故再次发生，首先，生产厂家应提高套管和变压器的制造工艺和选材质量，认真落实各项反事故措施，提高产品质量;其次，设备运维单位应加强套管和变压器的技术监督工作，采用在线监测和红外测温等技术手段掌握设备运行状态，做好运维工作，确保变压器安全稳定运行。

参考文献

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