500千伏SF6瓷质套管为什么炸裂 内蒙古电力集团专家发布研究成果

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SF6填充式瓷质高压套管的炸裂事故对电力系统的稳定运行十分不利，同时也给相关工作人员的人身安全造成了极大威胁。近年来，我国北方发生了多起SF6瓷质套管炸裂事件，但事故原因尚未明确。因此，该类套管在多种工况下的运行特性还需要更加深入的分析。

针对这一问题，内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司、内蒙古电力（集团）有限责任公司、内蒙古超高压供电局、西安交通大学电气工程学院的研究人员赵建利、姚顺、岳永刚、姚树华、杨兰均，在2021年《电工技术学报》增刊2上撰文，对500kV电压等级的SF6填充式瓷质高压套管在电场、电热耦合场中的运行特性进行研究。

他们发现，雨雪、积污等外绝缘因素以及温度分布基本不会成为套管炸裂事故的诱因。但在低温环境下，SF6气体在套管内壁上的液化现象会引起液膜端部电场激增，甚至可能导致局部电场高于SF6气体的击穿场强，从而致使绝缘失效、气体放电等情况发生，最终引发瓷质套管炸裂事故。

套管是高压电力设备如变压器、断路器、阀厅穿墙等绝缘结构中的重要部件，其在各类工况下运行的安全稳定性对于相关高压设备整体的可靠性、电站工作人员的人身安全，以及电网输送电能的稳定性都具有重要意义。不同结构套管的共性在于主绝缘中电场分布较为复杂，一些电场集中位置处的局部电场强度可能达到套管内平均电场强度的数倍。

通常情况下，套管的绝缘结构设计会考虑到局部最高电场强度，从而提高绝缘尺寸并预留出较大的绝缘裕度，使得套管在正常工况甚至是过电压情况下都能够承受较大的局部电场强度。在少数情况下，套管的绝缘特性会面临很大威胁，甚至引发绝缘失效。

对于SF6填充式高压瓷质套管，绝缘失效会引发严重的事故，例如，会导致主绝缘击穿产生气体放电，引发套管破损。一般情况下，瓷质套管内部SF6气体压力高达5个大气压以上。当瓷质套管破损时，其内部巨大的气体压力会在瞬间导致瓷质套管炸裂。

近年来，在我国北方地区发生了几起SF6断路器瓷质套管炸裂现象，事故发生于秋冬两季且事故发生前无明显恶劣的天气情况、无其他设备异常或故障、工作人员无任何操作、系统未检测到过电压等异常工况。可以认为，在正常运行过程中，瓷质套管发生了炸裂。套管炸裂能量巨大，炸裂瓷质碎片散落半径约为60m，其周围的电力设备包括断路器罐体也遭受了不同程度的损坏。这类事故不仅严重影响了电网安全稳定运行，而且也影响了变电站正常巡视与检修工作的开展。因此，急需找到可能的故障原因，杜绝此类事故的发生。

目前，对于事故成因尚无定论，一种可能的解释为，在特定运行环境下，套管内部局部瞬时电场强度高于SF6气体的承受能力，导致气体放电的发生。在多数情况（甚至是过电压）下，封装气压下的SF6气体的击穿场强远远高于设备内任一位置的电场强度。

但是，SF6气体的低温液化会在降低气体绝缘强度的同时使套管内部局部电场发生畸变，从而引发气体绝缘失效。对于SF6填充式瓷质套管而言，传统的电场分布仿真计算多考虑设备正常运行工况，未曾研究各类异常或极端运行工况对套管运行特性，尤其是内绝缘特性的影响。因此，对于套管多次故障原因的认识尚不全面，需要对各种运行工况以及各种内外部环境条件下套管的运行特性进行仿真分析，判断出现SF6气体绝缘失效的可能原因，以此作为瓷质套管炸裂原因分析的重要参考。

此外，当前金属封闭气体绝缘设备，如气体绝缘封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）、气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Metal- enclosed Transmission Line, GIL）、气体绝缘穿墙套管等高压设备，由于其结构的紧凑性以及长期运行的可靠性等优势，受到世界范围内高压交直流工程的青睐。

然而，目前对于在寒冷地区冬季低温下SF6气体的可靠性研究较为缺乏，有必要开展SF6气体低温液化对设备绝缘影响的分析研究工作，这将对后续SF6气体绝缘设备在寒冷地区长期运行的可靠性分析及故障预防措施制定提供必要的参考。

在此背景下，内蒙古电力（集团）有限责任公司等单位的研究人员综合考虑设备正常运行、过电压运行工况以及套管径向温度梯度、套管外部雨雪污秽环境、套管内部SF6气体液化等影响因素，对电场和电热耦合场中500kV SF6 瓷质套管的内外部电场分布进行仿真计算，得到套管内部可能出现的局部最高电场强度，并将其与SF6气体的击穿场强进行比较，以评估套管绝缘结构的可靠性，同时给出此次瓷质套管炸裂事故的可能原因以及防范措施。

图1 套管结构模型及不同工况仿真模型

500kV SF6瓷质套管多工况电场分布仿真计算结果显示，外绝缘因素如雨雪、污秽膜以及SF6气体液化形成间断液滴对套管内绝缘电场强度分布影响较小，雷电、冲击过电压下套管内最高电场强度并未超过0.6MPa下的SF6气体的耐受电场强度且有一定绝缘裕度。因此，雨雪、污秽膜、SF6气体液化液滴以及过电压引起瓷套发生炸裂的可能性非常小。

图2 SF6液滴可能的运动情况

但是，当SF6气体发生液化且在套管内壁形成液膜或者套管内有异物附着于内壁上时，仿真结果显示，该种情况使得地屏蔽与套管内壁形成连接，导致液膜末端的电场强度超过工频电场下0.6MPa气体压力下SF6气体的击穿场强24kV/mm。众所周知，SF6气体液化时，气体压力会进一步降低，而SF6气体的击穿场强与气体压力正比关系。可见，此时液膜末端的局部高电场强度可能远超SF6气体的承受能力，从而可能引发绝缘失效和套管内电弧放电，导致套管炸裂。

图3 瓷套炸裂后碎片上的电弧烧蚀痕迹

为了有效防止套管炸裂事故的发生，研究人员建议如下：

1）在低温地区采用复合套管。复合套管内壁为玻璃钢材质，外绝缘采用硅橡胶绝缘子的套管结构。即使出现绝缘失效情况，以玻璃钢和硅橡胶的机械特性，基本不会出现炸裂粉碎以至于飞溅到数十米外的问题，对周边设备与人员安全不会造成重大损害。这一方法的可行性还需要电场强度分布计算、绝缘结构设计等后期验证。

2）对500kV罐式断路器现有温控系统进行改造，确保环境温度降低时，加热装置及时启动，有效防止SF6气体液化。

3）加强设备现场安装工艺管控，避免出现因安装工艺管控不到位引发的设备故障。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“500kV SF6瓷质套管多工况仿真与故障分析”，作者为赵建利、姚顺 等。