绝缘管母线中间接头故障及解决措施

2022-12-07国网西安供电公司

电力设备管理 2022年22期

国网西安供电公司金凯

1 引言

随着我国电力能源消耗量不断增加，用电负荷的不断加剧以及土地资源的日益紧张，对6～35kV的变电所载流器容量大、体积小、布局紧凑等问题提出了更高的要求。在这种情况下，绝缘管母线依靠自身载流量高、机械性能强、绝缘性能好、占地面积小等优点被越来越多采用和开发。

2 绝缘母线应用现状分析

绝缘管母线采用了同轴电容原理，具体为用铜管子做导线，将绝缘材料注入铜管内。绝缘管的母线有缠绕式、挤包式和浇注式等三种类型。由于绕包绝缘管的局部放电较难控制，所以在野外较少使用；挤出型和浇注成型的绝缘管是目前较为常用的一种。在导体连接方式、中间接头和末端的绝缘设计上，不同厂家的产品类型也不尽相同。综合考虑生产、运输、安装等方面的考虑，目前所用的绝缘管母线，其长度通常不会超过10m，并在工地上用中间接头进行连接。我国开始应用绝缘母线时间相对较短，在绝缘母线的设计、生产、安装、质检以及运维等方面都需要进行不断优化和完善[1]。

目前，我国一些大型城市已开始大面积推广使用环氧浇注绝缘管母线，但在投入使用一段时间后，发生多起断开、烧毁等事故。由于绝缘管的母线失效，不但会导致大范围的断电，还会导致变压器、开关柜等主要设备的损坏，从而对电力系统的安全性和可靠性产生不利的影响。针对上述问题，对绝缘管母线中间接合部位的失效进行了分析，并提出了相应的解决措施，为保证电力系统的安全、稳定运行具有一定的借鉴意义[2]。

3 导致绝缘管母线中间接头失效原因分析

3.1 绝缘管母线中间连接件的构造

典型的预制绝缘管母线中间接头的构造如图1所示，其由一端密封法兰、一绝缘筒、一弹簧触指组成。在此基础上，在保温管的内部，通常使用环氧树脂浇铸，并在其内部设置了一个金属护套，以达到均匀绝缘管的软接点上的电场强度[3]。

图1 绝缘管母线中间接头结构图

3.2 绝缘管母线中间连接处的失效原因分析

某地区220kV地下变电所3号主变220kV侧开关在2016年7月发生故障。经现场调查，在3楼3主变35kV 5段绝缘管母线一根垂直安装的中间接头出现了放电现象。经现场调查，在3楼3主变35kV 5段绝缘管母线一根垂直安装的中间接头出现了放电现象。中间接头在3号主变35kV 5段开关仓下面，三相连接的外部保护层都被烧毁、断裂，顶部的顶棚被熏成焦炭，A相连接的二次线也有很多地方被烧毁。

这部分的绝缘管母线位于地下室。事故发生时正值当地的梅雨季节，地下室内的平均湿度达到82%，同时出现了大量的露水。由于失效相烧损较大，经认真检查A、C相后，发现其连接绝缘管的端面密封状况不理想，端面密封法兰有凝结水，密封环有明显的变形，并有水迹渗入密封环。B相端部法兰上的密封环穿透水渍较为明显，由此推断，B相失效是由于密封较差造成的湿气渗入了绝缘筒体内部，造成了绝缘等级的降低。从失效的情况来看，应该是在绝热圆筒内的凝结水沿内壁滑落，使下法兰接点出现了闪络。

在绝缘管的母线中间连接处，容易发生失效。根据笔者对该区域5年来的电力故障事故调查数据进行分析后发现，在绝缘管母线失效中，节点失效占80%以上。主要有端部闪络、过热引起的设备绝缘老化、加速老化等。对接合位置的失效通过对其共性的分析，得出了以下几点原因。

一是绝缘管母线汇流端的爬电比距非常短，根据电力《十八项反措实施细则》（2018）中的要求可知，绝缘管母线端口的爬电比距不得低于20mm/kV。二是绝缘管母线中间区域的密封性不足。由于受潮、结露等原因，主绝缘层的绝缘性能急剧降低，并产生局部放电，如果初始电压骤降至正常工作时电压，此时依然呈现局部放电状态，会在绝缘管母线的高压部分产生闪络。

目前，有关绝缘管母线失效的研究多集中在电磁场分析和结构改进上[4]，尤其是在绝缘管母线连接部位，因其结构复杂，容易产生内部电场畸变。本文主要侧重于改善电场的分布，较少涉及爬电比距离，从而忽视了爬电比距离的影响。根据现场使用经验，特别是当绝缘管的母线污垢、受潮、结露时，爬电比距离会严重影响到放电和击穿。

