浅谈500 kV断路器瓷套管爆炸原因

牛 会

(内蒙超高压供电局，内蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

内蒙古超高压供电局500 kV变电站2015年8月和2016年12月接连发生两起断路器瓷套管炸裂造成的变电站跳闸事故。高压套管是高压导体穿过与其电位不同的隔板，起绝缘和支持作用，是电力系统中的重要设备，按照材料可分为瓷套管和复合绝缘子套管，蒙西电网500 kV断路器大部分使用的是瓷套管，瓷套管稳定运行至关重要。

1 套管结构调研

1.1 B厂家500 kV断路器套管设计情况

B厂家罐式断路器所配瓷质套管或复合套管外部为改善电场分布装设了旋压式(一体化)的超长屏蔽罩。同时，B厂家所生产的罐式断路器用套管形状和高度均按照电压等级的不同来设计，其500 kV断路器所配套管均为双屏蔽结构，整只套管由均压环、中心导体、复合套管(瓷套管)、中间屏蔽、接地屏蔽、绝缘支撑等构成。接地屏蔽经金属法兰与大地相连，实现对地等电位；中间屏蔽由铝质材料制作而成，采用悬空设计，人为不施加电压，起分压作用，主要作用为使中心导体和接地屏蔽间的电场均匀分布。

为了保证所设计的套管满足场强要求，B厂家设计人员利用ANSYS公司的Maxwell 3D软件对双屏蔽结构套管在雷电冲击下的内部场强分布进行了仿真计算分析。计算结果表明双屏蔽结构的瓷质套管内部场强较高的部位主要集中在中间屏蔽层上，改变屏蔽层的高低和直径都会对电场的分布产生影响，最终计算结果决定了套管内部接地屏蔽和中间屏蔽的结构尺寸。

1.2 A厂家500 kV断路器套管设计情况

A厂家供内蒙古武川500 kV变电站断路器所使用的瓷质套管与B厂家自主设计的瓷质套管在结构有所不同。其配套管采用单屏蔽结构，即只有接地屏蔽而没有中间屏蔽，且中心导体不是等径的（导杆上部较粗，下部较细），套管内部只有接地均压屏，外部没有均压环。

1.3 C厂家500 kV瓷质套管情况

C厂家所供国内各大开关厂500 kV瓷质套管的结构尺寸均由各开关生产厂家设计。其中，供B厂家500 kV断路器所配瓷质套管高度为4.9 m、下口内径为460 mm、上口内径为130 mm，供A厂家500 kV断路器所配瓷质套管高度为4.6 m、下口内径为490 mm、上口内径为120 mm。

A厂家供内蒙古超高压供电局武川站500 kV断路器所配瓷质套管的设计图纸原型为A厂家所采用的欧洲420 kV电压等级设计，裕度可能较小。在极端条件下，容易发生闪络，而且套管外部没有均压环，采用单屏蔽结构也会降低屏蔽作用。以上可能是构成断路器套管不能稳定运行的不利因素。

1.4 D厂家500 kV断路器套管设计分析情况

D厂家技术人员在考虑瓷质套管各环节出厂试验的严格性后，认为套管炸裂的可能原因是电。技术人员指出：欧洲电气设备较小型化，日本的电气产品对抗震性能要求较高，而A厂家的电气裕度虽较小，但极端不合理的情况很少出现；在气温较低的情况下，电场强度会受到影响，但是六氟化硫的分子数没有变，而起绝缘能力的关键是六氟化硫的分子数量。技术人员提醒较低气温可能会引起六氟化硫液化，套管顶部的六氟化硫分子数量会减少。在日本的伊敏电厂(音译)曾有过类似事故，一致认为六氟化硫液化对瓷套内压力产生影响是事故的主要原因；对于A厂家中心导体内径不一致的原因，技术人员分析可能有散热的因素，内径越大，散热效果越好。套管单屏蔽和双屏蔽相比，单屏蔽通关产品的制造、运输、安装比双屏蔽产品要简单，双屏蔽套管工艺复杂，但是对电场的优化优于单屏蔽。

2 套管电场强度有限元分析

单屏蔽套管结构简单、安装制作方便、成本较低，经过对单屏蔽套管场强分布进行仿真计算分析，发现单屏蔽套管场强较双屏蔽套管大、难以满足设计要求。国内某厂家生产的500 kV单双屏蔽套管某型号瓷质管场强分布仿真计算结果详如表1，2。对国内某型号套管在无内屏蔽电极、单层接地电极及双层屏蔽电极3种情况的电位分布进行分析。

表1 电场强度计算结果及许用值 kV/cm

无内屏蔽电极时接地法兰附近等位线较为密集，空心绝缘子表面场强较高。内屏蔽结构的作用是强制性地将约50 %的电位控制在空心绝缘子中部。由表1和表2以及电位可以看出双屏蔽套管均压效果更好，绝缘裕度大于单屏蔽。

表2 额定相电压下电场强度计算结果及许用值 kV/cm

3 结语

A厂家设计的瓷套管采用单屏蔽结构，只有接地屏蔽而没有中间屏蔽，中间屏蔽的作用主要是使中心导体和接地屏蔽间的电场均匀分布，电场仿真发现单屏蔽场强高于双屏蔽；另外，A厂家设计的瓷套管偏短，瓷套管绝缘距离短，出口端无均压环，其设计的瓷套管裕量偏小。电场分布不均匀带来的局部高场强和套管裕量偏小会大大增加运行中瓷套管绝缘出现放电故障的概率。