第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
根据主绝缘材料类型，交流油-SF6 套管可以分为油浸纸电容式油-SF6 套管(也称“油浸式油-SF6 套管”)和胶浸纸电容式油-SF6 套管（也称“干式油-SF6 套管”）两种。油浸式油-SF6 套管以油浸纸电容芯子作为主绝缘，采用瓷套、法兰和其他部件将绝缘纸卷制的主绝缘电容芯子密封在充满绝缘油的腔体中。干式油-SF6 套管以胶浸纸电容芯子作为主绝缘，由环氧树脂浸渍绝缘纸卷制的电容芯子整体固化加工而成，再装以法兰和其他部件。 英国传奇公司生产的 500HC 系列油气套管，于 1997 年起在广州抽水蓄能电厂、天荒坪抽水蓄能电厂和大朝山水电厂等电厂用作 500kV 升压变压器的 ERIP 环氧胶浸纸电容高压套管，在广蓄和大朝山电厂选用的是 525kV/2000A，在天荒坪电站选用的是 525kV/1250A，均为与 GIS 联结的油-SF6 环氧胶浸纸电容套管。这种电容套管采用干态皱纹纸绕制套管的电容芯，在层间夹有铝箔纸组成的 25 个电容屏，在真空干燥下整体进行环氧树脂浸渍、固化，车削成型，表面涂釉，中间装上安装法兰。套管电容芯最外层末屏用小套管引出，在运行中接地，最内层与套管的导电铜杆相连。 经过调研，该型套管自投入使用后，包括上述三家单位在内的国内多家电厂陆续发生了多起电容超标故障。 油气套管在运行过程中出现电容量增加的现象，一般是由于套管电容芯体中的电容屏发生了放电击穿所致，而套管制造工艺的不成熟，高场强、暂态过电压作用和局部过热条件下的长期带电运行都有可能导致套管电容屏发生放电击穿。干式油气套管主绝缘为环氧树脂和皱纹纸的固体复合绝缘结构，在卷制、浸渍和固化等制造环节容易因制造工艺问题在套管芯体中产生气隙等缺陷，这些气隙直接影响了干式套管的绝缘性能。有些大的气隙在较低电压下可使套管局放水平超标，在套管出厂试验中可检测出来，但有些微小缺陷在出厂试验中通过短时间的试验考核检测不到，套管投入工程运行后，这些缺陷长期处于高场强和暂态过电压作用下会逐渐恶化，局部放电现象越来越严重，进而导致局部内绝缘击穿，使套管电容量超标。
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1.2 套管故障研究现状
广州蓄能水电厂 B 厂主变使用的 500HC366 型干式油-SF6 套管，于 1998 年 12月正式投运，在运行的 8 年中多次出现电容量超标，超标范围在 4.1%~9.2%之间。具体故障情况如表 1-1 所示。为确保水电厂设备的安全可靠运行，广州蓄能水电厂决定开始针对 B 厂主变用油气套管进行换型。最终选择与 GIS 的连接方式上以及尺寸上均符合广州蓄能水电厂的要求的 500HC618 型干式油-SF6 套管。 这两种型号套管除工频耐压值（500HC618 为 740kV，500HC366 为 680kV）不同外，其它电气参数和尺寸完全一致。2007 年进行全面的套管换型，然而在500HC618 型套管投入使用之后，于 2011 年 3 月份开始，同样发生了多次电容超标故障，超标范围在 6.5%~12.2%之间。具体故障情况如表 1-2 所示。 针对这种情况，对同样使用该型号套管的电厂进行了相关调研，发现一些电厂，如天荒坪抽水蓄能电厂（简称天荒坪电厂）、云南大朝山电厂，均出现过该型号套管电容超标事件。 由于该类型套管故障情况具有普遍性，近年来，国内包括天荒坪和大朝山电厂在内的许多家单位组织对该类型主变高压套管故障开展了分析研究工作，得到了一定的研究成果。 大朝山水电厂 2004年7月31日3号主变C相套管在运行中发生绝缘击穿毁坏。发生事故的 C 相套管出厂试验合格，在变压器安装时试验也合格，变压器出厂时进行过局放、耐压和冲击等整套试验[2]。2001 年在现场投产试验时测试的电容量已超过出厂试验的 16.94%。通过约三年的运行后，套管发生了绝缘击穿事故。事故后检查损坏套管内部电容屏多处击穿碎裂。大朝山电站在事后对所有运行套管做了一次普查，发现电容量测试有异常的套管试验数据如下，最高超标 42.5%，见表 1-3。
