一起750_kV变压器套管雨闪事故分析与仿真研究_魏远.pdf

07一起 750kV 变压器套管雨闪事故分析与仿真研究http:/ 电网设计 第7期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.002一起 750 kV 变压器套管雨闪事故分析与仿真研究魏 远，朱小利，张欢畅，李鸿路，史 峰(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)摘要：2021 年西北地区某 750kV 变电站装设的变压器高压套管发生雨闪事故，引起变压器保护跳闸，导致变压器退出运行。根据该 750kV 变压器外形与布置方案，采用电场有限元仿真软件，建立降雨条件下变压器电场仿真模型，研究分析雨闪事故的发生原因，并提出防雨闪优化措施。关键词：变压器套管；闪络事故；电场仿真中图分类号：TM645 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)07-07-06Research and Simulation of a Flashover Fault of 750 kV Transformer Bushing Under Rain ConditionWEIYuan,ZHUXiaoli,ZHANGHuanchang,LIHonglu,SHIFeng(Northwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Xian 710075,China)Abstract:Arainflashoverfaultoccurredinthehighvoltagebushingofa750kVtransformerinNorthwestChinain2021,whichcausedthetransformerrelayprotectionactionandledtothetransformeroutofoperation.Thispaperfocusedonanalyzethecauseoftheflashoverfault.Accordingtotheshapeandlayoutofthe750kVtransformer,thispaperusedelectricfieldFiniteElementMethod(FEM)simulationsoftwaretoestablishtheelectricfieldsimulationmodelofthetransformerunderraincondition.Thecauseoftherainflashoverfaultwasstudiedandanalyzed.Furthermore,optimizationmeasuresforpreventingtherainflashoverfaultwereputforward.Keywords:transformerbushing;flashoverfault;electricfieldsimulation*收稿日期：2021-07-01 第一作者简介：魏远(1990)，男，博士，高级工程师，从事新能源规划与并网技术、高电压与绝缘技术工作。0 引言降雨、覆冰条件下的外绝缘闪络是引起高压电气设备故障、发电机组停机的重要原因之一1-3。本次事故发生于我国西北地区某 750 kV变电站，该站平均海拔高，空气稀薄，设备外绝缘性能下降。根据该站所在地区气象站监测数据，本次雨闪事故发生时降雨量达到大到暴雨级别，恶劣气象条件是导致雨闪事故的诱因。雨闪事故造成变压器高压套管增爬裙烧蚀、变压器油枕上方消防支管熔断。本文采用电场有限元仿真软件，建立降雨条件下变压器电场仿真模型，从变压器结构设计、变压器套管增爬裙设计、变压器消防支管设计等多因素出发，分析引起本次雨闪事故的原因，并提出防雨闪优化措施。08http:/电 力 勘 测 设 计第7期1 雨闪事故概况事故发生时出现了大到暴雨天气，短时降水量大于 10 mm/h。在大雨条件下，该站 750 kV变压器主保护先后出现报警信号，继而引起750 kV 变压器保护动作跳闸，变压器退出运行。根据该站故障录波数据，判断保护动作正确。雨闪事故发生后对现场 750 kV 变压器、避雷器、开关等一次设备进行检查，发现上述高压设备外观不存在异常。