摘　要: 根據直流穿墻套管的技術要求, 對直流套管的內外絕緣機理進行了初步分析和探討, 據此提出了直流穿墻套管的設計方案和設計參數, 研制生產了250kV交、直流穿墻套管。

1　前言

我國目前已有葛洲壩— 上海± 500kV、浙江舟山100kV直流輸變電線路建成投運,廣西天生橋至廣東北郊± 500kV 直流輸變電工程也正在施工建設, 舉世矚目的三峽電站也將采用二回± 500kV 直流輸電線路。據悉, 云南省將要建設的小灣水電站也在考慮采用直流± 600kV 輸電線路。直流輸電在全國電網中的比例正在增加。為研究了解在高海拔地區高壓交、直流輸電線路的特性, 云南省電力試驗研究所決定在高海拔地區建立交、直流污穢試驗室,進行高海拔地區交、直流輸電方面的研究工作。該試驗室需用一只250kV交、直流兩用的穿墻套管, 經協商由南京電瓷總廠進行研究制造。該穿墻套管的主要技術參數列于表1本文就該交、直流穿墻套管的直流方面性能進行了研究分析, 對直流穿墻套管的設計生產進行了初步的探討。

2　直流穿墻套管內絕緣的設計分析

2. 1　內絕緣結構形式的確定及初步驗算根據國外有關資料的分析, 直流套管的內絕緣亦可采用類似于交流套管中油紙絕緣電容芯子那樣的絕緣結構形式。另外, 根據國內有關資料介紹, 我國舟山100kV 直流輸變電線路中所用的直流穿墻套管, 采用的是國產CR-220 /630Z型220kV 等級增強型交流穿墻套管,從1987年開始至今已安全運行10年以上, 雖然裕度有點過大, 但說明了交流套管的內絕緣形式用于直流電壓是可行的。

根據上述分析, 結合本廠實際情況, 對該穿墻套管我們選擇了類似于交流套管中油紙絕緣電容芯子這種形式作為套管的內絕緣。這種內絕緣在直流電壓下, 由鋁箔作為極板, 油浸紙作為極板間介質的同軸圓柱形串聯絕緣體, 相當于一個串聯的電阻器, 通過控制其中各電阻的數值, 也可使該絕緣體的徑向和軸向的直流電場分布均勻。

我們知道, 在直流電壓情況下, 產品的靜態直流電位分布由絕緣材料的電阻率所決定。為了定量計算出絕緣芯子內部的直流電場的分布, 我們假定芯子內部的電阻率在芯子內部各處都是相同的, 根據上述串聯電阻器的模型, 我們可以計算出芯子內部的直流電場分布, 其計算結果見圖1。而相同的芯子計算出的交流電場分布亦同時列于圖1。

從該圖我們看出, 套管的該類型絕緣芯子在直流電壓下, 假如電阻率各處相等, 那么直流電場分布與交流電場分布趨勢是相似的

圖一

根據試驗研究, 我們還知道油浸紙絕緣材料在直流電壓下的電氣強度同厚度的關系, 與工頻電壓下的情況也相似, 其短時擊穿強度大約是工頻電壓下的2倍。

根據這些試驗結果, 我們考慮, 對于直流狀態下的電氣強度分析, 可以類比交流狀態下的電氣強度進行。根據這樣的觀點, 經計算, 在直流電壓下這個絕緣芯子的250kV 電壓下的最大場強為3. 65kV /mm, 而此處的交流電壓下起始局放場強為6. 31kV /mm。如假設此處的直流耐受場強為交流的2倍, 那么在250kV直流電壓下, 該絕緣芯子的絕緣裕度大約為: 6. 31× 2 /3. 65= 3. 5。

2. 2　介質的電阻率和極性變換對內絕緣芯子的影響及其計算

套管運行時, 由于傳輸電流的通過, 使得套管的導電管發熱, 因而降低鄰近的油紙絕緣的電阻率和電應力, 使絕緣芯子內部的電阻率分布不均。當絕緣介質的極性變換時,電場在暫態過程期間改變成一個新的穩定狀態的直流電場, 這個過程可能導致臨時的過載, 也就是具有更低電阻率的材料自身放電比相鄰材料更快, 導致相鄰材料承擔更高的電壓。這樣的一種直流電壓作用的情況, 可以定性的模擬成具有三種不同RC時間常數相疊加的材料進行分析, 如圖2所示。這三種材料的時間常數假定為T1= 100s, T2=1 000s, T3= 10s,第三種材料緊靠著導電管。并假設C1= C2= C3 , 初始電壓: U1= U2= U3=13Utot。在這個例子中, C3迅速放電, 導致C1、C2充電, 使U1 ( t ) 的暫態電壓在30s后達到125%13Utot。

