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故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?

  • 更新日期 - 2019年08月10日 03:27

国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、中国电力科学研究院的研究人员朱思瑞、刘洋、阮羚、任想、李文佩,在2019年第12期《电工技术学报》上撰文指出(论文标题为“环氧树脂浇注类绝缘管型母线易发缺陷分析及检测手段”),绝缘管型母线由于具有机械强度高、载流量大及绝缘性能好等突出优势,目前广泛应用于电力、石化等行业。由于缺乏相关管控制度和标准,导致产品运行稳定性不高,故障频发。

绝大多数故障是由于生产和现场安装工艺不到位造成的,且通过常规试验项目无法有效检测出故障,因此本文以绝缘管型母线的生产、现场安装及现场试验检测为切入点,通过对生产和现场安装各环节进行深入分析,找出其中可能出现的隐患,针对这些隐患制定相应的现场考核试验办法,并通过试验结果来支撑本文提出的试验方法,提高绝缘管型母线运行可靠性。

随着国民经济的增长和科技的发展,企业、居民用电量直线上升,而常用在变电站变压器低压侧出线或发电机出口侧的传统矩形母线、共箱封闭母线及电力电缆已无法满足大容量、绝缘化和紧凑化的需求。此外,国网公司十八项反措亦明确提出了35kV及以下变压器低压母线应考虑绝缘化的要求,而绝缘管型母线具有这些传统母线没有的优势,在各行业得到广泛的应用。

绝缘管型母线设备外观如图1所示。绝缘管型母线是导体为铜或铝质金属圆管外包绝缘的载流导线,绝缘外包有接地金属屏蔽层。目前常见电压等级为6~35kV。相比传统载流设备,由于其结构特点,具有载流量大、安全、敷设方便、节省空间等突出优势。据不完全统计,仅2014年全年,在国内各类变电站专项应用的绝缘管型母线年产值已超10亿元。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图1 绝缘管型母线设备外观

但由于目前尚无该类设备的通用技术标准,致使绝缘管型母线在其生产、安装及运行过程中缺乏统一有效的管理,导致故障频发。此外,该类设备一般没有通用备品备件,修复周期长,据了解,某发电厂因绝缘管型母线故障导致停运长达两月之久,造成严重的经济损失和极其不良的社会影响。这一系列问题严重阻碍了绝缘管型母线进一步推广应用。

结合大量相关故障案例得出,绝大多数故障是由于绝缘管型母线的生产和现场安装工艺不足造成的缺陷导致,而通过常规的交接试验无法有效检测出这些缺陷,因此本文以绝缘管型母线的生产和现场安装工艺为切入点,通过对厂内生产工艺和现场安装工艺进行深入分析,找出其中可能存在的隐患,基于此制定相应的检测办法,供绝缘管型母线生产者、用户及相关研究人员参考。

1 行业发展情况

1.1 国际发展情况

国际上,绝缘管型母线的应用起步较早,已经发展超过30年,形成成熟的绝缘管型母线产品,主要以德国Preissinger有限公司的绝缘母线(ISOBUS)产品、瑞士雷兹互感器有限公司的SIS绝缘母线系统及德国MGC公司的环氧树脂浸渍纸绝缘(Resin Impregnated Paper, RIP)管型母线产品等为代表。

其中,德国MGC公司率先将干式套管内绝缘使用的环氧树脂浸渍纸绝缘及电容屏均匀场强技术引入母线,制成绝缘管型母线。另两家代表性公司及其他生产商的产品与之相比,都采用了相同的绝缘材料和固化工艺,只是在部分细节结构和加工工艺上有所差别。

这些绝缘管型母线目前已广泛运用于英国、德国、西班牙、美国及加拿大等欧美主流国家的相关电力应用行业。产品在长期挂网运行中表现稳定、可靠,很好地发挥了其安全绝缘、载流能力强、排布紧凑节省空间且耐候性强等突出优势。这些产品的材料选取及应用、结构设计技术、制造工艺方案等都已基本成熟。

