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【摘要】根据某公司直流套管在运行过程中发生的放电事故，分析造成此次放电事故的原因，并利用电场计算软件验证在交、直流电压作用下套管的绝缘强度。说明绝缘材料电阻率对于直流套管的影响。从而判断出在此次放电事故中，选择电阻率较小的聚氨酯绝缘材料较合理。
【关键词】聚氨酯；直流套管；电阻率；电场强度
一、前言
平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路，平波电抗器能防止由直流线路或直流开关站所产生的陡波冲击波进入阀厅，从而使换流阀免于遭受过电压应力而损坏；平波电抗器能平滑直流电流中的纹波，能避免在低直流功率传输时的断续；平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来降低换相失败率，因此，平波电抗器在换流站中起着重要的作用[1]。油浸式平波电抗器主要由线圈、铁芯和油箱、套管、冷却系统等部件组成。套管是将平波电抗器内部的引线引导到油箱外部的电气部件，它不但作为引线对地绝缘，而且负担着固定引线的作用。
近年来，随着电压等级的提高和新材料的应用，套管在交流电压以及在直流极性反转作用下产生的电场分布均有所不同。绝缘材料选取不同，产生的绝缘效果也有很大差异。正确选择套管绝缘材料不仅能够缩短设计时间，同时也能为新产品设计验证计算、简化生产过程提供保障。
套管在直流电压作用下，环氧树脂、纸等介质的绝缘特性与在交流电压作用下存在明显的差异。交流电压下，电场强度分布取决于材料的介电常数；直流电压下，电场强度分布取决于材料的电阻率，介质交界面的束缚电荷对电场的分布影响较大，同时极性反转作用下，空间电荷对电场起很大的作用，致使电场不均匀程度加剧。因此，合理选择直流套管的绝缘材料是避免套管发生事故的重要因素[2]。
二、事故起因
2010年末月至2011年中旬，运行于枫泾换流站平波电抗器母线侧直流套管出现异常现象。该套管在运行期间伴随有间歇性不正常的响声，通过远红外线探测仪观察，发现该套管外绝缘伞裙中部有明显的放电痕迹，见图1。该套管内绝缘由环氧树脂、聚氨酯等材料构成，外绝缘由复合硅橡胶套构成，见图2套管外形图。其中A是环氧树脂绝缘材料；B是聚氨酯绝缘材料；C是玻璃纤维筒；D是硅橡胶绝缘外套。为深入分析故障原因，明确处理方案，2011年中旬，将一只故障直流套管退出运行，进行交流试验，以便检查该套管内绝缘是否损坏，进而判断其它在线运行的同类套管是否安全可靠，这样为其它在线运行的套管做后续安排。表1是退出运行的套管试验结果。从表1交流试验结果可见，该套管内绝缘性能没有发生变化，绝缘电气性能完好。那么，是什么原因造该套管硅橡胶外套放电呢？是绝缘裕度太小还是套管的外绝缘高度不够？还是聚氨酯的绝缘性能不适宜用在该套管这种高电压领域？为进一步分析放电原因，决定对套管进行解体检查分析。
三、套管解体检查原因分析
根据表1的试验数据，说明该直流套管电气性能良好，套管芯体没有损坏。但是什么原因造成外绝缘放电呢？为了探究放电实质，对该套管进行解体检查。解体后发现套管导电杆和硅橡胶内表面全部贯穿有放电通道，为进一步分析，选择硅橡胶外表面两个具有针眼状白色放电点的位置（见图2）进行径向解体，解体发现与硅橡胶内表面针眼状放电点相对应的聚氨酯材料表面均存在大面积树枝状放电见图3，且放电通道由导电杆、聚氨酯、玻璃纤维筒至硅橡胶外套全部贯穿。剥开硅橡胶外套，可见硅橡胶外套里的玻璃纤维筒内壁有明显烧蚀点，但未见树枝状放电痕迹。剖开玻璃纤维筒后，可见玻璃纤维筒内壁烧蚀，筒内聚氨酯表面存在明显放电痕迹，中心部位碳化严重，四周呈现树枝状放电，通过解体发现，距套管高压引线端约1800mm处出现径向击穿。从硅橡胶外套表面烧灼孔至套管导电杆间存在多条径向击穿通道。硅橡胶外套与玻璃纤维筒之间界面未发现树枝状放电，说明在所剖开范围内二者粘接良好。聚氨酯与玻璃纤维筒接触面以及聚氨酯与导杆接触面的树枝状放电最严重。导电杆表面放电点主要存在于电容芯端部联接处的铜端盖侧。剖开与铜端盖连接的导杆表面也存在个别放电点见图4。这两个位置可能是局部放电的起始点。聚氨酯内部也存在树枝性放电。对硅橡胶外套表面两处针状放电点进行深度解剖，均在套管内部聚氨酯表面发现有树枝状放电。
