穿墻套管放電原因分析及消除措施

孔麗

（國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西太原 030000）

穿墻套管放電原因分析及消除措施

孔麗

（國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西太原 030000）

介紹了穿墻套管在運行中產(chǎn)生放電的原因，通過分析不均勻電場中氣體放電原理，找出其放電的主要原因，并提出解決的措施。實際安裝情況表明，母排與穿墻套管間的空氣間隙越小，放電越明顯，進一步證明所提出的消除穿墻套管放電的措施是可行的。

穿墻套管；放電；消除措施

0 引言

穿墻套管是用于變電站、配電裝置、高壓電器中，在導(dǎo)電部分穿過墻壁或其他接地物時起支撐及絕緣作用而采用的制品。

當(dāng)前，高壓開關(guān)行業(yè)在我國已發(fā)展為全封閉、全絕緣、小型化的室內(nèi)高壓成套開關(guān)設(shè)備，促使穿墻套管在開關(guān)柜的應(yīng)用也隨之增多。據(jù)統(tǒng)計，在我國這種放電現(xiàn)象主要在24～40.5 kV電壓等級的開關(guān)設(shè)備上表現(xiàn)地比較普遍[1]。

雖然這種放電現(xiàn)象對正常供電設(shè)備的影響不大，但不可忽視其危害。具體表現(xiàn)為：長期氣體放電造成電能損耗；長期氣體放電引起套管絕緣熱擊穿；放電過程中產(chǎn)生的脈沖所形成的電磁干擾波影響附近通訊設(shè)備正常工作，故需要及時消除這種放電現(xiàn)象[2]。

1 穿墻套管產(chǎn)生放電的原因

1.1 凝露現(xiàn)象引起放電

開關(guān)柜一般安裝于室內(nèi)，同時會與地下電纜溝相通，因此潮濕、高溫的室外空氣會進入濕度較低的室內(nèi)空間，再加之室內(nèi)不具備安裝空調(diào)的條件，極易使開關(guān)柜受到外部環(huán)境的影響，也會增大相對濕度。當(dāng)空氣中的溫度低于露點溫度時，在柜內(nèi)易形成凝露并且有大量灰塵進入，引起放電[1]。

1.2 不均勻電場引起氣體放電

開關(guān)柜在生產(chǎn)方面、穿墻套管在制造安裝方面存在不足。目前，大部分開關(guān)設(shè)備廠家在研發(fā)24～40.5 kV開關(guān)設(shè)備時，簡單地將12 kV開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)放大，但與其在運行電壓的升高過程中帶來的電場分布并不匹配；尺寸、外形的縮小使帶電體間的距離縮小，產(chǎn)生了穿墻套管與地面之間的電場強度更集中更不均勻的問題，導(dǎo)致電暈放電[1]。此外，穿墻套管在安裝過程中，開關(guān)柜中母排穿墻套管的內(nèi)壁與母線排之間存在空間間隙，由于間隙距離較大，造成電場的不均勻，在不均勻電場中的局部放電就是電暈放電。

2 不均勻電場引起套管放電的原因

2.1 不均勻電場中氣體放電原理

均勻電場中，在形成氣體間隙內(nèi)的流注后，當(dāng)放電達到自持程度時，氣體間隙就會被擊穿。而在不均勻電場中，氣體放電的情況就不同了[2]。下面用經(jīng)典球隙放電特性做分析，圖1為半徑為r的球間隙放電特性與極間d間的關(guān)系圖。

當(dāng)d＜4r時，電場還比較均勻，擊穿電壓與電暈起始電壓相同，擊穿以前，間隙中看不到放電跡象；當(dāng)4r＜d＜8r時，屬于過渡區(qū)域，放電過程不穩(wěn)定，隨著電壓的升高而開始出現(xiàn)電暈；當(dāng)d＜8r時，屬于極不均勻電場，間隙擊穿前出現(xiàn)藍紫色光暈，并伴有“咝咝”的響聲，出現(xiàn)電暈放電，電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓。

圖1 半徑r的球間隙放電特性與極間d的關(guān)系

從上述分析可知，電場不均勻程度隨著兩球間隙的增大而增強，放電現(xiàn)象也隨著兩球間隙的不同而不同；兩球間隙越大，電場越不均勻，由于電暈發(fā)生在間隙擊穿之前，間隙擊穿之后的放電都是在電暈空間電荷已強烈畸變下的外電場中進行的，因此間隙距離是影響擊穿電壓的主要因素。