1.2 国内发展情况

在我国,绝缘管型母线的应用起步较晚,自2004年至今,仅有十余年时间。但设备需求量稳步增长,应用领域向电网、发电、石油、化工等行业全面扩展。

与此同时,我国该类产品呈现出多种形式和种类的发展态势。按照行业公认的绝缘工艺类型和材料进行分类,目前主要有环氧树脂浸浇注类、聚酯薄膜或聚四氟乙烯绝缘带绕包式和聚乙烯、三元乙丙橡胶(EPDM)或硅橡胶绝缘挤包式等三大种类绝缘形式下至少六种类别的产品。

三大种类产品各自结构和生产流程差异明显,各成一派。其中,浇注式产品在我国出现最早,采用的生产技术由欧洲厂家引进;后来,借鉴干式互感器、套管或中压单芯绝缘电缆和共箱母线的绝缘结构和生产技术,衍生出绕包式和挤包式两种类型的产品。在以上大类下,不同厂家在导体连接方式,中间连接处和端部的绝缘设计方面均有不同的形式结构,本文只对环氧树脂浇注类绝缘管型母线展开研究。

2 绝缘管型母线结构

环氧浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘,导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后,形成致密、紧实的一体化结构,绝缘管型母线结构如图2所示。其既具有绝缘纸和环氧树脂的良好绝缘和介电性能,又具有良好力学特性。已证实该种结构形式能有效保证至少在35kV电压等级及以下产品不发生内部局部放电。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图2 绝缘管型母线结构

在端部,可以很方便地将半导电带分层按一定尺寸缠绕主绝缘,形成类似套管中的电容屏结构,达到控制电场强度分布,减少电场强度集中的效果。

浇注式绝缘管型母线接头一般采用在导体连接部位外罩绝缘套筒的形式,称之为屏蔽筒。屏蔽筒同样是具有电容屏结构的绝缘筒装结构,内屏与导体为等电位联结,外屏为接地导体。两端与本体密封连接,浇注式绝缘管型母线中间接头结构如图3所示。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图3 浇注式绝缘管型母线中间接头结构

3 典型故障原因分析

环氧树脂浇注类绝缘管型母线厂制作工艺繁多,现场安装更是取决于环境条件以及安装人员作业水平,因此稍有不慎则可能引入缺陷。下面介绍三种由于制作或安装工艺不当导致的故障案例,并分析其原因。

3.1 屏蔽筒安装错位造成的故障

某110kV变电站投运不到10天的10kV绝缘管型母线中间接头处发生击穿,引发低压侧线路大火。

屏蔽筒安装错位引发故障如图4所示。该绝缘管型母线接头处为软连接外套绝缘屏蔽筒的形式,其连接处均压结构由母线本体端部和屏蔽筒内的电容屏共同构成。

经现场勘查发现,故障母线屏蔽筒与本体段的配合因错位而产生不同程度的倾斜,这将导致:①本体及屏蔽筒之间可能形成缝隙导致密封不严,潮气甚至雨水可能直接进入屏蔽筒;②屏蔽筒的移动导致电极位置发生偏移,电场分布与设计的正常分布相比,发生畸变,这将使得部分绝缘承受超出设计值的电场作用,而在较短时间内产生缺陷并发展为故障。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图4 屏蔽筒安装错位引发故障

3.2 屏蔽筒密封不良造成的故障

某10kV变电站绝缘管型母线在运行过程中燃烧,经分析,管型母线靠近主变压器侧的管口在下雨时会有少量雨水和湿气进入管内。而管型母线的接头处存在缝隙,当气温较高时,管型母线内的水分便形成水蒸气,通过管型母线接头处的缝隙进入均压环护套的内壁以及渗入金属屏蔽筒内,引起带电体与金属屏蔽层之间的绝缘性能下降上课被同桌用震蛋折磨,长腿娇喘不已,杨薇刘川,产生发电现象,并最终导致绝缘击穿。打开的其他接头处的金属屏蔽筒也存在类似的凝结水珠和放电痕迹。屏蔽筒内部受潮引发故障如图5所示。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图5 屏蔽筒内部受潮引发故障

