環氧樹脂澆注類絕緣管型母線易發缺陷分析及檢測手段朱思瑞;劉洋;阮羚;任想;李文佩【摘要】絕緣管型母線由于具有機械強度高、載流量大及絕緣性能好等突出優勢,目前廣泛應用于電力、石化等行業.由于缺乏相關管的控制度和標準，導致產品運行穩定性不高，故障頻發.絕大多數故障是由于生產和現場安裝工藝不到位造成的，且通過常規試驗項目無法有效檢測出故障，因此本文以絕緣管型母線的生產、現場安裝及現場試驗檢測為切入點，通過對生產和現場安裝各環節進行深入分析，找出其中可能出現的隱患，針對這些隱患制定相應的現場考核試驗辦法，并通過試驗結果來支撐本文提出的試驗方法，提高絕緣管型母線運行可靠性.【期刊名稱】《電工技術學報》【年(卷)，期】2019(034)012【總頁數】7頁(P2664-2670)【關鍵詞】絕緣管型母線;生產和安裝;現場試驗【作者】朱思瑞;劉洋;阮羚;任想;李文佩【作者單位】國網湖北省電力有限公司電力科學研究院武漢430077;中國電力科學研究院北京100192;國網湖北省電力有限公司電力科學研究院武漢430077;國網湖北省電力有限公司電力科學研究院武漢430077;國網湖北省電力有限公司電力科學研究院武漢430077【正文語種】中文【中圖分類】TM8540引言隨著國民經濟的增長和科技的發展，企業、居民用電量直線上升，而常用在變電站變壓器低壓側出線或發電機出口側的傳統矩形母線、共箱封閉母線及電力電纜已無法滿足大容量、絕緣化和緊湊化的需求。此外，國網公司十八項反措亦明確提出了35kV及以下變壓器低壓母線應考慮絕緣化的要求，而絕緣管型母線具有這些傳統母線沒有的優勢，在各行業得到廣泛的應用［1］。絕緣管型母線設備外觀如圖1所示。絕緣管型母線是導體為銅或鋁質金屬圓管外包絕緣的載流導線，絕緣外包有接地金屬屏蔽層［2］。目前常見電壓等級為6~35kV。相比傳統載流設備，由于其結構特點，具有載流量大、安全、敷設方便、節省空間等突出優勢［3］。據不完全統計，僅2014年全年，在國內各類變電站專項應用的絕緣管型母線年產值已超10億元。圖1絕緣管型母線設備外觀Fig.1Theappearanceofinsulatedtubularbusbar但由于目前尚無該類設備的通用技術標準，致使絕緣管型母線在其生產、安裝及運行過程中缺乏統一有效的管理，導致故障頻發［4］。此外，該類設備一般沒有通用備品備件，修復周期長，據了解，某發電廠因絕緣管型母線故障導致停運長達兩月之久，造成嚴重的經濟損失和極其不良的社會影響［5］。這一系列問題嚴重阻礙了絕緣管型母線進一步推廣應用。結合大量相關故障案例得出，絕大多數故障是由于絕緣管型母線的生產和現場安裝工藝不足造成的缺陷導致［6］,而通過常規的交接試驗無法有效檢測出這些缺陷［7］,因此本文以絕緣管型母線的生產和現場安裝工藝為切入點，通過對廠內生產工藝和現場安裝工藝進行深入分析，找出其中可能存在的隱患，基于此制定相應的檢測辦法，供絕緣管型母線生產者、用戶及相關研究人員參考。1行業發展情況1.1國際發展情況國際上，絕緣管型母線的應用起步較早，已經發展超過30年，形成成熟的絕緣管型母線產品，主要以德國Preissinger有限公司的絕緣母線（ISOBUS）產品、瑞士雷茲互感器有限公司的SIS絕緣母線系統及德國MGC公司的環氧樹脂浸漬紙絕緣（ResinImpregnatedPaper,RIP）管型母線產品等為代表。其中，德國MGC公司率先將干式套管內絕緣使用的環氧樹脂浸漬紙絕緣及電容屏均勻場強技術引入母線，制成絕緣管型母線。另兩家代表性公司及其他生產商的產品與之相比，都采用了相同的絕緣材料和固化工藝，只是在部分細節結構和加工工藝上有所差別。這些絕緣管型母線目前已廣泛運用于英國、德國、西班牙、美國及加拿大等歐美主流國家的相關電力應用行業。產品在長期掛網運行中表現穩定、可靠，很好地發揮了其安全絕緣、載流能力強、排布緊湊節省空間且耐候性強等突出優勢。這些產品的材料選取及應用、結構設計技術、制造工藝方案等都已基本成熟。1.2國內發展情況在我國，絕緣管型母線的應用起步較晚，自2004年至今，僅有十余年時間。但設備需求量穩步增長，應用領域向電網、發電、石油、化工等行業全面擴展。