500 kV变压器高压套管闪络事故模拟试验分析与预防

许广虎，金 铭，张 陵，吴 标，何丹东，王 建

(国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011)

0 引言

近年来全球气候不稳定性加剧致使出现雨线北移现象，导致我国西北干旱区域出现了罕见的暴雨极端天气，影响西电东送的交直流工程变电站(换流站)中户外电气设备除了传统的污闪、风偏等事故威胁之外还有雨闪事故发生[1-2]。如2012年，青海某750 kV变电站1号变压器B相高压套管发生淋雨闪络，导致1号节变压器发生跳闸事故。2014年青海某开关站鱼沙II线电抗器B相750 kV套管外绝缘发生闪络放电，造成鱼沙II线跳闸[3]。高压套管作为变电设备实现与外部电气网络连接的重要装置之一，发挥着支撑和绝缘的作用[4-9]。文献[10-12]分析了我国近些年暴雨环境下变电站(换流站)套管外绝缘闪络事故，发现事故套管大都为密集型伞裙结构的瓷质套管，其外绝缘结构符合当地污秽条件。

笔者通过分析2021年西北地区某坑口电厂自备变电站500 kV高压套管暴雨环境下的外绝缘闪络典型事故，介绍事故发生经过，根据事故时设备和环境参数进行了高压试验事故过程模拟，详细分析导致事故发生的原因，并提出相应的改进措施，为雨线北移气候环境下西北地区输变电工程用高压套管改进提供技术参考。

1 典型案例分析

2021年6月16日，西北某电厂所在地区出现罕见极端暴雨，通过查询雷电监测和微气象系统，自备变电站及沿线当天并无雷电活动，但短时降雨量达到罕见的60 mm/h，且伴有最大20 m/s的局部大风，500 kV电压等级变压器C相高压套管却在暴雨来临后5 min左右发生外绝缘闪络，闪络时站内并无操作。故障前变压器三相相电压在317 kV～320 kV范围，故障前变压器负荷为420 MVA，三相分配均匀，故障后查看录波图，C相高压侧最大故障电流达15 085 A，持续时间为60 ms，系统无其它故障，除变压器差动动作保护外，无其它保护动作。现场对C相变压器套管进行了外观检查，发现500 kV高压套管底座法兰处有放电烧蚀，附件伞裙表面有烧蚀痕迹，放电部位见图1。

图1 事故套管闪络部位Fig.1 Flashover position of accident bushing

事后对套管进行了绝缘电阻、介损损耗、电容量和绝缘油色谱检测，结果均未超标。

2 试验参数及布置

2.1 试验参数

考虑到高压套管外绝缘闪络发生时，环境中存在着雨水、风力、污秽等因素，本研究在试验中对事故时的降水、雨水电阻率、风力风向和污秽程度等参数进行模拟拟合，分析出高压套管真实的闪络原因。

2.1.1 瞬时雨强

由于大气降水是一个较长时间的持续不均匀过程，考虑到导致高压套管发生闪络的重要影响因素短时最大降雨量，采用1 min内的降雨总量，单位为mm/min来表征事故时瞬时雨强。由于当地气象部门对瞬时雨强的实测数据较少，因此采用了雨量时程方程来推算闪络时瞬时雨强[13-14]。雨量时程方程反映了在一次降雨过程中，雨量和时间的关系，见公式(1)。

(1)

公式(1)中，T是一次降雨的总历时；R是T时段的降雨总量；t是T时段内的某一时间片段，故t≤T；r是t时间段内的降雨量。取t=1 min，计算得到的r即为相应降雨时段的最大瞬时雨强。雨强取值为5.1 mm/min，考虑到计算的误差，耐压试验时瞬时雨强选用4 mm/min、5 mm/min、6 mm/min 3个等级，较符合套管闪络时的真实雨强。

2.1.2 雨水电阻率

自然环境中雨水的电阻率范围一般在(1～10)×103Ω·cm。但事故发生前，电厂所在地区长时间未下雨，且坑口电厂附近大气中气溶胶物质较多，通过对电厂气象站收集雨水的采集检测，确定试验中雨水电阻率为0.8×103Ω·cm，比一般自然环境低。

