±800kV特高压直流穿墙套管故障分析及设计优化

广西送变电建设有限责任公司 许嘉毅

1 ±800kV特高压直流穿墙套管基本设计

此次研究的±800kV 特高压直流穿墙套管基本设计参数是套管长度为20.156m，户外绝缘净距为9.9m，户内绝缘净距为7.4m，绝缘伞群直径为0.923m。直流穿墙套管的外绝缘结构以硅橡胶为主，未设置固体电容芯子，主体结构设计与气体绝缘变电站相像[1]。±800kV 特高压直流穿墙套管应用期间，SF6气体充满的情况下气压平均值为0.7MPa。以中间法兰连接套管的户内外侧，套管的安装结构选择插拔式，测量好套管内外侧导体间距后将外侧插入内侧，以螺栓将其固定。

直流穿墙套管的链接，选择铝合金金属导杆为中间长导杆，并且设置触指结构，保证中间位置灵活滑动。导杆的具体参数是外径为160mm，壁厚为15mm，截面积为6833mm2，电流密度前提条件为5000A、0.73A/mm2，阻抗计算值前提条件为20℃、95μΩ。导杆应用之前，插头、插销等表面必须进行电镀银处理并压花，增强导杆使用功能[2]。

支撑绝缘子的设计以环氧树脂为主要材料，必须满足填充氧化铝的条件。随后设计成三角结构，度数要求以120°为主。绝缘子支撑结构的组成，要求数量必须为3 支，这样能够达到直流穿墙套管同心度的要求，保证机械支撑力[3]。

2 ±800kV特高压直流穿墙套管故障研究

±800kV 特高压直流穿墙套管运行期间，常见故障集中出现在夏季，如闪络、气压异常、安全隔板损坏等。对于±800kV 特高压直流穿墙套管故障研究，主要从以下几方面研究。

2.1 确定故障位置

根据±800kV 特高压直流穿墙套管异常情况，对异常区域进行解剖，并且确定闪络发生的具体位置，集中在垂直支撑绝缘子表面。通过对电弧路径的观察发现，闪络现象以法兰为起点，由绝缘子表面延伸至直流穿墙套管的金属护套[4]。护套表面出现不同程度的融化，法兰的表面与两侧也出现金属痕迹，由此可以锁定此位置是闪络现象的源头。

2.2 解剖中心导体

结合故障具体情况，需对±800kV 特高压直流穿墙套管中心导体进行解剖，经仔细观察发现，中心导体的触指结构，受闪络现象的影响镀银外层出现不同程度变黄与磨损，弹簧结构金属衔接位置出现金属熔化[5]。此现象的出现主要因为SF6放电气体暴露，与中心导体触指结构镀银层产生反映，继而造成镀银层表面变黄。金属熔化现象的原因是气体在温度异常情况下持续膨胀，铝液体被迫进入直流穿墙套管中心导体。中心导管解剖期间，导管插头、各个连接位置等都出现不同程度的摩擦。尤其是插头插销位置，摩擦特征明显，弹簧凹槽位置也出现很大程度的磨损，磨损现象出现的主要原因是弹簧线圈角度的控制与插头运动等。

2.3 故障主要原因分析

±800kV 特高压直流穿墙套管闪络等故障的出现，主要原因是直流穿墙套管中出现污染物，不断摩擦过程中产生金属粉尘，金属粉尘打破环境隔离模式，继而引发电场畸变，绝缘子表面吸附在粉尘功能受损，增加特高压直流穿墙套管应用风险[6]。

3 ±800kV 特高压直流穿墙套管绝缘子耐压试验研究

±800kV 特高压直流穿墙套管的安全性需要提高，必须对故障出现原因进行验证，并锁定主要原因，以此更好地对±800kV 特高压直流穿墙套管故障进行解决与设计改进。此次以缩比支撑绝缘子耐压研究试验设计，确定污染物引发套管故障的原因。

SF6气体非线性电导数学模型是特高压直流穿墙套管就源自耐压试验研究的前提，通过对SF6气体的分析并且对支柱绝缘子的研究，梳理其中表面电荷聚集情况，其主要包括三种机制。第一种机制是以电流连续性方程为基础所生成的体电荷密度分布模型，需借助欧姆定律实现。第二种机制是以弱电离气体载流子云方程为基础，所形成的表面电荷暂态模型，漂移扩散模型是基本条件。第三种机制是以非线性偏微分方程为基础，利用有限元方法对电荷分布进行求解，借此得到SF6气体电场分布信息。