與此同時，我國該類產品呈現出多種形式和種類的發展態勢。按照行業公認的絕緣工藝類型和材料進行分類，目前主要有環氧樹脂浸澆注類、聚酯薄膜或聚四氟乙烯絕緣帶繞包式和聚乙烯、三元乙丙橡膠（EPDM）或硅橡膠絕緣擠包式等三大種類絕緣形式下至少六種類別的產品［8,9］。三大種類產品各自結構和生產流程差異明顯，各成一派。其中，澆注式產品在我國出現最早，采用的生產技術由歐洲廠家引進；后來，借鑒干式互感器、套管或中壓單芯絕緣電纜和共箱母線的絕緣結構和生產技術，衍生出繞包式和擠包式兩種類型的產品。在以上大類下，不同廠家在導體連接方式，中間連接處和端部的絕緣設計方面均有不同的形式結構，本文只對環氧樹脂澆注類絕緣管型母線展開研究。2絕緣管型母線結構環氧浸漬紙絕緣是一種絕緣紙與環氧樹脂的復合絕緣，導體、半導體層和絕緣紙經加溫固化后，形成致密、緊實的一體化結構，絕緣管型母線結構如圖2所示。其既具有絕緣紙和環氧樹脂的良好絕緣和介電性能，又具有良好力學特性。已證實該種結構形式能有效保證至少在35kV電壓等級及以下產品不發生內部局部放電［10,11］。圖2絕緣管型母線結構Fig.2Thestructureofinsulatedtubularbus-bar在端部，可以很方便地將半導電帶分層按一定尺寸纏繞主絕緣，形成類似套管中的電容屏結構，達到控制電場強度分布，減少電場強度集中的效果。澆注式絕緣管型母線接頭一般采用在導體連接部位外罩絕緣套筒的形式，稱之為屏蔽筒。屏蔽筒同樣是具有電容屏結構的絕緣筒裝結構，內屏與導體為等電位聯結，夕卜屏為接地導體。兩端與本體密封連接，澆注式絕緣管型母線中間接頭結構如圖3所示。圖3澆注式絕緣管型母線中間接頭結構0,1,2,3一半導電屏蔽層4—銅導體5—環氧樹脂絕緣層6—軟連接7—接地屏Fig.3Sleevestructureoftheinsulationtubularbus-bar3典型故障原因分析環氧樹脂澆注類絕緣管型母線廠制作工藝繁多，現場安裝更是取決于環境條件以及安裝人員作業水平，因此稍有不慎則可能引入缺陷。下面介紹三種由于制作或安裝工藝不當導致的故障案例，并分析其原因。3.1屏蔽筒安裝錯位造成的故障某110kV變電站投運不到10天的10kV絕緣管型母線中間接頭處發生擊穿，引發低壓側線路大火［12］。屏蔽筒安裝錯位引發故障如圖4所示。該絕緣管型母線接頭處為軟連接外套絕緣屏蔽筒的形式，其連接處均壓結構由母線本體端部和屏蔽筒內的電容屏共同構成。經現場勘查發現，故障母線屏蔽筒與本體段的配合因錯位而產生不同程度的傾斜，這將導致：①本體及屏蔽筒之間可能形成縫隙導致密封不嚴，潮氣甚至雨水可能直接進入屏蔽筒；②屏蔽筒的移動導致電極位置發生偏移，電場分布與設計的正常分布相比，發生畸變，這將使得部分絕緣承受超出設計值的電場作用，而在較短時間內產生缺陷并發展為故障。圖4屏蔽筒安裝錯位引發故障Fig.4Aninsulatedtubularbus-barfailurecausedbythedefaultintroducedduringassemblingprocess3.2屏蔽筒密封不良造成的故障某10kV變電站絕緣管型母線在運行過程中燃燒，經分析，管型母線靠近主變壓器側的管口在下雨時會有少量雨水和濕氣進入管內。而管型母線的接頭處存在縫隙，當氣溫較高時，管型母線內的水分便形成水蒸氣，通過管型母線接頭處的縫隙進入均壓環護套的內壁以及滲入金屬屏蔽筒內，引起帶電體與金屬屏蔽層之間的絕緣性能下降，產生發電現象，并最終導致絕緣擊穿。打開的其他接頭處的金屬屏蔽筒也存在類似的凝結水珠和放電痕跡。屏蔽筒內部受潮引發故障如圖5所示。圖5屏蔽筒內部受潮引發故障Fig.5Aninsulatedtubularbus-barfailurecausedbythesleevehasmoisture3.3金屬屏蔽層尖端毛刺造成的故障某35kV變電站絕緣管型母線本體端部擊穿，嚴重燒毀。端部擊穿造成故障如圖6所示。圖6端部擊穿造成故障Fig.6Aninsulatedtubularbus-barfailurecausedbythetheterminalbreakdown為進一步分析故障原因，對部分絕緣管型母線段進行了現場解剖發現：室內C相擊穿點近接頭處銅屏蔽層接地引下線處（接地屏）存在明顯因受潮導致的氧化銹蝕痕跡，用手觸摸整段銅屏蔽層有明顯水漬。