當t t3= 1 000s后進入穩定狀態, 此時的電壓分布相當不同: U1=0. 09Utot , U2= 0. 9Utot , U3= 0. 01Utot , 整個電壓的90%將由2號材料(即電阻率最高的材料) 來承擔。因此在直流套管的設計中, 應盡量避免絕緣材料的電阻率不均勻現象

根據套管的國家標準及實際試驗數據,載流導體在油中的溫升不超過15℃ , 相對于油浸紙材料的溫升大概只在20℃左右。根據試驗結果(見圖3) , 我們測算出20℃的溫升大約會使油浸紙電阻率減小7倍左右, 遠低于上述例子中的T2 /T3= 100倍。對于這種情況, 我們假設由于電阻率分布的改變, 使整個絕緣芯子電場分布不均增大, 從而使絕緣芯子的電氣強度下降25% (根據上述, 這個假設與實際情況應該是比較接近的) , 這樣, 芯子的絕緣裕度仍可達到3. 5× 0. 75=2. 63。另外在設計時還應考慮使導電管的載流密度取得小些, 采取一些降低導電管發熱的措施, 就可以減小溫升, 進一步提高絕緣芯子的電氣強度和絕緣可靠性。

2. 3　絕緣芯子與周圍絕緣材料之間的直流電場分布

根據直流套管的電場計算結果, 表明芯子內部的電場分布對芯子外部的電場分布沒有顯著的影響。這是因為油和電瓷的電阻率比油浸紙絕緣的電阻率更低, 使得直流電流通過了這些低電阻值的材料, 控制了外部電場,從而使直流電場集中在高壓電極附近。根據計算結果, 套管的直流電場分布見圖4。為便于比較, 圖4還列出了套管的交流電場分布。我們知道, 在直流電壓情況下, 相鄰的

3　直流穿墻套管的外絕緣分析設計

3. 1　直流套管外絕緣閃絡現象分析及避免措施

由于直流穿墻套管的充油間隙和電瓷的影響, 套管外絕緣直流電場的分布, 對污穢和潮濕所引起的表面電導率變化是很敏感的, 尤其是不均勻潮濕經常導致電場的崎變和閃絡。對直流套管外絕緣進行的有限元法計算的結果示于圖6, 圖6的左邊圖形顯示的是干燥的及清潔表面的電場分布, 它與交流電場的分布看起來是相似的。不均勻潮濕的外表面直流電場分布如圖6右邊所示, 從圖中看出, 由于套管表面的不均勻潮濕, 產生了一個具有很高的軸向和徑向過應力的直流電壓分布, 這將使套管甚至在低的電壓下也會發生軸向閃絡和徑向擊穿

根據直流輸電線路上的直流穿墻套管的運行經驗, 250kV 及以上直流輸電線路上的閃絡現象, 有65%發生在穿墻套管上, 而且穿墻套管的閃絡大部分都是發生在長時間干旱后的第一場雨水的初期時間, 并且負極性狀態下的閃絡比正極性的閃絡更易發生。根據上述的電場計算及有關部門對這種閃絡現象進行的認真分析和試驗研究,表明直流套管外絕緣瓷套在下雨時形成的不均勻潮濕現象,對直流套管的外絕緣危害性最大。下雨時由于墻壁和房頂對法蘭側瓷套具有的遮擋作用,使得戶外瓷套上的淋雨潮濕由頂部逐漸向法蘭側發展,并使法蘭側瓷套軸向伸出的干區長度逐漸縮小,以致出現了小距離的瓷套表面干區的電阻值,相對于瓷套表面潮濕區的電阻值要大得多,因而此小距離的表面干區承受了大部分的電壓。當此干區表面軸向長度上的電位梯度增大到一定值時,就會出現強烈的電弧,并從干區部分向潮濕部分發展形成閃絡。根據試驗研究表明(見