直流高压穿墙套管竖立放置的方式进行截取，结构的下端以圆柱状绝缘子为主，为方便试验观察，对±800kV 特高压直流穿墙套管实际尺寸进行同比缩小。试验设计结构的上下底面以轴线为中心，并未完全平行于侧面，而是预留5°夹角，根据±800kV 特高压试验要求，绝缘子两端分别设置圆盘电极，保证试验操作中场强与±800kV 特高压直流穿墙套管实际情况保持一致，借此确保试验研究的准确性。此外还要检测试验结构的右侧电极，试验分析期间将其接通高压电源后，可以准确对导杆电压、圆盘电位差等进行模式测试。

为确保试验之前支撑绝缘子无电荷状态，必须提前对其表面进行专业擦拭处理，全面放电后方可投入试验。将处理好的支撑绝缘子进行安装，期间检测±800kV 特高压直流穿墙套管腔体状态，保证无任何金属粉尘。待支撑绝缘子插入腔内后，将盖板密封。安装完毕进入到常压测试阶段，待电压不断调整中，升至170kV 直流穿墙套管出现闪络现象，绝缘子加压试验数值如表1所示。

表1 绝缘子加压试验数值

由表1可知，170kV 以下并未出现闪络现象，但是170kV以上却出现明显闪络现象。随后调整常压试验条件，环氧支撑绝缘子加压试验数值如表2所示。

表2 环氧支撑绝缘子加压试验数值

直流电压保持在200kV绝缘子时，并不存在闪络现象，随后将直流电压上调至325kV，绝缘子试验出现变化，并且闪络次数明显增加，环氧支撑绝缘子加压试验数值如表3所示。

表3 环氧支撑绝缘子加压试验数值

由表3可知，直流电压调整至325kV，绝缘子出现闪络现象，随着电压的持续上调，绝缘子闪络现象更加严重，该数据对特高压直流穿墙套管故障分析与优化设计十分重要。结合试验数据整理，发现在N2常压条件下，闪络现象的出现集中在170kV，但是空气闪络试验中，闪络现象出现的波动比较大，-121～129kV 范围内均存在闪络风险。经过对比发现，保证直流穿墙套管内部环境，并且不存在电极缺陷的情况下，以相同温度与气压条件，空气N2绝缘水平较空气绝缘水平差。因为SF6气体试验条件的设置，耐压水平明显超出N2试验条件。

根据数据分析发现，电压极性并不会对闪络电压水平变化造成较大的影响，证明，±800kV特高压直流穿墙套管设计安装期间，必须做到内部无污染，并且中心构件与绝缘子等局部无放电，预留出充足的绝缘裕度，以此对套管内部进行改进，有效降低±800kV 特高压直流穿墙套管故障率。

4 ±800kV特高压直流穿墙套管设计优化方案

4.1 ±800kV特高压直流穿墙套管设计注意事项

注意调整导杆连接件的间距，有效减少相互旋转摩擦影响。科学调整弹簧触指接头，特别是户外侧低场强区，控制好弹簧触指接头与套管符合绝缘子的关系。预留出单独隔离腔体空间，及时放入弹簧触指接头，降低金属粉尘污染气体的风险。

4.2 ±800kV特高压直流穿墙套管设计优化

将多段导杆调整为一整根导杆，减少冗余的滑动连接设置，将套管中心位置设计进行调整，随后增加热力伸缩补偿装置，通过对套管腔体的分割，利用伸缩补偿装置去隔绝主绝缘气体，降低粉尘产生率，从而保障气室安全。

将三角支撑绝缘子结构进行调整，正中间垂直部分取消，于法兰底侧增加支撑绝缘子，根据数值计算软件对三角支撑绝缘子结构力学仿真计算，并得到仿真模型。仿真模型分析中主要包括以下几个内容。

一是最大载荷数值设定为14.1g，运输时载荷严重，但是仍然在三角支撑绝缘子的承受范围内，可以充分保障直流穿墙套管运行安全。三角支撑绝缘子承受应力与运行安全参数如表4所示。

表4 三角支撑绝缘子承受应力与运行安全参数

二是研究前提是地震状态，直流穿墙套管设计载荷必须作出调整，从水平与垂直两方面，加速度值分别为1.78g、1.42g。

5 结语

根据±800kV 特高压直流穿墙套管故障的研究，总结当前±800kV 特高压直流穿墙套管存在的薄弱点，尤其是闪络与电压异常等问题。滑动触头与支撑绝缘子的距离控制不当会导致摩擦粉尘增加，严重威胁电场平稳性，继而出现电场畸变现象。所以需要以支撑绝缘子为中心的故障原因进行研究试验，锁定故障原因并对±800kV 特高压直流穿墙套管设计积极优化，借此达到提高±800kV 特高压直流穿墙套管安装与运行安全性的目的，为±800kV特高压直流穿墙套管的优化积累更多经验。