110 kV以上變電站變低管母缺陷分析

許妍妍 宋 謙 陳 冰 梁書銘 郭成林 吳國海

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局，廣東 茂名 525000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司泗陽縣供電分公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著我國電力穩(wěn)步發(fā)展，人們對電力的要求也越來越高。在用戶側(cè)的各電壓等級配電網(wǎng)中，隨著配電變壓器容量的快速增加，低壓側(cè)母線的額定電流也在不斷增大，對低壓側(cè)母線的發(fā)熱和短路電動力提出了更高的要求。如果母線出現(xiàn)故障，停電范圍大，會給人們生活帶來較大的困難，變低側(cè)的母線的可靠性直接影響到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

絕緣管母是變電站10kV 母線的一種類型，工作原理是將銅制管型母線作為導(dǎo)體，外圍絕緣材料，又稱為“管型電纜”，具有載流能力強、機械強度高的特點。針對管母運行特點，宋永佳等人結(jié)合管母燒蝕擊穿故障例子，闡述管母銅屏蔽層生產(chǎn)工藝不同造成結(jié)構(gòu)有明顯差異，為改進(jìn)管母銅屏蔽層的繞制方式和實際生產(chǎn)工作提供理論依據(jù)和參考[1]，鄭釧等人針對運維過程中管母頻繁出現(xiàn)因受潮引起絕緣能力下降甚至導(dǎo)致?lián)舸┑那闆r，結(jié)合紅外照片，對現(xiàn)場拆解過程進(jìn)行了分析，現(xiàn)場溫度變化時，管母護(hù)套材料內(nèi)部密封不良，造成膨脹程度不一致，進(jìn)一步導(dǎo)致絕緣降低[2-3]。

結(jié)合學(xué)者研究和案例闡述，該文將詳細(xì)對管母結(jié)構(gòu)、特點以及運維過程的缺陷加以說明分析，分析管母在交接驗收、日常運維需要考慮的因素，并提出建議。

1 管母概況

管母具有載流能力強，高機械強度、廣泛應(yīng)用的特點，在運維過程中，管母的發(fā)熱缺陷、對地短路（或相間短路）導(dǎo)致主變跳閘，進(jìn)一步擴大停電范圍[4]。針對投運后出現(xiàn)了擊穿、破損、進(jìn)水等異常現(xiàn)象，全面分析管母結(jié)構(gòu)和運行特性，詳細(xì)闡述各種結(jié)構(gòu)的薄弱點，研究表明材料、結(jié)構(gòu)對高壓試驗的影響，并指出絕緣管型母線運行狀態(tài)的有效評估方法，為現(xiàn)場試驗人員提供方法和方向。對不同管母的結(jié)構(gòu)、特點進(jìn)行論述，說明優(yōu)缺點，為缺陷分析進(jìn)一步打下基礎(chǔ)。

國內(nèi)絕緣管型母線采用的主絕緣材料主要有聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠、硅橡膠、環(huán)氧樹脂等。絕緣型管型母線根據(jù)主絕緣分為繞包、澆注、擠出三種方式。

1.1 繞包式

繞包式管母工作原理是電容均壓，在管型體上繞制絕緣材料，利用不同的電壓等級設(shè)計包繞材料的厚度和層數(shù)，從而制作電容屏構(gòu)成一串同軸圓柱電容器。絕緣主材料是聚四氟乙烯薄膜、聚氨酯薄膜。

利用階梯式的電容分布使絕緣管母的端部電場更加均勻，并結(jié)合有機復(fù)合護(hù)套加以保護(hù)，強化了主絕緣的電氣強度及沿面電位分布的均勻性和耐惡劣氣候性能。

1.2 澆注式

澆注絕緣母線也利用電容均壓原理，在母線外與電容屏間澆注環(huán)氧樹脂，將其作為主絕緣。

環(huán)氧樹脂整體澆注后的絕緣具有較高的密封性能、耐受酸堿以及油脂、液體的腐蝕性、抗霉菌的特性，一般可在高污染、高腐蝕環(huán)境下長期、安全運行。具有機械強度較高、耐磨耐沖擊的特點。

1.3 擠出式

擠出式絕緣管母類似于電纜的結(jié)構(gòu)，采用三元乙丙橡膠、中密度乙烯為絕緣材料，其利用螺桿在熱化的機筒中高速旋轉(zhuǎn)，將主絕緣材料向前擠壓，使其均勻的塑化（即熔融），通過特定的模具，將其擠壓成連續(xù)性的保護(hù)層并擠包在銅管上。在制造過程中，對絕緣材料的拉伸性有較高的要求。