銅屏蔽層受潮銹蝕如圖7所示。圖7銅屏蔽層受潮銹蝕Fig.7Thecoppershieldiscorrodedbymoisture對室內A、B兩相疑似放電痕跡處沿端頭進行解剖，發現由于銅屏蔽層端部處理工藝不足導致的屏蔽層尖端毛刺缺陷如圖8所示。經分析，在長期運行中，由于端部電場畸變產生局部放電，加上密封工藝不過關，潮氣從接地線縫隙處進入絕緣層內部，在局部放電的作用下逐步形成放電通道直至發生貫穿性擊穿，導致故障發生［13-15］。圖8銅屏蔽層尖端毛刺Fig.8Thecoppershieldiscuttingedgeburr近年來收集到的絕緣管型母線故障案例較多，本文不再螯述，總結起來為如下幾點:（1）部分生產廠家對影響該類設備質量和性能的關鍵點缺乏充分認識，沒有足夠的設計能力和相應制造水平，無法保證設備的質量，且其自身和用戶分別缺乏在出廠試驗環節和交接試驗環節驗證產品可靠性的手段和依據。（2）絕緣管型母線類似于電力電纜，即使其出廠時能夠保障部件的質量，但現場安裝后也應對其絕緣結構和部分關鍵性能（如密封性）進行檢測，因此需要有完備的現場交接試驗項目和指標來驗證。4試驗驗證4.1試驗思路為了更好地驗證上述缺陷的發展和判據，預制了10kV（相電壓6kV）電壓等級的地屏端部毛刺樣品、金屬懸浮電位樣品、主絕緣受潮樣品、主絕緣氣隙樣品四種缺陷樣品以及一根完好的樣品進行試驗。通過觀測設備的局部放電量、介質損耗因數、電容量、接地電流來反映樣品的絕緣狀態；反之可推導出上述狀態量，以反映各缺陷發展過程的靈敏度［16,17］。試驗流程如下：首先對每個缺陷樣品加壓，分別找出其局部放電起始電壓。局部放電采用高頻電流法，起始電壓判定測量參照IEC標準，超過背景放電量的兩倍且出現內部放電脈沖時的電壓值規定為起始局部放電，試驗所在場地背景噪聲為5pC。施加電壓值達到10kV電氣設備交流耐壓42kV進行1min交流耐壓試驗，看樣品是否發生擊穿，再進行6kV電壓下各狀態量的觀測，隨后對試品緩慢加壓至42kV，期間實時監測并記錄試品的絕緣狀態量。通過分析各狀態量變化趨勢，來確定各缺陷最適合的檢測手段。4.2試驗結果首先對所有樣品緩慢加壓，直至能夠檢測到局部放電信號，各樣品起始局部放電電壓見表1。所有樣品均通過42kV交流耐壓試驗，試驗過程無異常情況出現。隨后試驗電壓降至6kV，測得各狀態量數值見表1。接著對所有樣品施加6kV電壓，緩慢升至42kV，期間記錄各狀態量隨試驗電壓升高的變化趨勢。其局部放電量和接地電流的變化趨勢如圖9和圖10所示，而介質損耗因數和電容量數值幾乎沒有變化(此處不作圖說明)。表1樣品狀態量初始值Tab.1Initialvaluesofsamplestatus樣品種類起始局放電壓/kVtanS(%)電容量/nF接地電流/mA完好40.10.4391.91640.20地屏端部毛刺30.60.4381.92790.20懸浮電位22.40.4481.92650.20主絕緣受潮30.40.5001.97000.20主絕緣氣隙3.40.4391.84460.21圖9局部放電發展趨勢Fig.9Thetrendofthepartialdischarge圖10接地電流變化趨勢Fig.10Thetrendofthegroundingcurrent4.3結果分析(1)局部放電測量。完好樣品起始局部放電電壓很高，接近42kV交流耐壓水平，而且局部放電基本沒有隨著試驗電壓繼續升高而加劇。缺陷樣品則不然，其中主絕緣氣隙樣品起始局部放電電壓低于額定運行電壓，其局部放電量增加趨勢幾乎隨試驗電壓的升高呈線性增長；而地屏尖端毛刺缺陷、懸浮電位缺陷以及主絕緣受潮缺陷的起始局部放電電壓均高于額定運行電壓，但是其發展趨勢呈類似指數增長。經分析，主絕緣氣隙缺陷較小，且氣隙形狀較為規律，相比于尖端毛刺和懸浮電位缺陷，其電場畸變程度較小，而主絕緣受潮缺陷則是絕緣性能下降，因此主絕緣氣隙樣品的局部放電發展過程相對緩慢。（2）介質損耗因數和電容量測量。主絕緣受潮缺陷的介質損耗因數、電容量和完好樣品相比，差異最大。