穿墻套管

摘　要: 根據(jù)直流穿墻套管的技術(shù)要求, 對(duì)直流套管的內(nèi)外絕緣機(jī)理進(jìn)行了初步分析和探討, 據(jù)此提出了直流穿墻套管的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù), 研制生產(chǎn)了250kV交、直流穿墻套管。

1　前言

我國(guó)目前已有葛洲壩— 上海± 500kV、浙江舟山100kV直流輸變電線路建成投運(yùn),廣西天生橋至廣東北郊± 500kV 直流輸變電工程也正在施工建設(shè), 舉世矚目的三峽電站也將采用二回± 500kV 直流輸電線路。據(jù)悉, 云南省將要建設(shè)的小灣水電站也在考慮采用直流± 600kV 輸電線路。直流輸電在全國(guó)電網(wǎng)中的比例正在增加。為研究了解在高海拔地區(qū)高壓交、直流輸電線路的特性, 云南省電力試驗(yàn)研究所決定在高海拔地區(qū)建立交、直流污穢試驗(yàn)室,進(jìn)行高海拔地區(qū)交、直流輸電方面的研究工作。該試驗(yàn)室需用一只250kV交、直流兩用的穿墻套管, 經(jīng)協(xié)商由南京電瓷總廠進(jìn)行研究制造。該穿墻套管的主要技術(shù)參數(shù)列于表1本文就該交、直流穿墻套管的直流方面性能進(jìn)行了研究分析, 對(duì)直流穿墻套管的設(shè)計(jì)生產(chǎn)進(jìn)行了初步的探討。

2　直流穿墻套管內(nèi)絕緣的設(shè)計(jì)分析

2. 1　內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)形式的確定及初步驗(yàn)算根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料的分析, 直流套管的內(nèi)絕緣亦可采用類似于交流套管中油紙絕緣電容芯子那樣的絕緣結(jié)構(gòu)形式。另外, 根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)資料介紹, 我國(guó)舟山100kV 直流輸變電線路中所用的直流穿墻套管, 采用的是國(guó)產(chǎn)CR-220 /630Z型220kV 等級(jí)增強(qiáng)型交流穿墻套管,從1987年開始至今已安全運(yùn)行10年以上, 雖然裕度有點(diǎn)過(guò)大, 但說(shuō)明了交流套管的內(nèi)絕緣形式用于直流電壓是可行的。

根據(jù)上述分析, 結(jié)合本廠實(shí)際情況, 對(duì)該穿墻套管我們選擇了類似于交流套管中油紙絕緣電容芯子這種形式作為套管的內(nèi)絕緣。這種內(nèi)絕緣在直流電壓下, 由鋁箔作為極板, 油浸紙作為極板間介質(zhì)的同軸圓柱形串聯(lián)絕緣體, 相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)的電阻器, 通過(guò)控制其中各電阻的數(shù)值, 也可使該絕緣體的徑向和軸向的直流電場(chǎng)分布均勻。

我們知道, 在直流電壓情況下, 產(chǎn)品的靜態(tài)直流電位分布由絕緣材料的電阻率所決定。為了定量計(jì)算出絕緣芯子內(nèi)部的直流電場(chǎng)的分布, 我們假定芯子內(nèi)部的電阻率在芯子內(nèi)部各處都是相同的, 根據(jù)上述串聯(lián)電阻器的模型, 我們可以計(jì)算出芯子內(nèi)部的直流電場(chǎng)分布, 其計(jì)算結(jié)果見圖1。而相同的芯子計(jì)算出的交流電場(chǎng)分布亦同時(shí)列于圖1。

從該圖我們看出, 套管的該類型絕緣芯子在直流電壓下, 假如電阻率各處相等, 那么直流電場(chǎng)分布與交流電場(chǎng)分布趨勢(shì)是相似的

圖一

根據(jù)試驗(yàn)研究, 我們還知道油浸紙絕緣材料在直流電壓下的電氣強(qiáng)度同厚度的關(guān)系, 與工頻電壓下的情況也相似, 其短時(shí)擊穿強(qiáng)度大約是工頻電壓下的2倍。