检查发现变压器 750 kV 侧 B 相套管增爬裙有明显的放电烧蚀痕迹，A、C 相套管无明显异常，与变压器750 kV 侧 B 相套管相邻近的消防管喷水头与主管连接处熔断后掉落，该消防管拐臂处存在放电烧蚀痕迹。其余部位未发现异常。该站采用的变压器外形如图 1 所示，采用三相一体式变压器，变压器高压套管为锥形，上部细，下部粗，B 相套管垂直安装，A 相与C 相倾斜安装，B 相套管距离变压器油枕距离较近。围绕变压器四周及油枕顶部布置有消防水主管道与分支管道。9635 mm9635 mm2765 mmR6700 mm7900 mm7050 mm6115 mm8510 mm8510 mm15925 mmR8050 mmR8050 mm图1 变压器及其套管外形图雨闪事故发生时，变压器 750 kV 侧避雷器无动作，电站无任何操作，因此排除因雷击或操作引起的过电压。通过对后台监控信息、保护动作情况以及现场设备检查情况进行综合分析，初步判断事故原因是大雨气象条件下引起的变压器 B 相高压套管绝缘闪络。通过检查 750 kV 套管技术资料，其主要结构参数和技术指标均满足国标 GB/T 26218.32011污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第 3 部分：交流系统用复合绝缘子4要求。该站在 750 kV 套管上加装硅橡胶增爬裙，每只套管装设 8 个增爬裙，每个增爬裙间距约为 1 m，增爬裙外边缘比套管裙边突出约 1 cm。从现场事故照片看，放电烧蚀痕迹主要在 8 个增爬裙外边缘。2雨闪事故电场仿真2.1 仿真方法本文基于有限元仿真方法，采用电场有限元仿真软件，研究降雨条件下 750 kV 变压器高压套管电场分布。在清洁干燥条件下，变压器高压套管的电场分布主要取决于施压电压、套管及伞裙型式、布置方式、套管尺寸等因素。在大雨气象条件下，变压器高压套管的电场分布受到流过其表面的泄漏电流的影响，若连续09一起 750kV 变压器套管雨闪事故分析与仿真研究http:/ 电网设计 第7期 落下的雨滴桥接了套管伞裙之间的空气间隙，将引起电场畸变。本文通过建立 1:1 等比例变压器及高压套管仿真模型，合理设置激励与边界条件，求解 Maxwell 电场偏微分方程组，从而获得变压器高压套管周边电场分布。求解的Maxwell 偏微分方程组如下：()jeJQJEJEVV=|=+|=-|-=(1)式中：J 为电流密度；Qj为外界注入电荷；E 为电场强度；V 为电势；为介质体电导率；Je为外界注入电流密度；为体电荷密度；为介电系数。2.2 仿真模型及参数图 2 为变压器 B 相外形图及仿真模型图，在外形图中同时示意了消防支管位置(油枕正上方)。本文对变压器外形进行适当简化以提高仿真速度，对套管尺寸、套管伞裙与增爬裙尺寸、消防支管与套管距离等参数按照工程实际尺寸详细建模。分别建立 5 个 1 1 等比例仿真模型，其中模型 1 为干燥模型，研究无雨水条件下变压器 B 相高压套管电场分布；模型 2 为雨水模型，采用具有一定电导率的若干水滴沿着增爬裙外边沿竖直均匀分布以模拟事故发生时的大雨气象条件，水滴电导率取为典型值，研究大雨条件下变压器 B 相高压套管电场分布；模型 3 为雨水+消防水管修改模型，即研究与模型 2 相同雨水条件下整改消防支管路径后变压器 B 相高压套管电场分布；模型 4 为干燥且无消防水管模型，研究无雨水条件下且变压器油枕顶部取消消防水管时 B 相高压套管电场分布；模型 5 为雨水且无消防水管模型，研究雨水条件下且变压器油枕顶部取消消防水管时 B 相高压套管电场分布；模型 4 与模型 5 为电场仿真研究对照组，目的在于对比引起雨闪事故的主要原因，模型 4、模型 5 仿真模型与模型 1、模型 2 仿真模型的差异仅在于取消了油枕顶部的消防支管，其他参数均保持一致。(a)外形图 (b)干燥模型 (c)雨水模型 (d)雨水+消防管修改模型图2 变压器外形图及仿真模型图仿真时变压器 B 相高压套管施加电压为额定运行相电压峰值 U=7502/3612.3 kV。高压套管最上端接线端子为高压端，施加电压为 U；高压套管最下端与变压器外壳接触处，设置电位为 0；变压器外壳、油枕外壳与消防水管，设置电位为 0。10http:/电 力 勘 测 设 计第7期为了对比研究 5 个模型下消防水管与高压套管之间空气间隙电场强度数值，定义一条仿真测量路径，见图 3(a)中红线所示，当模拟大雨条件时，仿真路径恰好穿过“雨帘”。