通过以上分析可见，聚氨酯材料是造成套管内部树枝放电的起因，从而引发套管外部局部放电的主要因素。从该类套管的运行业绩看出，填充聚氨酯的干式直流套管在枫泾换流站工程中首次采用，对该类型的绝缘材料和套管设计尚未积累足够的运行经验，材质的特性及稳定性不明确，特别是无法实测聚氨酯绝缘材料的电阻率，该套管聚氨酯的电阻率仅为估计值。
为了进一步确认聚氨酯材料是造成此次事故的原因，下面利用电场计算软件进行验证计算和分析说明。
四、计算验证
下面利用ElecNet电场计算软件，对聚氨酯的电导率分别设置两个不同数值，计算套管在交、直流电压作用下，套管的绝缘强度。第一种情况设置聚氨酯的电阻率为：1.5×107Ω·cm；第二种情况设置聚氨酯的电阻率为：1.5×1012Ω·cm，其它参数与第一种情况相同。
1）交流电压下，直流套管的绝缘强度分析
按照GB/T22674-2008《直流系统用套管》的规定，平波电抗器侧电压局部放电电压取值为：
Udm：每个阀桥的最高直流电压
N：连接从直流导线中性点与换流变套管整流桥的一系列六脉动桥数。
首先，建立直流套管模型，定义套管电极，设定边界条件。这里把导体设为高压电极，极板设置为浮置电极，套管的末屏及法兰、油箱接地，设置求解阶次、最大网格尺寸控制值等等。用Static 3D计算。A、B、C、D各点的计算结果，见表2。
表2 聚氨酯绝缘材料取值不同情况下，A、B、C、D各点处的绝缘强度对比 从表2可见交流电压下，直流套管的电压和电场强度不随绝缘电阻率的改变而改变。
2）极性反转电压作用下，直流套管的绝缘强度分析
与交流电压计算过程一样，导体设为高压电极，极板设置为浮置电极，套管的末屏及法兰、油箱接地，设置求解阶次、最大网格尺寸控制值等等。这里用ElecNet电场计算软件设置0min是电压达到规定值的开始时间，负极性电压持续时间90min；接着电压从负极反转到正极性，反转时间为1min，正极性持续时间90min；之后，再由正极性反转到负极性，反转时间1min，负极性持续时间45min。图4是极性反转作用下，电压-时间对应关系曲线。用Transient 3D计算。计算结果见图5，图6，这里仅取套管A、B、C、D这4点位置（见图1）在负极性反转到正极性的计算结果。套管由正极性反转到负极性的规律与此相同，这里不再赘述。
第一种情况：聚氨酯的电阻率取值较小；第二种情况：聚氨酯的电阻率取值较大，聚氨酯电阻率高于第一种情况5个数量级。从图5、6、7、8可见，第一种情况负极性下，A、B、C、D各点的电压值（绝对值）小于第二种情况下电压值（绝对值）。在负极性施加电压达到5min时，两种情况下电压都达到最高点，这时第一种情况电压值是第二种情况的0.21倍；图9第一种情况下，电场强值远高于第二种情况，这是由于A点环氧树脂的电阻率远高于B点聚氨酯的电阻率，电场强度分布取决于材料的电阻率，介质交界面的束缚电荷对电场的分布影响较大，电荷不足以迅速下降，因而，第一种情况下的电场强度较高。图10、11、12分别是B、C、D点处的电场强度值，从这3个图形看，第一种情况下电场强度较平稳，电压达到平稳时期的15-90min期间和极性反转后的稳定时期111-181min，这3点的电场值稳定，没有起伏波动的改变；而第二种情况下，A、B、C、D各点电场强度在任何时刻都在改变，尤其在极性反转的1min内，变化尤为突出。由于电压在极性反转过程中，电荷在反转瞬间还没有完全充分释放又迅速升高，使得外施电荷电场和空间电荷电场叠加造成电位升高很快，在场强不太高的情况下，电场强度对离子的转移能力和对电阻率的影响都很小。当电场强度增高时，离子的迁移能力随电场强度的升高而增加，使电阻率下降。当电场强度升高到使电介质临近击穿时，由于出现大量电子迁移，使电阻率呈指数下降。因而造成聚氨酯的场强迅速升高又急速下降，尤其电阻率取值较大情况下，表现更为突出。从上述计算结果判断，选择电阻率较小的聚氨酯绝缘材料比较合理。