但是無論何種缺陷，介質損耗因數和電容量均沒有隨著試驗電壓變化而變化，分析其原因，介質損耗因數和電容量主要表征整體絕緣狀態，而樣品缺陷只是局部微小缺陷，對整體絕緣及其結構沒有造成影響。（3）接地電流測量。完好樣品的接地電流發展曲線呈線性增長，而缺陷樣品接地電流隨著試驗電壓升高顯著增長。經分析，若設備正常運行，容性電流遠大于阻性電流，因此接地電流約等于容性電流，在此情況下電容量不發生變化，而容性電流與試驗電壓呈線性關系；而一旦絕緣存在缺陷，其阻性電流隨著電壓的升高急劇上升，因此接地電流同時會升高。4.4試驗小結由試驗結果可知，不同缺陷樣品在42kVT頻耐壓試驗下，均未發生擊穿，因此僅靠工頻耐壓試驗是無法檢測出產品真實性能的。而局部放電測量和接地電流測量是最能直觀表征絕緣管型母線性能的參數，通過劣化試驗結果表明，只要存在缺陷，那么局部放電的發展程度隨著電壓的升高變化非常迅速，在投運后短期就可能發生安全事故，因此嚴格的絕緣管型母線現場交接試驗是很必要的。而介質損耗因數和電容量，一般都是在產品長期運行下，缺陷發展才會有較大變化，在現場試驗中，可以通過三相之間，相同的母線段進行狀態量比對來分析產品性能，可以發現絕緣受潮等缺陷。5結論目前絕緣管型母線投運前的交接試驗僅進行交流耐壓試驗，無法有效檢測出設備存在的缺陷。本文通過對環氧樹脂澆注類絕緣管型母線的生產和現場安裝工藝可能造成的缺陷進行分析，預制不同缺陷的10kV樣品為試驗對象，通過試驗來支撐絕緣管型母線現場試驗的項目以及判據，通過分析得出如下結論：1）環氧樹脂澆注類絕緣管型母線現場安裝過程繁瑣，且安裝工藝直接影響設備的運行可靠性，因此必須在絕緣管型母線系統安裝完畢后、投運前進行嚴格的現場交接試驗。2）為模擬在生產和安裝中可能產生的缺陷，制作了地屏端部毛刺樣品、金屬懸浮電位、主絕緣受潮和主絕緣氣隙四種缺陷樣品以及一根完好的樣品。并從局部放電量、介質損耗因數、電容量和接地電流四個狀態量檢測試品絕緣狀態。試驗證明局部放電量和接地電流測量對缺陷檢測最為靈敏。3）現有的現場交接試驗僅有交流耐壓試驗考核，通過試驗證明是遠遠不夠的。由于目前尚無絕緣管型母線的相應交接試驗標準，為提高絕緣管型母線設備運行穩定性，促進產業升級，本文建議環氧樹脂澆注類絕緣管型母線交接試驗應包含的絕緣試驗項目有：介質損耗因數和電容量測量、接地電流測量、交流耐壓以及隨后的局部放電測量，并通過試驗結果綜合評估診斷絕緣管型母線絕緣性能。參考文獻【相關文獻】張北寧.管形絕緣母線和矩形銅排母線性能比較及應用[J].水電與新能源,2010(6):60-64.ZhangBeining.Comparisonofcharacteristicsofinsulatedtubularcopperbusbarandrectangularcopperbusbarandtheirapplication[J].HydropowerandNewEnergy,2010(6):60-64.黎斌,于欣,仝志紅，等.對中國有機絕緣管形母線的回顧與展望[J].高壓電器,2016,52(6):9-17.LiBin,YuXin,TongZhihong,etal.ReviewandprospectoftheorganicinsulatedbusinChina[J].HighVoltageApparatus,2016,52(6):9-17.陳賢熙，李國偉.一起變壓器變低全絕緣管型母線絕緣缺陷綜合分析[J].中國電業:技術版，2014(11):25-28.ChenXianxi,LiGuowei.Syntheticalanalysisofatransformerlowvoltagesideinsulatedtubularbusbarfault[J].ChinaElectricPower:TechnologyEdition,2014(11):25-28宋邦申.絕緣管型母線的性能優勢及存在問題分析[J].電工電氣,2015(1):60-61.SongBangshen.Performanceadvantagesandexistingproblemsofinsulatedtubularbusbar[J].ElectricalandElectric,2015(1):60-61.