套管誘發(fā)變壓器突發(fā)性故障原因及建議

俞 華，段瑋楠，申 平

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.山西大學(xué)，山西 太原 030001；3.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司井岡山電廠(chǎng)，江西 吉安 343009）

0 引言

套管是變壓器最主要的組成部件,它不僅把變壓器內(nèi)部的高、低壓引線(xiàn)引到油箱之外，實(shí)現(xiàn)與外部連接，同時(shí)還起著固定引線(xiàn)的作用[1]。

套管的事故率占全部變壓器事故率的比例并不是很大，文獻(xiàn)[2]指出，僅占6.3%，但它一旦出現(xiàn)放電等事故就會(huì)造成爆炸，極易引起變壓器著火，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，這也是需要對(duì)套管高度重視的主要原因。

1 變壓器運(yùn)行經(jīng)過(guò)

2010年5月2 日0時(shí)11分，某500 kV站1號(hào)主變壓器5011、5012、2001、3001開(kāi)關(guān)掉閘，三相潮流落零，母線(xiàn)電壓正常。1號(hào)主變壓器“本體重瓦斯動(dòng)作”、“本體壓力釋放”、“本體輕瓦斯動(dòng)作”、“A保護(hù)柜差動(dòng)動(dòng)作”、“B保護(hù)柜差動(dòng)動(dòng)作”、“C保護(hù)柜分差動(dòng)作”、“5011、5012、2001、3001斷路器出口掉閘”等光字牌亮。

運(yùn)行人員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，1號(hào)主變壓器C相頂部220 kV套管與35 kV套管附近著火，迅速啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)，同時(shí)立刻報(bào)火警，約30 min后消防車(chē)到站將火熄滅。

1號(hào)變壓器C相型號(hào)為ODFPS-250000/500，變壓器本體和三側(cè)套管分別于2003年3月、2003年1月出廠(chǎng)，同年8月26日投運(yùn)，投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行情況良好。

2 變壓器故障后現(xiàn)場(chǎng)檢查

2.1 主變壓器現(xiàn)場(chǎng)檢查

故障后，經(jīng)檢查，C相主變壓器本體油箱及散熱器變形嚴(yán)重，上節(jié)油箱中部箱壁和橫加強(qiáng)拱鼓起，且油箱接縫多處開(kāi)裂，密封膠墊燒壞，變壓器油流出，220 kV套管側(cè)壓力釋放器與排油管道連接處崩裂。主變壓器三側(cè)及中性點(diǎn)套管瓷套碎裂。

2.2 主變壓器保護(hù)檢查

根據(jù)1號(hào)主變壓器保護(hù)及錄波圖分析，故障發(fā)生前，1號(hào)主變壓器各側(cè)電流、電壓沒(méi)有突變，說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生區(qū)外故障。變壓器故障時(shí)，C相高壓側(cè)一次短路電流4.677 kA，中壓側(cè)一次短路電流12 kA，21.2 ms后1號(hào)主變壓器差動(dòng)保護(hù)和C相壓力釋放同時(shí)動(dòng)作，判斷故障源在變壓器內(nèi)部。60 ms后5011﹑5012斷路器斷開(kāi)，67 ms后3001斷路器斷開(kāi)，80 ms后2001斷路器斷開(kāi)。110 ms時(shí)輕瓦斯告警，116 ms時(shí)重瓦斯動(dòng)作。1號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作均正確。

2.3 變壓器試驗(yàn)情況

對(duì)C相殘油進(jìn)行色譜分析，并與最近一次油色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。

主變壓器C相高、中、低三側(cè)對(duì)地絕緣電阻均為0，直阻、變比等試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。主變壓器A、B相進(jìn)行了絕緣電阻、變比、直流電阻、介損、直流泄漏、變形、油色譜、交流耐壓、空載損耗、短路阻抗、局部放電試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。表1中，各特征氣體急劇增加，根據(jù)特征氣體法，再結(jié)合高壓試驗(yàn)，判斷C相變壓器內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重故障，A、B相變壓器正常。

表1 變壓器油色譜數(shù)據(jù)μL/L

2.4 主變壓器套管拆除檢查

2010年5月3 日，1號(hào)主變壓器C相三側(cè)套管拆除，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)220 kV套管尾部接線(xiàn)端子法蘭盤(pán)處和連接套筒下部有明顯放電點(diǎn)，500 kV和35 kV套管未見(jiàn)放電點(diǎn)。判定故障源很可能在變壓器本體內(nèi)部，放電部位在220 kV套管尾部接線(xiàn)端子法蘭盤(pán)處和連接套筒下部。故障原因需返廠(chǎng)解體做進(jìn)一步的分析。

圖1 套管油中部分結(jié)構(gòu)

3 故障變壓器返廠(chǎng)解體

2010年5月2 0日，對(duì)1號(hào)主變壓器C相進(jìn)行了返廠(chǎng)解體分析。

3.1 變壓器本體解體情況

本體解體檢查發(fā)現(xiàn)大部分引線(xiàn)支架失去支撐，中壓和高壓引線(xiàn)坍塌；主柱、旁柱器身圍屏不同程度燒毀；勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)及支架被燒黑；高、中、低壓線(xiàn)圈及調(diào)壓線(xiàn)圈表面絕緣碳化嚴(yán)重，但未有扭曲變形；鐵芯夾件和夾件結(jié)構(gòu)件未出現(xiàn)明顯變形。

