一起主变全绝缘管型母线异常事件分析

2023-11-05闻煜峰魏泽民王耀升赵玉成闻芷馨

电力安全技术 2023年9期

闻煜峰，魏泽民，王耀升，赵玉成，闻芷馨

(国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314000)

0 引言

全绝缘管型母线(简称全绝缘管母)因载流量大、散热条件好、集肤效应低、允许应力大及机械强度高等优点被广泛应用于变电站的主变低压母线。与传统矩形铜排母线相比，全绝缘管母技术的优势十分显著，但在全绝缘管母制造和接头制作过程中，绝缘层内部的杂质、微孔、半导电层突起和分层缺陷均可能引起局部放电，进而造成贯穿性的导通放电，导致变压器跳闸，严重影响供电可靠性。

1 全绝缘管母分类

1.1 浇注式全绝缘管母

浇注式绝缘管母在国内出现最早，为电容屏结构，绝缘材料是环氧树脂浇注纸绝缘。浇注式绝缘管母本体绝缘主要采用绝缘、半导电(粘性)电工皱纹纸带缠绕，经环氧树脂真空浸渍、加温固化，形成一体化固体绝缘。环氧浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘，导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后，形成致密、紧实的一体化结构，既具有绝缘纸和环氧的良好绝缘和介电性能，又具有良好的机械特性。

浇注式绝缘管母生产基本流程是：现场查勘管型母线尺寸—弯曲铜管—缠绕电容屏—真空浇注环氧树脂—成品局部加工—厂内热缩外护套—发送现场安装，其中最关键的工艺是真空浇注环氧树脂，如果浇注过程控制不当，容易产生裂纹或气泡。环氧树脂浇注式管型母线的绝缘结构相对较好、绝缘强度较高、介损相对较低，缺点是制作工艺复杂、生产周期长、价格较高、中间接头需现场安装且受安装工艺影响。

1.2 挤包式全绝缘管母

挤包式绝缘管母采用交联聚乙烯型挤包绝缘、三元乙丙橡胶型挤包绝缘或硅橡胶挤包绝缘。通过挤包机在导体表面挤出内半导电层、绝缘层和外半导电层，生产中采用三层共挤工艺来保障半导电层与导电层紧密结合。挤包式绝缘管母结构见图1。

图1 挤包式全绝缘管母结构

挤包式绝缘管母生产成本较高，直线部分的绝缘强度较高、质量可靠性较好；缺点是很多现场需要的弯曲半径较小，导致在弯曲部分出现绝缘损伤，若在验收时不能及时发现，将会给后续安全运行留下隐患；此外中间接头在现场安装，易受现场安装条件影响。

1.3 绕包式全绝缘管母

绕包式全绝缘管母采用聚四氟乙烯缠绕绝缘或聚酯薄膜缠绕绝缘，即在铜管或铝管外层利用聚四氟乙烯带或聚酯薄膜缠绕，层间涂抹硅油形成主绝缘层。结构分布由内往外依次为导体、导体屏蔽层、主绝缘层(聚四氟乙烯或聚酯薄膜)、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、保护层，如图2 所示。

图2 绕包式全绝缘管母结构

绕包式全绝缘管母生产基本流程是：现场查勘管型母线尺寸—厂内弯曲铜管—发送现场安装铜管—现场缠绕绝缘层—热缩外护套。其采用绝缘带绕包的生产工艺，多层绝缘复合结构，沿复合材料界面的法向和切向强度不同，需要合理设计电容屏尺寸和位置，并严格生产工艺以保证端部场强梯度分布合理；绝缘受现场湿度、灰尘等因素以及施工人员技术水平影响较大；母端部制作工艺难度高，接头或端部部位一旦存在异物或气隙将会导致持续性放电直至击穿。