根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果, 我們考慮, 對(duì)于直流狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度分析, 可以類比交流狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度進(jìn)行。根據(jù)這樣的觀點(diǎn), 經(jīng)計(jì)算, 在直流電壓下這個(gè)絕緣芯子的250kV 電壓下的最大場(chǎng)強(qiáng)為3. 65kV /mm, 而此處的交流電壓下起始局放場(chǎng)強(qiáng)為6. 31kV /mm。如假設(shè)此處的直流耐受場(chǎng)強(qiáng)為交流的2倍, 那么在250kV直流電壓下, 該絕緣芯子的絕緣裕度大約為: 6. 31× 2 /3. 65= 3. 5。

2. 2　介質(zhì)的電阻率和極性變換對(duì)內(nèi)絕緣芯子的影響及其計(jì)算

套管運(yùn)行時(shí), 由于傳輸電流的通過(guò), 使得套管的導(dǎo)電管發(fā)熱, 因而降低鄰近的油紙絕緣的電阻率和電應(yīng)力, 使絕緣芯子內(nèi)部的電阻率分布不均。當(dāng)絕緣介質(zhì)的極性變換時(shí),電場(chǎng)在暫態(tài)過(guò)程期間改變成一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)的直流電場(chǎng), 這個(gè)過(guò)程可能導(dǎo)致臨時(shí)的過(guò)載, 也就是具有更低電阻率的材料自身放電比相鄰材料更快, 導(dǎo)致相鄰材料承擔(dān)更高的電壓。這樣的一種直流電壓作用的情況, 可以定性的模擬成具有三種不同RC時(shí)間常數(shù)相疊加的材料進(jìn)行分析, 如圖2所示。這三種材料的時(shí)間常數(shù)假定為T1= 100s, T2=1 000s, T3= 10s,第三種材料緊靠著導(dǎo)電管。并假設(shè)C1= C2= C3 , 初始電壓: U1= U2= U3=13Utot。在這個(gè)例子中, C3迅速放電, 導(dǎo)致C1、C2充電, 使U1 ( t ) 的暫態(tài)電壓在30s后達(dá)到125%13Utot。

當(dāng)t t3= 1 000s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài), 此時(shí)的電壓分布相當(dāng)不同: U1=0. 09Utot , U2= 0. 9Utot , U3= 0. 01Utot , 整個(gè)電壓的90%將由2號(hào)材料(即電阻率最高的材料) 來(lái)承擔(dān)。因此在直流套管的設(shè)計(jì)中, 應(yīng)盡量避免絕緣材料的電阻率不均勻現(xiàn)象

根據(jù)套管的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù),載流導(dǎo)體在油中的溫升不超過(guò)15℃ , 相對(duì)于油浸紙材料的溫升大概只在20℃左右。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(見圖3) , 我們測(cè)算出20℃的溫升大約會(huì)使油浸紙電阻率減小7倍左右, 遠(yuǎn)低于上述例子中的T2 /T3= 100倍。對(duì)于這種情況, 我們假設(shè)由于電阻率分布的改變, 使整個(gè)絕緣芯子電場(chǎng)分布不均增大, 從而使絕緣芯子的電氣強(qiáng)度下降25% (根據(jù)上述, 這個(gè)假設(shè)與實(shí)際情況應(yīng)該是比較接近的) , 這樣, 芯子的絕緣裕度仍可達(dá)到3. 5× 0. 75=2. 63。另外在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮使導(dǎo)電管的載流密度取得小些, 采取一些降低導(dǎo)電管發(fā)熱的措施, 就可以減小溫升, 進(jìn)一步提高絕緣芯子的電氣強(qiáng)度和絕緣可靠性。

2. 3　絕緣芯子與周圍絕緣材料之間的直流電場(chǎng)分布

根據(jù)直流套管的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果, 表明芯子內(nèi)部的電場(chǎng)分布對(duì)芯子外部的電場(chǎng)分布沒(méi)有顯著的影響。這是因?yàn)橛秃碗姶傻碾娮杪时扔徒埥^緣的電阻率更低, 使得直流電流通過(guò)了這些低電阻值的材料, 控制了外部電場(chǎng),從而使直流電場(chǎng)集中在高壓電極附近。根據(jù)計(jì)算結(jié)果, 套管的直流電場(chǎng)分布見圖4。為便于比較, 圖4還列出了套管的交流電場(chǎng)分布。我們知道, 在直流電壓情況下, 相鄰的