圖7) ,當瓷套外表面的軸向方向干區與瓷套總長的比值在40%左右時,外絕緣的直流放電電壓最低,它可以下降到套管均勻潮濕放電電壓的70% 以下。同樣的試驗也表明,這種現象在交流情況下也發生,但交流下不均勻潮濕放電電壓可下降值為均勻潮濕放電電壓的84%。交流下穿墻套管不均勻潮濕閃絡現象在運行時的事故率并不是很突出,這可能是以下幾個方面的綜合原因所造成的。

①直流套管的內絕緣對外絕緣的電場分布調節作用不明顯, 使得套管外表面的電場分布均勻性不如交流下的套管好。

②根據本文公式( 1) , 直流套管的瓷套表面與淋濕的污穢層之間, 由于d瓷= 1014Ψ· m, d水= 105Ψ· m, 使得瓷套沿面的電場畸變大, 場強值高。因此, 比起交流狀況下瓷套沿面的閃絡和擊穿電壓要低得多。

③由于直流電壓相對于交流來說更易吸污, 并且直流放電電流在瓷套外表面易于形成飄弧、橋接現象, 使得閃絡容易發展。

④直流套管在線路上的運行時對地電壓即為額定電壓, 而交流套管的實際運行對地電壓為工作相電壓, 因而直流套管比起交流

套管的實際運行電壓高大約1. 7倍, 這樣就造成了相同額定電壓套管長期耐受的電壓實際上相差1. 7倍, 從而使得直流下套管比交流情況下的套管更易閃絡。為避免直流穿墻套管的不均勻潮濕閃絡, 目前普遍可采取的措施是:

①提高戶外瓷套高度及提高爬電距離,以減少瓷套表面單位長度上的場強值。

②瓷套傘盤上增設若干輔助傘裙, 對閃絡電壓起屏障作用, 并可減弱瓷套表面不均勻潮濕的影響程度。

③瓷套表面噴涂RTV 硅橡膠等憎水性涂料, 以改善瓷套表面不均勻潮濕現象, 并使其表面電壓分布趨于均勻。

④還可以在瓷套外表面噴涂半導體釉,用此辦法降低瓷套表面與污穢層之間的電阻率差, 進而改善其表面的電場分布。

3. 2　直流穿墻套管外絕緣的有關數據介紹及其選擇

根據有關資料, 將運行于直流線路上穿墻套管的有關外絕緣的主要參數列于表2。對照表2并根據上述的分析計算, 我們確定了250kV交、直流穿墻套管的戶外(即污穢室端) 瓷套的主要尺寸參數, 也同時列于表2。由于設計時對套管的污室外端是否處于室外不確定, 同時考慮到昆明的高原氣候, 以及直流套管的特性和可靠性, 所以污室外端的瓷套亦采用了與污室端相同的瓷套。并在廠內試驗完畢后, 對套管的上、下瓷套外表面涂刷了一層憎水性涂料。

4　試驗

根據上述直流套管內外絕緣的分析計算及其技術要求, 我們設計制造的高原型250kV污穢試驗室用交、直流穿墻套管, 其結構尺寸見圖8。套管制造完成后進行了有關試驗, 試驗數據見表3。

圖8　250kV 交、直流穿墻套管結構簡圖

5　結束語

在實際生產中, 通過嚴格的設計、工藝處理及工廠試驗, 可以使直流套管內絕緣的電氣性能得到比較可靠的保證, 因而可使直流套管內絕緣在實際運行中發生閃絡擊穿的概率不大。但是大氣環境中的大霧、雨水及污穢等一些因素, 會使直流套管的外絕緣發生閃絡,尺管采取加大瓷套外絕緣有效高度,提高瓷套外絕緣爬電距離這樣的措施, 仍然不能完全杜絕直流套管外絕緣的閃絡現象。針對這樣一種情況, 有些國家對直流套管還增加了清潔霧長時間( 2h～ 4h) 的直流耐壓試驗及不均勻淋雨直流耐壓試驗, 以考核直流穿墻套管在這樣環境條件下的運行可靠性。我國也應積極進行直流套管方面更多的試驗研制工作, 以便盡快地實現直流輸變電線路上的直流套管國產化, 滿足我國直流輸變電的發展需要。

來源：網絡

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