五、聚氨酯材料的特性
绝缘材料在直流电压作用下能不断提供离子，流向相应的电极，若绝缘材料电阻率选择不当，有可能引起放电及发热过程，该过程不仅腐蚀金属，而且加速了聚合物材料的分解、老化和增大了电导，反过来又促进材料进一步老化，包括机械性能恶化，绝缘材料本身的结构与组成，环境因素、电极材料和结构形式等均影响电化学腐蚀过程，因此，直流电压下，材料中发生的问题并不限于电化学腐蚀，还有直流电树枝化，空间电荷积累以及电压极性切换时因电场变化引起的一系列问题。[4]
六、结论
1）.根据上述计算结果推断，直流套管中，选择电阻率小的聚氨酯绝缘材料作为该类套管介质较好。
2）.合理选择直流套管的绝缘材料，让聚氨酯作为套管绝缘介质，发挥其优势，确保直流套管的安全、可靠运行是设计工作者应当考虑的问题。这有利于提高换流变压器和平波电抗器的安全可靠性以及直流输电系统能量的可用率。聚氨酯能否满足直流套管绝缘性能的要求，还有待长时间进一步验证。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]肖淦.换流变压器出线装置两种设计方案的比较[J].高压电器，2014，6
[3]电机工程手册4[M].输变电配电设备.北京：机械工业出版社，1997
[4]巫松桢等编.电气绝缘材料科学与工程[M].西安：西安交通大学出版社，1996
[5]GB/T 22674《直流系统用套管》[S]
作者简介
肖淦：女，1966.5 江西省泰和人，特变电工沈阳变压器集团有限公司高级工程师，从事套管及出线装置的设计和研发工作。
【关键词】聚氨酯；直流套管；电阻率；电场强度
一、前言
平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路，平波电抗器能防止由直流线路或直流开关站所产生的陡波冲击波进入阀厅，从而使换流阀免于遭受过电压应力而损坏；平波电抗器能平滑直流电流中的纹波，能避免在低直流功率传输时的断续；平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来降低换相失败率，因此，平波电抗器在换流站中起着重要的作用[1]。油浸式平波电抗器主要由线圈、铁芯和油箱、套管、冷却系统等部件组成。套管是将平波电抗器内部的引线引导到油箱外部的电气部件，它不但作为引线对地绝缘，而且负担着固定引线的作用。
近年来，随着电压等级的提高和新材料的应用，套管在交流电压以及在直流极性反转作用下产生的电场分布均有所不同。绝缘材料选取不同，产生的绝缘效果也有很大差异。正确选择套管绝缘材料不仅能够缩短设计时间，同时也能为新产品设计验证计算、简化生产过程提供保障。
套管在直流电压作用下，环氧树脂、纸等介质的绝缘特性与在交流电压作用下存在明显的差异。交流电压下，电场强度分布取决于材料的介电常数；直流电压下，电场强度分布取决于材料的电阻率，介质交界面的束缚电荷对电场的分布影响较大，同时极性反转作用下，空间电荷对电场起很大的作用，致使电场不均匀程度加剧。因此，合理选择直流套管的绝缘材料是避免套管发生事故的重要因素[2]。
二、事故起因