2.1.3 风速风向

事故现场微气象系统记录最大风速为20 m/s的局部大风，考虑到闪络发生时风速存在一定的不确定性，试验时风速分别取16 m/s、18 m/s、20 m/s。

风向和设备存在一定的夹角会导致形成雨倾角，结合现场具体风向，试验时雨倾角与水平面夹角为60°、45°和30°。

2.1.4 污秽程度

事故现场为西北内陆地区，常年经受沙尘袭扰，主要为A类污秽，通过调阅事故前检测的变电站参照盘式绝缘子等值附盐密度(ESDD)为0.1 mg/cm2和等值附灰密度(NSDD)2 mg/cm2。

2.2 试验布置

本研究试验选用事故交流500 kV电容式陶瓷变压器套管的备品件，伞裙为一大一小伞型，总长度7 760 mm，最大杆径615 mm，平均杆径395 mm，导电杆直径100 mm，上瓷套干弧距离5 470 mm，见图2。

图2 套管具体尺寸图(单位：mm)Fig.2 Specific dimensions of bushsing(unit:mm)

1 000 kV/2 000 kVA工频试验变压器产生试验所需电压，其峰值不确定度满足高压试验要求。模拟事故时的风雨环境是由变频风机、淋雨排构成。通过改变风机的输出功率和叶片偏转角度来获得试验所需的风速、风向，风机最大稳定输出风速可达30 m/s，选用三杯风向风速仪进行复测。淋雨排选用直径为1.5 mm标准喷头，满足IEC标准要求，其喷淋有效覆盖面积为10×5 m，通过控制输入水量来实现雨强大小控制，且使用翻斗式雨量传感器进行复测，淋雨排垂直置于套管上方10 m处[15-16]。通过在自来水中加NaCl来配制0.8×103Ω·cm的雨水，且用电导率仪进行复测。套管污秽污液主要由氯化钠、硅藻土和纯净水组成，采用固体污层法进行均匀涂抹。试验布置见图3。

图3 试验布置示意图Fig.3 Schematic diagram of test layout

2.3 试验方法

在试验中，依据GB/T 16927.1-2011标准，根据运行时监测到的相电压对高压套管进行工频耐压试验。同一工况条件下开展5次试验以保障试验结果的准确性，每次试验后将套管表面剩余污秽冲洗干净干燥后再进行下一次涂抹，试验前后记录环境大气压强和温湿度值。

3 工频电压试验

试验时，高压套管在30°、45°、60°雨倾角条件下分别选择4 mm/min、5 mm/min，6 mm/min的瞬时雨强和16 m/s、18 m/s、20 m/s的风速结合条件下进行320 kV工频耐受试验。试验时套管典型闪络图见图4。试验中电弧沿套管表面放电，电弧最先在套管下半部发展。试验结果见表1。

图4 高压套管典型闪络图Fig.4 Typical flashover diagram of high voltage bushing

表1 工频电压试验数据结果表Table 1 Data and results of power frequency voltage test

通过表1试验数据表明，在瞬时雨强6 mm/min、20 m/s风速，45°雨倾角条件下，500 kV高压套管出现闪络。同样在6 mm/min雨强、30°雨倾角、18 m/s、20 m/s风速条件下，500 kV高压套管也发生闪络。考虑到事故时30°雨倾角发生情况概率较低，可以判断出C相套管发生闪络事故时的环境因素为6 mm/min、20 m/s风速，45°雨倾角。

4 原因分析

4.1 有限元仿真分析

按照图2所示设备尺寸和材料的相对介电常数，利用有限元仿真软件建立事故时变压器高压套管有限元仿真模型[17-21]，得到套管电场分布图，见图5。

图5 套管电场分布图Fig.5 Electric field distribution of bushing

图5中套管的电场分布图，套管外绝缘电场主要集中在下端法兰盘上方伞裙和顶端伞裙处，中间部分伞裙电场强度相对较小，表2中数值为套管外露部分平均10等分时，相对应伞裙表面最大场强,图5中曲线为套管外表面电场强度的等值线，在套管伞裙边缘和根部干湿交集区域等值线密度变大，电场出现了明显的畸变。

