屏蔽球?qū)?00 kV SF6電流互感器內(nèi)部電場(chǎng)分布影響研究

張宏偉

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100）

0 引言

SF6氣體絕緣設(shè)備，電場(chǎng)的均勻性對(duì)SF6氣體的絕緣性能影響很大，均勻電場(chǎng)中SF6氣體電氣絕緣強(qiáng)度約為空氣絕緣強(qiáng)度的2.5倍[1]，其優(yōu)異的絕緣性能才能得到充分發(fā)揮[2]。但是，SF6氣體絕緣電氣設(shè)備中，并不存在均勻電場(chǎng)[3]，只能最大限度避免出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)。為保證電場(chǎng)盡可能均勻，LVQHB-500W2型500 kV復(fù)合絕緣SF6倒置式電流互感器通過(guò)較長(zhǎng)的套管外屏蔽來(lái)增加對(duì)高壓端的電容量，以補(bǔ)償互感器對(duì)地電容。再構(gòu)造一個(gè)中間屏蔽，通過(guò)調(diào)節(jié)套管外屏蔽與中間屏蔽和中間屏蔽與引線管間的電容比，及中間屏蔽與套管外屏蔽的長(zhǎng)度差來(lái)優(yōu)化套管處的電場(chǎng)[4]。鐵芯、一次繞組、二次繞組及屏蔽均由盆式絕緣子支撐，互感器中間屏與盆式絕緣子由螺栓緊固、連接，連接完畢后在螺栓端部再安裝屏蔽球，以保證此部位電場(chǎng)盡可能均勻。當(dāng)此部位屏蔽球松動(dòng)或脫落后，將會(huì)造成螺栓暴露在外，將嚴(yán)重影響電場(chǎng)分布[5]，導(dǎo)致盆式絕緣子表面閃絡(luò)放電。

1 事故概況

1.1 故障設(shè)備概況

本次故障設(shè)備為L(zhǎng)VQHB-500W2型500 kV復(fù)合絕緣SF6倒置式電流互感器，以優(yōu)質(zhì)的液體硅橡膠材料作為外絕緣，采用鐘罩式罩殼，由蓋帽、器身、硅橡膠復(fù)合絕緣套管、基座、防爆裝置及SF6密度繼電器等組成。器身包括鐵芯、一次繞組、二次繞組及屏蔽等，均由盆式絕緣子支撐，二次繞組經(jīng)引線屏蔽引至基座的二次接線盒，防爆裝置位于頂部，SF6密度繼電器位于基座內(nèi)部。2018年6月出廠，2018年12月10日投入運(yùn)行，投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行正常。2020年3月21日完成設(shè)備例行試驗(yàn)和檢修，未發(fā)現(xiàn)異常。盆式絕緣子電氣性能經(jīng)過(guò)絕緣耐壓和24 h全電壓局部放電試驗(yàn)，小于1 pC，全部合格[6-8]。其設(shè)計(jì)原理和故障部位如圖1所示。

另外，該變電站500 kV母線和線路電壓互感器全部采用電容式（CVT），型號(hào)為TYD500/0.005H，投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行正常。

1.2 故障概況

2021年3月21日，該500 kV變電站所處地區(qū)為雷雨天氣，氣溫約15 ℃。03:57，500 kV Ⅱ母線發(fā)生A相單相接地故障，500 kV Ⅱ母線兩套母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，約50 ms后，Ⅱ母線上接帶的5013、5023、5032、5042、5053、5063等6臺(tái)斷路器跳閘，故障切除。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，1號(hào)主變5032A相電流互感器SF6氣體微水含量檢測(cè)正常[9-10]，但氣體成分分析顯示多個(gè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重超標(biāo)[11-12]，初步判斷是其內(nèi)部絕緣故障。

2 原因分析

2.1 設(shè)備檢查

故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員檢查變電站內(nèi)無(wú)漂浮物、無(wú)小動(dòng)物等異物或其殘留物，無(wú)其他外力破壞因素造成放電痕跡。檢查500 kV Ⅱ母及絕緣子、母線電容式電壓互感器，2號(hào)主變5013、1號(hào)主變5032、各出線間隔5023、5042、5053、5063斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、支柱絕緣子導(dǎo)電部分及外絕緣無(wú)閃絡(luò)放電痕跡。檢查5013、5023、5032、5042、5053、5063斷路器和電流互感器SF6氣體壓力在正常范圍且無(wú)明顯變化。檢查500 kV Ⅱ母電容式電壓互感器電磁單元油位正常、絕緣油色澤正常無(wú)明顯變化。檢查1號(hào)、2號(hào)主變500 kV側(cè)避雷器、500 kV各出線避雷器均未動(dòng)作。