3.2 套管解體檢查情況

高、低壓套管及中性點(diǎn)套管瓷件均已破碎，電容屏、連接套筒、油枕、均壓球等表面被燒黑，但未發(fā)現(xiàn)放電痕跡。中壓套管上、下瓷件已破碎，表面被燒黑，套管空氣部分未發(fā)現(xiàn)放電痕跡，油中部分發(fā)現(xiàn)大量放電痕跡。

中壓套管油中部分整體如圖1所示，在套管連接套筒下端密封圈外側(cè)邊沿有兩處電弧燒蝕點(diǎn)，分別長(zhǎng)約220 mm、325 mm，內(nèi)側(cè)端面有一處電弧燒蝕點(diǎn)。

套管尾部專(zhuān)用墊圈底板外邊沿有多處電弧燒蝕點(diǎn)，其與瓷件連接密封圈內(nèi)側(cè)端面有2處電弧燒蝕點(diǎn)，內(nèi)孔有3處電弧燒蝕點(diǎn)，油中接線(xiàn)端子外沿多處電弧燒蝕點(diǎn)。

導(dǎo)電管與專(zhuān)用墊圈底板配合處外表面有3處明顯電弧燒蝕點(diǎn)，專(zhuān)用墊圈底板與油中接線(xiàn)端子之間使用膠皮墊，其等電位連接采用2個(gè)大頭針實(shí)現(xiàn)。而2個(gè)大頭針，僅1個(gè)大頭針外露一邊端頭。

均壓球表面外裹絕緣紙漿，絕緣紙漿外部表面有局部碳化、外形完整。均壓球上圓弧內(nèi)側(cè)有個(gè)別小的電弧燒蝕點(diǎn)，3個(gè)安裝孔上部有磕碰痕跡，其中1安裝孔直徑較大（設(shè)計(jì)值12 mm，實(shí)測(cè)為14 mm），螺釘頭可以穿過(guò)。

均壓球壓板邊沿有1處明顯有電弧燒蝕痕跡，1孔豁開(kāi)，1個(gè)螺釘頭磨損嚴(yán)重。

油中瓷件檢查。油中瓷件已完全破碎，如手掌大小。瓷件內(nèi)外表面均有大面積的電弧燒傷痕跡，表面釉層已嚴(yán)重脫落。經(jīng)試驗(yàn)，無(wú)吸虹現(xiàn)象，油中瓷件質(zhì)量試驗(yàn)符合要求。

4 變壓器故障原因

4.1 放電部位和放電路徑分析

通過(guò)故障錄波圖、保護(hù)動(dòng)作及解體分析，故障源在變壓器本體內(nèi)部。經(jīng)對(duì)變壓器本體及其附件解體檢查，在中壓套管尾部發(fā)現(xiàn)大量放電痕跡，其他部分未發(fā)現(xiàn)放電痕跡，因此中壓套管尾部放電是造成變壓器損壞的誘因。

處于高電位的尾部金具（油中端子、專(zhuān)用墊圈底板、均壓球等）有放電痕跡，處于地電位的連接套筒下端邊沿及端面有放電燒蝕痕跡，連接高、地電位的中間瓷絕緣內(nèi)、外表面有電弧燒蝕痕跡。經(jīng)分析放電通道為：專(zhuān)用墊圈底板沿油中瓷件內(nèi)、外表面對(duì)連接套筒下端放電。

4.2 變壓器套管放電原因分析

4.2.1 均壓球松動(dòng)和變位造成套管尾部電場(chǎng)畸變

為了改善套管尾部電場(chǎng)分布，降低表面場(chǎng)強(qiáng)，套管尾部設(shè)有均壓球，并對(duì)油中接線(xiàn)端子與專(zhuān)用墊圈底板等金具起屏蔽作用。

220 kV套管尾部均壓球固定方式采用螺釘彈簧卡緊式結(jié)構(gòu)，均壓球設(shè)計(jì)安裝固定腰形孔4個(gè)，設(shè)計(jì)寬度尺寸為12 mm，但實(shí)測(cè)其中1個(gè)孔尺寸14 mm，尺寸超差，導(dǎo)致均壓球1個(gè)安裝螺釘從安裝孔中脫出；加之該連接方式?jīng)]有設(shè)計(jì)防松動(dòng)鎖緊裝置，經(jīng)變壓器電磁振動(dòng)力的作用，均壓球不斷變位發(fā)生傾斜，油中接線(xiàn)端子與專(zhuān)用墊圈底板露出，均壓球失去了屏蔽保護(hù)，從而使套管尾部電場(chǎng)發(fā)生畸變，造成專(zhuān)用墊圈底板與連接套筒之間擊穿電壓大大降低，使之沿油中瓷件表面對(duì)連接套筒下端發(fā)生閃絡(luò)，引起變壓器燒毀事故。

