特高压穿墙套管的绝缘故障及其检测 叶瀚杨 刘星星 李永健 袁振哲 高朝晖 （广东华南理工大学电力学院 2020 级） 摘要：对特高压穿墙套管的绝缘结构，绝缘材料及其生产制造工艺进行理论分析， 同时总结该套管常见的运行缺陷和故障的原因和检测方法，最后探讨物联网技术 与人工智能在套管上的相关应用。 关键词：绝缘结构，绝缘材料，运行缺陷（故障），人工智能，物联网技术 0 引言 本小组成员均为大一新生，参加导师开设的电能生产与利用主题六课程， 按照教学任务，本小组负责探讨学习特高压穿墙套管的相关知识，并将搜集到的 资料按照个人理解整理成论文。 1 绝缘结构 穿墙套管功用：是换流变、平波电抗器和中性母线进入阀厅采用合成套管， 用于发电厂、变电站的配电装置和高压电器中导电部分穿过墙壁或其他接地物的 绝缘和支持，与其它设备相连接。套管既有绝缘作用,又有机械上的固定作用。 穿墙套管种类可以分成三种：导杆式穿墙套管，母线式穿墙套管。油纸电容 式穿墙套管。目前直流穿墙套管技术方案主要有： 油浸纸电容式结构，环氧芯体 SF6 气体复合绝缘 结构，纯 SF6 气体绝缘结构。 穿墙套管主要结构包含了电容芯体，安装法 兰，屏蔽环，屏蔽接地，波纹管，户外绝缘子， 户内绝缘子，充气装置。 穿墙套管由两根复合绝缘子、支撑金属外壳和电 连接金属导体三部分组成。其中间的导流导体由铝合金制成。其中，电容芯体和 外绝缘筒之间为了保证足够的电气强度，需要填充一定压力的气体或固体绝缘材 料，一般高电压穿墙套管填充一定压力的 SF6 气体。直流穿墙套管外绝缘护套一 般采用空心复合绝缘子。套管外绝缘护套硅橡胶伞裙要具备较好的憎水迁移性及 耐老化性能。安装法兰是安装在墙体内，采用插入式连接使两端紧密连接。套管 与中间支撑筒连接处设有接地端屏蔽，防止电磁干扰，以均衡内部电压分布。接 线端子和屏蔽环能够均衡套管外部电压分布， 2 结缘结构原理 穿墙套管的绝缘结构主要有两个地方，均压屏蔽罩与安装点绝缘和外绝缘。均压 屏蔽罩是一种均压装置，可以使电厂均匀分布在物体周围，一般用于防雷等。均 压装置的形态有很多，比如均压环，均压球等。我们需要根据使用均压装置的目 的来改变均压装置的形态。比如封闭均压环用于屏蔽冲击分压器或直流发生器端 部位置场强，分段式圆环常屏蔽电抗器表面场强等。安装点处因为会有结构上的 变动，所以和均压罩之间需要绝缘。内绝缘一般比较稳定，一般不会受到空气湿 度与外界污秽程度的影响。外绝缘包括各种类型的绝缘子、套管、瓷套等，即电 气设备中所有暴露在大气中需要绝缘的部分。外绝缘长时间在大气中运行，除了 承受电气、机械各种应力外，还须承受风、雨、雪、雾、雷电和温度变化等自然 条件影响，还受到表面污秽和外力损坏等影响。目前防雨闪的材料有 RTV 等，性 能还可以。 生产当中会出现均压环结构设计不合理 和套管内部等电位连接点发生异常放电 两个问题。生产过程曾经出现由于均压 环结构设计不合理导致的直流耐压试验 过程中发生外部闪络的设计缺陷。同时，套管生产和设计要充分考虑套管内部的 电气连接部位的裕度，来避免电位连接点发生异常发电，保证其良好的电接触。 3 绝缘材料 瓷套管 成型方法:挤压成型 步骤:原料选择——破碎——配料——磨机（湿磨、细碎）——过筛、 除铁——脱水——炼泥——陈腐——可塑性泥料——挤出坯料——半成品成型 ——干燥、入窑--成品--检验 破碎运用颚式破碎机，在破碎机内经过多次的碾压等力的作用。且由于电机工作 的周期性，可以实现批量生产。配料一般选择的是耐火粘土为主成型压力 120Mpa， 促使 zro2 颗粒烧结反应完全，呈现较好表面结构。检验主要看有没有裂纹，损 坏等。缺陷:雨水不均匀分布会出现雨闪.由于雨水会减弱空气距离，当电压过大， 空气距离过小，就容易造成放电。 SF6 制备:方法较多，这里列举电解法 将硫、二氯化硫、一氯化硫、二硫化碳或硫化氢等加入到无水氟化氢中，以镍为 阳极进行电解即可制得六氟化硫。用硫化氢与无水氢氟酸电解时，以镍作极，铁 作阴极，温度为－10～20℃，电压为 7～20V。 缺陷：在充气接头腐蚀表面刮取粉末试样，利用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀 产物的微观组织形貌及能谱成分分析。