2.2 電氣和化學(xué)試驗(yàn)

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

絕緣電阻值可以有效地檢測(cè)絕緣局部或整體受潮和臟污、絕緣擊穿和嚴(yán)重過(guò)熱老化等缺陷，靈敏反映絕緣狀況。介質(zhì)損耗角能夠反映電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度的位相差[13]，可以反映受潮、劣化變質(zhì)或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)500 kV Ⅱ母電容式電壓互感器絕緣電阻和介質(zhì)損耗角無(wú)異常[14-15]，對(duì)5013、5023、5032、5042、5053、5063A相斷路器和其他A相電流互感器SF6氣體檢測(cè)無(wú)異常。

2.2.2 分解物檢測(cè)

使用SF6氣體分析儀對(duì)1號(hào)主變5032A相電流互感器SF6氣體進(jìn)行特征分解物檢測(cè)，二氧化硫（SO2，最大約291.5 × 10-6）、硫化氫（H2S，最大約62.9 × 10-6）含量顯著超出標(biāo)準(zhǔn)，且隨檢測(cè)時(shí)間呈上升趨勢(shì)，對(duì)比相和對(duì)比設(shè)備無(wú)異常。

使用快速檢測(cè)管檢測(cè)，氟化氫（HF）含量超過(guò)30 × 10-6，對(duì)比相（B相）未檢出氟化氫成分。

氣相色譜分析，四氟化碳（CF4）含量為3194 ×10-6，二氧化碳（CO2）為998 × 10-6，氟化亞硫酰（SOF2）為85 × 10-6，二氧化硫（SO2）為49 × 10-6。其中，四氟化碳（CF4）含量較對(duì)比試樣（B相/11 ×10-6）有明顯突增，二氧化硫（SO2）含量超標(biāo)。可認(rèn)為5032A相電流互感器內(nèi)部存在電弧放電故障。

2.2.3 沖擊電壓試驗(yàn)

對(duì)1號(hào)主變5032 A相電流互感器進(jìn)行沖擊電壓試驗(yàn)[16]，如表1所示。

2.3 解體分析

現(xiàn)場(chǎng)解體，發(fā)現(xiàn)電流互感器二次接線盒內(nèi)部完好。二次線圈絕緣支撐件完好，無(wú)放電痕跡，互感器高壓屏蔽和中間屏蔽外壁均有放電痕跡，如圖2所示。支撐中間屏蔽的盆式絕緣子內(nèi)壁無(wú)放電痕跡，表面有放電通道，2條燃弧通道弧根均源自脫落的屏蔽球位置，如圖3所示。互感器中間屏與盆式絕緣子連接螺栓端部有2個(gè)屏蔽球燒蝕脫落，且均有電弧灼傷痕跡，如圖4所示。

圖2 屏蔽放電痕跡圖

圖3 盆式絕緣子放電故障圖

圖4 屏蔽球灼傷故障圖

2.4 雷電活動(dòng)分析

故障當(dāng)日，站內(nèi)為雷雨天氣，根據(jù)當(dāng)?shù)乩纂姸ㄎ幌到y(tǒng)記錄[17]，故障前后該變電站周邊雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，4月19日03:52—04:02，變電站周邊5 km范圍內(nèi)有落雷現(xiàn)象。故障前后10 min變電站落雷情況如圖5～圖8所示。

圖5 變電站周圍雷電監(jiān)測(cè)圖

圖6 線路一周圍雷電監(jiān)測(cè)圖

圖7 線路二周圍雷電監(jiān)測(cè)圖

圖8 線路三周圍雷電監(jiān)測(cè)圖

該變電站500 kV線路與主變壓器均配置有金屬氧化物避雷器，避雷器最近一次例行試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)程要求，例行帶電檢測(cè)及接地線導(dǎo)通試驗(yàn)良好[18-19]。線路避雷器型號(hào)為Y20W1-444/1063A1，主變壓器避雷器型號(hào)為Y20W1-420/1006A1，其20 kA標(biāo)稱雷電流沖擊殘壓分別為1063 kV和1 006 kV，均小于LVQHB-500W2型電流互感器的雷電沖擊耐受水平1 675 kV，說(shuō)明電流互感器處于避雷器的保護(hù)范圍內(nèi)。

2.5 故障原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)解體和設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過(guò)分析論證，認(rèn)為電流互感器中間屏與盆式絕緣子連接螺栓上的屏蔽球松動(dòng)是導(dǎo)致本次故障的直接原因。

