有限元分析40.5kV穿墙瓷套管绝缘故障研究

彭晶,赵现平,王科,谭向宇,项恩新,张恭源,程志万,刘红文,黄然,丁薇

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

有限元分析40.5kV穿墙瓷套管绝缘故障研究

彭晶,赵现平,王科,谭向宇,项恩新,张恭源,程志万,刘红文,黄然,丁薇

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

使用有限元分析方法对40.5kV穿墙瓷套管绝缘故障进行了分析。得出故障类型,再对40.5kV穿墙瓷套管状态良好时和两种典型绝缘故障情况时的电场分布进行了研究,研究结果表明：两类典型绝缘故障均会造成穿墙瓷套管发生严重的放电现象,且内表面半导体釉未与导电排等电位造成的后果是最严重的,对两类典型绝缘故障提出了预防措施。

40.5kV穿墙瓷套管;绝缘故障;有限元分析

1 前言

对于穿墙瓷套管本体来说,以放电为主要表现形式的绝缘故障占绝大多数,且绝缘故障造成的后果常常比较严重,所以,要保证穿墙瓷套管的稳定运行,首先就要避免绝缘故障的发生。为了查明40.5kV穿墙瓷套管绝缘故障原因,有效避免绝缘故障的发生,使用有限元分析手段对绝缘故障进行了研究。

2 穿墙瓷套管典型结构

40.5kV穿墙瓷套管用于变电站或电厂的配电装置及高压电器,供导线穿过接地隔板、墙壁或电器设备外壳,支持导电部分使之对地或外壳绝缘[1]。

40.5kV穿墙瓷套管的典型结构如图1所示。从图中可以看出,穿墙瓷套管主要由导电排、端盖、瓷件、中间法兰组成。导电排和端盖采用金属铜或者铝制成。导电排起到通流的作用。端盖安装在瓷件两端,起到固定导电排的作用。中间法兰 (采用灰铸铁或硅铝合金制成)通过胶合剂(一般采用水泥与石墨等混合而成,可导电)与瓷件胶合在一起。导电排上安装有接触弹片 (一般采用锡磷青铜制成),瓷件内表面涂抹半导体釉,通过接触弹片将导电排与该半导体釉之间形成电气连接,使得导电排与该半导体釉等电位。中间法兰和瓷件大伞裙之间的瓷件外表面也涂抹半导体釉,该半导体釉和中间法兰等电位,均为地电位[2-3]。

图1 穿墙瓷套管的典型结构

3 穿墙瓷套管典型绝缘故障

穿墙瓷套管的典型绝缘故障主要分为两类：瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位、瓷件外表面半导体釉 (即中间法兰和瓷件大伞裙之间的瓷件外表面上涂抹的半导体釉)未与大地等电位。

3.1 半导体釉未与导电排等电位

瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位是造成绝缘故障的重要原因。典型案例如图2所示,该穿墙瓷套管绝缘故障是由于接触弹片腐蚀,形成接触不良,使得瓷件内表面半导体釉与导电排不等电位,造成接触弹片完全烧毁,导电排严重烧蚀,中间法兰下方部位的导电排甚至被烧出了一个凹槽。

3.2 外表面半导体釉未与大地等电位

瓷件外表面半导体釉未与大地等电位也是造成绝缘故障的重要原因。典型案例如图3、图4所示。图3中,该穿墙瓷套管绝缘故障是由于中间法兰与瓷件之间未采用导电的胶合剂进行胶合,而是采用绝缘橡胶片进行固定,导致半导体釉与大地不等电位,造成中间法兰处产生放电。

4 有限元建模

为了确定两类典型绝缘故障是造成穿墙瓷套管绝缘故障的主要原因,并对两类典型绝缘故障的严重性进行分析,技术人员使用有限元分析手段对穿墙瓷套管的电场分布进行了研究。而有限元分析首先需要对穿墙瓷套管进行有限元建模。

4.1 模型

有限元分析所使用的穿墙瓷套管为CWWL-40.5/1000耐污型户外-户内铝导体穿墙瓷套管。该穿墙瓷套管的三维立体图和空间布置图分别如图2、图3所示。

图2 CWWL-40.5/1000型穿墙瓷套管的三维立体图

图3 CWWL-40.5/1000穿墙瓷套管的空间布置图

有限元分析模型如图4所示。该模型为三相穿墙瓷套管穿过无限大墙面,计算其在无限大空间内的电场分布。该模型忽略了主变、主变35kV侧引流线、高压开关柜引流排、地面、有限大墙面等的影响[4-5]。

图4 有限元分析模型

瓷的相对介电常数设为7[6],空气的相对介电常数设为1。

4.2 网格划分

穿墙瓷套管的网格划分如图5所示。由于穿墙瓷套管中间法兰附近电场较为集中,故该部位的网格划分较密[7,8]。

图5 穿墙瓷套管的网格划分

4.3 加载

我国的35kV系统大多为中性点不接地系统,当系统发生单相接地时,允许继续运行2h[9]。此时,发生接地故障的一相电压为零,其余正常运行的两相电压上升到线电压。为了考察严酷条件下穿墙瓷套管的运行情况,得到系统发生单相接地时的最大场强,设B相发生单相接地,此时A相电压为57276kV,相位为240°,B相电压为0 kV,相位为120°,C相电压为57 276kV,相位为360°。

由于未对半导体釉建模,故将半导体釉转化为等效边界条件,即：穿墙瓷套管正常运行时,瓷件内表面半导体釉面的电压与该相导电排的电压一致、瓷件外表面半导体釉面的电压与地电压一致。

