變壓器套管在線監(jiān)測(cè)接口適配器的研究

鄒國(guó)平，何文林，孫 翔

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

套管是電力變壓器的重要組成部分，主要承擔(dān)變壓器內(nèi)部出線的對(duì)地絕緣、載流及支撐功能，其性能直接影響變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性。變壓器套管絕緣在線監(jiān)測(cè)是目前變壓器檢測(cè)的盲點(diǎn)之一，根據(jù)研究，實(shí)施套管介損與電容量在線監(jiān)測(cè)可將非停電檢修策略的盲檢率從目前的4.9%降低至3%[1]。

電容型套管由于電場(chǎng)分布均勻、耐受電壓高，在110 kV及以上系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了保證套管的正常運(yùn)行，電容型套管最外層的電容屏通過(guò)卷入一層銅帶后經(jīng)由絕緣小套管引出并接地。可通過(guò)電橋平衡法、相位差法與數(shù)字測(cè)量法[2]獲得介損值與電容量。目前套管實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的最大難點(diǎn)在于套管末屏信號(hào)的取樣問(wèn)題，出于安全考慮，現(xiàn)有變壓器套管在正常運(yùn)行時(shí)，末屏基本上是在接地帽內(nèi)部接地，在線監(jiān)測(cè)中無(wú)法引出末屏測(cè)試信號(hào)。

因此，通過(guò)分析不同套管的末屏接地方式，研究相應(yīng)的套管在線監(jiān)測(cè)接口適配器（以下簡(jiǎn)稱適配器）實(shí)現(xiàn)信號(hào)引出，對(duì)于消除變壓器套管監(jiān)測(cè)的盲點(diǎn)，提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 浙江電網(wǎng)變壓器套管接地結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江電網(wǎng)110 kV及以上電壓等級(jí)變壓器明確生產(chǎn)廠家的電容型套管共有9 498個(gè)。套管數(shù)量從高到低的生產(chǎn)廠家分別為傳奇電氣、上海MWB、南京智達(dá)、南京南瓷、ABB、西安西瓷、NGK電瓷等，占有比例分別是35.3%，16.3%，14.0%，9.3%，4.6%，1.2%，1.2%。套管廠家分布見(jiàn)圖1所示[3]。

圖1 電容型套管的廠家分布

根據(jù)研究，傳奇套管包含3種不同的末屏接地結(jié)構(gòu)，分別為普通抽頭、K抽頭與插銷式結(jié)構(gòu)。上海MWB套管包含1種末屏接地結(jié)構(gòu)，且和傳奇普通抽頭結(jié)構(gòu)相同。南京智達(dá)套管包含1種末屏接地結(jié)構(gòu)。南瓷套管包含2種不同的末屏接地結(jié)構(gòu)，分別為瓷絕緣與普通絕緣結(jié)構(gòu)。ABB包含3種末屏接地結(jié)構(gòu)，分別為ABB TOB/TOM，GOE與RTKF/RTKK結(jié)構(gòu)。西瓷套管包含3種末屏接地結(jié)構(gòu)，分別為插拔式、長(zhǎng)接地帽、短接地帽結(jié)構(gòu)。NKG套管包含1種末屏接地結(jié)構(gòu)。

在套管正常運(yùn)行時(shí)，末屏通過(guò)接地帽內(nèi)部接地，為了實(shí)現(xiàn)套管在線監(jiān)測(cè)，必須改變套管末屏接地方式，將信號(hào)引出到外部，在套管在線監(jiān)測(cè)接口研究中需要解決信號(hào)引出、防水密封、開(kāi)路保護(hù)等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2 適配器研制的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 末屏信號(hào)的有效引出

套管末屏信號(hào)引線柱可分為3種類型：一是光滑引線柱，如傳奇/MWB普通抽頭、ABB、西瓷、NGK等套管的末屏結(jié)構(gòu)；二是螺紋引線柱，如傳奇K抽頭、南京智達(dá)、南瓷、天威瑞恒等套管的結(jié)構(gòu)；三是特殊結(jié)構(gòu)，如傳奇插銷式、泛美雷特等套管的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于光滑引線柱采用了如圖2所示的彈簧抱緊結(jié)構(gòu)，實(shí)際安裝中光滑引線柱插入彈簧抱緊結(jié)構(gòu)，并通過(guò)外部絕緣件實(shí)現(xiàn)緊固連接。螺紋引線柱設(shè)計(jì)了如圖3所示的螺紋中轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)首端采用內(nèi)螺紋與末屏引線柱連接，末端設(shè)計(jì)為光滑導(dǎo)桿，方便停電試驗(yàn)時(shí)插拔。光滑導(dǎo)桿之后采用的仍是與第一種結(jié)構(gòu)相同的彈簧抱緊結(jié)構(gòu)。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)須針對(duì)每種結(jié)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計(jì)信號(hào)引出方式，因此不一一贅述。

