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套管是高壓電力設備如變壓器、斷路器、閥廳穿墻等絕緣結構中的重要部件，其在各類工況下運行的安全穩(wěn)定性對于相關高壓設備整體的可靠性、電站工作人員的人身安全，以及電網(wǎng)輸送電能的穩(wěn)定性都具有重要意義。不同結構套管的共性在于主絕緣中電場分布較為復雜，一些電場集中位置處的局部電場強度可能達到套管內平均電場強度的數(shù)倍。

通常情況下，套管的絕緣結構設計會考慮到局部最高電場強度，從而提高絕緣尺寸并預留出較大的絕緣裕度，使得套管在正常工況甚至是過電壓情況下都能夠承受較大的局部電場強度。在少數(shù)情況下，套管的絕緣特性會面臨很大威脅，甚至引發(fā)絕緣失效。

對于SF6填充式高壓瓷質套管，絕緣失效會引發(fā)嚴重的事故，例如，會導致主絕緣擊穿產(chǎn)生氣體放電，引發(fā)套管破損。一般情況下，瓷質套管內部SF6氣體壓力高達5個大氣壓以上。當瓷質套管破損時，其內部巨大的氣體壓力會在瞬間導致瓷質套管炸裂。

近年來，在我國北方地區(qū)發(fā)生了幾起SF6斷路器瓷質套管炸裂現(xiàn)象，事故發(fā)生于秋冬兩季且事故發(fā)生前無明顯惡劣的天氣情況、無其他設備異常或故障、工作人員無任何操作、系統(tǒng)未檢測到過電壓等異常工況。可以認為，在正常運行過程中，瓷質套管發(fā)生了炸裂。套管炸裂能量巨大，炸裂瓷質碎片散落半徑約為60m，其周圍的電力設備包括斷路器罐體也遭受了不同程度的損壞。這類事故不僅嚴重影響了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，而且也影響了變電站正常巡視與檢修工作的開展。因此，急需找到可能的故障原因，杜絕此類事故的發(fā)生。

目前，對于事故成因尚無定論，一種可能的解釋為，在特定運行環(huán)境下，套管內部局部瞬時電場強度高于SF6氣體的承受能力，導致氣體放電的發(fā)生。在多數(shù)情況（甚至是過電壓）下，封裝氣壓下的SF6氣體的擊穿場強遠遠高于設備內任一位置的電場強度。

但是，SF6氣體的低溫液化會在降低氣體絕緣強度的同時使套管內部局部電場發(fā)生畸變，從而引發(fā)氣體絕緣失效。對于SF6填充式瓷質套管而言，傳統(tǒng)的電場分布仿真計算多考慮設備正常運行工況，未曾研究各類異常或極端運行工況對套管運行特性，尤其是內絕緣特性的影響。因此，對于套管多次故障原因的認識尚不全面，需要對各種運行工況以及各種內外部環(huán)境條件下套管的運行特性進行仿真分析，判斷出現(xiàn)SF6氣體絕緣失效的可能原因，以此作為瓷質套管炸裂原因分析的重要參考。

此外，當前金屬封閉氣體絕緣設備，如氣體絕緣封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）、氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Metal- enclosed Transmission Line, GIL）、氣體絕緣穿墻套管等高壓設備，由于其結構的緊湊性以及長期運行的可靠性等優(yōu)勢，受到世界范圍內高壓交直流工程的青睞。

然而，目前對于在寒冷地區(qū)冬季低溫下SF6氣體的可靠性研究較為缺乏，有必要開展SF6氣體低溫液化對設備絕緣影響的分析研究工作，這將對后續(xù)SF6氣體絕緣設備在寒冷地區(qū)長期運行的可靠性分析及故障預防措施制定提供必要的參考。

在此背景下，內蒙古電力（集團）有限責任公司等單位的研究人員綜合考慮設備正常運行、過電壓運行工況以及套管徑向溫度梯度、套管外部雨雪污穢環(huán)境、套管內部SF6氣體液化等影響因素，對電場和電熱耦合場中500kV SF6 瓷質套管的內外部電場分布進行仿真計算，得到套管內部可能出現(xiàn)的局部最高電場強度，并將其與SF6氣體的擊穿場強進行比較，以評估套管絕緣結構的可靠性，同時給出此次瓷質套管炸裂事故的可能原因以及防范措施。

圖1 套管結構模型及不同工況仿真模型

500kV SF6瓷質套管多工況電場分布仿真計算結果顯示，外絕緣因素如雨雪、污穢膜以及SF6氣體液化形成間斷液滴對套管內絕緣電場強度分布影響較小，雷電、沖擊過電壓下套管內最高電場強度并未超過0.6MPa下的SF6氣體的耐受電場強度且有一定絕緣裕度。因此，雨雪、污穢膜、SF6氣體液化液滴以及過電壓引起瓷套發(fā)生炸裂的可能性非常小。

圖2 SF6液滴可能的運動情況

但是，當SF6氣體發(fā)生液化且在套管內壁形成液膜或者套管內有異物附著于內壁上時，仿真結果顯示，該種情況使得地屏蔽與套管內壁形成連接，導致液膜末端的電場強度超過工頻電場下0.6MPa氣體壓力下SF6氣體的擊穿場強24kV/mm。眾所周知，SF6氣體液化時，氣體壓力會進一步降低，而SF6氣體的擊穿場強與氣體壓力正比關系?？梢?，此時液膜末端的局部高電場強度可能遠超SF6氣體的承受能力，從而可能引發(fā)絕緣失效和套管內電弧放電，導致套管炸裂。

圖3 瓷套炸裂后碎片上的電弧燒蝕痕跡

為了有效防止套管炸裂事故的發(fā)生，研究人員建議如下：

1）在低溫地區(qū)采用復合套管。復合套管內壁為玻璃鋼材質，外絕緣采用硅橡膠絕緣子的套管結構。即使出現(xiàn)絕緣失效情況，以玻璃鋼和硅橡膠的機械特性，基本不會出現(xiàn)炸裂粉碎以至于飛濺到數(shù)十米外的問題，對周邊設備與人員安全不會造成重大損害。這一方法的可行性還需要電場強度分布計算、絕緣結構設計等后期驗證。

2）對500kV罐式斷路器現(xiàn)有溫控系統(tǒng)進行改造，確保環(huán)境溫度降低時，加熱裝置及時啟動，有效防止SF6氣體液化。

3）加強設備現(xiàn)場安裝工藝管控，避免出現(xiàn)因安裝工藝管控不到位引發(fā)的設備故障。

本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“500kV SF6瓷質套管多工況仿真與故障分析”，作者為趙建利、姚順 等。