4.2.2 專(zhuān)用墊圈底板懸浮放電引起套管下瓷套閃絡(luò)放電

專(zhuān)用墊圈底板除外邊沿電弧燒蝕痕跡外，其端面和油中端子表面之間、其孔內(nèi)側(cè)與導(dǎo)電管配合處也有電弧燒蝕痕跡。膠皮中有2個(gè)大頭針，僅在端頭外露1個(gè)大頭針。

變壓器套管在運(yùn)行中，在電動(dòng)力等作用下，專(zhuān)用墊圈底板等電位連接似連非連，致使其對(duì)油中接線(xiàn)端子、導(dǎo)電管產(chǎn)生懸浮放電，除了是局部電場(chǎng)發(fā)生畸變外，還使油發(fā)生分解產(chǎn)生氣體，從而大大降低了套管的耐受場(chǎng)強(qiáng)。

總之，C相220 kV套管尾部均壓球連接未設(shè)計(jì)防松鎖緊機(jī)構(gòu)，專(zhuān)用墊圈底板的等電位連接結(jié)構(gòu)不可靠，是主變壓器發(fā)生事故的根本原因。

5 變壓器套管改進(jìn)措施

5.1 改進(jìn)均壓球安裝結(jié)構(gòu)

均壓球利用安裝在底座上的4個(gè)安裝螺栓組（螺栓、彈簧、定位套），通過(guò)均壓球安裝板上的腰型孔將均壓球安裝到底座上，為避免均壓球松動(dòng)、螺栓頭從腰型孔中脫落，在腰型孔的小孔末端設(shè)計(jì)螺栓腰型孔定位槽，將均壓球鎖死。

5.2 改進(jìn)套管尾部連接方式

取消專(zhuān)用墊圈底板，采用單底座，通過(guò)螺紋與導(dǎo)電管連接，提高零部件間等電位連接的可靠性。

對(duì)C相套管采用改進(jìn)的結(jié)構(gòu)后，再對(duì)A、B相進(jìn)行了改進(jìn)，自2010年11月運(yùn)行以來(lái)，通過(guò)套管油色譜分析、紅外檢測(cè)等手段觀(guān)察運(yùn)行情況良好。

6 關(guān)于套管局部放電引發(fā)突發(fā)性事故的建議

套管中的電容屏是油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)，油紙中有氣隙和油中氣泡、電場(chǎng)不均勻都可能產(chǎn)生局部放電。套管在工頻電壓下的爆炸事故，是由套管內(nèi)部先發(fā)生局部放電引起的。機(jī)理是套管內(nèi)部先發(fā)生破壞性局部放電，然后激發(fā)貫穿性擊穿，最后形成電弧放電。當(dāng)電弧釋放巨大的能量時(shí)，燒損電容屏的油紙絕緣和鋁箔，產(chǎn)生大量氣體，使套管內(nèi)部壓力驟增，引起套管爆炸[3，4]。

套管電容屏屏蔽層間的絕緣，在工頻電壓下的絕緣強(qiáng)度大于20 kV/mm，在正常工作電壓下承受的電場(chǎng)強(qiáng)度一般不到3 kV/mm。進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓為時(shí)，放電量一般為幾個(gè)pC。由此可見(jiàn)，如果不發(fā)生局部放電，不產(chǎn)生電弧，套管就不可能爆炸。

現(xiàn)行的預(yù)防性試驗(yàn)保證不了套管不發(fā)生突發(fā)性絕緣事故，建議對(duì)其使用在線(xiàn)檢測(cè)的方法，包括局部放電在線(xiàn)檢測(cè)、油色譜等。這里重點(diǎn)提局部放電在線(xiàn)檢測(cè)，變壓器在運(yùn)行中如果出現(xiàn)破壞性局部放電，及時(shí)跳閘，是可以避免發(fā)生貫穿性擊穿的。曾有變壓器制造廠(chǎng)家作過(guò)試驗(yàn)，證明了這一點(diǎn)。運(yùn)行時(shí)，如果在線(xiàn)檢測(cè)局部放電能夠與繼電保護(hù)配合，當(dāng)發(fā)現(xiàn)破壞性局部放電以后，利用保護(hù)及時(shí)跳閘，就有可能對(duì)正常工作電壓下套管引起突發(fā)的絕緣事故起到預(yù)防作用，這是需要研究的課題。在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，為了避免干擾，必須將在線(xiàn)檢測(cè)局部放電的靈敏度定位在能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)破壞性局部放電上，按現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，可以只監(jiān)視視在放電量大于104pC的局部放電。

[1]王世閣.變壓器套管故障狀況及其分析[J].變壓器，2002，39(7)：35-40.

[2]凌憋.變壓器用電容型套管故障簡(jiǎn)析[J].電力設(shè)備，2003，4（6）：24-28.

[3]董寶驊.變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故原因分析及防御措施[J].電力設(shè)備，2005，6（11）：63-66.

[4]匡新輝，陳文連.變壓器高壓進(jìn)出線(xiàn)套管多發(fā)事故原因分析[J].湖南電力，2007，27（3） :21-23.