3　直流穿墻套管的外絕緣分析設(shè)計(jì)

3. 1　直流套管外絕緣閃絡(luò)現(xiàn)象分析及避免措施

由于直流穿墻套管的充油間隙和電瓷的影響, 套管外絕緣直流電場(chǎng)的分布, 對(duì)污穢和潮濕所引起的表面電導(dǎo)率變化是很敏感的, 尤其是不均勻潮濕經(jīng)常導(dǎo)致電場(chǎng)的崎變和閃絡(luò)。對(duì)直流套管外絕緣進(jìn)行的有限元法計(jì)算的結(jié)果示于圖6, 圖6的左邊圖形顯示的是干燥的及清潔表面的電場(chǎng)分布, 它與交流電場(chǎng)的分布看起來(lái)是相似的。不均勻潮濕的外表面直流電場(chǎng)分布如圖6右邊所示, 從圖中看出, 由于套管表面的不均勻潮濕, 產(chǎn)生了一個(gè)具有很高的軸向和徑向過(guò)應(yīng)力的直流電壓分布, 這將使套管甚至在低的電壓下也會(huì)發(fā)生軸向閃絡(luò)和徑向擊穿

根據(jù)直流輸電線路上的直流穿墻套管的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 250kV 及以上直流輸電線路上的閃絡(luò)現(xiàn)象, 有65%發(fā)生在穿墻套管上, 而且穿墻套管的閃絡(luò)大部分都是發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間干旱后的第一場(chǎng)雨水的初期時(shí)間, 并且負(fù)極性狀態(tài)下的閃絡(luò)比正極性的閃絡(luò)更易發(fā)生。根據(jù)上述的電場(chǎng)計(jì)算及有關(guān)部門對(duì)這種閃絡(luò)現(xiàn)象進(jìn)行的認(rèn)真分析和試驗(yàn)研究,表明直流套管外絕緣瓷套在下雨時(shí)形成的不均勻潮濕現(xiàn)象,對(duì)直流套管的外絕緣危害性最大。下雨時(shí)由于墻壁和房頂對(duì)法蘭側(cè)瓷套具有的遮擋作用,使得戶外瓷套上的淋雨潮濕由頂部逐漸向法蘭側(cè)發(fā)展,并使法蘭側(cè)瓷套軸向伸出的干區(qū)長(zhǎng)度逐漸縮小,以致出現(xiàn)了小距離的瓷套表面干區(qū)的電阻值,相對(duì)于瓷套表面潮濕區(qū)的電阻值要大得多,因而此小距離的表面干區(qū)承受了大部分的電壓。當(dāng)此干區(qū)表面軸向長(zhǎng)度上的電位梯度增大到一定值時(shí),就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的電弧,并從干區(qū)部分向潮濕部分發(fā)展形成閃絡(luò)。根據(jù)試驗(yàn)研究表明(見

圖7) ,當(dāng)瓷套外表面的軸向方向干區(qū)與瓷套總長(zhǎng)的比值在40%左右時(shí),外絕緣的直流放電電壓最低,它可以下降到套管均勻潮濕放電電壓的70% 以下。同樣的試驗(yàn)也表明,這種現(xiàn)象在交流情況下也發(fā)生,但交流下不均勻潮濕放電電壓可下降值為均勻潮濕放電電壓的84%。交流下穿墻套管不均勻潮濕閃絡(luò)現(xiàn)象在運(yùn)行時(shí)的事故率并不是很突出,這可能是以下幾個(gè)方面的綜合原因所造成的。

①直流套管的內(nèi)絕緣對(duì)外絕緣的電場(chǎng)分布調(diào)節(jié)作用不明顯, 使得套管外表面的電場(chǎng)分布均勻性不如交流下的套管好。

②根據(jù)本文公式( 1) , 直流套管的瓷套表面與淋濕的污穢層之間, 由于d瓷= 1014Ψ· m, d水= 105Ψ· m, 使得瓷套沿面的電場(chǎng)畸變大, 場(chǎng)強(qiáng)值高。因此, 比起交流狀況下瓷套沿面的閃絡(luò)和擊穿電壓要低得多。

