摘要：本文通过对一起现场投运过程中避雷器击穿事故的分析，对其中可能引起避雷器放电的重要因素——筒体内表面鱼鳞形焊缝，针对性的对焊缝进行建模，借鉴常规鱼鳞形焊缝焊接工艺（焊缝高度0-2mm），将鱼鳞形焊缝表面凸起部位简化为均匀间隔的半径为1mm的凸起，将鱼鳞形焊缝表面凹陷部位简化为凹陷的平面结构；通过彼得逊粗糙度理论，确定了影响SF6绝缘性能的粗糙度系数，进而得出了鱼鳞形焊缝表面的许用场强；通过三维仿真分析，对鱼鳞形焊缝表面进行加密网格处理，分析结果显示鱼鳞形焊缝表面凸起部分的场强较大，远大于设计场强和现场实际情况下许用场强，对后期GIS类产品结构设计内焊缝时有一定的指导意义。
关键词：鱼鳞形焊缝；彼得逊粗糙度理论；许用场强；内焊缝
引言
目前电力系统中GIS类产品应用十分广泛，而且还衍生出多种GIL等其他六氟化硫绝缘产品，由于六氟化硫良好的绝缘性能需要建立在严密的设计、优良制造工艺和安装工艺的基础上。
六氟化硫气体是强电负性气体，具有极高的耐电强度；分子分解时需要极高的高温和能量，作为灭弧介质时具有良好的灭弧性能；无色无味无嗅无毒不燃。然而SF6的纯度、含水率、极小的微粒、金属材料表面的光洁度、支撑绝缘子的材料性能等都可能引起产品内部的绝缘性能下降，进而造成严重的事故。
GIS壳体处于零电位，在产品设计、生产制造、安装处理等过程时，实现很高的加工精度比较困难，由于内外表面积比较大，即使采用表面抛光处理，都比较困难，而且由于壳体在GIS结构中通常连同底架接地，处理零电位状态，极其容易被忽视。
在GIS罐体内，无论是高电位的导电杆还是低电位的壳体都有可能造成放电，壳体上的尖端、毛刺同样可能引起电场的集中。
本文中一起放电事故的原因可能为筒体上的鱼鳞形焊缝结构，结合表面粗糙度对六氟化硫气体绝缘性能的影响分析，对鱼鳞形焊缝建模分析表面，焊缝结构对产品的绝缘性能影响很大，在产品设计时应该尽量避免。
1事故情况概述
2017年9月某站110kV罐式避雷器（以下简称避雷器）在现场试验全部合格后送电过程中发生断路器跳闸，导致避雷器整个间隔停电的事故，经过现场人员排查，发现避雷器故障。
图1 避雷器内部烧损情况
Fig.1
现场紧急安排对避雷器进行解体，发现避雷器内部已烧损严重：避雷器盆式绝缘子上有明显的黑色的灼伤的痕迹；避雷器屏蔽罩已经烧穿；筒体上有明显的放电痕迹；整个避雷器气室内有大量的六氟化硫分解物反应后的白色粉末及刺激性气味；详见图1所示：
现场分别对三支避雷器芯体进行了直流1mA参考电压试验数据见下表：
避雷器芯柱直流1mA参考电压要求≥157kV，试验数据显示A、B、C三相芯体均满足要求，泄漏电流也满足≤50μA的性能要求。
2事故原因分析
通过与现场人员、试验人员沟通以及根据现场拆解的现象分析，造成此次事故的原因及分析如所述：
1）绝缘子闪络后引起放电。对绝缘子仔细擦拭后发现，绝缘子表面无明显闪络痕迹，该站避雷器为倒置安装，绝缘子表面黑色的烧蚀痕迹为均压罩对筒体放电后高温金属液、固体掉落后烧蚀碳化后产生，因此可以排除绝缘子闪络放电的情况。
2）A、B相均压罩对筒体放电为此次事故的放电位置，由于产品在出厂时已完全按照国标要求进行了相应的电性能试验，且内部结构稳定无异常，可能造成此次事故的原因有：
系统存在过电压，造成避雷器放电，由于现场录播图无法找到，无法进一步分析；
均压罩、筒体表面存在异物造成放电，由于放电造成表面污染，无法确定是否存在异物及异物类型；
筒体鱼鳞形粗糙结构形成的金属凸起，形成局部极不均匀场，造成击穿现象。
3鱼鳞形焊缝表面对放电的影响分析
3.1 表面粗糙度对放电影响基本理论
根据电极表面粗糙度对SF6放电影响分析，可知，当电极表面存在粗糙度时，即使间隙中各处的宏观场强均小于临界值，击穿仍可能发生，平均击穿场强Es的降低与粗糙度系数ξ的关系如下所示：
式中(Es/p)0为宏观场强。
彼得逊以半径为R的半球凸起置于光滑表面上作为表面粗糙度的模型，彼得逊半球模型如图2所示。
图2 彼得逊的半球形粗糙度模型
Fig.2
粗糙度系数与电极凸起尺寸和气压的关系为：
式中Ea—宏观平均电场强度
x—离球顶的距离
