40.5 kV穿墙套管绝缘故障分析

Insulation Fault Analysis of Wall Bushing through 40.5 kV Cabinet

摘要: 文中对某交流220 kV变电站35 kV开关柜进行多次超声波带电检测，发现多达19个开关柜有异常放电信号。根据持续复测结果以及个别开关柜解体情况，认为缺陷其产生原因是由于环氧树脂穿墙套管未使用屏蔽结构而引起的空气绝缘击穿以及其带来的固体绝缘劣化。通过穿墙套管的电场分析，确定了屏蔽体对电场分布的影响，并通过设备解体得到验证，同时给出进一步处理意见，对穿墙套管的设计及安装具有重要指导意义。

Abstract: In this paper, the fault of the switch cabinet in 220 kV transformer is checked. Partial discharge (PD) signals are found in 19 switch cabinets. According to the test and disintegration results, due to the lack of internal shield in epoxy insulation, a non-uniform electric field appears in the wall bushing, resulting in air-gap discharge or breakdown. If it is operated in such situation for a long period of time, the wall bushing insulation will be aged, eventually leading to insulation break-down. The obtained analysis results may provide a reference and certain guiding significance for design and installation of the bushing and switch cabinet.

1. 引言

高压开关柜的正常运行对于电力系统至关重要 [1] [2] [3]，而穿墙套管又是开关柜中重要的且普遍使用的绝缘结构 [4] [5] [6] [7] [8]。因穿墙套管绝缘性能下降而导致的开关柜事故多有发生 [9] [10] [11] [12] [13]。

某省2015年40.5 kV开关柜穿墙套管绝缘击穿故障共6例，其中因空气击穿导致母线热缩绝缘护套损伤的2例 [14] [15] [16] [17]，套管绝缘击穿导致接地诱发相间短路的4例。由于环氧树脂等固体绝缘材料的相对介电常数要大于空气，场强的分布又与相对介电常数成反比，所以空气气隙的电场强度要大于固体绝缘内部场强。这样造成了空气气隙容易发生局部放电，在两种介质交界面处的放电会引起固体绝缘老化，最终导致套管整体绝缘能力降低 [18]。放电继续发展会造成母排对开关柜壳体放电，严重危害电力系统的稳定运行。本文中的40.5 kV穿墙套管就属于这种绝缘结构。

本文中对天津某交流220 kV变电站35 kV开关柜进行多次超声波带电检测，发现有异常放电的开关柜多达19个。根据持续复测结果以及个别开关柜解体情况，认为缺陷其产生原因是由于环氧树脂穿墙套管未使用屏蔽结构而引起的空气绝缘击穿以及其带来的固体绝缘劣化。通过穿墙套管的电场分析，确定屏蔽体对电场分布的影响，并给出进一步处理意见，对穿墙套管的设计及安装具有重要指导意义。

2. 穿墙套管故障简述

2.1. 检测对象

2019年1月11日对天津某变电站35 kV甲、乙开关室进行带电检测，其中35 kV-41、35 kV-42母线位于甲室，35 kV-43、35 kV-44母线位于乙室。图1为该变电站35 kV侧一次系统图。

Figure 1. Primary system diagram of 35 kV side of a substation

图1. 某变电站35 kV侧一次系统图

被检测开关柜来自两个不同生产厂家，主要技术参数如表1所示：

Table 1. Parameters of switch cabinet

表1. 开关柜参数

2.2. 检测项目

检测项目以及仪器如表2所示：

Table 2. Tests and instrument

表2. 检测项目及仪器

2.3. 检测结果

1) 开关室放电

开关柜前中部开关室柜缝处检测到超声信号且有明显放电声的间隔有8个(全部为沈阳某能源设备制造有限公司同批次设备)，检测结果见表3。

Table 3. Test results of bushing discharge in switch room (Background −5 dB)

表3. 开关室套管放电检测结果(背景−5 dB)

