分享：气体绝缘金属封闭开关设备盆式绝缘子放电故障原因

摘 要:某220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备盆式绝缘子发生放电故障,采用宏观观察、渗透检测、X射线检测等方法分析了发生放电故障的原因,并利用仿真软件计算了高电压环境下不同浇注间隙对电场的影响。结果表明:浇注间隙会使盆式绝缘子的电场发生畸变,在间隙深度和弧长相等的条件下,浇注间隙宽度越小,电场的畸变越大,间隙越容易被击穿,从而使得盆式绝缘子极易发生闪络现象。

关键词:气体绝缘金属封闭开关设备; 盆式绝缘子; 浇注间隙; 膨胀系数; 电场分布

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的安全可靠性是高压电网稳定运行的关键因素,盆式绝缘子为GIS设备中的关键零部件,主要起支撑导体、隔离气室和电气绝缘的作用。GIS设备具有结构紧凑、占地面积小等优点,广泛应用于电网建设中。但在GIS设备发生故障并对其进行抢修处理时,其紧凑的结构往往给操作人员带来极大的不便,而盆式绝缘子是GIS设备中故障较多的部件之一,其中击穿和闪络的发生频率较高。

2020年,某220 kV扩建工程的耐压试验过程中,其A相发生放电故障,将其解体后发现盆式绝缘子表面有闪络迹象,对故障绝缘子进行更换处理后,再次进行耐压试验时,该绝缘子再次发生放电故障。现场检测时,未在壳体内部发现异物,且在盆式绝缘子表面未发现裂纹等缺陷,屏蔽罩、壳体内表面等位置也未发现可能引起放电的尖端,且试验前微水等检测结果均合格,但对故障绝缘子进行渗透检测时,发现绝缘子嵌件和环氧本体间存在浇注间隙。

笔者采用宏观观察、渗透检测、X射线检测等方法分析了发生放电故障的原因,并利用仿真软件计算了高电压环境下不同浇注间隙对电场的影响,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对故障盆式绝缘子进行宏观观察,未在绝缘子表面发现裂纹、杂质等缺陷。闪络痕迹沿嵌件和环氧树脂本体的黏接处起始并向外延展,呈枝丫状开叉,终止于盆式绝缘子和壳体间密封处(见图1)。

1.2 渗透检测

对故障绝缘子外表面进行渗透检测,重点检测了嵌件和环氧树脂本体的黏接部位,渗透时间约为12 min,结果如图2所示。由图2可知:盆式绝缘子和嵌件部位存在两处显像痕迹,发生闪络处弧长约50 mm,深度、宽度未知,且该显像部位为闪络起始点。

1.3 X射线检测

运用数字成像技术(DR系统)对故障绝缘子进行多角度X射线检测,目的是检测其内部是否存在裂纹等缺陷,结果如图3所示。由图3可知:该故障绝缘子内部组织均匀,未发现裂纹、杂质等缺陷。

2 综合分析

线膨胀系数是材料的物理特性之一,产品成型后,温度变化以及应力作用造成的变形是无法改变的,因此在设计中要考虑不同材料之间的膨胀匹配性。GIS设备盆式绝缘子本体材料通常为绝缘性能较好的环氧树脂,嵌件为导电性能较好的金属材料。

相关文献表明:环氧树脂在固化过程中会产生较大且不均匀的残余应力,这是由于固化反应发生在高温状态,固化体系中的导热性差,温度场分布不均匀使得固化收缩不均匀。此外随着Al?O?颗粒的加入,也会带来分散不均、粒子聚集等问题,残余应力使得盆式绝缘子和嵌件结合部位的微裂纹、分层等缺陷极难避免。

为保证环氧树脂和金属嵌件结合处的黏接力,需尽可能减少两者间的分层,且保持高导电率,其中心嵌件一般选取和环氧树脂膨胀系数较为接近的铝材,这是因为当温度变化时,内部的残余应力较小,不易出现嵌件黏接面开裂的现象。