3.3 金属屏蔽层尖端毛刺造成的故障

某35kV变电站绝缘管型母线本体端部击穿,严重烧毁。端部击穿造成故障如图6所示。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图6 端部击穿造成故障

为进一步分析故障原因,对部分绝缘管型母线段进行了现场解剖发现:室内C相击穿点近接头处铜屏蔽层接地引下线处(接地屏)存在明显因受潮导致的氧化锈蚀痕迹,用手触摸整段铜屏蔽层有明显水渍。铜屏蔽层受潮锈蚀如图7所示。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图7 铜屏蔽层受潮锈蚀

对室内A、B两相疑似放电痕迹处沿端头进行解剖,发现由于铜屏蔽层端部处理工艺不足导致的屏蔽层尖端毛刺缺陷如图8所示。经分析,在长期运行中,由于端部电场畸变产生局部放电,加上密封工艺不过关,潮气从接地线缝隙处进入绝缘层内部,在局部放电的作用下逐步形成放电通道直至发生贯穿性击穿,导致故障发生。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图8 铜屏蔽层尖端毛刺

近年来收集到的绝缘管型母线故障案例较多,本文不再赘述,总结起来为如下几点:

(1)部分生产厂家对影响该类设备质量和性能的关键点缺乏充分认识,没有足够的设计能力和相应制造水平,无法保证设备的质量,且其自身和用户分别缺乏在出厂试验环节和交接试验环节验证产品可靠性的手段和依据。

(2)绝缘管型母线类似于电力电缆,即使其出厂时能够保障部件的质量,但现场安装后也应对其绝缘结构和部分关键性能(如密封性)进行检测,因此需要有完备的现场交接试验项目和指标来 验证。

4 试验验证

4.1 试验思路

为了更好地验证上述缺陷的发展和判据,预制了10kV(相电压6kV)电压等级的地屏端部毛刺样品、金属悬浮电位样品、主绝缘受潮样品、主绝缘气隙样品四种缺陷样品以及一根完好的样品进行试验。通过观测设备的局部放电量、介质损耗因数、电容量、接地电流来反映样品的绝缘状态;反之可推导出上述状态量,以反映各缺陷发展过程的灵敏度。

试验流程如下:首先对每个缺陷样品加压,分别找出其局部放电起始电压。局部放电采用高频电流法,起始电压判定测量参照IEC标准,超过背景放电量的两倍且出现内部放电脉冲时的电压值规定为起始局部放电,试验所在场地背景噪声为5pC。

施加电压值达到10kV电气设备交流耐压42kV进行1min交流耐压试验,看样品是否发生击穿,再进行6kV电压下各状态量的观测,随后对试品缓慢加压至42kV,期间实时监测并记录试品的绝缘状态量。通过分析各状态量变化趋势,来确定各缺陷最适合的检测手段。

4.2 试验结果

首先对所有样品缓慢加压,直至能够检测到局部放电信号,各样品起始局部放电电压见表1。所有样品均通过42kV交流耐压试验,试验过程无异常情况出现。随后试验电压降至6kV,测得各状态量数值见表1。

接着对所有样品施加6kV电压,缓慢升至42kV,期间记录各状态量随试验电压升高的变化趋势。

其局部放电量和接地电流的变化趋势如图9和图10所示,而介质损耗因数和电容量数值几乎没有变化(此处不作图说明)。

故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?表1 样品状态量初始值
故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图9 局部放电发展趋势
故障频发的绝缘管型母线,标准缺位,缺陷分析和检测如何进行?图10 接地电流变化趋势