2) 母线室放电

开关柜后上部母线室柜缝处检测到超声信号并有明显放电声的间隔有2个(全部为沈阳某能源设备制造有限公司同批次设备)，检测结果见表4。

Table 4. PD test results of bushing in bus house

表4. 母线室套管放电检测结果

3) 电缆室放电

开关柜后下部电缆室柜缝处检测到超声信号并有明显放电声的间隔有8个(328为山东某电气有限公司设备，其余为沈阳某能源设备制造有限公司同批次设备)，检测结果见表5。

Table 5. PD test results of bushing in cable joint house

表5. 电缆室套管放电检测结果

4) 母线桥放电

开关柜上方母线桥通风孔处检测到超声信号并有明显放电声的间隔有3个，检测结果见表6。

Table 6. PD test results of bus bar bridge

表6. 母线桥放电检测结果

35 kV开关乙室母线有明显放电声，超声幅值在母线桥与下方开关柜连接位置通风孔处最大，怀疑此处测量到的信号是44母线相关气室的放电信号。

3. 穿墙套管介质电场的计算

在进行电场的计算过程中，如果说整个导体等电位时，那么电极之间的静电场可以用拉普拉斯方程来计算。可将穿墙套管等效成无限大平行板模型及无限长同轴圆柱的模型如图2所示，可用严格解法来计算电场的分布。对于当两极板之间施加大小为U的电压时，其内部的电场强度能够按式 $U={\displaystyle \int E\text{d}x}$ 来计算。根据公式推导得出，在多层介质的情况下，可以得出第K层介质中的 $E_K$，

$E_K=U/\left(\frac{{\epsilon }_k}{{\epsilon }_1}\ast d_1+\frac{{\epsilon }_k}{{\epsilon }_2}\ast d_2+\frac{{\epsilon }_k}{{\epsilon }_3}\ast d_3+\cdots +\frac{{\epsilon }_k}{{\epsilon }_n}\ast d_n\right)$

Figure 2. Multi medium parallel plate model

图2. 多介质平行板模型

4. 套管屏蔽问题

测量到有异常信号的间隔均安装了无屏蔽结构的沈阳某能源穿墙套管，而采用其他厂家套管的间隔都没有测到放电信号(除了328开关柜)。因此，考虑放电可能与套管绝缘性能有关。

目前，40.5 kV环氧树脂穿墙套管主要有两种类型：一种是双层金属屏蔽层结构，另一种是不带屏蔽层结构。不带屏蔽层的穿墙套管在2010年之前使用较为广泛，其结构简单、制作快捷，只通过改变伞裙个数调节电场分布，但是容易造成套管法兰附近电场分布不均匀，空气气隙承受了极大场强，容易造成气隙处放电。

本文中采用该站备用穿墙套管，套管尺寸为长450 mm，直径260 mm，主母线规格为100 mm × 10 mm × 2为试验对象，在母排上施加40.5 kV电压分别对无屏蔽穿墙套管以及有屏蔽穿墙套管进行电场仿真。

无屏蔽层套管的绝缘结构及电场分布如图3所示 [19]。图3(a)中套管主要由母排、热缩套管、限位板、安装板以及环氧树脂构成。

无屏蔽套管电场仿真结果如图3(b)所示：

(a) (b)

Figure 3. (a) Structural drawing of wall bushing without shield; (b) Electric field distribution of wall bushing

图3. (a) 不带屏蔽层穿墙套管；(b) 套管空气域电场分布图

图3(b)显示在母排与法兰接触点附近的空气场强可以达到4.76 kV/mm，大于空气击穿场强3 kV/mm。

带双屏蔽套管的绝缘结构如图4所示 [14]。图4(a)中包含高电位屏蔽(内屏蔽)、地电位屏蔽(外屏蔽)、等电位连接线及环氧套管。等电位连接线使得内屏蔽与母排具有相同电位，外屏蔽通过等电位连接线与安装螺母连接实现地电位。

双屏蔽套管仿真结果如图4(b)所示，可以得出最大场强出现在内、外屏蔽层的拐角处，最大值为4.46 kV/mm。小于环氧树脂的耐受电场场强(30 kV/mm)，避免了局部放电的 [19]。而母排附近气隙的电场场强2.61 kV/mm也小于空气耐受击穿场强3 kV/mm。