通过分析推导，得出粗糙度系数ξ为PR的函数，粗糙度系数ξ与PR(单位MPa•μm)的关系如图3所示。
图3 彼得逊模型半球形粗糙度模型的ξ与PR的关系
Fig.3
粗糙度系数ξ与PR的关系为：
3.2 鱼鳞形焊缝位置表面放电电场判据
根据SF6高压电气设计中场强设计基准值E1的计算公式如下所示：
式中P—绝对压力
K1—设计经验及制造经验数据0.85
σ—雷电冲击与操作冲击的放电电压标准偏差相对值0.05
根据研究需要，以下几种情况的许用场强需要确定：
现场避雷器放电时的实际气压为0.4MPa（绝对压力为0.5MPa）；避雷器设计时的最低运行压力0.33MPa（绝对压力0.43MPa）；现场避雷器放电时的鱼鳞形焊缝的许用场强；避雷器设计时壳体表面粗糙度6.3时的许用场强；
带入公式计算可得判据如下：
注1：现场避雷器额定压力P的绝对压力为0.5MPa，鱼鳞形焊缝的余高一般为0-3mm，弧度约为0.2mm至3mm之间；
注2：PR取值范围0.5*0.2*103<PR<0.5*3*103即PR的取值范围为100~1500之间，因此粗糙度系数ξ约为0.3。
3.3 焊缝结构的仿真分析
由于此次事故仅屏蔽罩对筒体击穿，与屏蔽罩上方导电杆、屏蔽罩内部芯体结构无关，通过简化形成的模型如下图所示：
图4 带鱼鳞形焊缝筒体的结构模型
Fig.4
根据焊缝的鱼鳞形结构形式，以及影响电场的主要结构为凸起的小圆弧结构，因此对鱼鳞形焊缝简化为半径1mm的半圆形凸起。
中心导体加压550kV；壳体、底板、保护罩、焊缝表面加压电压0kV；对焊缝表面凸起部分进行网格加密划分，进行分析计算结构如下图所示：
图5 彼得逊模型半球形粗糙度模型的ξ与PR的关系
Fig.5
根据计算结果可以看出：
①避雷器均压罩表面最大场强为：19.91kV/mm，小于避雷器设计时的最低运行压力0.33MPa判据21.3kV/mm，满足设计要求。
②壳体焊缝表面凸起部分最大场强大于17.49kV/mm，远大于现场避雷器放电时的鱼鳞形焊缝的许用场强7.2kV/mm、最低运行压力0.33MPa判据10.575kV/mm，不满足设计要求。
4结论
本文通过对一起避雷器事故分析，对焊缝情况进行建模、计算、分析，焊缝简化后与焊缝的真实结构形式有一定差别，仅考虑了凸起部分的结构，切对凸起结构做了圆化处理，没有考虑凸起部分仍有不规则的现象的情况；焊缝表面涂漆层对绝缘性能的影响也未考虑。
得出以下结论：
1）鱼鳞形内焊缝结构基本等同于大粗糙度表面，形成了一个局部的极不均匀场，许用场强降低至宏观平均许用场强的30%，大大降低SF6的绝缘性能。
2）鱼鳞形焊接方式有利于提高产品的机械强度，但是不适用罐式避雷器重要部位的内焊缝需求，为了保证罐式避雷器的电气性能，内焊缝需要打磨光滑，消除鱼鳞形焊缝表面凸起现象，或焊缝坡口结构设计时就要尽量避免内部焊接的情况。
3）鱼鳞形内焊缝同样不适用于其他GIS、GIL等产品结构，需要避免鱼鳞形焊缝表面凸起现象。
4）本文中焊缝结构模型简化后表面近似为均压的圆弧表面，实际鱼鳞形焊缝结构表面复杂，且可能有焊瘤、凹陷等较大个别缺xin陷。
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作者简介
陈帅兵,性别：男 出生年月：1979.07.26,毕业院校：郑州大学,专业:电气工程及其自动化,工作单位：河南平高电气股份有限公司互感器事业部，主要研究方向：多年从事高压互感器、避雷器开发经验，先后进行了我公司550kV电流互感器、罐式金属氧化物避雷器设计、220kV电流互感器、电压互感器、罐式金属氧化物避雷器小型化设计、35~220kV复合外套敞开电站用电流互感器、电压互感器及无间隙金属氧化物避雷器、110~220kV复合外套有间隙线路用金属氧化物避雷器等产品的设计开发，开发经验丰富，能够独立完成各种避雷器的设计计算等开发工作。
论文作者:陈帅兵,赵新科
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：避雷器论文; 鱼鳞论文; 表面论文; 绝缘子论文; 结构论文; 粗糙度论文; 场强论文; 《电力设备》2019年第16期论文;