变电站3/2接线保护死区故障的消除方法与流程

本发明属于电力维护和运行技术领域，具体涉及一种变电站3/2接线保护死区故障的消除方法，更具体的是提供一种500kv常规变电站高压侧的3/2接线保护死区故障的消除方法。

背景技术：

目前国内500kv常规变电站高压侧的主接线通常采用3/2接线方式。由于设计原因，部分变电站采用单侧电流互感器布置，母线保护和线路保护范围不完全重合，造成断路器和电流互感器间的导线成为保护死区。

当故障发生在图1中k1点时，故障属于母线差动保护范围内、线路i差动保护范围外，母线差动保护动作，将i母线上所有连接的断路器跳开。这时故障并没有完全切除，电网会通过5072断路器和线路i向k1点持续供电。5071断路器失灵保护装置接收到启动保护开入后，经整定延时后动作，跳开5072断路器，并且利用远跳功能跳开对侧断路器，完成对故障点的完全切除。断路器失灵保护延时较长并且扩大了停电范围，不利于系统安全稳定运行，不能作为解决死区故障的理想方案，一般通过死区保护来隔离死区故障。随着电网规模不断扩大，对系统故障切除时间要求越来越高，无论失灵保护还是死区保护，均受到断路器分闸时间、持续燃弧时间及电流判据返回时间的限制，并且单纯缩短保护反应时间还可能引起保护误动。

加装电流互感器的方案可以彻底解决3/2接线保护死区故障的发生，但是对于一些设备布局紧凑的变电站却不具有通用性。某500kv变电站断路器与隔离开关之间距离有两种，边断路器与500kv母线隔离开关之间的最小距离约为5.5米（隔离开关分闸后，两者之间距离约为3.8米），中断路器与相邻隔离开关之间最小距离约为3.6米。若考虑加装电流互感器方法，如图2所示，一是电流互感器与两侧设备之间的导线长度不到1.5米，由于两侧端子存在高差，截面积为1440mm²的钢芯铝绞线无法制作；二是加装电流互感器的位置有电缆沟，电流互感器基础也无法制作。因此，加装电流互感器是解决保护死区问题的有效方案，但500kv变电站的紧凑型初始设计限制了加装设备空间，导致其不具备通用性，直接加装电流互感器消除保护死区的方案无法实施。

余江等提出断路器失灵及死区保护应考虑系统稳定需求的优化方案。赵斌等提出依靠站域信息来缩短3/2接线方式下死区故障隔离时间的方法。上述方法都是基于保护逻辑及元器件反映动作时间提出的死区故障发生后的解决方法，不能从根本上消除死区故障。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以有效降低500kv常规变电站3/2接线保护死区故障的消除方法。

本发明采用如下技术方案：

一种变电站3/2接线保护死区故障的消除方法，在变电站3/2接线保护死区导线外包覆硅橡胶护套。

进一步的，一种变电站3/2接线保护死区故障的消除方法，仅在变电站3/2接线保护死区导线外均包覆硅橡胶护套，而断路器及电流互感器接线端子不包覆硅橡胶护套。

进一步的，所述硅橡胶护套采用具有高导热性能的硅橡胶材料。

进一步的，所述硅橡胶护套采用添加了氮化硼、碳化硅、氧化硅或氧化铝等导热绝缘粒子的硅橡胶材料。

更近一步的，所述硅橡胶护套采用添加了氧化锌（zno）粒子和还原氧化石墨烯（rgo）为基础的导热绝缘混合填料粒子的硅橡胶材料。

进一步的，所述硅橡胶护套采用包含有机耐漏电起痕剂的硅橡胶材料。

进一步的，所述有机耐漏电起痕剂包括端羟基二甲基硅氧烷、vmq树脂、有机电弧猝灭剂或者是脲基硅氧烷等。

进一步的，所述硅橡胶护套的厚度由设备接线端子承载能力和硅橡胶击穿电压共同决定。

进一步的，所述硅橡胶护套的厚度为10mm~15mm。

优选的，所述硅橡胶护套的厚度为10mm。

进一步的，所述硅橡胶护套包括围合形成圆形的上套半环和下套半环；所述上套半环的两外侧壁上设置有沿轴向的凸楞，所述下套半环的两外侧壁上设置有与凸楞对应的凹槽，所述凸楞插接在凹槽内。

