±800kV特高壓直流穿墻套管故障分析及設計優化

廣西送變電建設有限責任公司 許嘉毅

1 ±800kV特高壓直流穿墻套管基本設計

此次研究的±800kV 特高壓直流穿墻套管基本設計參數是套管長度為20.156m，戶外絕緣凈距為9.9m，戶內絕緣凈距為7.4m，絕緣傘群直徑為0.923m。直流穿墻套管的外絕緣結構以硅橡膠為主，未設置固體電容芯子，主體結構設計與氣體絕緣變電站相像[1]。±800kV 特高壓直流穿墻套管應用期間，SF6氣體充滿的情況下氣壓平均值為0.7MPa。以中間法蘭連接套管的戶內外側，套管的安裝結構選擇插拔式，測量好套管內外側導體間距后將外側插入內側，以螺栓將其固定。

直流穿墻套管的鏈接，選擇鋁合金金屬導桿為中間長導桿，并且設置觸指結構，保證中間位置靈活滑動。導桿的具體參數是外徑為160mm，壁厚為15mm，截面積為6833mm2，電流密度前提條件為5000A、0.73A/mm2，阻抗計算值前提條件為20℃、95μΩ。導桿應用之前，插頭、插銷等表面必須進行電鍍銀處理并壓花，增強導桿使用功能[2]。

支撐絕緣子的設計以環氧樹脂為主要材料，必須滿足填充氧化鋁的條件。隨后設計成三角結構，度數要求以120°為主。絕緣子支撐結構的組成，要求數量必須為3 支，這樣能夠達到直流穿墻套管同心度的要求，保證機械支撐力[3]。

2 ±800kV特高壓直流穿墻套管故障研究

±800kV 特高壓直流穿墻套管運行期間，常見故障集中出現在夏季，如閃絡、氣壓異常、安全隔板損壞等。對于±800kV 特高壓直流穿墻套管故障研究，主要從以下幾方面研究。

2.1 確定故障位置

根據±800kV 特高壓直流穿墻套管異常情況，對異常區域進行解剖，并且確定閃絡發生的具體位置，集中在垂直支撐絕緣子表面。通過對電弧路徑的觀察發現，閃絡現象以法蘭為起點，由絕緣子表面延伸至直流穿墻套管的金屬護套[4]。護套表面出現不同程度的融化，法蘭的表面與兩側也出現金屬痕跡，由此可以鎖定此位置是閃絡現象的源頭。

2.2 解剖中心導體

結合故障具體情況，需對±800kV 特高壓直流穿墻套管中心導體進行解剖，經仔細觀察發現，中心導體的觸指結構，受閃絡現象的影響鍍銀外層出現不同程度變黃與磨損，彈簧結構金屬銜接位置出現金屬熔化[5]。此現象的出現主要因為SF6放電氣體暴露，與中心導體觸指結構鍍銀層產生反映，繼而造成鍍銀層表面變黃。金屬熔化現象的原因是氣體在溫度異常情況下持續膨脹，鋁液體被迫進入直流穿墻套管中心導體。中心導管解剖期間，導管插頭、各個連接位置等都出現不同程度的摩擦。尤其是插頭插銷位置，摩擦特征明顯，彈簧凹槽位置也出現很大程度的磨損，磨損現象出現的主要原因是彈簧線圈角度的控制與插頭運動等。

2.3 故障主要原因分析

±800kV 特高壓直流穿墻套管閃絡等故障的出現，主要原因是直流穿墻套管中出現污染物，不斷摩擦過程中產生金屬粉塵，金屬粉塵打破環境隔離模式，繼而引發電場畸變，絕緣子表面吸附在粉塵功能受損，增加特高壓直流穿墻套管應用風險[6]。

3 ±800kV 特高壓直流穿墻套管絕緣子耐壓試驗研究

±800kV 特高壓直流穿墻套管的安全性需要提高，必須對故障出現原因進行驗證，并鎖定主要原因，以此更好地對±800kV 特高壓直流穿墻套管故障進行解決與設計改進。此次以縮比支撐絕緣子耐壓研究試驗設計，確定污染物引發套管故障的原因。

SF6氣體非線性電導數學模型是特高壓直流穿墻套管就源自耐壓試驗研究的前提，通過對SF6氣體的分析并且對支柱絕緣子的研究，梳理其中表面電荷聚集情況，其主要包括三種機制。第一種機制是以電流連續性方程為基礎所生成的體電荷密度分布模型，需借助歐姆定律實現。第二種機制是以弱電離氣體載流子云方程為基礎，所形成的表面電荷暫態模型，漂移擴散模型是基本條件。第三種機制是以非線性偏微分方程為基礎，利用有限元方法對電荷分布進行求解，借此得到SF6氣體電場分布信息。