2 案例分析

2.1 案例1

2019 年11 月某變電站，220kV#3 主變變低側(cè)（10kV 變低電抗器室段）進(jìn)行紅外測溫，發(fā)現(xiàn)A、B、C 相管母均在管母接頭處存在明顯發(fā)熱，如圖1～圖3 所示。

圖1 是管母A 相紅外照片，紅外圖像照片中發(fā)射率e為1，在圖1（a）、圖1（b）區(qū)域測溫框中分別存在3 個點p1、L1_H、R1_H，測溫數(shù)據(jù)分別是25.1℃、25.2℃、28.4℃；25.2℃、25.5℃、29.5℃紅外圖片的上下限溫度是29℃～40℃。圖像表明，當(dāng)時環(huán)境溫度20℃，最大溫升9.5K，熱點最大溫差是4.2K。

圖1 A 相管母紅外測溫圖（b）

圖1 A 相管母紅外測溫圖（a）

圖2 是管母B 相紅外照片，發(fā)射率e為1，在區(qū)域測溫框中存在3 個點p1、L1_H、R1_H，測溫數(shù)據(jù)分別是26.1℃、26.8℃、27.0℃，上下限溫度是29℃～40℃。圖像表明，當(dāng)時環(huán)境溫度20℃，溫升7K，熱點溫差是5.2K。

圖2 B 相管母紅外測溫圖

圖3 是管母C 相紅外照片，發(fā)射率e為1，在區(qū)域測溫框中存在3 個點p1、L1_H、R1_H，測溫數(shù)據(jù)分別是25.2℃、25.8℃、34.5℃，上下限溫度是29℃～40℃。圖像表明，當(dāng)時環(huán)境溫度20℃，溫升7K，熱點溫差是9.3K。

圖3 C 相管母紅外測溫圖

結(jié)合紅外測溫照片， #3 主變10kV 變低管母A 相熱點溫度差為4.2K，B 相管母熱點溫度差為5.2K，C 相管母熱點溫度差為9.3K，根據(jù)某供電局變電一次設(shè)備缺陷定級標(biāo)準(zhǔn)管母缺陷說明表，導(dǎo)線、母排、絕緣管母溫差不超過15K，未達(dá)到重大缺陷的要求，屬于一般缺陷。

2.1.1 現(xiàn)場停電數(shù)據(jù)

專業(yè)班組在完成紅外測溫工作之后，立即在2019 年12月對220kV#3 主變?nèi)齻?cè)設(shè)備對進(jìn)行停電試驗，現(xiàn)場管母的停電試驗包括絕緣電阻、介質(zhì)損耗試驗以及耐壓試驗。12 月某日天氣晴，溫度為23℃，相對濕度62%?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)

表3 耐壓試驗

由表1 絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)可知，管母在相同部位的絕緣電阻、相間的絕緣電阻無明顯變化；同時管母不同部位間的數(shù)據(jù)無明顯變化，耐壓試驗前后的數(shù)據(jù)同時滿足要求。與2017 年試驗數(shù)據(jù)相比，滿足絕緣電阻大于2000MΩ 的規(guī)程要求。

表2 中電容量和介損值的數(shù)據(jù)表明，A 相實測值與歷史數(shù)據(jù)相比，靠近電抗器側(cè)的電容量減少46%，靠近主變側(cè)的電容量比歷史增加了229%；B 相實測值與歷史數(shù)據(jù)相比，靠近電抗器側(cè)的電容量增加了229%，靠近主變側(cè)的電容量比歷史增加了115%；C 相實測值與歷史數(shù)據(jù)相比，靠近電抗器側(cè)的電容量減少了24%，靠近主變側(cè)的電容量比歷史減少了23%。介損量A 相與歷史值相比，增加49 倍、12 倍；介損量B 相與歷史值相比增加12 倍、13 倍；介損量C 相與歷史值相比增加111 倍、117 倍。表明在試驗電壓7kV 作用下，介損值、電容量實測值與歷史值相比，存在較大差異，不滿足檢修試驗規(guī)程要求。

表2 介損試驗數(shù)據(jù)