(a) (b)

Figure 4. (a) Structural drawing of wall bushing with shield; (b) Electric field distribution in air region of bushing

图4. (a) 带屏蔽层穿墙套管；(b) 套管空气域电场分布图

通过COMSOL软件仿真屏蔽层对套管电场分布的影响，可以看到双屏蔽层的存在优化了空气–环氧树脂套管绝缘体系内的电场分布 [6]，提高了运行可靠性。

套管等电位线安装问题

测试期间发现328开关柜也存在放电信号，此间隔所用套管为山东某电气有限公司制造，考虑为个别设备偶然性缺陷，造成原因认为可能有以下两点：1) 套管在浇筑时内部存在气隙，气隙无法承受环氧树脂内部的高场强导致放电的发生 [15] [16] [17]；2) 等电位线的接触方式与材质问题。屏蔽环与等电位线两种不同材质导体的接触会形成电位差带来电离氧化或者是安装过程中施工人员的操作工艺等均影响到等电位线与屏蔽环接触的可靠程度，这些都可能引起接触不良。在此情况下，随着运行时间的增加，将出现悬浮放电，具体原因需解体后进一步验证。

5. 穿墙套管检查情况

对发现有超声放电信号的两个开关柜(同为沈阳某能源设备制造有限公司同批次设备)进行停电解体检修。其中一个开关柜开关室C相套管解体结果如图5所示，发现套管内部均存在明显放电烧蚀痕迹。

Figure 5. Ablation marks of bushing and wire row in switch room of 325 switch cabinet

图5. 325开关柜开关室套管及线排烧蚀痕迹

解体当日，公司安排检修人员对这两个间隔套管进行了整体更换，更换为带屏蔽套管，送电后放电信号消失。

2019年1月11日测量到有放电信号的间隔(除了328)均采用与上述解体间隔同一厂家同批次套管，内部结构相同，未采用屏蔽结构。认为引起放电的主要原因是该套管未采用屏蔽结构，内部电场强度分布不均匀，存在悬浮电位，引发绝缘损坏。

综上所述，结合理论分析和现场验证，认为此次发现缺陷的产生原因是：由于环氧树脂穿墙套管未使用屏蔽结构而引起空气绝缘击穿，气隙放电或击穿引起的绝缘劣化变性造成环氧绝缘损坏。

6. 缺陷处理措施及后续工作建议

1) 建议安排该变电站35 kV开关柜停电计划，对全部开关柜排查，更换为带有屏蔽结构的套管。

2) 入场验收阶段，对于40.5 kV高压开关柜绝缘距离的要求应参照DL/T404-2007中5.106的相关说明，相间和相对地不小于30厘米，带电体至门不小于33厘米。

3) 相间加装绝缘隔板应注意的问题。带电体与绝缘隔板之间的空气间隙要超过6厘米 [20]。绝缘材料建议采用片状模塑料，避免使用容易吸附水分的绝缘介质，如酚醛树脂、聚氯乙烯与聚碳酸酯等。在设备运行过程中，水分会加速热效应对绝缘材料会的劣化作用，同时容易吸附水分的绝缘介质也容易携带静电荷，在两相绝缘交界面引起电场畸变，运行时容易发生局部放电现象。

7. 结论

1) 套管–空气交界面处放电主要原因是等电位屏蔽悬浮或者缺失，造成母排窄面周围气隙电场严重畸变，超过空气耐受场强。

2) 屏蔽结构可以有效优化套管体系内部电场分布，提高体系绝缘强度。

3) 气隙放电会导致固体绝缘劣化，但要进一步引起套管整体击穿需要一段时间的发展。可以缩短运维人员检测周期来加强对缺陷发展的监测。

4) 开关柜入场安装前需要从开关柜尺寸、内部相间及对地绝缘距离、绝缘隔板材料、套管绝缘结构等多方面对其进行验收合格后，方可入场安装。

基金项目

天津市科技计划项目(20YDTPJC01520)；国家自然科学基金(51807139)。