图 3(b)展示了仿真时电场有限元剖分网格(局部示意图)。(a)电场强度测量路径 (b)有限元剖分网格图3 变压器有限元仿真剖分网格2.3 仿真结果模型 1 模型 5 的电场强度(局部)仿真结果如图 4 和图 5 所示，图中右侧彩色数值条为电场强度数值，数值范围为 0 600 kV/m，蓝色代表电场强度为 0 kV/m，红色代表电场强度 600 kV/m。对于模型 1 干燥模型，由于消防水管距离套管较近，且变压器套管加装了增爬裙，导致消防水管与套管伞裙、增爬裙之间空气间隙电场强度增大，在消防水管拐角处出现场强集中区域，最大电场强度约为 400 kV/m。对于模型 2 雨水模型，当模拟若干雨滴沿着增爬裙外边沿竖直滴落时，雨滴之间空气间隙、消防水管与套管增爬裙之间空气间隙电场强度进一步增大；相比于模型 1，在消防水管拐角处场强集中区域面积扩大，电场强度提高，电场强度 600 kV/m。对于模型 3 雨水+消防水管修改模型，当修改消防水管路径与尺寸后，在同样雨水条件下，雨滴之间空气间隙、消防水管与套管增爬裙之间空气间隙电场强度显著降低。600500400300200100 (a)模型1干燥模型600500400300200100(b)模型2雨水模型500450400350300250150502001000(c)模型3雨水+消防水管修改模型图4 电场强度仿真结果一(单位：kV/m)11一起 750kV 变压器套管雨闪事故分析与仿真研究http:/ 电网设计第7期 对于模型 4 干燥+无消防管模型，由于取消了变压器油枕顶部消防水管，油枕端部与套管之间空气距离增大，电场强度集中区域出现在油枕端部，最大电场强度约为 100 kV/m，相比于模型 1，最大电场强度显著下降。对于模型 5 雨水+无消防管模型，由于取消了变压器油枕顶部消防水管，油枕端部与套管之间空气距离增大，在与模型 2 相同的降雨条件下，最大电场强度约为 350 kV/m，相比于模型 2，最大电场强度显著下降。50045040035030025015050200100(a)模型4干燥+无消防管模型 500600400300200100(b)模型5雨水+无消防管模型图5 电场强度仿真结果二(单位：kV/m)为了进一步对比分析模型 1 3 电场强度计算结果，以图 3(a)中红线为测量路径，对比 3 个仿真模型电场强度纵向分布情况，结果如图 6 所示。图中绿线、红线与蓝线分别代表模型 1、模型 2 与模型 3 电场强度纵向分布仿真结果。模型 1 电场强度仿真结果具有两个峰值，对应图 4a 消防水管两个拐角处，电场强度分别达到约 450 kV/m 与 350 kV/m。模型 2 电场强度仿真结果呈现锯齿状，具有若干个峰值与谷值，峰值代表水滴之间空气间隙的场强，谷值代表水滴内部的场强。由图可知，在竖直方向“雨滴空气间隙雨滴”通道上，空气间隙电场增强，在消防水管两个拐角处空气间隙电场强度分别达到约 1 120 kV/m 与 480 kV/m。模型 3 电场强度仿真结果与模型 2 类似，由图可知，当修改消防水管路径与尺寸后，在竖直方向“雨滴空气间隙雨滴”通道上，空气间隙电场显著降低，在消防水管两个拐角处空气间隙电场强度分别降低至 300 kV/m 与270 kV/m。3 讨论及分析3.1 空气间隙击穿场强分析根据文献 5，均匀电场间隙击穿平均场强Eb计算公式如下：Eb=24.55+6.66/b(2)式中：为空气相对密度；d 为空气间隙距离，cm；计算公式如下：00PTPT=(3)式中：P 为计算地区大气压强，kPa；T 为计算地区温度，K；P0为海平面大气压强，取值101 kPa；T0为标准环境温度 293 K。考虑变压站所在地海拔高度约 3 000 m，经查阅相关资料，大气压强约为 70 kPa；发生事故时，考虑温度为 10，即 283 K；空气间隙距离 d 按照 13 cm(实际最小尺寸)考虑，带入上式计算可得，均匀电场平均场强 E 约为17.8 kV/cm，即 1 780 kV/m。