屏蔽球脫落不是安裝過(guò)程中掉落，而是屏蔽球本身緊固不牢，存在松動(dòng)，故障中受到較大的電動(dòng)力作用導(dǎo)致[20]。因?yàn)槊撀涞?個(gè)屏蔽球都有電弧灼傷的痕跡，如果是安裝時(shí)就已經(jīng)掉落，屏蔽球應(yīng)無(wú)電弧灼傷痕跡。

安裝不到位、運(yùn)輸過(guò)程中的顛簸、抖動(dòng)均有可能導(dǎo)致互感器中間屏與盆式絕緣子連接螺栓上的屏蔽球松動(dòng)，屏蔽球松動(dòng)后連接螺栓就會(huì)暴露出來(lái)，導(dǎo)致此部位電場(chǎng)畸變。故障當(dāng)天為雷雨天氣，雷電侵入波導(dǎo)致中間屏蔽與引線管之間沿盆式絕緣子沿面閃絡(luò)，高壓屏蔽對(duì)中間屏蔽擊穿，在后續(xù)工頻續(xù)流作用下造成大面積燒蝕。但雷電侵入波的幅值較小，因?yàn)楣收蠒r(shí)刻，該變電站內(nèi)避雷器均未動(dòng)作，且該故障電流互感器屬于主變壓器回路，雷電侵入波應(yīng)該來(lái)源于其他500 kV線路回路。盆式絕緣子外表面的閃絡(luò)通道如圖9所示。

圖9 盆式絕緣子閃絡(luò)局部放大圖

3 改進(jìn)及防范策略

3.1 采取新型防松動(dòng)措施

該類型電流互感器后續(xù)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)采取了針對(duì)防止屏蔽球松動(dòng)的措施，通過(guò)在屏蔽球內(nèi)部開(kāi)槽，打防松膠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[21]。并開(kāi)展中間屏蔽的屏蔽球脫落情況故障仿真分析。

3.2 增大電極半徑

針對(duì)套管內(nèi)高壓屏蔽罩端部局部場(chǎng)強(qiáng)不均勻（即局部絕緣間隙較小）而對(duì)套管內(nèi)壁放電，電弧通過(guò)套管內(nèi)壁，由于瓷套外表面最大場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)了空氣放電場(chǎng)強(qiáng)造成套管下法蘭及底座處而發(fā)生閃絡(luò)放電問(wèn)題，可以通過(guò)改進(jìn)高壓屏蔽罩的形狀和位置，增大電極的曲率半徑，使電場(chǎng)強(qiáng)度盡可能均勻。

3.3 加強(qiáng)SF6氣體組份測(cè)試分析

對(duì)LVQHB-500W2型SF6電流互感器全面開(kāi)展氣體成分測(cè)試。在SF6后續(xù)電流互感器的例行試驗(yàn)工作中，增加SF6氣體組份測(cè)試分析。

3.4 加強(qiáng)運(yùn)輸全過(guò)程管理

電流互感器在運(yùn)輸過(guò)程中，110（66） kV設(shè)備每批次超過(guò)10臺(tái)時(shí)，每車裝10g振動(dòng)子2個(gè)，低于10臺(tái)時(shí)每車裝10g振動(dòng)子1個(gè)；220 kV設(shè)備每臺(tái)安裝10g振動(dòng)子1個(gè)；330 kV及以上每臺(tái)安裝帶時(shí)標(biāo)的三維沖撞記錄儀。設(shè)備到達(dá)變電站現(xiàn)場(chǎng)后，檢查振動(dòng)記錄裝置的記錄，若記錄數(shù)值超過(guò)10g一次或10g振動(dòng)子落下，則應(yīng)返廠解體檢查[22]。

4 結(jié)束語(yǔ)

盆式絕緣子是支撐鐵芯、一次繞組、二次繞組及屏蔽等元器件的重要支撐和絕緣部件[23-25]，緊固螺栓上加裝的屏蔽球?qū)Ω纳婆枋浇^緣子沿面電場(chǎng)分布[26]、降低沿面放電和擊穿的概率至關(guān)重要。

電流互感器高壓屏蔽和中間屏蔽外壁有放電痕跡，盆式絕緣子表面有放電通道、內(nèi)壁無(wú)放電痕跡，脫落的2個(gè)屏蔽球都有電弧灼傷痕跡，這些現(xiàn)象都說(shuō)明屏蔽球松動(dòng)造成盆式絕緣子內(nèi)部電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，在外界干擾下導(dǎo)致盆式絕緣子閃絡(luò)放電。杜絕類似隱患，必須通過(guò)屏蔽球內(nèi)部開(kāi)槽、打防松膠等方式防止屏蔽球松動(dòng)。