2010年末月至2011年中旬，运行于枫泾换流站平波电抗器母线侧直流套管出现异常现象。该套管在运行期间伴随有间歇性不正常的响声，通过远红外线探测仪观察，发现该套管外绝缘伞裙中部有明显的放电痕迹，见图1。该套管内绝缘由环氧树脂、聚氨酯等材料构成，外绝缘由复合硅橡胶套构成，见图2套管外形图。其中A是环氧树脂绝缘材料；B是聚氨酯绝缘材料；C是玻璃纤维筒；D是硅橡胶绝缘外套。为深入分析故障原因，明确处理方案，2011年中旬，将一只故障直流套管退出运行，进行交流试验，以便检查该套管内绝缘是否损坏，进而判断其它在线运行的同类套管是否安全可靠，这样为其它在线运行的套管做后续安排。表1是退出运行的套管试验结果。从表1交流试验结果可见，该套管内绝缘性能没有发生变化，绝缘电气性能完好。那么，是什么原因造该套管硅橡胶外套放电呢？是绝缘裕度太小还是套管的外绝缘高度不够？还是聚氨酯的绝缘性能不适宜用在该套管这种高电压领域？为进一步分析放电原因，决定对套管进行解体检查分析。
三、套管解体检查原因分析
根据表1的试验数据，说明该直流套管电气性能良好，套管芯体没有损坏。但是什么原因造成外绝缘放电呢？为了探究放电实质，对该套管进行解体检查。解体后发现套管导电杆和硅橡胶内表面全部贯穿有放电通道，为进一步分析，选择硅橡胶外表面两个具有针眼状白色放电点的位置（见图2）进行径向解体，解体发现与硅橡胶内表面针眼状放电点相对应的聚氨酯材料表面均存在大面积树枝状放电见图3，且放电通道由导电杆、聚氨酯、玻璃纤维筒至硅橡胶外套全部贯穿。剥开硅橡胶外套，可见硅橡胶外套里的玻璃纤维筒内壁有明显烧蚀点，但未见树枝状放电痕迹。剖开玻璃纤维筒后，可见玻璃纤维筒内壁烧蚀，筒内聚氨酯表面存在明显放电痕迹，中心部位碳化严重，四周呈现树枝状放电，通过解体发现，距套管高压引线端约1800mm处出现径向击穿。从硅橡胶外套表面烧灼孔至套管导电杆间存在多条径向击穿通道。硅橡胶外套与玻璃纤维筒之间界面未发现树枝状放电，说明在所剖开范围内二者粘接良好。聚氨酯与玻璃纤维筒接触面以及聚氨酯与导杆接触面的树枝状放电最严重。导电杆表面放电点主要存在于电容芯端部联接处的铜端盖侧。剖开与铜端盖连接的导杆表面也存在个别放电点见图4。这两个位置可能是局部放电的起始点。聚氨酯内部也存在树枝性放电。对硅橡胶外套表面两处针状放电点进行深度解剖，均在套管内部聚氨酯表面发现有树枝状放电。
通过以上分析可见，聚氨酯材料是造成套管内部树枝放电的起因，从而引发套管外部局部放电的主要因素。从该类套管的运行业绩看出，填充聚氨酯的干式直流套管在枫泾换流站工程中首次采用，对该类型的绝缘材料和套管设计尚未积累足够的运行经验，材质的特性及稳定性不明确，特别是无法实测聚氨酯绝缘材料的电阻率，该套管聚氨酯的电阻率仅为估计值。
为了进一步确认聚氨酯材料是造成此次事故的原因，下面利用电场计算软件进行验证计算和分析说明。
四、计算验证
下面利用ElecNet电场计算软件，对聚氨酯的电导率分别设置两个不同数值，计算套管在交、直流电压作用下，套管的绝缘强度。第一种情况设置聚氨酯的电阻率为：1.5×107Ω·cm；第二种情况设置聚氨酯的电阻率为：1.5×1012Ω·cm，其它参数与第一种情况相同。
1）交流电压下，直流套管的绝缘强度分析
按照GB/T22674-2008《直流系统用套管》的规定，平波电抗器侧电压局部放电电压取值为：
Udm：每个阀桥的最高直流电压
N：连接从直流导线中性点与换流变套管整流桥的一系列六脉动桥数。
首先，建立直流套管模型，定义套管电极，设定边界条件。这里把导体设为高压电极，极板设置为浮置电极，套管的末屏及法兰、油箱接地，设置求解阶次、最大网格尺寸控制值等等。用Static 3D计算。A、B、C、D各点的计算结果，见表2。
表2 聚氨酯绝缘材料取值不同情况下，A、B、C、D各点处的绝缘强度对比 从表2可见交流电压下，直流套管的电压和电场强度不随绝缘电阻率的改变而改变。
2）极性反转电压作用下，直流套管的绝缘强度分析