分析结果表明腐蚀产物中除了 Al、O、Cu 等元素外，还有大量的 S 元素存在。腐蚀表面存在 S 元素，说明运行环境中可能 还有 SO2 、SO3 、H2 S 等硫化物有害气体。 硅橡胶套管 生产工艺:混炼--挤出成型--硫化 混炼是为了提高橡胶制品的机械性能，需加入各种配合剂。用各种配合剂均匀地 分散到生胶或者塑料胶中的工艺过程称为混炼挤出成型，这一步确定产品的规格 尺寸。硫化，方式多样，这里列举化学硫化法。这一步将线性高分子通过交联作 用而行形成网状高分子的过程。老化后，憎水性能下降，使发生雨闪概率增大。 机械性能也下降。 4 常见的运行故障与缺陷 缺陷一发生的背景：在纯 SF6 气体绝缘套管中，往往在中部靠近法兰处使用支 撑绝缘子解决导体挠度变形问题后溪浙工程金华站的某型±800 kV 穿墙套管在 夏季运行时内部发生了闪络。 探究的过程：为探究其中故障的原因，我们对 该支套管进行了解剖。解剖发现，在套管内部 法兰处位于最上面的垂直支撑绝缘子有烧焦迹 象，即发生了闪络，电弧 从 法兰出发，经过绝缘子最后到达金属护套。同 时，法兰测的电极有明显融化的金属痕迹，因 此产生金属粉尘也会造成套管闪络的怀疑。下面就设计了了 1 套 SF6 环境下实 际绝缘子缩比试验系统，验证无污染物和局部放电时套管支撑绝缘子绝缘裕度充 裕，排除套管支撑绝缘子本身的绝缘性能对实验造成干扰。试验结果表明抑制穿 墙套管局部放电后，内部无污染无局部放电时绝缘裕度很充裕，而且污染物对支 撑绝缘子绝缘强度影响很大。 探究的结论：因此可以判断出故障的原因是和内部的污染物有关联的。污染物有 触头摩擦产生的金属粉尘(铜、铝合金、银、镍)，来自螺钉螺母润滑不够的金属 粉尘(铁、镍、铬)，和其他少量来自生 产环境隔离和洁净度不够的粉尘。 原设 计中滑动触头与支撑绝缘子距离很近，触 头处的摩擦生成的粉尘受到电场中的作用 力，会被吸附到绝缘子和电极表面，引起 电场畸变。后果是闪络时 产生的电弧使得 内部气体升温膨胀，内部气压升高 使得泄 压用的安全隔板被破坏，影响特高压穿墙 套管的正常运行。 修改的办法：取消三角支撑绝缘子正中间垂直部分,只保留 左右成 120°夹角的 2 支斜撑绝缘子。需要提高套管的制造质量，对制造车间清洁度重视意识的提高。 故障一发生的背景：±800 kV 云广特高压直流工程的 800 kV 直流穿墙套管投运 三年后频繁出现故障。 探究的过程：为分析故障的原因， 对 3 支套管进行了解体检查， 发现出现不同 故障的共同原因均为套管户外端与户内端连接的锁紧环螺纹磨损，在套管内部气 室产生了少量金属粉尘，磨损产生的金属粉尘附着于套管短尾端。对该套管进行 绝缘电阻、 电容及介损测试，结果发现引起套管介损增加， 严重时造成绝缘下 降， 电流击穿末屏接地点形成放电，同时螺纹磨损造成户外端与户内端连接紧 固力下降， 表现为套管直流电阻增大。 探究的结论：由于其设计结构的缺陷，造成连接户外部分和户内部分的金属锁紧 环内螺纹磨损，当内螺纹磨损较轻时，可能只引 起套管回路电阻增大； 而当磨 损较严重，产生的金属粉尘达到一定程度后，则由于粉尘附着于套 管短尾端， 引起介损偏大，严重时造成绝缘下降，电流击穿末屏接地点形成放电。 修改的办法：在压紧环径向之间额外增加 2 个定位销，控制锁紧环在轴向位移造 成的磨损。 故障二发生的背景：对中州站和金华站两起由于直流穿墙套管故障导致单极闭锁。 探究的过程：对故障发生现场进行检查，发现套管表面存在明显的放电现象，伞 裙弹性良好，在对套管的 SF6 气体进行分解物、微水等项目检测未发现异常。再 通过对保护动作时刻的相关电流、电压及差动电流波形进行分析，初步判断为极 母线差动保护范围内出现短路故障。 探究结论：在小雨加雪的恶劣环境下，由于风向因素，在套管顶部形成干区，且 伞裙间积存大量湿雪，造成套管表面局部电压畸变，套管温度比环境温度高时湿 雪逐步融化，在伞裙间形成融雪桥 接，从而导致套管外绝缘闪络。 修改的办法：待极Ⅰ高端阀组置检修后对极Ⅰ极母线直流穿墙套管进行了更换处 理。 故障三发生背景：普洱换流站预试发现０２２Ｂ 换流变Ｃ相（１２Ｔ１２． Ｌ ３）阀侧３．