2 事件概况

2022-04-22，运维人员在某220 kV 变电站现场巡视发现，2 号主变10 kV 户外主变闸刀与串联电抗器间A 相全绝缘管母有烟雾现象并伴有放电声，且发展迅速，出现放电烧蚀并有往主变方向发展的趋势。现场判断仅拉开低压开关无法阻止放电蔓延，且闸刀处在变压器和异常电抗器之间，不具备人员操作条件，遂遥控断开主变三侧开关隔离隐患，10 kV 备自投正确动作，无负荷损失，主变泡沫系统正确启动，放电烧蚀迅速减小并熄灭。该异常事件发现及时、处置得当，成功避免了220 kV主变跳闸。

2.1 设备情况

该变电站2 号主变生产商为保定天威保变电气股份有限公司，型号为SFSZ—240000/220，三相三绕组有载调压变压器，低压侧电压等级为10 kV，2020 年6 月投运。10 kV 侧全绝缘管母生产商为江苏如皋天安电气设备科技有限公司，型号为JGM—10 kV/4 000 A，2020 年6 月投运，结构形式为绕包式全绝缘管母，户外布置，因低压侧有闸刀和串抗，每相全绝缘管母分成三段。

2.2 解体检查

2022-04-29，运维人员邀请厂家技术人员参与对损伤段全绝缘管母进行解体检查，并在电科院指导下开展相关工作。具体检查内容为解体前测得管型导体对导体屏蔽层绝缘电阻为20 MΩ，表明主绝缘已击穿；测量烧损侧管母相关位置距离，测量主绝缘层电容量；对完整侧管母主绝缘层的5 层电容屏进行逐层剥离，测量各电容屏层间距与电容量，自内向外为1～5 层，测量数据如表1 所示。

表1 端部电容屏层间距与电容量测量数据

测试结果表明：端部电容屏呈梯度分布，每层间距53～64 mm 不等，从导电体到金属屏蔽层累计距离为290 mm，绝缘距离满足厂家设计要求(每层间距不少于40 mm，从导电体到金属屏蔽层累计距离不少于200 mm)。从放电烧蚀痕迹来看，放电灼烧中心距端部约300 mm，与实测零屏距离290 mm 基本一致，表明击穿放电发生在金属屏蔽层的边沿，判断边沿处存在绝缘薄弱点，导致击穿烧蚀。

2.3 原因分析

该全绝缘管母为绕包式绝缘结构，其结构分布由内往外依次为导体、导体屏蔽层、主绝缘层(聚四氟乙烯)、绝缘屏蔽层、铜箔金属屏蔽层、双层热缩保护套，主绝缘层内分布5 个电容屏，端部电容屏呈梯度分布。通过解体检查发现放电击穿点位于金属屏蔽层的边沿、电容层末屏，由此判断故障原因为厂商制造工艺不良，金属屏蔽层首末边沿场强分布不均，户外长期运行下局部击穿后导致间隙性放电，并发展为单相接地。

3 全绝缘管母运行缺陷分析

3.1 历史运行情况

2021 年巡检中首次发现该变电站1 号、2 号主变全绝缘管母局部热场不均。2022-04-26，现场红外检测情况为：1 号主变全绝缘管母正常温度25.5 ℃，A 相发热点36.9 ℃，C 相发热点30.1 ℃；2 号主变全绝缘管母正常温度26 ℃，B 相发热点37.6 ℃，C 相发热点39.7 ℃。同时，另一变电站1 号、3 号主变全绝缘管母也发现了局部热场不均的问题。2022-04-26，现场红外检测情况：1 号主变全绝缘管母正常温度28.5 ℃，A 相发热点36.3 ℃；3 号主变全绝缘管母正常温度26.4 ℃，A 相发热点32.8 ℃，A 相避雷器引出线发热点40.0 ℃，A 相套管出线端发热点39.7 ℃。

两变电站主变全绝缘管母均出现局部热场不均的现象，厂家评估为表面积污引起，暂无恶化趋势，要求运行人员重点关注。对该市近年来部分变电站全绝缘管母的缺陷情况进行统计，具体如下。