进一步的，为避免合缝处存在小孔和空气而影响硅橡胶护套整体绝缘强度，所述凹槽内涂有粘接剂。

进一步的，涂粘接剂时应将凹槽涂满，并在凸楞两侧涂抹厚度约为1mm，然后将硅橡胶护套扣接起来等待粘接剂凝固，粘接剂凝固后对合缝处进行检测，避免小孔和空气的存在。

进一步的，所述粘接剂为kh-560、kh-570或n-916硅烷偶联剂。

进一步的，所述粘接剂为n-916硅烷偶联剂。

本发明的有益效果在于：利用本发明的方法，当硅橡胶护套包覆导线后，导线表面电场强度升高，硅橡胶表面电场强度明显低于导线表面电场强度。相同空气间隙下，硅橡胶护套包覆导线后击穿电压升高，相当于等效增加了空气击穿间隙，提升了放电水平。硅橡胶护套包覆导线的死区故障解决方法从技术上是可行的，为紧凑型设备增强绝缘提供了通用的有效解决方案。

附图说明

图1为形成保护死区的原因示意图。

图2为加装电流互感器现场接线图。

图3为硅橡胶护套厚度和击穿电压关系图。

图4为硅橡胶护套的剖面结构示意图。

图4中，1上套半环、2下套半环、3凸楞、4凹槽。

图5为导线截面图。

图6为模型1的结构示意图。

图7为模型2的结构示意图。

图8为裸导线场强分布云图。

图9为模型1场强分布云图。

图10为模型2场强分布云图。

图11为测试现场图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

1、材料选用

目前研究较多、使用量较大的是甲基乙烯基硅橡胶、二甲基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅橡胶、腈硅橡胶。工频电场分布主要与硅橡胶材料的结构尺寸和介电常数有关，介电常数接近的材料对电场分布的改善效果差别不大，应根据使用环境、工艺控制水平、加工成本等因素合理选用绝缘材料。

2、高导热性能分析

硅橡胶护套包覆导线以后必然影响导线的散热，因此必须选用具有高导热性能的硅橡胶。目前添加碳系粒子、金属粒子、无机导热粒子等是提高硅橡胶材料导热性能的常用方法。碳系粒子、金属粒子的导热系数较高，适量添加入硅橡胶基体能够显著增强其导热性能，但会降低基体的耐压强度。氮化硼、碳化硅、氧化硅、氧化铝等导热绝缘粒子，既可以提高硅橡胶基体的导热性能又不会明显降低其绝缘强度，但是这些粒子需要较高的添加量，使硅橡胶材料的力学性能下降。王军等研制出一种以氧化锌（zno）粒子和还原氧化石墨烯（rgo）为基础的导热绝缘混合填料粒子，当填料质量分数仅为1%时，硅橡胶材料的体积电阻率为1.1×10¹⁴ω·cm，热导率为0.325w/（m·k），显著提高热传导性能的同时保证了绝缘强度。

3、耐漏电起痕性能

硅橡胶护套在使用过程中，会受到水分、盐露、灰尘及其它污染，染污后其表面憎水性能在外界强电场的作用下会逐渐下降，导致沿面泄漏电流产生，泄漏电流又会促使水分蒸发，引发干带电弧放电的反复发生。硅橡胶材料在电弧的电应力及热作用下，不仅发生分解断链产生电蚀损甚至击穿破坏，而且伴随产生的大量活性粒子又进一步增强了局部电场强度，提高了干带电弧放电能力，最终导致污闪湿闪、表面炭化并形成放电通道，引起硅橡胶材料完全失效。

目前，传统无机填料、纳米无机填料、有机耐漏电起痕剂是提高硅橡胶材料耐漏电起痕性能的主要方法。传统无机填料用量大且会影响硅橡胶的物理力学性能，纳米无机填料的分散性目前仍未解决，有机耐漏电起痕剂与硅橡胶材料相容性较好，可以实现微量高效。

4、厚度选择

保护死区两侧设备分别是断路器和电流互感器，硅橡胶护套厚度由设备接线端子承载能力和硅橡胶击穿电压共同决定。

以某500kv变电站为例：查阅到该型号断路器接线端子承载能力为3000n。根据《互感器第1部分：通用技术要求gb20840.1-2010》，电流互感器接线端子承载能力不低于4000n，在运行条件下，作用载荷不得超过试验载荷的50%，即不能超过2000n。所以，导线加装硅橡胶护套后两侧设备端子承载能力按照不超过2000n进行核算。电流互感器和断路器之间的连接导线长度通常在4.5米以下，加装10mm、12mm、15mm厚硅橡胶护套后，导线重量分别为15kg/m、17kg/m和20kg/m，导线弧垂按照0.5m考虑，计算端子最大承载力分别为1779n、1964n、2292n，考虑到一定的安全裕度，选择10mm厚硅橡胶护套最为合理。

