直流穿墙套管的设计研制及分析

  摘要: 根据直流穿墙套管的技术方面的要求, 对直流套管的内外绝缘机理进行了初步分析和探讨, 据此提出了直流穿墙套管的设计的具体方案和设计参数, 研制生产了250kV交、直流穿墙套管。

  我国目前已有葛洲坝— 上海± 500kV、浙江舟山100kV直流输变电线路建成投运,广西天生桥至广东北郊± 500kV 直流输变电工程也正在施工建设, 举世瞩目的三峡电站也将采用二回± 500kV 直流输电线路。据悉, 云南省将要建设的小湾水电站也在考虑采用直流± 600kV 输电线路。直流输电在全国电网中的比例正在增加。为研究了解在高海拔地区高压交、直流输电线路的特性, 云南省电力试验研究所决定在高海拔地区建立交、直流污秽试验室,进行高海拔地区交、直流输电方面的研究工作。该试验室需用一只250kV交、直流两用的穿墙套管, 经协商由南京电瓷总厂进行研究制造。该穿墙套管的主要技术参数列于表1本文就该交、直流穿墙套管的直流方面性能进行了研究分析, 对直流穿墙套管的设计生产进行了初步的探讨。

  2. 1内绝缘结构及形式的确定及初步验算根据国外有关联的资料的分析, 直流套管的内绝缘亦可采用类似于交流套管中油纸绝缘电容芯子那样的绝缘结构及形式。另外, 根据国内有关联的资料介绍, 我国舟山100kV 直流输变电线路中所用的直流穿墙套管, 采用的是国产CR-220 /630Z型220kV 等级增强型交流穿墙套管,从1987年开始至今已安全运作10年以上, 虽然裕度有点过大, 但说明了交流套管的内绝缘形式用于直流电压是可行的。

  根据上述分析, 结合本厂真实的情况, 对该穿墙套管我们最终选择了类似于交流套管中油纸绝缘电容芯子这种形式作为套管的内绝缘。这种内绝缘在直流电压下, 由铝箔作为极板, 油浸纸作为极板间介质的同轴圆柱形串联绝缘体, 相当于一个串联的电阻器, 经过控制其中各电阻的数值, 也可使该绝缘体的径向和轴向的直流电场分布均匀。

  我们知道, 在直流电压情况下, 产品的静态直流电位分布由绝缘材料的电阻率所决定。为了定量计算出绝缘芯子内部的直流电场的分布, 我们假定芯子内部的电阻率在芯子内部各处都是相同的, 根据上述串联电阻器的模型, 我们大家可以计算出芯子内部的直流电场分布, 其计算结果见图1。而相同的芯子计算出的交流电场分布亦同时列于图1。

  从该图我们看出, 套管的该类型绝缘芯子在直流电压下, 假如电阻率各处相等, 那么直流电场分布与交流电场分布趋势是相似的

  根据试验研究, 我们还知道油浸纸在允许电压下不导电的材料在直流电压下的电气强度同厚度的关系, 与工频电压下的情况也相似, 其短时击穿强度大约是工频电压下的2倍。

  根据这些试验结果, 我们考虑, 对于直流状态下的电气强度分析, 可以类比交流状态下的电气强度进行。根据这样的观点, 经计算, 在直流电压下这个绝缘芯子的250kV 电压下的最大场强为3. 65kV /mm, 而此处的交流电压下起始局放场强为6. 31kV /mm。如假设此处的直流耐受场强为交流的2倍, 那么在250kV直流电压下, 该绝缘芯子的绝缘裕度大约为: 6. 31× 2 /3. 65= 3. 5。

  套管运行时, 由于传输电流的通过, 使得套管的导电管发热, 因而降低邻近的油纸绝缘的电阻率和电应力, 使绝缘芯子内部的电阻率分布不均。当绝缘介质的极性变换时,电场在暂态过程期间改变成一个新的稳定状态的直流电场, 这样的一个过程可能会引起临时的过载, 也就是具有更低电阻率的材料自身放电比相邻材料更快, 导致相邻材料承担更高的电压。这样的一种直流电压作用的情况, 可以定性的模拟成具有三种不同RC时间常数相叠加的材料来分析, 如图2所示。这三种材料的时间常数假定为T1= 100s, T2=1 000s, T3= 10s,第三种材料紧靠着导电管。并假设C1= C2= C3 , 初始电压: U1= U2= U3=13Utot。在这个例子中, C3迅速放电, 导致C1、C2充电, 使U1 ( t ) 的暂态电压在30s后达到125%13Utot。

  根据套管的国家标准及实际试验数据,载流导体在油中的温升不超过15℃ , 相对于油浸纸材料的温升大概只在20℃左右。根据试验结果(见图3) , 我们测算出20℃的温升大约会使油浸纸电阻率减小7倍左右, 远低于上述例子中的T2 /T3= 100倍。对这种情况, 我们假设由于电阻率分布的改变, 使整个绝缘芯子电场分布不均增大, 从而使绝缘芯子的电气强度下降25% (根据上述, 这个假设与真实的情况应该是比较接近的) , 这样, 芯子的绝缘裕度仍可达到3. 5× 0. 75=2. 63。另外在设计时还应考虑使导电管的载流密度取得小些, 采取一些降低导电管发热的措施, 就能减小温升, 进一步提升绝缘芯子的电气强度和绝缘可靠性。

  根据直流套管的电场计算结果, 表明芯子内部的电场分布对芯子外部的电场分布没有显著的影响。这是因为油和电瓷的电阻率比油浸纸绝缘的电阻率更低, 使得直流电流通过了这些低电阻值的材料, 控制了外部电场,从而使直流电场集中在高压电极附近。根据计算结果, 套管的直流电场分布见图4。为便于比较, 图4还列出了套管的交流电场分布。我们大家都知道, 在直流电压情况下, 相邻的