与交流电压计算过程一样，导体设为高压电极，极板设置为浮置电极，套管的末屏及法兰、油箱接地，设置求解阶次、最大网格尺寸控制值等等。这里用ElecNet电场计算软件设置0min是电压达到规定值的开始时间，负极性电压持续时间90min；接着电压从负极反转到正极性，反转时间为1min，正极性持续时间90min；之后，再由正极性反转到负极性，反转时间1min，负极性持续时间45min。图4是极性反转作用下，电压-时间对应关系曲线。用Transient 3D计算。计算结果见图5，图6，这里仅取套管A、B、C、D这4点位置（见图1）在负极性反转到正极性的计算结果。套管由正极性反转到负极性的规律与此相同，这里不再赘述。
第一种情况：聚氨酯的电阻率取值较小；第二种情况：聚氨酯的电阻率取值较大，聚氨酯电阻率高于第一种情况5个数量级。从图5、6、7、8可见，第一种情况负极性下，A、B、C、D各点的电压值（绝对值）小于第二种情况下电压值（绝对值）。在负极性施加电压达到5min时，两种情况下电压都达到最高点，这时第一种情况电压值是第二种情况的0.21倍；图9第一种情况下，电场强值远高于第二种情况，这是由于A点环氧树脂的电阻率远高于B点聚氨酯的电阻率，电场强度分布取决于材料的电阻率，介质交界面的束缚电荷对电场的分布影响较大，电荷不足以迅速下降，因而，第一种情况下的电场强度较高。图10、11、12分别是B、C、D点处的电场强度值，从这3个图形看，第一种情况下电场强度较平稳，电压达到平稳时期的15-90min期间和极性反转后的稳定时期111-181min，这3点的电场值稳定，没有起伏波动的改变；而第二种情况下，A、B、C、D各点电场强度在任何时刻都在改变，尤其在极性反转的1min内，变化尤为突出。由于电压在极性反转过程中，电荷在反转瞬间还没有完全充分释放又迅速升高，使得外施电荷电场和空间电荷电场叠加造成电位升高很快，在场强不太高的情况下，电场强度对离子的转移能力和对电阻率的影响都很小。当电场强度增高时，离子的迁移能力随电场强度的升高而增加，使电阻率下降。当电场强度升高到使电介质临近击穿时，由于出现大量电子迁移，使电阻率呈指数下降。因而造成聚氨酯的场强迅速升高又急速下降，尤其电阻率取值较大情况下，表现更为突出。从上述计算结果判断，选择电阻率较小的聚氨酯绝缘材料比较合理。
五、聚氨酯材料的特性
绝缘材料在直流电压作用下能不断提供离子，流向相应的电极，若绝缘材料电阻率选择不当，有可能引起放电及发热过程，该过程不仅腐蚀金属，而且加速了聚合物材料的分解、老化和增大了电导，反过来又促进材料进一步老化，包括机械性能恶化，绝缘材料本身的结构与组成，环境因素、电极材料和结构形式等均影响电化学腐蚀过程，因此，直流电压下，材料中发生的问题并不限于电化学腐蚀，还有直流电树枝化，空间电荷积累以及电压极性切换时因电场变化引起的一系列问题。[4]
六、结论
1）.根据上述计算结果推断，直流套管中，选择电阻率小的聚氨酯绝缘材料作为该类套管介质较好。
2）.合理选择直流套管的绝缘材料，让聚氨酯作为套管绝缘介质，发挥其优势，确保直流套管的安全、可靠运行是设计工作者应当考虑的问题。这有利于提高换流变压器和平波电抗器的安全可靠性以及直流输电系统能量的可用率。聚氨酯能否满足直流套管绝缘性能的要求，还有待长时间进一步验证。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]肖淦.换流变压器出线装置两种设计方案的比较[J].高压电器，2014，6
[3]电机工程手册4[M].输变电配电设备.北京：机械工业出版社，1997
[4]巫松桢等编.电气绝缘材料科学与工程[M].西安：西安交通大学出版社，1996
[5]GB/T 22674《直流系统用套管》[S]
作者简介
肖淦：女，1966.5 江西省泰和人，特变电工沈阳变压器集团有限公司高级工程师，从事套管及出线装置的设计和研发工作。