表2 不同位置伞裙表面最大电场强度数值表Table 2 Maximum electric field intensity of shed surface at different positions

当雨水湿润套管表面超过一定量时，其在瓷表面的粘合力和重力实现一个动态平衡。在水滴表面张力作用下，致使水滴在伞裙边缘缓慢坠落，形成了挂在边缘的水珠链，在伞裙的迎风雨面一侧，环绕伞裙边缘水珠链分布不规则，同时在重力和风力作用下沿着伞裙向下流淌，易形成雨帘。当雨量较小时，后续雨水的补充不济使得其张力较小从而不会桥接伞裙间的空气间隙。然而当事故为瞬时雨强为6 mm/min这种暴雨级别时，短时可造成雨水的流量增大，边缘水滴的体积快速变大，并最终由于重力和风力的作用下迅速拉长，形成不间断的水柱导致伞裙间的空气间隙减少，形成 “表面+水柱+空气间隙”串联路径的放电路径，同时伞裙间低电阻率的水汽弥散，干燥的空气间隙迅速减少，套管伞裙下表面外沿部分容易受潮而形成新的湿污区，套管爬电距离缩小，同时靠近套管芯棒的上下表面暂未受潮部分形成的干区表面电场畸变严重，承受了更高的电压，导致整支套管的放电电压降低[22-24]。

由于伞裙电场强度大,见表2，最大接近10 kV/cm,且电场分布极不均匀，容易在畸变处产生局部放电，套管承受放电电压过低，最终造成闪络事故。

4.2 雨倾角对闪络的影响

降水时，风向和风力作用易造成一定角度的雨倾角，然而套管大伞裙对小伞裙存在一定的遮蔽作用，当在无风和小角度风的条件下表现为对雨水完全遮蔽，空气中弥漫的水汽会对套管污秽层起到湿润作用，但浸湿过程较长，如果要发生闪络事故，一般是在降水过程的中后期[25]。当存在较大迎风角时，则表现为不完全遮蔽，见图6。当大小伞裙之间的伞间距和大小伞裙之间的伸出差之间的正切角大于风向角度时，迎风侧大伞裙不能完全遮挡雨水，小伞裙上有部分区域被雨水润湿。

图6 雨倾角对套管表面影响示意图(单位：mm)Fig.6 Schematic diagram of influence of rain inclination on bushing surface(unit:mm)

见图6，设小伞伸出为p1，大伞伸出为p2，大小伞距为h，θ为雨倾角与水平面的夹角，r为套管的半径。设立二维坐标，建立圆的方程(2)。

(2)

见图7，湿润面积对应为弦AB对应的大小伞裙的弓形面积之差，弓形面积为对应扇形面积减去弦与两条半径围成三角形的面积。

图7 套管小伞裙湿润面积示意图Fig.7 Schematic diagram of wet area of casing small umbrella skirt

令y1=y2，得到x1=x2，

(3)

弦AB长度为

(4)

得到小伞裙对应劣弧弓形面积S1，

(5)

同理大伞裙对应劣弧弓形面积S2

(6)

计算得到湿润面积为

S湿=S1-S2

(7)

由公式(7)可以看出，当套管尺寸确定后，随着雨倾角与高压套管的夹角越大，小伞裙被雨水直接浸湿的面积也就越大，当雨倾角角度30°，小伞裙湿润面积27 245 mm2；角度45°，湿润面积为8 602 mm2；角度60°，湿润面积为321 mm2；当角度大于61.9°，小伞裙表现为不湿润，当角度小于26.56°雨水将直接湿润套管迎风面伞径，由此可以看出雨倾角越小，导致套管的干区面积减少，整个套管表面电阻会减小，干区承受的电压增加，两个电极间在相同电压下流过更大的泄漏电流，更容易发生闪络，见表1，第一次闪络发生时泄流电流峰值高达1 857 mA。