对发生放电故障的盆式绝缘子本体及其嵌件进行了化学成分分析。由于盆式绝缘子本体材料为环氧树脂,手持式光谱仪无法检测轻元素,嵌件元素化学成分如表1所示。由表1可知,嵌件的化学成分符合GB/T 3190—2016《变形铝及铝合金化学成分》的要求。

表1 故障盆式绝缘子嵌件元素化学成分

由于故障盆式绝缘子未分解,无法观察环氧树脂和嵌件间是否存在裂纹等缺陷,也缺乏相应的技术手段开展微裂纹的检测,但采用渗透检测方法发现环氧树脂和嵌件部位存在浇注间隙,且该部位为闪络起始点。绝缘子闪络指的是由沿面局部电弧爬电所致的局部电弧贯通。

2.1 建立模型

该盆式绝缘子为三相共箱式非圆周对称结构,需采用三维电场进行分析。采用计算机辅助设计软件对盆式绝缘子进行1∶1建模,为更好地反映盆式绝缘子在实际工程中的应用效果,电场仿真模型包括盆式绝缘子、两侧壳体、内部屏蔽及导体等,忽略了对电场、电位基本没有影响的金属连接件,盆式绝缘子电场计算模型如图4所示。

图4 盆式绝缘子电场计算模型

考虑到无法准确测量浇注间隙的大小,特分别选取宽度为0.05,0.1,0.2 mm的间隙进行对比研究。间隙弧长为50 mm,间隙深度为10 mm,浇注间隙如图5所示。

2.2 仿真试验

计算时取盆式绝缘子环氧树脂和SF?的相对介电常数分别为4.5与1.0025。

在设计盆式绝缘子时,主要考虑的是环氧树脂表面和接地法兰的电场强度,设计基准为盆式绝缘子各关键部位场强(或切向场强)的最大允许值,其中主要关注环氧树脂表面的合成场强最大值E_h、表面切向场强最大值E_θ,关注接地法兰表面的合成场强最大值E_l。根据经验E_h>E_θ,在后续计算中,只考察E_h和E_l两个场强。

2.2.1 无浇注间隙的盆式绝缘子电场计算

首先对该盆式绝缘子进行电场校核计算,验证其绝缘性能是否能够满足产品使用需求。将搭建好的无浇注间隙的盆式绝缘子计算模型导入电场模块中,外壳施加低电位为0 kV,内部导体A相(耐压时闪络相序)施加高电位1050 kV,B、C两相施加低电位0 kV。

图6为无浇注间隙下的盆式绝缘子、外壳、嵌件黏接处电场分布,由图6可知:绝缘子表面合成场强最大值为11.2 kV/mm,位于绝缘子凹面环氧柱根部的圆弧处。外壳表面合成场强最大值为10 kV/mm,位于壳体法兰圆弧处。

通过计算可知,该盆式绝缘子表面合成场强最大值及接地法兰表面合成场强最大值均符合场强设计要求,能够满足工程应用。

2.2.2 有浇注间隙的盆式绝缘子电场计算

分别在嵌件与环氧树脂黏接处设置宽度为0.05,0.1,0.2 mm的浇注间隙,间隙深度为10 mm,弧长为50 mm,间隙内介质为空气。计算结果表明:随着浇注间隙宽度的减小,间隙处电场强度显著增大,电场畸变越来越严重。当间隙宽度为0.05 mm时,间隙内最大电场强度远超过空气击穿场强,极易发生间隙击穿并引发沿面闪络。

3 结论及建议

(1) 盆式绝缘子嵌件与环氧树脂本体之间的浇注间隙是导致放电故障的根本原因,间隙处电场发生严重畸变,引发空气击穿和沿面闪络。

(2) 在间隙深度和弧长相同的条件下,浇注间隙宽度越小,电场畸变程度越大,越容易发生击穿放电。

(3) 建议优化盆式绝缘子浇注工艺,严格控制嵌件与环氧树脂间的结合质量,避免产生浇注间隙;加强出厂检验,采用渗透检测等方法筛查存在浇注间隙的不合格产品。

(4) 优化嵌件材质选择,选用与环氧树脂线膨胀系数更匹配的材料,减少因温度变化产生的残余应力和界面分离。

来源-材料与测试网