2.2 穿墻套管放電原因分析

穿墻套管的電場分布是一種強垂直分量電場[3]，并且在中間法蘭邊緣處電場表現(xiàn)十分集中。以穿墻套管的一般安裝經(jīng)驗：套管內(nèi)壁與導(dǎo)電母排不接觸（兩者之間估計留有約為0.1～0.3 cm的空氣間隙），將這樣的套管視為組合絕緣體（2種介質(zhì)），并將其簡化為均勻電場展開分析[2]。

取套管一小段側(cè)截面進行分析，等值圖如圖2所示，假設(shè)空氣層與穿墻套管絕緣體的面積相等，平均厚度設(shè)為d1、d2且均勻，將本文中所分析的電場簡化為2種介質(zhì)內(nèi)的均勻電場。

圖2 套管側(cè)截面等值圖

其中空氣間隙厚度為d1，相對介質(zhì)系數(shù)為ε1；絕緣體厚度為d2，相對介質(zhì)系數(shù)為ε2，相電壓為U，如略去介質(zhì)電導(dǎo)，則有

其中U1、U2分別為空氣介質(zhì)的電壓、絕緣介質(zhì)的電壓，由式（1）、（2）、（3）得

以用于35 kV系統(tǒng)中的環(huán)氧樹脂穿墻套管為例，其母排至套管內(nèi)壁空氣間隙d1=0.5 cm，套管的壁厚d2=2 cm，空氣間隙介電常數(shù)為1，環(huán)氧樹脂介電常數(shù)為3.8，相電壓。將相電壓代入式（4）、（5）得E1=19.68kV/cm、E2=5.18kV/cm。

在極不均勻電場氣隙中，因空氣間隙距離大，擊穿電壓取決于間隙距離，而與電極的形狀關(guān)系不大，故可將棒—棒或棒—板作為研究極不均勻電場放電特性的典型電極。其中棒—棒間隙在工頻電壓下的平均擊穿場強較棒—板稍高一些，有效值約為3.8 kV/cm、幅值約為5.36 kV/cm。

通過計算E1＞5.36 kV/cm，故空氣介質(zhì)會出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象。

采用另一種簡化模型進行驗證，將扁平的矩形母排優(yōu)化為圓柱母排，此時可將穿墻套管內(nèi)場強分布看作一典型的同軸柱電極在多種電介質(zhì)的電場分布情況，其正截面等效圖如圖3所示。

圖3 套管正截面等值圖

圖3中，設(shè)母排半徑為r1，母排中心道套管內(nèi)壁的距離為r2，母排中心到套管外壁為r3，空氣間隙和絕緣體的相對介質(zhì)系數(shù)分別為ε1、ε2，套管內(nèi)外壁上電壓分別為U1、U2，相電壓為U。取介質(zhì)中的電感應(yīng)強度為半徑方向，則套管內(nèi)外壁的電感強度分別為

由于在介質(zhì)分界面處，不同介質(zhì)中電感應(yīng)強度的法向分量連續(xù)，有

由于介質(zhì)中的最大場強分布在其圓柱的外表面，因此，該套管與母排間隙之間的最大場強集中在套管內(nèi)壁處，即

套管外壁場強為

同樣取一用于35 kV系統(tǒng)中的穿墻套管，相應(yīng)數(shù)據(jù)為r1=40mm、 r2=45mm、 r3=55mm、 ε1=1、ε2=3.8、U=20.2 kV。將上述數(shù)據(jù)代入式（10）、（11）中，得:Em1=29.6 kV/cm、Em2=6.9 kV/cm。

套管內(nèi)外壁電暈起始場強可使用皮克公式估算得到，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下圓柱導(dǎo)體電暈起始場強為

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（12）中，得

Ec1=34.5kV/cm、Ec2=34.5kV/cm，對比可知:Ec1＞Em1、Ec2＞Em2，說明套管的內(nèi)外壁均具備電暈起輝條件。

通過上述2種簡化等值模型的場強分析，這種普通的母排穿墻套管內(nèi)壁與母排之間的間隙在額定電壓下能發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，說明該穿墻套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不合理。

