封閉式絕緣管母線典型缺陷研究

劉　君，胡　琳，劉翔宇，干建偉，沈文洋

(1.國網成都供電公司，四川 成都　610041；2.湖北興和電力新材料股份有限公司，湖北 黃岡　438001)

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封閉式絕緣管母線典型缺陷研究

劉君1，胡琳1，劉翔宇1，干建偉1，沈文洋2

(1.國網成都供電公司，四川 成都610041；2.湖北興和電力新材料股份有限公司，湖北 黃岡438001)

摘要：為提高封閉式絕緣管母線運行可靠性，更有效地對其開展技術監督，開展封閉式絕緣管母線典型缺陷研究。根據聚四氟乙烯繞包成型封閉式絕緣管母線實際物理結構，建立JMAG電磁場仿真模型，設立層間逐層短路、受潮、氣隙等不同典型缺陷，分析其電勢、電場分布，并通過電容量及介損試驗，研究其物理表征。

關鍵詞：管母線；缺陷；仿真；試驗

Abstract：In order to improve the operation reliability of enclosed insulated pipe bus and carry out more effective technical supervision, the study on typical defects of enclosed insulated pipe bus is carried out. According to the actual physical structure of enclosed insulated pipe bus winded by PTFE, the JMAG electromagnetic field simulation model is established. In the model, the different typical defects such as short circuit, moisture and air gap are built layer by layer, and their electric potential and electric field distribution are analyzed. The physical characterization is also studied through the tests of capacitance and dielectric loss.

Key words：pipe bus; defect; simulation; test

0引言

封閉式絕緣管母線由于其載流量大、集膚效應低、允許應力大、整體絕緣便于設計和安裝，在變電站增容改造及新型緊湊型變電站中逐步使用[1-2]。封閉式絕緣管母線作為主變壓器和用戶母線的重要聯結導體，直接影響著系統運行的穩定性及供電可靠性。封閉式絕緣管母線的全絕緣性能在一定程度上能避免變壓器低壓側由于小動物、污穢、凝露等引起的近區短路，但由于當前封閉式絕緣管母線在我國的應用還處于初始階段，質量監管未成體系，運行經驗不足，因封閉式絕緣管母線受潮、放電、擊穿等缺陷造成的停電事故時有發生[3-4]。因此，封閉式絕緣管母線絕緣結構的理論研究還需深入，對其監督方法還需要大量的積累和驗證[5]。針對一種聚四氟乙烯繞包成型封閉式管母線為標本，建立JMAG電磁場仿真模型，設立層間逐層短路、受潮、氣隙等不同典型缺陷，分析其電勢、電場分布，并通過電容量及介損試驗，研究其物理表征，力圖找到能有效反映封閉式絕緣管母線典型缺陷的技術監督方法。

1物理模型

圖1　聚四氟乙烯繞包成型封閉式絕緣管母線物理結構

聚四氟乙烯繞包成型封閉式絕緣管母線物理結構如圖1所示，導電銅管為與高壓設備直接連接部分，為高電位，通過聚四氟乙烯與鋁膜組成串聯電容的分屏降壓，直至接地屏接地。為了便于說明，電纜從內到外分別稱為導電銅層、聚四氟乙烯1層、鋁膜1層、聚四氟乙烯2層、鋁膜2層、聚四氟乙烯3層、鋁膜3層、聚四氟乙烯4層、鋁膜4層、聚四氟乙烯5層、熱縮管1層、接地屏蔽層、熱縮管層、絕緣護套層。

利用JMAG電磁場仿真軟件，建立封閉式絕緣管母線JMAG仿真模型，如圖2所示。對封閉式絕緣管母線的電勢、電場進行分析。

圖2　封閉式絕緣管母線JMAG仿真模型

2仿真試驗

2.1絕緣逐層擊穿

由于封閉式絕緣管母線在安裝過程中，極易對最外層絕緣造成機械損傷；同時，長時間運行后，特別是戶外運行，極易造成最外層絕緣的老化：因此，模擬封閉式絕緣管母線從最外層絕緣逐層向內擊穿

的物理過程，進行仿真及試驗。

設計封閉式絕緣管母線絕緣擊穿后碳層的電阻率為2×107Ω·m，擊穿碳層設置直徑為3 mm的圓柱形。

分別仿真了如表1所示的5種情況，JMAG仿真結果如圖3所示。

圖3(a)為封閉式絕緣管母線從最外層至內層逐層擊穿的電勢分布；由于聚四氟乙烯與屏蔽鋁膜擊穿后形成碳層，仿真中設定了碳層的電阻率，因此，電勢分布與正常狀態基本一致。圖3(b)為逐層擊穿后的電場分布，從圖中可以看出，此種結構的封閉式絕緣管母線，在其正常運行時，接地屏內部的固定成型用的熱縮管。由于其厚度與疊包的聚四氟乙烯層厚度不一致，承受了較高的電場強度，約為聚四氟乙烯的1.5倍；在端部應力錐處，該層端部承受了最大電場，而熱縮管的絕緣性能遠不及聚四氟乙烯層，因此，該種封閉式絕緣管母線存在絕緣結構不足。當最外層熱縮管與第5層聚四氟乙烯層擊穿后，在擊穿處電場強度急劇增大，極易引起由外至內的連鎖擊穿。

建立實際物理模型，將封閉式絕緣管母線從外至內逐層短接，如圖4所示，測試其電容量及介損如圖5所示。

表1　封閉式絕緣管母線逐層擊穿仿真情況

(a)電勢分布(為了對比將電勢范圍設在-1 000～10 000 V之間)

