500 kV SF6电流互感器主绝缘故障的仿真分析

  

0  引言

电流互感器一次绕组接入电网一次系统，二次绕组分别与计量装置、测量仪表和继电保护、自动装置等相互联接。将电网高电压、大电流的一次侧信息传递到低电压、小电流的二次侧，是电网正常运行、监视、计量、保护、控制等不可缺少的主要设备之一，在电力系统各个电压等级中应用十分广泛。它既是一次设备，也是二次设备，其主绝缘性能与电力系统的运行直接相关。电流互感器一旦发生主绝缘故障，将严重影响电力系统的安全运行，并可能带来巨大的经济损失。

本文针对一起500kV SF6电流互感器主绝缘故障，结合该电流互感器解体情况及其绝缘结构特点，建立了用于其主绝缘故障分析的三维有限元电场仿真计算模型，通过仿真计算量化了其内部盆式绝缘子带气孔情况下的电场分布，明确了气孔缺陷是引起本例SF6电流互感器主绝缘故障的主要原因，并复现了故障过程，最后提出了应对措施和建议。

1  故障分析

该SF6电流互感器于2009年投运，最近一次预试检修时间为2015年X月X日，试验结果无异常，2016年X月X日发生故障。

2016年X月X日，对故障SF6电流互感器进行了返厂解体：首先将二次出线部分解开，依次分离外绝缘套、高压屏蔽筒，中间分压屏、二次引线管和限位橡胶，情况如下图所示。

表1  5052开关CT B相SF6气体分析

  SF6电流互感器解体情况

从故障解体情况可以看到，SF6电流互感器底座接地螺栓处有明显放电痕迹，二次屏蔽罩接地线熔断，二次绕组引出线电缆保护层存在过热灼伤痕迹，二次绕组引线管顶部有电弧灼伤痕迹。

进一步对躯壳吊开解体，发现躯壳内存在大量粉状生成物；盆式绝缘子在P1侧炸裂，盆体破损严重，存在大量炭黑及灼烧痕迹；气室内壁有明显的被炸裂产生的盆体碎片划伤的痕迹；P1侧的二次屏蔽罩、气室内壁、盖板内壁均有电弧灼伤痕迹，如下图所示。

（a）P1侧盖板    （b）盆式绝缘子

 SF6电流互感器躯壳解体情况

打开二次屏蔽罩，发现二次绕组完好，罩内无放电痕迹，如下图所示。 

 二次绕组解体情况

对盆式绝缘子碎片断面进行切割分析，发现盆式绝缘子内部存在有多个气孔，如下图所示。 

  盆式绝缘子剖面情况

从以上解体情况可以看出，该SF6电流互感器主绝缘被严重破坏：高压电极对二次屏蔽罩之间沿盆式绝缘子形成贯穿性放电，放电对盆式绝缘子形成严重破坏，已无法通过碎片拼接物理复原找到故障的起始点；放电电弧对P1侧的二次屏蔽罩、气室内壁、盖板内壁造成电弧灼伤；二次绕组完好，罩内无放电痕迹；二次屏蔽罩接地线及二次引线管有大电流通过的痕迹。

根据上述现象，初步分析其故障原因为盆式绝缘子内部存在多个气孔，气孔引起局部放电，长时间局部放电导致气孔周围绝缘介质碳化，使盆式绝缘子的有效绝缘距离相对减少，绝缘强度随之下降，直至盆式绝缘子无法承受正常运行电压而发生炸裂，导致主绝缘失效。起始短路电流沿二次屏蔽罩的接地线入地，引起接地线熔断，导致二次屏蔽罩因无接地线而悬浮，此时，二次引线管上端部与二次屏蔽罩之间的电场强度值急剧上升，两者之间的SF6气隙被击穿，后续短路电流沿二次引线管入地。