２套管末屏对地绝缘电阻试验不合格。测试电压 为２５０Ｖ，测 得绝缘电阻为１２ｋΩ，测试电压大于２５０Ｖ时无法建立电压，其余换流变阀 侧套管末屏绝缘电阻测得值均在ＧΩ级。规程要求末屏绝缘电阻应大于１０００ ＭΩ。该支套管主绝缘电阻、电容量及介损、ＳＦ６ 微水及分解产物测试 均合 格。对末屏处进行抹布蘸酒精擦拭、热风吹干等处理 后，再次测试，绝缘电阻 值仍在２００ｋΩ以下。 探究故障原因：经上述对末屏端子表面的处理后，绝缘电阻值仍很低，因此初步 判断为内部绝缘故障。拆除末屏压紧弹簧、导电杆检查后，发现末屏顶针存在生 锈、水渍现象，表明末屏端子所处的油气分离室已严重受潮，甚至可能进水。 进 一步检查发现油气分离室顶部密封螺帽缺失，用内窥镜从密封螺帽处探入检查发 现油气分离室内部已积污。以下左侧为故障套管油气分离室内部图片，内部积污 严重；右侧为正常图片，干净明亮。综上所述，可判定此次末屏绝缘异常是由套 管出厂时未安装油气分离室顶部密封螺帽所导致。 解决方案：用抽真空法进行干燥处理， （１）先用无水空气冲洗分离器，以清理内部污秽及杂物。 （２）真空检漏。真空度达到１３３Ｐａ开始计时，维持真空泵运转至少３０ｍ ｉｎ；停泵并与泵隔离，静观３０ｍｉｎ后读取真空度Ａ； 再静观５ｈ以 上， 读取真空度Ｂ。Ｂ－Ａ≤ ６７Ｐａ（极限允许值１３３Ｐａ）才合格，否则先 检测泄漏点。 （３）真空干燥。采用设备内部抽真空方法可除去残存水分，但是从有机绝缘材 料中析出的水分若也用抽真空方法除去，则必须进行较长时间的抽真空，时间可 根据绝缘状况进行调整。 5 人工智能与物联网技术在特高压穿墙套管的应用 物联网与人工智能与穿墙套管的关系：物联网是指通过各种信息传感器、射频识 别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集 任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化 学、 生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人 的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于 互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象 形成互联互通的网络。它分为感知层、网络层以及应用层，结合穿墙套管，简单 来说就是通过各种感应仪器时刻将套管的动态数据输入到网络中，并通过这种变 化来监测穿墙套管的安全故障等问题。人工智能就是通过计算机各种数据的输入 来完成一系列的指令。 物联网、人工智能技术的应用：穿墙套管由于长期暴露在外界环境中，因此覆冰、 温度、湿度以及关键零件绝缘子都可用传感器来进行监测。例子如下： 多光谱图像识别监测绝缘子的污秽程度， 热型红外传感器以及量子型红外传感器监测温度（图 3-5）， 运用图像识别技术来监测覆冰， 光电感知技术：此图是红外成像图 高压套管多参量在线感知装置： 通过在末屏接地线上安装高频电流互感器、特高频电流互感器-和介损电流互感 器一体化的传感器，实现了高压套管局部放电和介质损耗的一体化传感和测量。 将局部放电、雷电过电压、工频泄漏电流传感器集成在同轴圆柱外壳内，实现了 多种套管状态的感知。 监测套管受压程度： 参考文献 [1]张晋寅，韦晓星，夏谷林，楚金伟，邓 军，周海滨 套管运行特性分析 南方电网直流穿墙 [2]柴影辉 张楠楠 特高压直流穿墙套管在±800kV 换流站中的应用 黑龙江 科技信息, 2013, 期 30 [3]刘朋飞 南振乐 李振军 ±800kV 气体绝缘直流穿墙套管的研制 西安西 电开关电气有限公司，西安 710077 [4]刘奇 sf6 电流互感器典型漏气缺陷分析 [5]刘杉 宋胜利 卢理成 梁曦东 刘泽洪 等±800 kV 特高压直流穿墙套管故障 分析及设计改进 [6]谢超，何平 800 kV 特高压直流穿墙套管故障分析 [7]史磊 关于特高压换流站直流穿墙套管故障的典型案例分析 [8]颜波 马向南 特高压换流变穿墙套管末屏受潮处理新方法