1) A 变2 号主变10 kV 限流电抗器B 相绝缘管母与穿墙套管接头位置发热，墙内侧温度135.0 ℃，A、C 两相墙内侧32.0 ℃。将2 号主变低压侧停电进行消缺。

2) B 变1 号主变10 kV 限流电抗器B、C 相绝缘管母与穿墙套管接头位置发热，B、C 相墙内侧温度80.1 ℃，A 相30.0 ℃。将1 号主变低压侧停电进行消缺。

3) C 变1 号主变低压10 kV 侧绝缘管母绝缘偏低，其中B 相正常，A、C 相偏低。分段解体后，发现穿墙套管至电抗器段绝缘降低。检查绝缘管母发现存在部分受潮现象，重新用3M 材料包裹后，回阻试验合格。

4) D 变1 号主变局部热场不均，经厂家评估为表面积污引起，2021 年首次发现。观察无恶化趋势，要求运行人员重点关注。

5) E 变1 号主变局部热场不均，经厂家评估为表面积污引起，2021 年首次发现。观察无恶化趋势，要求运行人员重点关注。

6) F 变2 号主变10 kV A 相绝缘管母发热现象严重，紧急拉停2 号主变，并将全绝缘管母改为半绝缘管母。

3.2 缺陷解决

针对该220 kV 变电站全绝缘管母故障进行分析，全绝缘管母投产以来每月进行常规红外线测温，均未发现异常发热情况。同步对投产以来低压侧系统发生单相接地情况进行统计，只有1 号、2 号主变低压侧多次发生单相接地情况。结合2 号主变低压侧全绝缘管母已发生绝缘损坏事件以及1 号主变运行期间低压侧系统发生2 次接地原因不明的永久接地故障，安排2022 年10 月开展该站全绝缘管母改造工作。

4 改进措施

1) 加快在运全绝缘管母改造，完成220 kV 及户外站110 kV 变压器绕包式全绝缘管母改半绝缘管母以及户内站110 kV 绕包式全绝缘管母改半绝缘管母的治理工作。

2) 加强红外测温与巡视，重点关注中间接头、终端、拐弯等关键部位的发热、异响、振动、老化等异常情况，绕包式全绝缘管母和有缺陷的其他类型全绝缘管母在改造前都应纳入一站一库管控。

3) 组织开展在运全绝缘管母专业巡视和检测，重点查看全绝缘管母外绝缘状态、外绝缘颜色分布、鼓包、异响、振动、老化开裂、屏蔽线接地有无异常等情况，同步检查全绝缘管母所处母线电压(如存在电压异常、母线单相接地，判断是否由绝缘管母绝缘异常引起)；具备条件时开展屏蔽线接地电流检测、特高频及超声局放带电检测。

4) 结合变压器、开关柜停电检修窗口，开展全绝缘管母绝缘电阻和吸收比测量、介质损耗因数及电容量测量，必要时进行工频耐压试验，定期开展设备状态评价。全绝缘管母检测试验项目及要求如下。

①检测主绝缘绝缘电阻，要求主绝缘绝缘电阻满足厂家规程要求。

② 检测吸收比，要求吸收比不小于1.3 或极化指数不小于1.5。

③检测介质损耗因数，介质损耗因数应满足如下条件：环氧树脂不大于0.007；橡胶类不大于0.007；聚四氟乙烯、聚脂薄膜不大于0.005。

④ 进行交流耐压试验。要求试验电压采用出厂试验电压的80 %，频率30～300 Hz，持续时间1 min，试品应无闪络、无击穿。

5) 对密封不良引起的发热、异常放电等缺陷或停电试验发现绝缘电阻、介质损耗因数等存在异常的全绝缘管母，在采取相应措施后仍无法消除的，应尽快开展技术改造。

6) 加强基建工程源头管控，新、改、扩建工程应优先选用安全可靠、便于抢修的导电排、半绝缘管母；受空间狭窄、额定电流等原因限制的，可采用浇注式或挤包式全绝缘管母，禁止选用绕包式全绝缘管母。