表3 的耐壓數(shù)據(jù)表明，2019 年管母耐壓，滿足試驗電壓為出廠試驗值的0.8 倍，在交流33.6kV 電壓下，破壞性試驗?zāi)褪?min 通過，管母接觸表面無擊穿或閃絡(luò)。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)某電網(wǎng)公司檢修試驗規(guī)程要求：1）主變變低絕緣管母測試電壓7.5kV 下，介損不大于1%，且與歷史數(shù)據(jù)比較無明顯增長。2）測量管母金屬導(dǎo)體對地絕緣電阻，阻值應(yīng)大于2000MΩ。3）工頻耐壓要求按出廠試驗電壓值的0.8倍進(jìn)行試驗，1min 不擊穿。

雖然表1 和表3 試驗數(shù)據(jù)表明某#1 主變變低絕緣管母符合檢修試驗規(guī)程要求，但是表2 電容量與介損值試驗數(shù)據(jù)表明，A 相、B 相、C 相管母介損值對比歷史數(shù)據(jù)存在較大差異，可以推斷管母絕緣性能嚴(yán)重下降。

2.2 案例二

2019 年6 月，某公司110kV 變電站10kV 絕緣管母，于2012 年10 月安裝，長度約4m，在停電試驗中，絕緣電阻、介損、工頻耐壓數(shù)據(jù)表明，三相介損均大于1%。

2.2.1 停電試驗數(shù)據(jù)

現(xiàn)場溫度31℃，濕度70%，絕緣電阻、介損、工頻耐壓試驗數(shù)據(jù)如表4～表6。

表4 試驗數(shù)據(jù)表明，三相相同地點的絕緣電阻、相間絕緣電阻無明顯變化，耐壓試驗前后數(shù)據(jù)同時滿足絕緣電阻阻值應(yīng)大于2000MΩ 的規(guī)程要求。

表4 絕緣電阻試驗

表5 中電容量數(shù)據(jù)表明，A 相2019 年實測值與歷史數(shù)據(jù)相比，電容量偏差-0.11%，B 相2019 年實測值比歷史數(shù)據(jù)相比偏差-0.46%，C 相2019 年實測值比歷史數(shù)據(jù)相比偏差-0.62%。介損量數(shù)據(jù)表明，在交流電壓7kV，正接法接線情況下，三相存在顯著差異，不滿足檢修試驗規(guī)程介損不大于1%的要求。

表5 絕緣管母介損試驗

表6 耐壓數(shù)據(jù)表明，2019 年管母耐壓數(shù)據(jù)，滿足試驗電壓為出廠試驗值的0.8 倍，在交流電壓33.6kV 作用下，破壞性試驗?zāi)褪?min 時間通過，管母接觸表面無擊穿或閃絡(luò)。

表6 耐壓試驗數(shù)據(jù)

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表4～表6 數(shù)據(jù)，絕緣電阻在耐壓前后無明顯變化，耐壓試驗通過，而根據(jù)某供電局管母運維的標(biāo)準(zhǔn)要求（測試電壓7.5kV 下，介損不大于1%，且與歷史數(shù)據(jù)比較無明顯增長；現(xiàn)場三相介損測量值均大于1%），判斷管母不合格。

2.3 缺陷分析

根據(jù)現(xiàn)場2 個案例，管母結(jié)構(gòu)繞包式，停電試驗表明，介損不滿足規(guī)程不大于1%的要求，絕緣電阻和耐壓試驗合格，下面將從介質(zhì)損耗方面進(jìn)行論述。

在運行電壓作用下，電介質(zhì)會產(chǎn)生一定的能量損耗，這部分損耗統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗，在10kV 變低絕緣管母結(jié)構(gòu)中，絕緣結(jié)構(gòu)是組合絕緣，由不同電介質(zhì)構(gòu)成，由于不同廠家的生產(chǎn)工藝不同，因此，每根管母的結(jié)構(gòu)也是不一樣的，具有不均勻的特點，對此進(jìn)行分析時，應(yīng)將設(shè)備簡化成圖4 所示的多個電介質(zhì)串、并聯(lián)等值電路組成的等值電路，實際上介損值是多個電介質(zhì)串聯(lián)、并聯(lián)后電路的綜合tanδ值。

由圖4 可知，管母的絕緣材料不同，空氣、水分、聚四氟乙烯薄膜、聚氨酯薄膜材料簡化為等值電路圖，其中簡化電路中，C1代表管母介質(zhì)對地電容，R1表示管母材料電阻量，C2表示雜散電容，R2表示材料接觸和雜散電阻，管母的tanδ數(shù)值總是在電路中最大值與最小值之間，因此需要探討影響介損值變大的因素。