4 绝缘套管中间连接件的改进

如要想进一步减少绝缘管母线中间接头区域的失效率，提升爬电比距，提高防潮能力，需要对其加以改造。

4.1 新型伞裙构造

笔者在分析绝缘管母线中间接头区域的结构之后，分析出绝缘管母线末端和接地屏之间爬电比距为206mm。一般情况下，标称电压35kV的绝缘管母线额定电压为40.5kV，爬电比距为6.4mm/kV，如果想要确保绝缘管母线的爬电比距符合规定，则要求绝缘管母线和接地屏的爬电比距在810mm左右，故笔者尝试在绝缘管母线连接端及屏蔽筒内壁增设绝缘伞裙，以此来增加爬电比距，如图2所示。

图2 改进后的绝缘管汇流排中间接头的构造

在考虑了绝缘伞裙的作用下，利用Maxwell软件建立了绝缘管中间连接处的电场分布模型。由于原始构造是沿x轴对称的，所以对其进行简单的建模，可以节约计算时间，同时也不会影响总体结果的正确性[5]。

全型号的内部为高压段，高压段采用铜材质；整个管母线的绝缘选用了环氧树脂，其中有一层半导电层，起到了均匀的作用；在最外面的电容屏上，均匀地包覆了一层金属屏蔽层。依据伞裙的电学和机械特性，选用硅橡胶。

模拟计算了遮阳罩的结构参数，并对其内部电势及电场分布进行了分析。模拟伞裙的构造参数：等径伞、不等径交替伞、伞间距、伞径、内外伞裙排列（对齐、错开）等。通过模拟分析计算得出最终结果：采用等径伞、伞径25mm、伞间距30mm、内外伞裙对齐时，罩内最大场强和电场分布比较均匀，这时，绝缘管母线末端至接地屏的爬电比应达到20mm/kV以上。

4.2 绝缘筒的密封性设计

为了加强防潮防水，在环氧浇注绝缘管的母线中间连接处，采用了多余的密封结构。第一，可以将高性能O型硅橡胶密封件安装于绝缘圆筒的两个绝缘凸缘之间，以及法兰和绝缘管的汇流排之间[6]。第二，在绝热圆筒的外法兰上安装有尾管，在将其紧固后，再用特殊的密封胶和热收缩套管对其外壳和尾部进行热收缩密封。第三，当操作环境中水分过大时，可以在屏幕简称和绝缘管汇流部分上添加另一种密封胶和热收缩保护套。另外，在绝热圆筒的外法兰上还设有真空吸气接口。当整个保温桶安装完毕后，用真空泵对其进行真空抽吸，保证其真空度为-0.04MPa，并保持30min不变，然后将高纯度的氮气注入绝缘管中，直至正常大气压力，并用带螺纹的螺钉将其密封。

5 提高连接性能的检验

应用以硅橡胶为原料制作而成的绝缘伞裙，将其一部分安装在绝缘管母线内侧壁上，另一部分安装在绝缘管的外壳上，但是该绝缘管汇流条接头部分没有安装该绝缘管。

5.1 分析比较

为检验绝缘管母线中间连接处的性能，笔者尝试通过局部放电比较试验，试验人员对绝缘管母线中间的绝缘圆筒进行了湿气调节，然后对局部放电前后的初始电压进行了测量，经过测量后发现，在防护罩内部含湿量小于60%的情况下，改进前后的局部放电起始电压基本相同。随着湿度的增加，两个中间节点的初始放电电压均出现了降低，而在80%以上的温度下，初始电压下降较慢[7]。

5.2 型式试验

绝缘管母线和改良的中间连接件已通过了国家电线电缆质量监督检测中心的形式测试，各项测试指标和各项指标都达到了国家标准。表1为型式试验参数。

表1 型式试验参数及结果

6 现场应用与建议

近年来，一些城市的220kV、500kV变电站发生了多起绝缘管母线中间连接故障，并对其进行了处理。实际使用结果显示，改进后的绝缘管母线连接可显著减少故障。通过对实际维护工作的实践，提出了一些能够提高绝缘管母线工作可靠性的措施[8]。第一，加强对中间连接的现场安装工艺控制，在晴好的天气条件下进行，防止潮湿的空气渗入到绝缘筒内。第二，在高湿度条件下，应采用横向连接，以防止垂直。同时，为降低湿度，减少凝露，应配置除湿装置。第三，在日常维护过程中，要主动进行状态监测，及时掌握设备的工作状况。在雷雨、湿季、大负载的情况下，对终端进行红外测温、终端接地电流的监测，定期采用超声波、UHF等方法，对设备的故障进行及时的检测和处理。