張東,周利兵.全絕緣母線外絕緣擊穿問題分析及改造措施[J].電力科學與工程,2014,30(11):37-40.ZhangDong,ZhouLibing.Analysisandimprovementmeasuresforbreakdownproblemofouterinsulationoffullinsulatedtubularbus[J].ElectricPowerScienceandEngineering,2014,30(11):37-40.張星海，劉鳳蓮,鄧元實，等.35kV絕緣管型母線運行異常分析及結構探討[J].高壓電器，2016(1):190-197,203.ZhangXinghai,LiuFenglian,DengYuanshi,etal.Analysisonabnormaloperationandstructureofa35kVinsulatingtubularbusbar[J].HighVoltageApparatus,2016(1):190-197,203.王永文.電網運行中低壓電器設備故障原因分析及對策[J].現代制造技術與裝備,2013(4):61-62.WangYongwen.Analysisandcountermeasuresofpowergridoperationoflow-voltageelectricalequipmentfailures[J].ModernManufacturingTechnologyandEquipment,2013(4):61-62.趙凱,黨智敏.四針狀氧化鋅晶須/聚四氟乙烯復合材料的電氣性能研究[J].絕緣材料,2011,44(3):49-52.ZhaoKai,DangZhimin.ElectricalpropertiesofT-ZnO_w/PTFEcomposites[J].InsulatingMaterials,2011,44(3):49-52.劉熊,林海丹,梁義明，等.空氣中微秒脈沖沿面放電對環氧樹脂表面特性影響研究[J].電工技術學報,2015,30(13):158-165.LiuXiong,LinHaidan,LiangYiming,etal.Effectofatmospheric-pressuremicrosecondpulseddischargesonepoxyresinsurface[J]TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2015,30(13):158-165.申巍,曹雯,吳鍇.環氧/紙復合材料擊穿特性及空間電荷的研究[J].電工技術學報,2013,28(1):1-6.ShenWei,CaoWen,WuKai.Studyofcharacteristicsofbreakdownstrengthandspacechargeinepoxy/papercomposite[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(1):1-6.劉子玉.電氣絕緣結構設計原理(上冊，電力電纜)[M].北京:機械工業出版社,1981.楊帆，張耀東,周啟義，等.一起絕緣管型母線故障的綜合缺陷分析及防范措施[J].湖北電力，2015,39(8):42-44,49.YangFan,ZhangYaodong,ZhouQiyi,etal.Comprehensivedefectanalysisandpreventivemeasuresforaninsulatedbusbarfault[J].HubeiElectricPower,2015,39(8):42-44,49.張亮,李軍浩，譚家勇,等.絕緣銅管母線接頭處沿面局部放電特性研究[J].高壓電器,2013,9(11):94-98.ZhangLiang,LiJunhao,TanJiayong,etal.Characteristicsofsurfacepartialdischargeonjointofinsulatedcopperbusbar[J].HighVoltageApparatus.2013,9(11):9498.謝慶,付可欣，陸路，等.環氧