4.3 结果分析

(1)局部放电测量

完好样品起始局部放电电压很高,接近42kV交流耐压水平,而且局部放电基本没有随着试验电压继续升高而加剧。缺陷样品则不然,其中主绝缘气隙样品起始局部放电电压低于额定运行电压,其局部放电量增加趋势几乎随试验电压的升高呈线性增长;而地屏尖端毛刺缺陷、悬浮电位缺陷以及主绝缘受潮缺陷的起始局部放电电压均高于额定运行电压,但是其发展趋势呈类似指数增长。

经分析,主绝缘气隙缺陷较小,且气隙形状较为规律,相比于尖端毛刺和悬浮电位缺陷,其电场畸变程度较小,而主绝缘受潮缺陷则是绝缘性能下降,因此主绝缘气隙样品的局部放电发展过程相对缓慢。

(2)介质损耗因数和电容量测量

主绝缘受潮缺陷的介质损耗因数、电容量和完好样品相比,差异最大。但是无论何种缺陷,介质损耗因数和电容量均没有随着试验电压变化而变化,分析其原因,介质损耗因数和电容量主要表征整体绝缘状态,而样品缺陷只是局部微小缺陷,对整体绝缘及其结构没有造成影响。

(3)接地电流测量

完好样品的接地电流发展曲线呈线性增长,而缺陷样品接地电流随着试验电压升高显著增长。经分析,若设备正常运行,容性电流远大于阻性电流,因此接地电流约等于容性电流,在此情况下电容量不发生变化,而容性电流与试验电压呈线性关系;而一旦绝缘存在缺陷,其阻性电流随着电压的升高急剧上升,因此接地电流同时会升高。

4.4 试验小结

由试验结果可知,不同缺陷样品在42kV工频耐压试验下,均未发生击穿,因此仅靠工频耐压试验是无法检测出产品真实性能的。而局部放电测量和接地电流测量是最能直观表征绝缘管型母线性能的参数,通过劣化试验结果表明,只要存在缺陷,那么局部放电的发展程度随着电压的升高变化非常迅速,在投运后短期就可能发生安全事故,因此严格的绝缘管型母线现场交接试验是很必要的。

而介质损耗因数和电容量,一般都是在产品长期运行下,缺陷发展才会有较大变化,在现场试验中,可以通过三相之间,相同的母线段进行状态量比对来分析产品性能,可以发现绝缘受潮等缺陷。

结论

目前绝缘管型母线投运前的交接试验仅进行交流耐压试验,无法有效检测出设备存在的缺陷。本文通过对环氧树脂浇注类绝缘管型母线的生产和现场安装工艺可能造成的缺陷进行分析,预制不同缺陷的10kV样品为试验对象,通过试验来支撑绝缘管型母线现场试验的项目以及判据,通过分析得出如下结论:

1)环氧树脂浇注类绝缘管型母线现场安装过程繁琐,且安装工艺直接影响设备的运行可靠性,因此必须在绝缘管型母线系统安装完毕后、投运前进行严格的现场交接试验。

2)为模拟在生产和安装中可能产生的缺陷,制作了地屏端部毛刺样品、金属悬浮电位、主绝缘受潮和主绝缘气隙四种缺陷样品以及一根完好的样品。并从局部放电量、介质损耗因数、电容量和接地电流四个状态量检测试品绝缘状态。试验证明局部放电量和接地电流测量对缺陷检测最为灵敏。

3)现有的现场交接试验仅有交流耐压试验考核,通过试验证明是远远不够的。由于目前尚无绝缘管型母线的相应交接试验标准,为提高绝缘管型母线设备运行稳定性,促进产业升级,本文建议环氧树脂浇注类绝缘管型母线交接试验应包含的绝缘试验项目有:介质损耗因数和电容量测量、接地电流测量、交流耐压以及随后的局部放电测量,并通过试验结果综合评估诊断绝缘管型母线绝缘性能。

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