800kV特高压直流穿墙套管故障分析

800kV特高压直流穿墙套管故障分析

王斌

国网山西超高压变电分公司   山西太原 030000

摘要:溪浙工程金华站的某型±800kV穿墙套管在夏季运行时内部发生了闪络｡找出特高压直流穿墙套管支撑绝缘子发生闪络的原因,并改进套管的设计对于提高套管的可靠性非常重要｡为此对该支套管进行了解剖,并分析其故障原因｡研制了1套SF6环境下实际绝缘子缩比试验系统,验证无污染物和局部放电时套管支撑绝缘子绝缘裕度充裕｡解剖分析指出套管内弹簧触指结构部件相对移动等原因产生细微金属颗粒,是故障发生的主要原因｡试验发现抑制内部局部放电后,支撑绝缘子绝缘裕度很大｡研究并改进了套管内部的设计,取消了1支支撑绝缘子,并优化了连接装置的设计｡改进后的±800kV特高压套管投入运行,具有超过2年的稳定运行业绩｡由这次事故所获得的经验教训全部在我国自行研制±1100kV特高压直流穿墙套管时采用,取得了很好的效果,套管通过了型式试验｡

关键词:穿墙套管;气体绝缘;支撑绝缘子;沿面闪络;金属微粒

0引言

为了保证系统稳定､减少输电损耗和输电走廊､提高经济性,大规模西电东送和北电南供主要采用特高压直流技术｡

决定特高压直流技术可行性和成熟性的主要是换流变压器及其阀侧套管､换流阀､穿墙套管和直流场设备等几个串､并接在特高压直流回路的关键设备｡其中直流穿墙套管是一个有代表性的设备,一般对外微微上斜安装在阀厅墙上,功能是让处于高电位的直流主回路穿过阀厅墙体,连接阀厅内部和户外场设备,单体承受全电压､全电流且两侧套管均需具有空气中各种条件下的外绝缘耐受能力｡

1故障情况

±800kV云广特高压直流输电系统换流站每极有2组12脉动阀组串联,并且阀厅外还布置有独立的直流旁路开关,每极一般由一大一小2个阀厅组成,因此在特直流输电工程中共有运行的800kV直流穿墙套管4根,目前已有1根发生放电故障,1根在预防性试验中发现缺陷,另外2根出现回阻较出厂值大幅增加的情况｡

2穿墙套管原有设计

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,绝缘伞群直径最大为0.923m｡外绝缘为硅橡胶结构,内部没有固体电容芯子,结构类似气体绝缘变电站(GIS),为空腔内安装长导杆｡正常运行时充满SF6气体,气压约为0.7MPa｡户外侧与户内侧在中间法兰处连接,通过插拔式结构,套管户外侧导体插入户内侧的筒体里,然后进行螺栓固定,如图1所示｡

中间长导杆由2根铝合金6060金属导杆连接组成,中间是1个可滑动的触指结构｡导杆外径为160mm,壁厚15mm｡导杆截面积为6833mm2,5000A时电流密度为0.73A/mm2,阻抗的计算值在20℃时是95μΩ｡导杆上的插头和插销是ENAW–6082铝合金制成的,如图2所示｡插头和插销表面被压花然后经过电镀银工艺,插销端安有3组Balseal弹簧｡

如图3所示,支撑绝缘子材料是填充氧化铝的环氧树脂,采用120°三角结构,正上方1根垂直布置｡3支支撑绝缘子组成支撑的结构可以保证套管里导杆的同心度和机械支撑｡绝缘子设计时形状经过高度优化,用来减小表面电场强度｡

图1UHVDC套管结构示意图

图2弹簧触指接头示意图

图3法兰处支撑绝缘子结构示意图

3故障原因的推断

从以上各种证据可以推断,故障的原因是和内部的污染物有关联的｡污染物有触头摩擦产生的金属粉尘(铜､铝合金､银､镍),来自螺钉螺母润滑不够的金属粉尘(铁､镍､铬),和其他少量来自生产环境隔离和洁净度不够的粉尘｡

原设计中滑动触头与支撑绝缘子距离很近,触头处的摩擦生成的粉尘受到电场中的作用力,会被吸附到绝缘子和电极表面,引起电场畸变｡

4改进方案

采用1整根导杆,取消原来设计在套管中心位置的滑动连接装置,在套管端部低场强区设计1个热致伸缩补偿装置,并将其放在1个与主绝缘气体分割的腔体中,如图4所示｡新的补偿装置设计可以减少粉尘的产生,并且不会污染气室｡

取消三角支撑绝缘子正中间垂直部分,只保留左右成120°夹角的2支斜撑绝缘子,如图5所示｡新方案在法兰底侧安装了2支支撑绝缘子,而顶部绝缘子被取消｡对取消顶端支撑绝缘子的结构用数值计算软件进行了力学仿真,仿真的模型如图6所示｡图中所示导杆和嵌入式电极所用材料为ENAW6082铝合金,使用ASTMA304不锈钢螺栓连接,使用MEKUFA的环氧树脂支撑绝缘子｡仿真分为2种不同的载荷情况,第1种是运输时最大载荷为14.1g(g为重力加速度),此时载荷相当严重,但是仿真结果中的2支支撑绝缘子受到的压力相对于屈服强度仍具有充裕的安全系数｡仿真结果的安全系数如表1所示｡第2种是地震情况下水平最大载荷｡载荷水平加速度1.78g,垂直加速度1.42g｡仿真结果如表1所示｡可以看出所有元件的受力都小于材料的屈服强度并且具有充裕的安全系数｡

从表1可以得到,去除1根支撑绝缘子后套管完全可以满足材料的力学要求｡

图4重新设计后的热致补偿装置

图5新的支撑结构

图6仿真模型图

表1导电杆､支撑绝缘子和嵌入电极的应力和

5结束语

故障的原因是和内部的污染物有关联的｡原设计中滑动触头与支撑绝缘子距离很近,触头处摩擦生成的粉尘受到电场中的作用力,会被吸附到绝缘子和电极表面,引起电场畸变｡在无污染物､无局部放电的环境下,支撑绝缘子的绝缘强度远大于故障套管的支撑绝缘子强度｡需要提高套管的制造质量｡所有组成套管的零部件都必须经过冲洗;要在高标准无尘车间进行套管组装;对于套管内螺栓连接,要进行预装,拆开后进行清洁处理,再最后组装｡要防止与外部最细微的气体交换｡因此在套管的机械设计中一定要有伸缩补偿结构｡在穿墙套管整个生命周期内,不能在套管内部产生金属微粒｡为此在高场强区(穿墙法兰附近)要取消发生相对带摩擦运动金属连接结构｡改进后的±800kV级特高压套管投入运行,具有超过2年的稳定运行业绩｡由这次事故所获得的经验教训全部在我国自行研制±1100kV特高压直流穿墙套管时采用,取得了很好的效果,套管通过了型式试验｡

参考文献:

[1]张璐,王森,孙蕾,等.金属微粒对GIS中绝缘子冲击闪络特性的影响[J].高电压技术,2018,44(9):2807-2814.

[2]李岩松,李世延,仇仔来,等.GIS绝缘子表面固定金属颗粒放电特性研究[J].电测与仪表,2014,51(15):33-36.