  由于直流穿墙套管的充油间隙和电瓷的影响, 套管外绝缘直流电场的分布, 对污秽和潮湿所引起的表面电导率变化是很敏感的, 尤其是不均匀潮湿经常导致电场的崎变和闪络。对直流套管外绝缘进行的有限元法计算的结果示于图6, 图6的左边图形显示的是干燥的及清洁表面的电场分布, 它与交流电场的分布看起来是相似的。不均匀潮湿的外表面直流电场分布如图6右边所示, 从图中看出, 由于套管表面的不均匀潮湿, 产生了一个具备极高的轴向和径向过应力的直流电压分布, 这将使套管甚至在低的电压下也会发生轴向闪络和径向击穿

  根据直流输电线路上的直流穿墙套管的运行经验, 250kV 及以上直流输电线%发生在穿墙套管上, 而且穿墙套管的闪络大部分都是发生在长时间干旱后的第一场雨水的初期时间, 并且负极性状态下的闪络比正极性的闪络更易发生。根据上述的电场计算及有关部门对这种闪络现象进行的认真分析和试验研究,表明直流套管外绝缘瓷套在下雨时形成的不均匀潮湿现象,对直流套管的外绝缘危害性最大。下雨时由于墙壁和房顶对法兰侧瓷套具有的遮挡作用,使得户外瓷套上的淋雨潮湿由顶部逐渐向法兰侧发展,并使法兰侧瓷套轴向伸出的干区长度逐渐缩小,以致出现了小距离的瓷套表面干区的电阻值,相对于瓷套表面潮湿区的电阻值要大得多,因而此小距离的表面干区承受了大部分的电压。当此干区表面轴向长度上的电位梯度增大到一定值时,就会出现强烈的电弧,并从干区部分向潮湿部分发展形成闪络。根据试验研究表明(见

  图7) ,当瓷套外表面的轴向方向干区与瓷套总长的比值在40%左右时,外绝缘的直流放电电压最低,它可以下降到套管均匀潮湿放电电压的70% 以下。同样的试验也表明,此现状在交流情况下也发生,但交流下不均匀潮湿放电电压可下降值为均匀潮湿放电电压的84%。交流下穿墙套管不均匀潮湿闪络现象在运行时的事故率并不是很突出,这可能是以下几个方面的综合原因所造成的。

  ①直流套管的内绝缘对外绝缘的电场分布调节作用不明显, 使得套管外表面的电场分布均匀性不如交流下的套管好。

  ②根据本文公式( 1) , 直流套管的瓷套表面与淋湿的污秽层之间, 由于d瓷= 1014· m, d水= 105· m, 使得瓷套沿面的电场畸变大, 场强值高。因此, 比起交流状况下瓷套沿面的闪络和击穿电压要低得多。

  ③由于直流电压相对于交流来说更易吸污, 并且直流放电电流在瓷套外表面易于形成飘弧、桥接现象, 使得闪络容易发展。

  ④直流套管在线路上的运行时对地电压即为标称电压, 而交流套管的实际运行对地电压为工作相电压, 因而直流套管比起交流

  套管的实际运行电压高大约1. 7倍, 这样就造成了相同额定电压套管长期耐受的电压实际上相差1. 7倍, 从而使得直流下套管比交流情况下的套管更易闪络。为避免直流穿墙套管的不均匀潮湿闪络, 目前普遍可采取的措施是:

  ②瓷套伞盘上增设若干辅助伞裙, 对闪络电压起屏障作用, 并可减弱瓷套表面不均匀潮湿的影响程度。

  ③瓷套表面喷涂RTV 硅橡胶等憎水性涂料, 以改善瓷套表面不均匀潮湿现象, 并使其表面电压分布趋于均匀。

  ④还可以在瓷套外表面喷涂半导体釉,用此办法降低瓷套表面与污秽层之间的电阻率差, 进而改善其表面的电场分布。

  根据有关联的资料, 将运行于直流线路上穿墙套管的有关外绝缘的主要参数列于表2。对照表2并根据上述的分析计算, 我们确定了250kV交、直流穿墙套管的户外(即污秽室端) 瓷套的主要尺寸参数, 也同时列于表2。由于设计时对套管的污室外端是否处于室外不确定, 同时考虑到昆明的高原气候, 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与污室端相同的瓷套。并在厂内试验完毕后, 对套管的上、下瓷套外表面涂刷了一层憎水性涂料。

  根据上述直流套管内外绝缘的分析计算及其技术方面的要求, 我们设计制造的高原型250kV污秽试验室用交、直流穿墙套管, 其结构尺寸见图8。套管制造完成后进行了有关试验, 试验数据见表3。

  在实际生产中, 通过严格的设计、工艺处理及工厂试验, 可以使直流套管内绝缘的电气性能得到比较可靠的保证, 因而可使直流套管内绝缘在实际运行中发生闪络击穿的概率不大。但是大气环境中的大雾、雨水及污秽等一些因素, 会使直流套管的外绝缘发生闪络,尺管采取加大瓷套外绝缘有效高度,提高瓷套外绝缘爬电距离这样的措施, 仍然不能完全杜绝直流套管外绝缘的闪络现象。针对这样一种情况, 有些国家对直流套管还增加了清洁雾长时间( 2h～ 4h) 的直流耐压试验及不均匀淋雨直流耐压试验, 以考核直流穿墙套管在这样环境条件下的运行可靠性。我国也应积极进行直流套管方面更多的试验研制工作, 以便尽快地实现直流输变电线路上的直流套管国产化, 满足我国直流输变电的发展需要。