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第二章 故障油气套管 VFTO 水平计算分析
特快速瞬态过电压（VFTO－Very Fast Transient Over-voltage）是指波前时间在3ns～100ns 范围内的瞬态过电压，其主要是由于 GIS 中的隔离开关操作和 GIS 导体对壳闪络原因而引起的[19]。 GIS 设备中由隔离开关操作而引起的 VFTO，一方面，其幅值较高时，可能直接造成油气套管绝缘击穿放电；另一方面其振荡或非周期过电压分量也有可能造成油气套管的局部放电，进而发展成绝缘损坏。因此，需对广州蓄能水电厂 B 厂 VFTO水平进行仿真计算。使用 ATP-EMTP 程序计算电厂 VFTO 水平。
2.1 广州蓄能水电厂 B 厂 VFTO 仿真计算模型
广州蓄能水电厂 B 厂 500kV 系统采用德国制造的 GIS 组合开关，两回进线，三回出线，形成五角形接线[3]。分为厂房 GIS 部分和出线场 GIS 部分，相互之间也是通过 500kV 的充油电缆连接。开关站布置在室外出线场。厂房 GIS 与四台 500kV主变相连，如图 2-1.所示。 对于厂房 GIS 部分和出线场 GIS 部分相互之间的 500kV的充油电缆，仅从 VFTO计算的角度考虑，建模方法可参考 GIS 管道，即利用波速、波阻抗等表示的分布式传输线表示。 电缆中波速度与导体截面积、芯线材料无关，只与电缆的绝缘介质性质有关。这种特性决定了，只要电缆的绝缘介质相同，尽管导体材料不同，其波速度是一定的。通过实际测量，对于油浸纸绝缘类型的电缆其波速度 V≈160 米/微秒[4]。 影响单位长度电缆的电感 L0、电容 C0 主要有以下几个方面的因素：电缆芯线的截面积、电缆芯线与外皮之间的距离，电缆介质材料、电缆介电系数及导磁系数。所以，对于不同规格和种类的电缆，其波阻抗也不同。电缆芯线截面积越大，波阻抗值越小。一般电力电缆的波阻抗值在 10-40Ω 左右，本报告中电缆波阻抗取 32Ω（根据厂家提供资料确定）。
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2.2 仿真工具介绍
电磁暂态仿真软件 EMTP(The ElectromagneticTransients Program)通常用于研究工频过电压、操作过电压、雷电过电压及高频谐振过电压，也用于发电机及各种电动机的过渡过程等各种过电压下电力电子装置的仿真与分析等。 在电力电子的仿真计算领域 EMTP 程序得到非常广泛应用,进行电力系统仿真计算是EMTP 程序的基本功能,基本应用是预测电力系统在某个扰动之后某个变量随时间变化的规律，同时 EMTP 也是电力系统谐波分析的有力工具。ATP 程序（The Alternative Transients Program）是目前世界上电磁暂态分析程序 EMTP 最广泛使用的一个版本， ATP-EMTP 程序可在大多数类型的计算机上运行。正常情况下，500kV 系统合环运行，5005、5006、5007、5008、5009 开关合闸。厂房四台主变通过两条 500kV 充油电缆、GIS 和三回出线与系统相连。四台水泵水轮发电机通过四个 18kV 出口开关与主变相连，工作在发电和水泵两种工况。主变在机组停机时工作在空载状态。 所有带电操作隔离开关的操作方式均是 500kV 断路器需要退出或者投入运行时才有，对主变产生影响的操作（即 VFTO 对油气套管有影响）可分为两类：一、对于 500kV 单个开关退出运行；二、线路和开关同时退出运行（可能是与线路相关的一个或者两个开关）。从产生 VFTO 的机理来看，分闸与合闸操作可等同考虑（大小幅值相同）；且断路器一侧隔离开关操作时，另一端隔离开关分合与否基本不影响 VFTO 产生的幅值。因此，上述两种类型的操作，对同一开关来说，其产生的过电压也可认为完全相同。