(b)電場分布(為了對比將電場強度范圍設置在了1×106～2×106 T/m之間)圖3　絕緣逐層擊穿仿真結果

圖4　試驗4種擊穿情況

短接最外層的熱縮管及第5層聚四氟乙烯，介損出現比較明顯的下降。隨著短接層數增多，電容量逐漸增大，介損逐漸減少，符合客觀規律。因此，可以通過停電測試封閉式絕緣管母線的電容量與介損，來監督是否存在層間絕緣擊穿缺陷。

2.2絕緣受潮

封閉式絕緣管母線的連接處為其薄弱點，如在安裝過程中未進行良好的密封處理；或運行中密封老化，極易造成從外層至內層的絕緣受潮：因此，模擬封閉式絕緣管母線從最外層絕緣逐層向內受潮的物理過程，進行仿真。

乙樹的源產出的同化物運送給庫，甲樹既然已和乙樹長連在一起了，那么甲樹的B段便具備了乙樹庫的所有特性，所以乙樹便將同化物運送給甲樹的B段。然而運送給甲樹的同化物卻堆集式地停留在離乙樹不遠的甲樹樹干上。在正常情況下，樹干都是下部粗，而實驗中出現了上部（B段靠近甲樹的部分）粗的怪現象。這是為什么呢？通過分析主要在于“庫信號的強弱決定同化物流向庫的量的大小”這個問題。

分別仿真了如表2所示的6種情況，JMAG仿真結果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，某層絕緣層受潮后，對其電勢分布不造成影響，與正常情況時分布基本一致。但受潮后的電場存在變化，當某層受潮后，其電場強度明顯增加，這就造成受潮的絕緣層承受更大的電場，發熱更嚴重，極易造成其絕緣破壞。

圖5　從外至內逐層短路時電容量及介損測試

012345正常聚四氟乙烯5受潮聚四氟乙烯5+聚四氟乙烯4受潮聚四氟乙烯5+聚四氟乙烯4+聚四氟乙烯3受潮聚四氟乙烯5+聚四氟乙烯4+聚四氟乙烯3+聚四氟乙烯2受潮聚四氟乙烯3+聚四氟乙烯2受潮

(a) 電勢分布(為了對比將電勢范圍設在-1 000～10 000 V之間)

(b)電場分布(為了對比將電場強度范圍設置在了1×106～2×106 T/m之間)圖6　絕緣逐層受潮仿真結果

圖7　封閉式絕緣管母線不同受潮時間下的電容量及介損變化情況

由于每層疊包后的聚四氟乙烯層，無法實現模擬逐層受潮的物理過程，因此，對整體受潮時間進行模擬試驗，如圖7所示。利用超聲波起霧器使封閉式絕緣管母線樣品受潮，對不同受潮時間的電容量及介損進行測試，可以發現，與擊穿不同，隨著受潮時間變化，電容量和介損都呈增長趨勢，特別是受潮兩天后，電容量緩慢增長，介損急劇增長。因此，可通過電容量及介損的變化來判斷封閉式絕緣管母線是否是由于受潮影響。

2.3氣泡仿真

由于在聚四氟乙烯繞包過程中，不可避免地存在氣隙或氣泡，因此，在聚四氟乙烯3層設置直徑為0.6 mm的氣泡，氣泡中填充空氣，進行仿真，如圖8所示。

可以看出，氣泡的存在在一定程度上造成該層聚四氟乙烯電場分布畸變，但是所受影響有限。

(a) 電勢分布(為了對比將電勢范圍設在-1 000～10 000 V之間)

(b)電場分布(為了對比將電場強度范圍設置在了1×106～2×106 T/m之間)圖8　絕緣層中存在氣泡仿真結果

3結論

此種結構的封閉式絕緣管母線，在其正常運行時，接地屏內部的固定成型用的熱縮管，承受了較高的電場強度，約為聚四氟乙烯的1.5倍；在端部應力錐處，該層端部承受了最大電場，而熱縮管的絕緣性能遠不及聚四氟乙烯層，因此，該種封閉式絕緣管母線存在絕緣結構不足。

當絕緣逐層擊穿后，在擊穿處電場強度急劇增大，極易引起由外至內的連鎖擊穿，隨著短接層數增多，電容量逐漸增大，介損逐漸減少，符合客觀規律。當某層絕緣受潮后，其電場強度明顯增加，這就造成受潮的絕緣層承受更大的電場，發熱更嚴重，極易造成其絕緣破壞。對不同受潮時間的電容量及介損進行測試發現，隨著受潮的嚴重程度增大，其電容量和介損都呈增長趨勢。氣泡的存在在一定程度上造成該層聚四氟乙烯電場分布畸變，但是所受影響有限。

由于受潮和擊穿后電容量與介損規律不同，可以通過停電測試封閉式絕緣管母線的電容量與介損，來監督并區分是否存在層間絕緣擊穿缺陷或絕緣受潮。

參考文獻

[1]關芳，楊益民.管型屏蔽絕緣母線的應用[J].中國水能及電氣化，2011(5):59-62.

[2]宋邦申，絕緣管型母線的性能優勢及存在問題分析[J].電工電氣，2015(1):60-61.

[3]Q/GDW 1168-2013，輸變電設備狀態檢修試驗規程[S].

[4]GB/T 3048-2007，電線電纜電性能試驗方法第11部分介質損耗角正切試驗[S].

[5]GB 50149-2010,電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規范[S].

中圖分類號：TM642+.6

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0059-05

作者簡介：

劉君(1984),博士、高級工程師，主要從事高壓電氣設備絕緣狀態評估及其方法研究。

(收稿日期：2015-12-07)