为量化分析该SF6电流互感器故障发生的原因，复现故障过程，并找到对应解决措施，本文从SF6电流互感器的绝缘结构、运行工况、电场仿真等方面开展了研究。

2  500 kV SF6电流互感器绝缘结构分析

该500 kV SF6电流互感器为倒立、卧式，躯壳为水平放置的圆柱体，二次绕组置于屏蔽罩内，一次导体穿过躯壳及二次绕组屏蔽罩的几何中心，二次绕组屏蔽罩借助于盆式绝缘子（环氧树脂浇注体）固定在套管安装法兰面上，二次绕组的引出线及屏蔽罩的接地线通过引线管引至底座的二次接线盘。其结构如下图所示。

 

  卧式结构的500 kV SF6电流互感器

为改善卧式躯壳与套管三通部位的电场分布，采用高压屏蔽筒将高电位往下延伸。在高压屏蔽筒与二次引线管之间增加中间分压屏进一步改善电场的分布[1]。

3  500 kV SF6 电流互感器电场仿真计算

3.1  计算模型

依据500 kV SF6 电流互感器的实际结构及尺寸，运用有限元仿真软件ElecNet，建立了SF6 电流互感器的三维电场仿真计算模型，如下图所示。

  500 kV SF6 电流互感器电场仿真计算模型

模型各部分主要尺寸如下：套管高度4 420 mm，一次载流导体直径120 mm，气室水平圆柱体内径1 080 mm，气室垂直圆柱体内径780 mm，二次屏蔽罩水平圆柱体外径730 mm，二次屏蔽罩水平圆柱体内径420 mm，二次引线管外径119 mm，中间分压屏外径300 mm，高压屏蔽筒外径448 mm，套管内径600 mm，电极各部位倒角均按设计图纸进行相应倒角。

各种介质的相对介电常数如表2所示。

表2 各介质的相对介电常数

为了更精确和真实地计算盆式绝缘子的电场分布，对盆式绝缘子金属嵌件螺母进行了精细建模，内嵌件倒角r =10 mm，详细外型尺寸如下图所示。

 金属嵌件螺母外型尺寸

带金属嵌件螺母的盆式绝缘子模型如下图所示。

  带金属嵌件螺母的盆式绝缘子模型

3.2  考虑的工况

根据故障发展过程的推测，本文对以下三种工况的电场分布进行了仿真分析。

1） 正常工况下的电场分析。此时盆式绝缘子无缺陷，正常运行在系统最高电压550 kV。

2） 盆式绝缘子内部存在气孔时的电场分析。基于盆式绝缘子断面检查发现气孔缺陷，在靠近沉头螺丝端部的高场强区域设置一个20 mm长，φ=1 mm的气孔，气孔沿着盆式绝缘子内部分布，重点分析气孔中电场的分布情况。

3） 二次屏蔽罩接地线失效后的电场分析。正常电流互感器运行时，二次引线管和二次屏蔽罩均为地电位，因此，该部位场强极低，不会在这个部位发生击穿。但从解体检查的痕迹来看，二次绕组引线管顶部有电弧灼伤痕迹，因此推断二次屏蔽罩的接地线熔断失效后引起电位抬升，进而导致二次引线管和二次屏蔽罩之间场强急剧增加，通过仿真定量计算二次屏蔽罩接地线失效后该部位的场强。

3.3  仿真结果

3.3.1  正常工况下的电场计算结果

电流互感器运行在系统最高电压550 kV下，对气室、一次载流导体、高压屏蔽筒加载

 

的峰值电压，对二次屏蔽罩、二次引线管加载0 kV电压，中间分压屏设置为悬浮电极，选用时谐电场求解器进行求解。

为保证盆式绝缘子及金属嵌件螺母表面场强分布的准确性，对盆式绝缘子进行细化的网格剖分，最大网格剖分尺寸为2 mm。

正常运行时，盆式绝缘子凸面、凹面的电位和电场分布的仿真结果如下图所示。 

（a）凸面电位分布图  

（b）凸面电场分布图

（c）凹面电位分布图

（d）凹面电场分布图

  盆式绝缘子凸、凹面电位、电场分布

盆式绝缘子表面电场分布不均匀，最大场强出现在凸面的颈部，最大值约为2.34 kV/mm；凹面场强较低，最大场强出现在靠近二次屏蔽罩部位，最大值约为1.65 kV/mm；