2.3.1 溫度影響

一般情況下，同一設(shè)備，tanδ數(shù)值隨溫度的升高而增大，為了使試驗結(jié)果便于判斷，需要進(jìn)行換算，而大多數(shù)都是通過經(jīng)驗公式進(jìn)行總結(jié)，因此溫度換算情況下存在偏差，建議在與歷史溫度數(shù)據(jù)誤差較小情況前提下，合理分析，排除溫度的影響[5]。

2.3.2 內(nèi)部缺陷

設(shè)備內(nèi)部受潮、局部放電情況下，加速圖4 中C1與C2之間電容量的比值變化，使整體介損值發(fā)生變化，因此規(guī)程要求，現(xiàn)場測試時，條件允許情況建議盡量分解試驗。

圖4 多個電介質(zhì)串、并聯(lián)等值電路圖

2.3.3 表面濕度、雜質(zhì)

設(shè)備表面因運行環(huán)境不同，室內(nèi)或者室外，潮濕環(huán)境還是干燥情況下，當(dāng)空氣濕度超過規(guī)程80%，表面雜質(zhì)積累，加速表面泄露電流，進(jìn)而影響設(shè)備介損量數(shù)據(jù)[5]。

根據(jù)介質(zhì)損耗試驗的影響因素，初步判定，影響管母介損值超標(biāo)的原因如下：1）管母內(nèi)部受潮，絕緣性能下降。當(dāng)?shù)爻睗穸嘤辏瑫円箿夭畲螅覂?nèi)電抗器段的管母空氣流動慢，由于端部密封不良，潮氣通過母線端頭護(hù)套進(jìn)入管母內(nèi)，從而造成電容屏絕緣下降，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致主絕緣擊穿，處理方式可以將風(fēng)筒對準(zhǔn)受潮位置，風(fēng)干表面。 2）管母端頭部位接觸不良，兩節(jié)母線間的連接，兩管端頭采用直接焊接的方式相連，運行中接頭溫度與母線溫度一致，制造商的焊接工藝存在不良影響，隨著運行年限增長，缺陷越來越明顯，導(dǎo)致絕緣性能下降，引起管母接頭處發(fā)熱。

3 運維建議

絕緣管母在運行過程中，針對因受潮，端部密封不良引起絕緣下降甚至閃絡(luò)的問題，在日常運維中提出以下幾點建議：1）縮短對管型母線紅外測溫的周期，按照設(shè)備管控級別，利用紅外成像儀測試絕緣管母的關(guān)鍵部位的溫度，應(yīng)特別關(guān)注接地引出點位置的溫度，若發(fā)現(xiàn)該處溫度高于管母本體溫度5℃以上，并結(jié)合溫度、負(fù)荷情況及時更新設(shè)備狀態(tài)情況，應(yīng)及時安排停電檢查，發(fā)現(xiàn)問題立即更換處理。2）針對繞包式、擠出式絕緣管母運維情況，管母驗收、交接情況時，嚴(yán)格按照驗收標(biāo)準(zhǔn)，特別是在母線端部、中間接頭以及屏蔽接地引出線進(jìn)行密封時，絕緣管母線端部雙重密封處理，嚴(yán)禁出現(xiàn)以鋁充銅，以次充好的現(xiàn)象。3）評價管母狀態(tài)，同時兼顧設(shè)備和人身的風(fēng)險下，充分考慮設(shè)備耐壓的試驗電壓值和時間，合理、有目標(biāo)、有方向地對管母兩端的局部放電進(jìn)行帶電測試。4）管母在結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝上存在差異，投運后在1～2 年發(fā)現(xiàn)紅外照片接頭處發(fā)熱，一方面停電試驗，和廠家溝通改進(jìn)生產(chǎn)工藝，另一方面縮短同廠家同類型管母設(shè)備縮短紅外周期，甚至家族性缺陷的管母，可以考慮將管母更換成銅排。

4 結(jié)語

該文論述了110kV 以上變電站變低絕緣管母的特點和類型，結(jié)合日常運維的2 項案例，對紅外測溫和高壓試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，闡述介質(zhì)損耗的影響因素，進(jìn)一步說明缺陷形成的原因，找出管母運行存在的隱患。在出廠、交接以及運維中提出相關(guān)建議。不同廠家的工藝條件不同，在出廠監(jiān)造和現(xiàn)場驗收環(huán)節(jié)中，需要特別注意以鋁充銅的現(xiàn)象，避免出現(xiàn)主變跳閘，損失電網(wǎng)負(fù)荷。如果管母存在家族性缺陷，建議考慮更換為銅排。該文為管母運維過程中可能出現(xiàn)的同類問題提供了相關(guān)的參考。