③由于直流電壓相對(duì)于交流來(lái)說(shuō)更易吸污, 并且直流放電電流在瓷套外表面易于形成飄弧、橋接現(xiàn)象, 使得閃絡(luò)容易發(fā)展。

④直流套管在線路上的運(yùn)行時(shí)對(duì)地電壓即為額定電壓, 而交流套管的實(shí)際運(yùn)行對(duì)地電壓為工作相電壓, 因而直流套管比起交流

套管的實(shí)際運(yùn)行電壓高大約1. 7倍, 這樣就造成了相同額定電壓套管長(zhǎng)期耐受的電壓實(shí)際上相差1. 7倍, 從而使得直流下套管比交流情況下的套管更易閃絡(luò)。為避免直流穿墻套管的不均勻潮濕閃絡(luò), 目前普遍可采取的措施是:

①提高戶外瓷套高度及提高爬電距離,以減少瓷套表面單位長(zhǎng)度上的場(chǎng)強(qiáng)值。

②瓷套傘盤上增設(shè)若干輔助傘裙, 對(duì)閃絡(luò)電壓起屏障作用, 并可減弱瓷套表面不均勻潮濕的影響程度。

③瓷套表面噴涂RTV 硅橡膠等憎水性涂料, 以改善瓷套表面不均勻潮濕現(xiàn)象, 并使其表面電壓分布趨于均勻。

④還可以在瓷套外表面噴涂半導(dǎo)體釉,用此辦法降低瓷套表面與污穢層之間的電阻率差, 進(jìn)而改善其表面的電場(chǎng)分布。

3. 2　直流穿墻套管外絕緣的有關(guān)數(shù)據(jù)介紹及其選擇

根據(jù)有關(guān)資料, 將運(yùn)行于直流線路上穿墻套管的有關(guān)外絕緣的主要參數(shù)列于表2。對(duì)照表2并根據(jù)上述的分析計(jì)算, 我們確定了250kV交、直流穿墻套管的戶外(即污穢室端) 瓷套的主要尺寸參數(shù), 也同時(shí)列于表2。由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)套管的污室外端是否處于室外不確定, 同時(shí)考慮到昆明的高原氣候, 以及直流套管的特性和可靠性, 所以污室外端的瓷套亦采用了與污室端相同的瓷套。并在廠內(nèi)試驗(yàn)完畢后, 對(duì)套管的上、下瓷套外表面涂刷了一層憎水性涂料。

4　試驗(yàn)

根據(jù)上述直流套管內(nèi)外絕緣的分析計(jì)算及其技術(shù)要求, 我們?cè)O(shè)計(jì)制造的高原型250kV污穢試驗(yàn)室用交、直流穿墻套管, 其結(jié)構(gòu)尺寸見圖8。套管制造完成后進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn), 試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖8　250kV 交、直流穿墻套管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

5　結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中, 通過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、工藝處理及工廠試驗(yàn), 可以使直流套管內(nèi)絕緣的電氣性能得到比較可靠的保證, 因而可使直流套管內(nèi)絕緣在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生閃絡(luò)擊穿的概率不大。但是大氣環(huán)境中的大霧、雨水及污穢等一些因素, 會(huì)使直流套管的外絕緣發(fā)生閃絡(luò),尺管采取加大瓷套外絕緣有效高度,提高瓷套外絕緣爬電距離這樣的措施, 仍然不能完全杜絕直流套管外絕緣的閃絡(luò)現(xiàn)象。針對(duì)這樣一種情況, 有些國(guó)家對(duì)直流套管還增加了清潔霧長(zhǎng)時(shí)間( 2h～ 4h) 的直流耐壓試驗(yàn)及不均勻淋雨直流耐壓試驗(yàn), 以考核直流穿墻套管在這樣環(huán)境條件下的運(yùn)行可靠性。我國(guó)也應(yīng)積極進(jìn)行直流套管方面更多的試驗(yàn)研制工作, 以便盡快地實(shí)現(xiàn)直流輸變電線路上的直流套管國(guó)產(chǎn)化, 滿足我國(guó)直流輸變電的發(fā)展需要。

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