盆式绝缘子上下安装面内置了金属嵌件螺母，用于法兰面的联接，电场分布的仿真结果如下图所示，上部金属嵌件螺母端部电场强度最大值约为6.64 kV/mm，下部的金属嵌件螺母端部电场强度最大值约为4.82 kV/mm。

（a）盆式绝缘子  

（b）沉头螺母处

  盆式绝缘子上、下部沉头螺母处的电场分布

按照业内盆式绝缘子的场强设计要求，环氧树脂内部及嵌件允许的长期工作场强范围为3.0~5.0 kV/mm[4]，从计算结果看出，下部的金属嵌件螺母场强在上述场强设计要求范围内，但上部的金属嵌件螺母场强高于上述场强设计值要求，由此可见，该电流互感器盆式绝缘子的金属嵌件设计存在优化空间。

3.3.2  盆式绝缘子内部存在气孔时的电场计算结果

在靠近沉头螺丝端部的高场强区域设置一个长20 mm，直径1 mm的柱状气孔，气孔沿着盆式绝缘子内部垂直分布，气孔最大网格剖分尺寸为0.5 mm，此工况下电位加载及计算求解过程与3.3.1节相同。此时盆式绝缘子的电场计算结果如下图所示。

（a）盆式绝缘子

（b）内部气孔处

 盆式绝缘子内带气孔的电场分布云图

由于交流电场强度与介电系数成反比分布，而气泡的相对介电常数比盆式绝缘子的小，因此最大场强出现在气泡表面，约为6.7 kV/mm，大于空气的击穿场强3 kV/mm，引起气泡内长期局部放电，最终将导致盆式绝缘子劣化及击穿。

3.3.3  二次屏蔽罩接地线失效后的电场计算结果

此工况对躯壳、一次载流导体、高压屏蔽筒加载 峰值电压，对二次引线管加载0 kV电压，二次屏蔽罩、中间分压屏设置成悬浮电极，选用时谐电场求解器进行求解。

二次引线管端部详细尺寸如下图所示。

 二次引线管尺寸

计算结果如下：

二次引线管端部的场强高达66.2 kV/mm，远远超过SF6气体击穿场强，将导致两者之间的SF6气隙击穿，气隙击穿后，短路电流将通过二次引线管入地，与二次引线管有大电流通过的痕迹相符。

（a）二次屏蔽罩  

（b）二次引线管端部

 二次屏蔽罩悬浮时的电场分布云图

4  结语

采用Infolytica的ElecNet电场有限元仿真软件，对一起SF6电流互感器主绝缘故障进行了不同工况下的电场仿真分析，结论如下。

1）正常工况下，盆式绝缘子下部的金属沉头嵌件场强在场强设计要求范围内，但上部的沉头螺丝场强高于场强设计值要求，上部金属 沉头螺丝端部电场强度最大值约为6.64 kV/mm，高于业内推荐的环氧树脂长期允许运行电场强度范围3.0~5.0 kV/mm，由此可见，该型电流互感器盆式绝缘子的金属嵌件设计存在优化空间。

2）盆式绝缘子内部存在气孔时，最大场强出现在气泡的表面，约为6.7 kV/mm，可能引起气泡内长期局部放电，导致盆式绝缘子劣化及击穿，确定气泡是本次故障发生的主要原因。

3）接地线熔断导致二次屏蔽罩悬浮，二次引线管端部的场强高达66.2 kV/mm，导致两者之间的SF6气隙击穿，短路电流通过二次引线管入地，与二次引线管有大电流通过的痕迹相符。

为提高500 kV SF6电流互感器的绝缘强度，降低绝缘故障发生率，提出应对措施如下。

1）加强对盆式绝缘子质量的检查，避免带缺陷的盆式绝缘子进入电网。

2）改善500 kV SF6电流互感器躯壳内场强的分布：优化金属结构件的电极形状，避免尖角；优化盆式绝缘子中的金属嵌件形状，降低盆式绝缘子内部及金属嵌件表面的场强。

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本文摘自《南方电网技术》2017年 11卷 第5期

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南方电网科学研究院 杨家辉  

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