4.3 套管尺寸对闪络的影响

由图2套管尺寸图可以看出，暴雨期间“上小下大”的圆锥形套管结构形式会导致其上部的雨水会顺着套管表面流淌至下部，加速了下部伞裙间的雨水桥接趋势。

伞间距是影响套管外绝缘闪络的原因之一，较小的伞间距使得伞裙上表面流下的水柱引起成伞间空气间隙缩小，且容易被所直接短接，同时使得滴落在下伞裙上表面的水滴更容易飞溅至上方伞裙的下表面，见图8，使得整套管的受潮面积扩大，表面电阻降低和泄漏电流增大[26-28]。

图8 套管伞裙表面湿润和桥接过程示意图[22]Fig.8 Schematic diagram of surface wetting and bridging process of casing skirt[22]

同时根据4.1仿真分析，随着伞间距的缩小，上下两个伞裙、伞根处两点之间的畸变电场叠加效益增大，导致整个套管电场畸变程度加深，更容易发生闪络。

4.4 降水和污秽的影响

降水过程前期，由于水珠的张力以及与瓷表面粘合力的作用，伞裙上的水珠不断集聚形成水膜，当大气降水补充迅速时，套管表面的水膜面积短时迅速扩大，水膜缩短了套管的绝缘距离，造成其绝缘水平的下降，闪络所需电压大幅度减小，同时当雨水电阻率变小时，也会导致雨闪所需电压的逐渐下降[29-30]。

由于降水初期，雨水未能及时冲刷套管表面污秽，导致污秽溶入套管表面水膜从而加剧电阻率快速下降，闪络更易发生。同时侧面也反映了闪络事故是在暴雨降临的5 min内套管发生，暴雨后期未发生其它套管闪络事故的原因。

5 预防改进措施

通过第4节原因分析，发现这起套管外绝缘闪络事故是多物理因素耦合导致的污雨闪事故，通过改进套管自身客观的条件之一，破坏事故链发展因素，可防止闪络事故的再次发生。

雨闪的防范措施主要从减少雨水侵袭作用方面来考虑，从运行角度看，加装隔雨伞被认为是一种能够有效提升套管耐雨闪的性能的防护措施。本研究选用伞伸出长度120 mm隔雨伞，设计图见图9。试验表明，隔雨伞加大了伞伸出，当隔雨伞上表面的雨水自然流淌到边缘时的速度也越大，水平动能也相应增大，造成了雨帘的外斜现象，避免了与下伞裙发生桥接的可能，同时减缓了隔雨伞下面3片伞裙被雨水湿润程度，且有效增加了套管的爬电距离，并使得部分伞裙具备良好的憎水性和憎水性迁移特性。

图9 隔雨伞设计图Fig.9 Dimension of shed

在套管上安装隔雨伞试验和现场效果见图10。

图10 隔雨伞试验和现场效果图Fig.10 Shed test and field effect

6 结论

针对西北地区一起高压套管雨闪事故，开展了模拟高压试验，进行详细的原因分析，并提出了改进措施，得出结论如下：

1)本次变压器高压套管的外绝缘闪络事故主要是由大角度的疾风、低电阻率的暴雨和套管自身污秽等多方面因素耦合导致的，事故时环境因素大概率为6 mm/min雨强、20 m/s风速和45°雨倾角。

2)事故发生前夕，高压套管伞裙和根部电场畸变严重，局部伞裙表面电场强度接近10 kV/cm。

3)风力和迎风角度形成的雨倾角度对高压套管的雨闪有着严重的影响，雨倾角越大，雨闪发生的概率越大。

4)适当加大伞间距有利于提高爬电距离，防止伞裙间的空气间隙被击穿，降低套管雨闪的发生概率。

5)通过加装隔雨伞可减缓伞裙被暴雨湿润程度，提高套管防雨闪性能。