5 有限元分析

使用有限元分析方法,对40.5kV穿墙瓷套管状态良好时和两种典型绝缘故障情况时的电场分布进行了研究。

5.1 穿墙瓷套管状态良好时

对于状态良好的穿墙瓷套管,当系统发生单相接地时,其电场分布如图6所示。

图6 穿墙瓷套管状态良好时的电场分布

从图9中可以看出,最大场强出现在瓷件内部,为28.94kV/cm,,远低于电瓷的击穿场强(约≥200 kV/cm)[6]。瓷件内表面的场强为0 kV/ cm,瓷件外表面的最大场强为16.08 kV/cm,远低于空气的击穿场强 (约29 kV/cm)[10],故在这些地方不会发生电晕放电或沿面闪络现象。

可以看出,当穿墙瓷套管状态良好时,系统发生单相接地,穿墙瓷套管是不会发生绝缘故障的。

5.2 半导体釉未与导电排等电位

瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位,当系统发生单相接地时,穿墙瓷套管的电场分布如图10所示,沿导电排表面的电场分布如图7所示。

图7 内表面半导体釉未与导电排等电位时的电场分布

图8 内表面半导体釉未与导电排等电位时,沿导电排表面的电场分布

从图7中可以看出,最大场强出现在导电排附近,为66.88 kV/cm,该场强超过了空气的击穿场强 (约29 kV/cm),故在此处会发生强烈的电晕放电。

从图8中可以看出,中间法兰下方部位的导电排附近场强最大。

经分析认为,当瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位时,由于两者之间狭窄的空气层承担了大部分的电压,且导电排具有棱边、毛刺等,故电场会在这些地方集中,使得这些地方的场强大大增强,产生电晕放电现象[11-13]。

为预防瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位造成的绝缘故障,应定期对接触弹片进行维护,如紧固、打磨、清洁等,确保接触弹片不松动、无锈蚀,与瓷件内表面半导体釉紧密接触。还应注意中间法兰、端盖处密封良好,防止渗水、凝露造成接触弹片腐蚀的加速[14]。

5.3 半导体釉未与大地等电位时

瓷件外表面半导体釉未与大地等电位,当系统发生单相接地时,穿墙瓷套管的电场分布如图9所示,中间法兰附近沿瓷件外表面的电场分布如图10所示。

图9 外表面半导体釉未与大地等电位时的电场分布

图10 外表面半导体釉未与大地等电位时,中间法兰附近沿瓷件外表面的电场分布

从图9中可以看出,最大场强出现在中间法兰附近的瓷件外表面,为46.60 kV/cm,该场强超过了空气的击穿场强,故在此处会发生沿面闪络。

从图10中可以看出,中间法兰两端的瓷件外表面场强最大。

经分析认为,当瓷件外表面半导体釉未与大地等电位时,中间法兰边缘处的电力线需经过空气再斜入固体介质表面,该空气层承担了大部分的电压,故在此处容易发生沿面放电现象[15]。

为预防瓷件外表面半导体釉未与大地等电位造成的绝缘故障。应确保瓷件外表面半导体釉外观良好、无裂纹、覆盖均匀,且与地电位可靠连接。同时,穿墙瓷套管不推荐采用水泥进行封堵,而应安装在非导磁性材料制成的金属钢板上。金属钢板中间应留缝,并以黄铜填焊,以免形成涡流。金属钢板上设置接地线且接地良好。

6 结束语

对40.5kV穿墙瓷套管事故进行了分析,形成结论如下：

1)穿墙瓷套管的典型绝缘故障主要分为两类：瓷件内表面半导体釉未与导电排等电位、瓷件外表面半导体釉未与大地等电位;

2)两类典型绝缘故障均会造成穿墙瓷套管发生严重的放电现象,且内表面半导体釉未与导电排等电位造成的后果是最严重的;

3)对两类典型绝缘故障的故障原因进行了分析,并提出了预防措施。

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Research of 40.5kV Ceramic Wall Bushings Insulation Fault Based on Finite Element Analysis

PENG Jing,ZHAO Xianping,WANG Ke,TAN Xiangyu,XIANG Enxin,ZHANG Gongyuan, CHENG Zhiwan,LIU Hongwen,HUANG Ran,DING Wei

(Yunnan Electric Power Test and Research Institute,Kunming,650217,China)

In recent years,40.5 kV ceramic wall bushings insulation fault repeatedly happened in Yunnan Power Grid Corporation. In order to identify the cause and to avoid this kind of failure,technicians used the finite element analysis method for fault analysis and research.The analysis result showed that the ceramic wall bushings typical insulation fault could divide into two categories：semiconducting glaze on the inner surface of the ceramic is not equipotential with the conductor;semiconducting glaze on the outer surface of the ceramic is not equipotential with the earth.Then based on finite element analysis method,the electric field distribution of 40.5 kV ceramic wall bushings in good conditions and in two categories of typical insulation fault was studied.The research result showed that serious discharge phenomenon could happen as a result of two categories of insulation fault,and the consequence of the second category is most serious.Meanwhile,precaution of the two categories of insulation fault was proposed.

40.5 kV ceramic wall bushings;insulation fault;finite element analysis

TM854

B

1006-7345(2014)03-0039-04

2014-02-20

彭晶 (1985),硕士,助理工程师,云南电网公司电力研究院,主要研究方向为电气设备状态监测、配电网和配电设备 (email)563715547@qq.com。