3 消除穿墻套管內(nèi)電暈放電現(xiàn)象的措施

由于凝露現(xiàn)象而引起的放電，可通過改善開關(guān)柜運行環(huán)境避免，為防止電纜溝內(nèi)的潮濕空氣進入開關(guān)柜，采用一定措施將電纜溝和開關(guān)柜進行封閉處理[4]。另外，可通過加裝加熱器和除濕裝置，適時改變柜內(nèi)溫度與外界進行互補，尤其在夏日炎熱天氣下，更應(yīng)該增強巡視力度，及時發(fā)現(xiàn)隱患。

若是因不均勻電場氣體放電引起穿墻套管放電的，通過上述分析，其原因是由于空氣間隙的存在而造成的，可采用下列措施消除。

a） 消除套管絕緣體與母排接觸面的縫隙?？稍谔坠軆?nèi)壁噴鋁，并用彈簧與母排緊密接觸，或在套管中間法蘭的部位用半導(dǎo)體釉作為均壓層，并保證所做的均壓層均勻致密，同時保證導(dǎo)電母排的接觸彈簧片與均壓層接觸良好，避免套管與母排間空氣發(fā)生電暈。

b） 加大套管內(nèi)腔直徑。降低電暈的根本方法是限制導(dǎo)線表面電場強度，根據(jù)前面分析，從式（4）、（5）可知，要使空間間隙不發(fā)生放電，就需要降低兩者之間的場強，在相電壓及絕緣厚度d2不變的情況下，可通過增大空氣間隙距離d1來實現(xiàn)；從式（10）、（11）可知，在母排不變，保持套管r3/r2不變，即r2、r3同時增大，可將套管場強降低，達到預(yù)期目標(biāo)。

c） 可在普通套管內(nèi)加裝屏蔽層，使套管和母排等電位，即通過安裝具有屏蔽作用的穿墻套管來消除開關(guān)柜內(nèi)不均勻電場產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。

d） 通過改善電極形狀以改善套管電場分布。通過采用增大電極曲率半徑的方法，使電場分布更加均勻，通過提高間隙的平均擊穿場強來提高間隙的擊穿電壓。此外，為消除電場局部場強，還可以采用去除電極上的毛刺、棱角、焊斑等來降低電極表面的粗糙度[5]。

e）提高運行維護人員的專業(yè)素質(zhì)及工作責(zé)任心。加強巡視、檢修力度，及時消除隱患，預(yù)防此類事故的發(fā)生[6]。

現(xiàn)在變電站開關(guān)柜穿墻套管的實際消除措施采用了上述第一種的方法，具體方法如圖4所示。

經(jīng)過改進后，導(dǎo)電母排與套管之間的空氣間隙通過鋁層和彈簧，使母排與套管實現(xiàn)良好接觸。

[1] 郝放，滕振業(yè).絕緣套管放電原因分析與對策[J].科技世界，2012（12）:59.

[2]高保華.CME-10型高壓穿墻套管放電的原因分析及消除措施[J].高壓技術(shù)，2006（8）:86-88.

[3]杜巖偉，鄭衛(wèi)東，羅道軍，等.CWB-35型穿墻套管內(nèi)腔放電原因分析[J].河南電力，2011（1）:40-41.

[4] 張力游.KYN61-40.5開關(guān)柜存在放電現(xiàn)象的現(xiàn)場處理[J].電氣技術(shù)，2010（12）:58-59.

[5]王文峰，張清杰，蔣立齊.40.5 kV開關(guān)柜穿墻套管電場分析與優(yōu)化設(shè)計[J].華電技術(shù)，2011（33）:20-21.

[6]姚震.35 kV高壓開關(guān)柜故障分析與改進[J].硅谷，2011（4）：39.

Reason Analysis and Eliminating Measures of Wall Bushing Discharge

KONG Li

(State Grid Maintenance Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030000,China)

The reasons for the discharge of wall bushing in operation are introduced. By analyzing the gas discharge principle in nonuniform electric field, the main reasons for the discharge are identified, and measures are proposed correspondingly. The actual situation showed that the smaller the air gap between wall bushing and bus- bar is, more obvious the discharge will be, thus, it has further proved that the proposed measures to eliminate wall bushing discharge are feasible.

wall bushing; discharging; measures for elimination

TM85

B

1671-0320（2016）01-0020-03

2015-11-17，

2015-12-03

孔 麗（1989），女，山西忻州人，2012年畢業(yè)于北京交通大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，工程師，從事高壓試驗工作。