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第三章 故障油气套管绝缘性能试验及实体解剖 ...... 16
3.1 故障油气套管绝缘性能试验 ........... 16
3.2 故障套管实体解剖 ........... 22
3.3 小结 ........... 33
第四章 故障高压油气套管电容量分析 ...... 34
4.1 电容分压原理及电容量计算方法 ........... 34
4.2 故障油气套管电容芯子模型 ........... 35
4.3 故障油气套管电容量计算结果 ....... 36
4.4 小结 ........... 38
第五章 故障套管设计方法及电场仿真分析 ...... 39
5.1 套管理论设计方法分析 ........... 39
5.2 故障套管电场校核仿真计算 ........... 42
5.3 小结 ........... 52
第六章 广蓄 550kV 故障高压油气套管分析
6.1 故障油气套管 VFTO 水平分析
针对广州蓄能水电厂 B 厂主接线图，对水电厂主要设备进行仿真计算模型的建立，从而形成广州蓄能水电厂 B 厂 VFTO 仿真计算模型。通过模拟所有可能对油气套管造成不同 VFTO 所需考虑的隔离开关操作方式，对广州蓄能水电厂 B 厂 VFTO水平进行仿真计算。 仿真计算结果显示，厂内整体 VFTO 水平较低，其中最大过电压出现于 SF6-空气套管处，达 814kV。这主要是因为该处正好处于波阻抗不连续处，容易由波的折反射叠加出较大的过电压值。油气套管处最大过电压为 598kV，主要振荡频率约为 0.9MHz，其过电压幅值较低。 对广蓄 B 厂 VFTO 绝缘配合进行分析，由于该厂主要考虑的是 GIS 设备，故绝缘裕度系统可按 1.15 来考虑。最大 VFTO 出现的 SF6-空气套管处，而设备雷电冲击额定耐受电压为 1550kV，其裕度为 90%。由此可认为，广州蓄能水电厂 B 厂中，VFTO 的幅值不会对厂内设备绝缘造成影响。因此，可以判断，广蓄 B 厂主变用油气套管的故障并非由厂内 VFTO 造成。
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结论
本文通过对研究对象广蓄 550kV 故障油气套管进行 VFTO 水平分析、绝缘性能试验、实体解剖分析和电场仿真计算分析，发现了套管存在的问题、对问题原因进行了分析，并给出套管设计建议，形成如下结论和建议： 发现故障套管存在以下问题：
1）故障套管的介质损耗（tanδ）、电容量、局部放电试验结果均与套管安装前的测量结果存在较大的差异；
2）故障套管电容屏设计共 25 层，其设计采取等极差等厚度的设计方法，且最外层(24 层、25 层)发生了明显的击穿放电，且其层间绝缘电阻值由 200MΩ 以上下降到 14.5kΩ。
通过分析，存在以下几个方面的原因：
1）故障套管在最高运行相电压 318kV(550kV/3)下,径向最大场强为 4.4kV/mm，且最大场强值出现在最外层(24、25 层)和最内层(1 层、2 层)，高于经验设计控制值10%；在工频耐受电压 740kV 下，轴向最大场强为 1.6kV/mm，且最大场强值出现在最外层(24、25 层)和最内层(1 层、2 层)，高于经验设计控制值 78%，易发生层间击穿放电；
2）故障套管电容屏极板边缘未进行折边处理，这种现象在最外层(24、25 层)最为明显，导致极板边缘场强集中，易发生层间击穿放电；
3）故障套管的绝缘结构设计方法采用等极差等厚度设计方法，这种设计方法导致套管轴向场强和径向场强极不均匀，端部场强高，中间场强低，套管局部放电裕度低；
4）故障套管油端绝缘距离为 1400mm，而 SF6 端绝缘距离仅为 710mm，导致SF6 端轴向场强控制难度大，且解剖现象也表明，套管放电故障部分也出现在 SF6端。
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参考文献(略)