直流高壓穿墻套管豎立放置的方式進行截取，結構的下端以圓柱狀絕緣子為主，為方便試驗觀察，對±800kV 特高壓直流穿墻套管實際尺寸進行同比縮小。試驗設計結構的上下底面以軸線為中心，并未完全平行于側面，而是預留5°夾角，根據±800kV 特高壓試驗要求，絕緣子兩端分別設置圓盤電極，保證試驗操作中場強與±800kV 特高壓直流穿墻套管實際情況保持一致，借此確保試驗研究的準確性。此外還要檢測試驗結構的右側電極，試驗分析期間將其接通高壓電源后，可以準確對導桿電壓、圓盤電位差等進行模式測試。

為確保試驗之前支撐絕緣子無電荷狀態，必須提前對其表面進行專業擦拭處理，全面放電后方可投入試驗。將處理好的支撐絕緣子進行安裝，期間檢測±800kV 特高壓直流穿墻套管腔體狀態，保證無任何金屬粉塵。待支撐絕緣子插入腔內后，將蓋板密封。安裝完畢進入到常壓測試階段，待電壓不斷調整中，升至170kV 直流穿墻套管出現閃絡現象，絕緣子加壓試驗數值如表1所示。

表1 絕緣子加壓試驗數值

由表1可知，170kV 以下并未出現閃絡現象，但是170kV以上卻出現明顯閃絡現象。隨后調整常壓試驗條件，環氧支撐絕緣子加壓試驗數值如表2所示。

表2 環氧支撐絕緣子加壓試驗數值

直流電壓保持在200kV絕緣子時，并不存在閃絡現象，隨后將直流電壓上調至325kV，絕緣子試驗出現變化，并且閃絡次數明顯增加，環氧支撐絕緣子加壓試驗數值如表3所示。

表3 環氧支撐絕緣子加壓試驗數值

由表3可知，直流電壓調整至325kV，絕緣子出現閃絡現象，隨著電壓的持續上調，絕緣子閃絡現象更加嚴重，該數據對特高壓直流穿墻套管故障分析與優化設計十分重要。結合試驗數據整理，發現在N2常壓條件下，閃絡現象的出現集中在170kV，但是空氣閃絡試驗中，閃絡現象出現的波動比較大，-121～129kV 范圍內均存在閃絡風險。經過對比發現，保證直流穿墻套管內部環境，并且不存在電極缺陷的情況下，以相同溫度與氣壓條件，空氣N2絕緣水平較空氣絕緣水平差。因為SF6氣體試驗條件的設置，耐壓水平明顯超出N2試驗條件。

根據數據分析發現，電壓極性并不會對閃絡電壓水平變化造成較大的影響，證明，±800kV特高壓直流穿墻套管設計安裝期間，必須做到內部無污染，并且中心構件與絕緣子等局部無放電，預留出充足的絕緣裕度，以此對套管內部進行改進，有效降低±800kV 特高壓直流穿墻套管故障率。

4 ±800kV特高壓直流穿墻套管設計優化方案

4.1 ±800kV特高壓直流穿墻套管設計注意事項

注意調整導桿連接件的間距，有效減少相互旋轉摩擦影響。科學調整彈簧觸指接頭，特別是戶外側低場強區，控制好彈簧觸指接頭與套管符合絕緣子的關系。預留出單獨隔離腔體空間，及時放入彈簧觸指接頭，降低金屬粉塵污染氣體的風險。

4.2 ±800kV特高壓直流穿墻套管設計優化

將多段導桿調整為一整根導桿，減少冗余的滑動連接設置，將套管中心位置設計進行調整，隨后增加熱力伸縮補償裝置，通過對套管腔體的分割，利用伸縮補償裝置去隔絕主絕緣氣體，降低粉塵產生率，從而保障氣室安全。

將三角支撐絕緣子結構進行調整，正中間垂直部分取消，于法蘭底側增加支撐絕緣子，根據數值計算軟件對三角支撐絕緣子結構力學仿真計算，并得到仿真模型。仿真模型分析中主要包括以下幾個內容。

一是最大載荷數值設定為14.1g，運輸時載荷嚴重，但是仍然在三角支撐絕緣子的承受范圍內，可以充分保障直流穿墻套管運行安全。三角支撐絕緣子承受應力與運行安全參數如表4所示。

表4 三角支撐絕緣子承受應力與運行安全參數

二是研究前提是地震狀態，直流穿墻套管設計載荷必須作出調整，從水平與垂直兩方面，加速度值分別為1.78g、1.42g。

5 結語

根據±800kV 特高壓直流穿墻套管故障的研究，總結當前±800kV 特高壓直流穿墻套管存在的薄弱點，尤其是閃絡與電壓異常等問題?；瑒佑|頭與支撐絕緣子的距離控制不當會導致摩擦粉塵增加，嚴重威脅電場平穩性，繼而出現電場畸變現象。所以需要以支撐絕緣子為中心的故障原因進行研究試驗，鎖定故障原因并對±800kV 特高壓直流穿墻套管設計積極優化，借此達到提高±800kV 特高壓直流穿墻套管安裝與運行安全性的目的，為±800kV特高壓直流穿墻套管的優化積累更多經驗。