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(wǎng)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(wǎng)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(yùn)行可靠性，更有效地對(duì)其開展技術(shù)監(jiān)督，開展封閉式絕緣管母線典型缺陷研究。根據(jù)聚四氟乙烯繞包成型封閉式絕緣管母線實(shí)際物理結(jié)構(gòu)，建立JMAG電磁場仿真模型，設(shè)立層間逐層短路、受潮、氣隙等不同典型缺陷，分析其電勢(shì)、電場分布，并通過電容量及介損試驗(yàn)，研究其物理表征。

關(guān)鍵詞：管母線；缺陷；仿真；試驗(yàn)

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(yīng)低、允許應(yīng)力大、整體絕緣便于設(shè)計(jì)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(lián)結(jié)導(dǎo)體，直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)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(cè)由于小動(dòng)物、污穢、凝露等引起的近區(qū)短路，但由于當(dāng)前封閉式絕緣管母線在我國的應(yīng)用還處于初始階段，質(zhì)量監(jiān)管未成體系，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(shí)有發(fā)生[3-4]。因此，封閉式絕緣管母線絕緣結(jié)構(gòu)的理論研究還需深入，對(duì)其監(jiān)督方法還需要大量的積累和驗(yàn)證[5]。針對(duì)一種聚四氟乙烯繞包成型封閉式管母線為標(biāo)本，建立JMAG電磁場仿真模型，設(shè)立層間逐層短路、受潮、氣隙等不同典型缺陷，分析其電勢(shì)、電場分布，并通過電容量及介損試驗(yàn)，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(shù)監(jiān)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(jié)構(gòu)

聚四氟乙烯繞包成型封閉式絕緣管母線物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，導(dǎo)電銅管為與高壓設(shè)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(lián)電容的分屏降壓，直至接地屏接地。為了便于說明，電纜從內(nèi)到外分別稱為導(dǎo)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(hù)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(duì)封閉式絕緣管母線的電勢(shì)、電場進(jìn)行分析。

圖2　封閉式絕緣管母線JMAG仿真模型

2仿真試驗(yàn)

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(duì)最外層絕緣造成機(jī)械損傷；同時(shí)，長時(shí)間運(yùn)行后，特別是戶外運(yùn)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(nèi)擊穿

的物理過程，進(jìn)行仿真及試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)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(shè)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(jié)果如圖3所示。

圖3(a)為封閉式絕緣管母線從最外層至內(nèi)層逐層擊穿的電勢(shì)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(shè)定了碳層的電阻率，因此，電勢(shì)分布與正常狀態(tài)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(jié)構(gòu)的封閉式絕緣管母線，在其正常運(yùn)行時(shí)，接地屏內(nèi)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(qiáng)度，約為聚四氟乙烯的1.5倍；在端部應(yīng)力錐處，該層端部承受了最大電場，而熱縮管的絕緣性能遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)不足。當(dāng)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(qiáng)度急劇增大，極易引起由外至內(nèi)的連鎖擊穿。

建立實(shí)際物理模型，將封閉式絕緣管母線從外至內(nèi)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(shì)分布(為了對(duì)比將電勢(shì)范圍設(shè)在-1 000～10 000 V之間)

(b)電場分布(為了對(duì)比將電場強(qiáng)度范圍設(shè)置在了1×106～2×106 T/m之間)圖3　絕緣逐層擊穿仿真結(jié)果

圖4　試驗(yàn)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(xiàn)比較明顯的下降。隨著短接層數(shù)增多，電容量逐漸增大，介損逐漸減少，符合客觀規(guī)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(jiān)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(diǎn)，如在安裝過程中未進(jìn)行良好的密封處理；或運(yùn)行中密封老化，極易造成從外層至內(nèi)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(nèi)受潮的物理過程，進(jìn)行仿真。

乙樹的源產(chǎn)出的同化物運(yùn)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(yùn)送給甲樹的B段。然而運(yùn)送給甲樹的同化物卻堆集式地停留在離乙樹不遠(yuǎn)的甲樹樹干上。在正常情況下，樹干都是下部粗，而實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了上部（B段靠近甲樹的部分）粗的怪現(xiàn)象。這是為什么呢？通過分析主要在于“庫信號(hào)的強(qiáng)弱決定同化物流向庫的量的大小”這個(gè)問題。

分別仿真了如表2所示的6種情況，JMAG仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，某層絕緣層受潮后，對(duì)其電勢(shì)分布不造成影響，與正常情況時(shí)分布基本一致。但受潮后的電場存在變化，當(dāng)某層受潮后，其電場強(qiáng)度明顯增加，這就造成受潮的絕緣層承受更大的電場，發(fā)熱更嚴(yán)重，極易造成其絕緣破壞。

圖5　從外至內(nèi)逐層短路時(shí)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(shì)分布(為了對(duì)比將電勢(shì)范圍設(shè)在-1 000～10 000 V之間)

(b)電場分布(為了對(duì)比將電場強(qiáng)度范圍設(shè)置在了1×106～2×106 T/m之間)圖6　絕緣逐層受潮仿真結(jié)果

圖7　封閉式絕緣管母線不同受潮時(shí)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(shí)現(xiàn)模擬逐層受潮的物理過程，因此，對(duì)整體受潮時(shí)間進(jìn)行模擬試驗(yàn)，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(duì)不同受潮時(shí)間的電容量及介損進(jìn)行測試，可以發(fā)現(xiàn)，與擊穿不同，隨著受潮時(shí)間變化，電容量和介損都呈增長趨勢(shì)，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(shè)置直徑為0.6 mm的氣泡，氣泡中填充空氣，進(jìn)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(shì)分布(為了對(duì)比將電勢(shì)范圍設(shè)在-1 000～10 000 V之間)

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

3結(jié)論

此種結(jié)構(gòu)的封閉式絕緣管母線，在其正常運(yùn)行時(shí)，接地屏內(nèi)部的固定成型用的熱縮管，承受了較高的電場強(qiáng)度，約為聚四氟乙烯的1.5倍；在端部應(yīng)力錐處，該層端部承受了最大電場，而熱縮管的絕緣性能遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)不足。

當(dāng)絕緣逐層擊穿后，在擊穿處電場強(qiáng)度急劇增大，極易引起由外至內(nèi)的連鎖擊穿，隨著短接層數(shù)增多，電容量逐漸增大，介損逐漸減少，符合客觀規(guī)律。當(dāng)某層絕緣受潮后，其電場強(qiáng)度明顯增加，這就造成受潮的絕緣層承受更大的電場，發(fā)熱更嚴(yán)重，極易造成其絕緣破壞。對(duì)不同受潮時(shí)間的電容量及介損進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，隨著受潮的嚴(yán)重程度增大，其電容量和介損都呈增長趨勢(shì)。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(guī)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(jiān)督并區(qū)分是否存在層間絕緣擊穿缺陷或絕緣受潮。

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中圖分類號(hào)：TM642+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0059-05

作者簡介：

劉君(1984),博士、高級(jí)工程師，主要從事高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估及其方法研究。

(收稿日期：2015-12-07)