硅橡胶护套厚度和击穿电压关系如图3所示，随着硅橡胶厚度增加，击穿电压增幅逐步减小，存在明显的电压饱和现象，硅橡胶护套厚度的增加对于耐压水平的提升效果并不明显。综合制造成本、施工安装等各方面因素，选择硅橡胶护套厚度为10mm。

5、安装工艺控制

硅橡胶护套采用卡扣式安装方式，具体包括围合形成圆形的上套半环1和下套半环2；所述上套半环1的两外侧壁上设置有沿轴向的凸楞3，所述下套半环2的两外侧壁上设置有与凸楞3对应的凹槽4，所述凸楞3插接在凹槽内4，如图4。针对粘接方式对硅橡胶护套绝缘性能的影响，一般要在硅橡胶护套的凸楞和凹槽均涂抹粘接剂。为了避免空气残留在合缝处的小孔和凹槽内减小硅橡胶护套与地电位间空气击穿距离，应对涂抹工艺进行严格控制。涂粘接剂时应将凹槽涂满，并在凸楞两侧涂抹厚度约为1mm，然后将硅橡胶护套扣接起来等待粘接剂凝固。粘接剂凝固后对合缝处进行检测，避免小孔和空气的存在降低硅橡胶护套的绝缘强度。

6、电场仿真计算

某500kv变电站导线型号为lgjqt-1400/135，直径3mm的钢芯19根，直径4.5mm的铝绞线88根，最外圈为31根，如图5所示。

导线外表面包覆10mm厚硅橡胶护套，建立两种模型。

模型1：理想情况下硅橡胶护套与导线紧密接触，不存在空气间隙，硅橡胶护套包覆导线后的截面如图:6所示。包覆硅橡胶护套以后，导线的绝缘结构成为空气−固体组合式绝缘结构。

模型2：实际情况下硅橡胶护套和导线不会完全紧密接触，空气间隙无法避免，气隙的存在使整体结构变为气隙−固体−气隙3层绝缘结构，如图7所示。护套内表面与导线之间有1mm空气间隙，护套外表面与空气接触。

采用电磁场仿真软件ansys对裸导线、模型1、模型2三种情况下表面电场强度的仿真计算结果如表1所示，电场分布云图如图8~图10所示。

表1电场强度仿真结果

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对比仿真结果，硅橡胶护套包覆导线后，导线表面场强增大，模型1情况下达到7.4kv/mm；硅橡胶表面场强明显低于导线表面场强，模型2情况下场强降低幅度最大，达到1.76kv/mm。

6、测试结果及分析

6.1现场测试

为模拟接地体靠近保护死区导线放电的实际情况，选定空气间隙0.5米的条件下，分别对裸导线、模型2进行升压试验，空气间隙的击穿电压取5次试验平均值。现场测试情况如图11。测试用硅橡胶护套为rubns-olc卡扣式硅橡胶绝缘护套管，厚度为10mm。

试验结果如表2所示。只有导线包覆硅橡胶护套后的击穿电压由180kv提高至232kv，导线和地电位导线均包覆硅橡胶护套后的击穿电压进一步提高至272kv。包覆硅橡胶护套后，可以提高导线的对地绝缘强度，等效增加了空气击穿距离，提升了导线悬挂异物或者接地体接近导线的放电水平，有效降低死区故障发生风险。

表2击穿电压

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6.2结果分析

当接地体逐渐靠近硅橡胶护套的外表面时，硅橡胶内部的导线表面开始产生电晕点，此后电晕现象逐渐加剧，直至在导线表面和硅橡胶内表面之间形成闪络通道。此时导线表面和硅橡胶内表面并未被完全击穿，只是形成了闪络通道，闪络通道形成以后会导致硅橡胶表面烧蚀、破坏。当接地体进一步靠近硅橡胶外表面时，闪络通道将会加剧放电，导线表面和硅橡胶内表面之间的空气间隙会被完全击穿。随着外部接地体的进一步接近，硅橡胶与接地体之间的外部空气间隙最终被击穿。

硅橡胶护套材料介电常数远大于空气，导体与接地体之间绝缘强度就会增加，因此采用硅橡胶护套提高绝缘能力，可以有效降低3/2接线方式下死区故障发生风险，经现场安装后运行效果良好。

7、结论

硅橡胶护套包覆导线后，导线表面电场强度升高，硅橡胶表面电场强度明显低于导线表面电场强度。相同空气间隙下，硅橡胶护套包覆导线后击穿电压升高，相当于等效增加了空气击穿间隙，提升了放电水平。硅橡胶护套包覆导线的死区故障解决方法从技术上是可行的，为紧凑型设备增强绝缘提供了通用的有效解决方案。

以上实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。