為了驗(yàn)證信號(hào)引出結(jié)構(gòu)的有效性，對(duì)連接結(jié)構(gòu)做了疲勞度測(cè)試與絕緣電阻測(cè)試。疲勞度試驗(yàn)中分別測(cè)試導(dǎo)電桿連接結(jié)構(gòu)插拔0次、50次、100次之后的直流接觸電阻。測(cè)試結(jié)果如表1所示，直流電阻測(cè)試結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)多次插拔，該結(jié)構(gòu)的連接電阻仍小于20 mΩ，證明連接可靠。

圖2 光滑引線柱的彈簧抱緊結(jié)構(gòu)

圖3 螺紋引線柱的中轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)

表1 適配器直流接觸電阻測(cè)試值 mΩ

絕緣電阻試驗(yàn)中分別選擇2 500 V、5 000 V電壓等級(jí)兆表測(cè)試內(nèi)部導(dǎo)電桿與保護(hù)外殼之間的絕緣電阻，測(cè)試結(jié)果如表2所示。按照DL/T 596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求[4]，末屏絕緣電阻測(cè)試時(shí)選擇2 500 V檔位，電阻大于1 000 M即為合格，因此樣品的絕緣電阻符合要求。

表2 適配器絕緣電阻測(cè)試值 GΩ

2.2 適配器的防水密封

為了保證適配器的密封性，在設(shè)計(jì)中考慮了多個(gè)密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)樣品做了壓力為0.3 MPa、持續(xù)時(shí)間15 min的防水密封試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置如圖4所示，測(cè)試過(guò)程中水中無(wú)氣泡產(chǎn)生，適配器防水密封性符合要求。

圖4 防水密封試驗(yàn)

2.3 末屏信號(hào)外引的防開(kāi)路保護(hù)

套管加裝適配器之后，末屏經(jīng)由信號(hào)電纜后接地，如果信號(hào)電纜受外力破壞而斷開(kāi)，將導(dǎo)致末屏放電，嚴(yán)重影響套管的運(yùn)行安全，因此必須具備信號(hào)電纜防開(kāi)路保護(hù)裝置。

目前在用的適配器大多沒(méi)有防開(kāi)路保護(hù)，部分采用如圖5所示的2個(gè)反向并聯(lián)的二極管作為接地保護(hù)，同時(shí)為了防止雷擊和操作過(guò)電壓，適配器內(nèi)部還配置了放電間隙。由于二極管和放電間隙尺寸較大，保護(hù)元件無(wú)法內(nèi)置在適配器中，一般采取外置方式。在停電試驗(yàn)中，需要拆除圖中虛線范圍內(nèi)保護(hù)的接線。而經(jīng)多次拆卸之后裝置連接的有效性往往無(wú)法得到保證，存在試驗(yàn)完成后忘記恢復(fù)接線的隱患，安全性不高。

圖5 二極管防開(kāi)路保護(hù)裝置

經(jīng)研究，適配器最終采用的是如圖6的保護(hù)結(jié)構(gòu)，末屏信號(hào)除了經(jīng)電纜連接接地外，在適配器內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電阻。當(dāng)信號(hào)電纜正常時(shí)，電纜接地電阻Rg遠(yuǎn)小于R，因此電阻R上可以認(rèn)為沒(méi)有電流分流；當(dāng)信號(hào)電纜開(kāi)路時(shí)，由于套管電容阻抗Zc遠(yuǎn)大于R，末屏經(jīng)由保護(hù)電阻R接地。同時(shí)考慮到停電試驗(yàn)時(shí)的接線方便，將適配器劃分為2部分，第一部分為轉(zhuǎn)接口，用于連接末屏法蘭；第二部分為主體結(jié)構(gòu)，保護(hù)電阻、信號(hào)電纜都連在其中。2部分的連接位置如圖中虛線部分所示，兩者通過(guò)活結(jié)螺母連接，在停電試驗(yàn)時(shí)拆下主體結(jié)構(gòu)，末屏對(duì)地開(kāi)路；正常運(yùn)行時(shí)，旋緊活結(jié)螺母以實(shí)現(xiàn)兩部分結(jié)構(gòu)的連接與密封。

圖6 電阻防開(kāi)路保護(hù)裝置

3 各種結(jié)構(gòu)適配器的研制

3.1 插拔式結(jié)構(gòu)

插拔式結(jié)構(gòu)的適配器適用于末屏光滑引線柱引出方式的末屏接地結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于傳奇/MWB套管普通抽頭結(jié)構(gòu)、ABB套管TOB/TOM與GOE結(jié)構(gòu)、西瓷套管、NGK套管等的末屏接地結(jié)構(gòu)的信號(hào)引出。