根据事故后现场勘查结果，增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间的空气间隙是本次雨闪020040060080010001200140016001800200020040060080010001200 模型1-干燥模型模型2-雨水模型模型3-雨水+消防水管修改模型测量路径/mm电场强度/（kV/m）图6 电场强度仿真结果对比图12http:/电 力 勘 测 设 计第7期事故的闪络通道，本区域空气间隙属于典型的“棒-棒”非均匀电场，非均匀电场的空气间隙击穿场强远低于均匀电场，因此推断出本次事故发生时，增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间空气间隙击穿场强应显著低于 1 780 kV/m。3.2 事故原因分析根据前述分析，在大雨条件下，增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间空气间隙最大场强已达到约 1 120 kV/m，相比于干燥条件下电场强度增大约 2.5 倍，而现场海拔条件下均匀电场击穿场强约为 1 780 kV/m，考虑到非均匀电场的击穿场强远低于均匀电场，因此在大雨条件下增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间极易发生空气间隙击穿，从而导通“套管高压侧-增爬裙-雨滴-增爬裙-空气间隙-消防水管”放电通道，引起沿面闪络事故。下面从变压器消防支管设计、变压器套管增爬裙设计、变压器结构设计进行分析：1)本次雨闪事故变压器消防管采用“八爪鱼”式消防结构，油枕上方布置一根主管，油枕长边侧各布置 4 根支管，短边侧各布置 1 根支管与主管相连，当遇到火灾时从上至下喷洒形成水幕隔绝空气以达到消防目的。该种设计方案未考虑消防支管与变压器套管的绝缘距离，未考虑消防支管对变压器套管电场分布的畸变影响。2)变压器高压套管呈现锥形，上部细，下部粗，大雨时雨水会沿套管表面由上部流向下部，容易造成套管下部伞裙间的桥接；另外，套管加装有 8 个相同伞径增爬裙，增爬裙外边缘比套管裙边突出约 10 cm，增爬裙安装密度较大，距离约为 1 m/个，如遇大雨气象条件雨水可能会沿增爬裙边滴落形成雨帘，短接了部分套管自身伞裙爬电距离。3)本次闪络事故发生在变压器 B 相高压套管，这与变压器套管结构设计相关，变压器采用三相一体式变压器，A 相套管与 C 相套管分别向变压器两侧以约 30 角度伸出，B 相套管采用竖直向上安装方式，未向外伸出一定角度，与变压器油枕水平距离过近，且油枕安装于变压器上部，套管与油枕间外绝缘间隙接近规程要求临界值，运行时变压器外壳处于接地状态，在特殊气象及环境条件下，这种油枕安装方式可能引起高压套管与油枕间空气间隙击穿。4 结论本文对西北地区某变电站 750 kV 变压器高压套管雨闪事故进行了分析与仿真研究。引起本次雨闪事故的主要原因是增爬裙/套管伞裙与消防水管道距离过近，直接原因是大雨条件下增爬裙间隙被雨水桥接，增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间空气间隙击穿。根据该站实际情况，首先，提出了消防水管的整改方案，消防水管由从上至下喷洒改为由下向上喷洒方式，取消油枕上部主管，改为在油枕侧下方布置环形主管，同时满足消防标准要求与外绝缘间隙要求，消防水管整改方案的电场仿真结果(模型 3)表明：在相同雨水条件下，增爬裙/套管伞裙与消防水管道之间空气间隙最大场强仅相当于原设计方案的 27%，且低于干燥条件下空气间隙最大场强。其次，建议运行单位更换变压器高压套管增爬裙，可采用“大小伞”间差布置方式，并适当增大相邻增爬裙之间的安装距离，以改善大雨条件下套管伞裙被雨水淋湿的程度，进一步提升变压器高压套管的绝缘性能。通过以上两条防雨闪优化措施，可大幅降低再次发生雨闪事故概率，保障变电站运行安全。参考文献1 杨放南，赵隆乾，白伟，等.750 kV变压器(电抗器)高压套管雨闪事故分析及防范措施J.电瓷避雷器，2019(3)：212-215.2 韦晓星，黎建平，楚金伟，等.换流站复合外绝缘应用及雨闪事故分析J.高电压技术，2017，43(12)：3958-3963.3 张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配 合M.北京：清华大学出版社，2002.4 中国国家标准化管理委员会.污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定.第3部分：交流系统用复合绝缘子：GB/T 26218.32011S.北京：中国标准出版社，2012.5 赵智大.高电压技术(第二版)M.北京：中国电力出版社，2006.(编辑 魏俊)