圖7是針對(duì)傳奇/MWB普通抽頭套管設(shè)計(jì)的適配器結(jié)構(gòu)圖。該類套管末屏采用光滑引線柱的引出方式，可以通過(guò)彈簧抱緊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)引出。插拔式結(jié)構(gòu)適配器密封在一個(gè)金屬外殼中，末屏引線柱通過(guò)整體式彈簧片夾緊，經(jīng)由導(dǎo)電桿末端電纜線穿過(guò)防水接頭引出外接（圖中電纜未畫(huà)出），彈簧片、導(dǎo)電桿與金屬外殼保持絕緣。為了防止信號(hào)引出線開(kāi)路對(duì)套管造成危害，在導(dǎo)電桿與轉(zhuǎn)接頭之間設(shè)有接地保護(hù)電阻。傳奇/MWB普通抽頭結(jié)構(gòu)的適配器已經(jīng)在某110 kV和220 kV變電站主變壓器上安裝成功，實(shí)際安裝位置如圖8所示。

3.2 螺紋式結(jié)構(gòu)

螺紋式結(jié)構(gòu)適配器適用于末屏螺紋引線柱引出方式的末屏接地結(jié)構(gòu)，主要包括傳奇K抽頭結(jié)構(gòu)套管、南京智達(dá)套管、南瓷套管、天威瑞恒等套管的末屏接地結(jié)構(gòu)。

螺紋引線柱適配器與普通引線柱相比，適配器主體結(jié)構(gòu)一致，所不同的是增加了轉(zhuǎn)換頂針。圖9是針對(duì)南瓷套管瓷絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適配器結(jié)構(gòu)圖。適配器中的轉(zhuǎn)換頂針將螺紋結(jié)構(gòu)導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)接為光滑導(dǎo)電桿，同時(shí)延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)換頂針外轉(zhuǎn)接頭長(zhǎng)度。

圖7 傳奇/MWB普通抽頭結(jié)構(gòu)適配器

圖8 傳奇/MWB普通抽頭結(jié)構(gòu)適配器的連接

圖9 南瓷瓷絕緣結(jié)構(gòu)適配器

3.3 特殊式結(jié)構(gòu)

特殊式結(jié)構(gòu)末屏適配器應(yīng)用于末屏接地結(jié)構(gòu)較為特殊，既不是光滑導(dǎo)桿也不是螺紋導(dǎo)桿的末屏引線柱結(jié)構(gòu)。主要包括傳奇套管的插銷式結(jié)構(gòu)、ABB RTKF/RTKK套管結(jié)構(gòu)、泛美雷特套管結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)須針對(duì)每種結(jié)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)引出方式。

傳奇插銷式結(jié)構(gòu)是2007年之前采用的末屏接地結(jié)構(gòu)，在新套管中已不再應(yīng)用，但是在已運(yùn)行變壓器中仍有很多此類套管，插銷式結(jié)構(gòu)末屏適配器結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 傳奇插銷式結(jié)構(gòu)適配器

泛美雷特套管是新型的干式套管，電容芯子采用玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成絕緣層，并與半導(dǎo)體材料制成的電容屏一起高溫固化，其傘裙由硅橡膠材料制成。泛美雷特套管接地結(jié)構(gòu)是另一種特殊的接地結(jié)構(gòu)，末屏引線柱是內(nèi)部空心且包含有橫向彈性結(jié)構(gòu)的柱裝金屬導(dǎo)體，接地帽上有一與引線柱接口相匹配的頂針，正常運(yùn)行時(shí)接地帽頂針插入引線柱接口實(shí)現(xiàn)接地。泛美雷特套管末屏接口適配器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)與頂針相同尺寸的導(dǎo)電桿即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效引出，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 泛美雷特套管適配器

3.4 套管在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

變壓器套管接口適配器將套管末屏內(nèi)部接地改為外部接地，實(shí)現(xiàn)了套管末屏信號(hào)的外引，為套管在線監(jiān)測(cè)提供了信號(hào)源，上述幾種結(jié)構(gòu)的末屏適配器均已有安裝實(shí)例。圖12是某主變壓器套管安裝在線監(jiān)測(cè)裝置之后測(cè)得的3相泄漏電流和電容量。通過(guò)安裝在線監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控套管的泄漏電流、電容量、介損等數(shù)據(jù)，掌握套管的健康狀態(tài)，提高變壓器運(yùn)行可靠性。

圖12 套管在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)浙江電網(wǎng)已投運(yùn)的主要變壓器套管廠家及其接地方式做了統(tǒng)計(jì)，針對(duì)3類不同的末屏引線柱引出方式的接地結(jié)構(gòu)研制了相應(yīng)的接口適配器。解決了套管末屏適配器信號(hào)引出、防水密封、防開(kāi)路保護(hù)等3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并在部份主變壓器上開(kāi)展了管套末屏適配器試點(diǎn)安裝工作，研制的適配器應(yīng)用范圍可覆蓋浙江電網(wǎng)已投運(yùn)變壓器套管的98%左右，將為套管的在線監(jiān)測(cè)提供有力的技術(shù)支撐。

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[2]王昌長(zhǎng)，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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