取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置

鄭利娜 黃平兒

（海南核電有限公司 海南?？冢?/p>

一、概述

目前電容式套管最廣泛的應(yīng)用于變壓器高壓套管，其絕緣特性好壞是影響電力變壓器安全可靠運(yùn)行的主要因素之一。電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)（以下簡(jiǎn)稱介損）是高壓套管絕緣狀態(tài)的主要參數(shù)，能宏觀地評(píng)價(jià)絕緣基本狀態(tài)，因此測(cè)量電容量和介損具有重大意義。考慮到核電特殊性和安全性，及電容式設(shè)備高概率故障特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前在線監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展以及世界和運(yùn)行者協(xié)會(huì)WANO SORE 2011-1重大運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)報(bào)告對(duì)大功率變壓器要求（WANO SORE 2011-1），海南昌江核電在設(shè)備采購(gòu)時(shí)技術(shù)規(guī)格書中要求設(shè)置主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置，用以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與預(yù)警套管絕緣性能。

然而，電容式套管因結(jié)構(gòu)與制造工藝特點(diǎn)，易發(fā)生末屏接地故障，一旦裝設(shè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將加劇問題的凸顯，如套管結(jié)構(gòu)與制造工藝不足、在線測(cè)量技術(shù)、末屏接地不良等問題。為此，本文就裝設(shè)在線監(jiān)測(cè)裝置的必要性和可行性進(jìn)行了深入分析，特別是通過絕緣離線監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)裝置的對(duì)比分析，經(jīng)過與設(shè)計(jì)院和制造廠共同分析和比較，認(rèn)為在滿足技術(shù)規(guī)格書總體性能要求前提下，取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置是必要的。最終海南昌江核電主變壓器高壓套管采用離線檢測(cè)方法，并結(jié)合制造廠實(shí)際情況提出了相對(duì)合理的優(yōu)化方案。筆者就海南昌江核電主變壓器高壓套管結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)，及電容式套管絕緣監(jiān)測(cè)裝置，分為幾個(gè)方面進(jìn)行了分析比較。

二、海南昌江核電主變壓器高壓套管結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

海南昌江核電主變壓器高壓套管采用的油-SF6干式電容式套管是ABB RTKG245-1050/2000真空樹脂澆注紙絕緣油-SF6電容式套管（以下簡(jiǎn)稱電容式套管）。該套管下部在變壓器油箱內(nèi)部的變壓器油中，上部處于SF6氣體（GIL）中，使主變壓器通過GIL管道與SF6全封閉組合電器（GIS）連接。該電容式套管電容包由瓷套、電容芯、中心銅管、安裝法蘭、均壓球等組成，主結(jié)構(gòu)是1個(gè)電容（圖1），即在導(dǎo)電桿上包許多絕緣層，其間根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)分布特點(diǎn)夾有許多鋁箔，組成一串同心圓柱形電容器，最外面一層鋁箔為套管末屏。通過末屏可以測(cè)量套管的電容量和介損，判斷其絕緣狀況。因其電容包含導(dǎo)電桿（主絕緣）對(duì)末屏的電容C1和末屏對(duì)法蘭的電容C2兩部分，所以在變壓器運(yùn)行且無加裝絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，因接地彈簧與末屏銅柱接觸連接，末屏通過接地彈簧引線直接接地，運(yùn)行時(shí)電壓全部作用于套管電容C1，末屏對(duì)地電容C2不承受電壓。

由于電容式套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝問題，易出現(xiàn)芯子紙板間隙過大、密封不良間隙進(jìn)水受潮等問題，導(dǎo)致末屏絕緣問題、接地不良等故障造成局部放電，甚至引起變壓器爆炸。因此，測(cè)量導(dǎo)電桿對(duì)末屏的電容 C1和介損 tanδ1、末屏對(duì)法蘭的電容C2和介損tanδ2對(duì)有效防止套管運(yùn)行中發(fā)生爆炸事故，以便及時(shí)做預(yù)防或處理方案。

圖1 套管電容結(jié)構(gòu)

三、電容式套管絕緣監(jiān)測(cè)裝置的功能與用途

1.電容式套管電容量C和tanδ測(cè)量原理

在交流電壓作用下套管絕緣的等值電路和向量如圖2，由圖可見，流過介質(zhì)的電流I由電容電流分量IC和電阻電流分量IR兩部分組成，IR就是因介質(zhì)損耗而產(chǎn)生的，IR使流過介質(zhì)的電流偏離電容型電流IC的角度 δ。 通常IC＞＞IR，介損角 δ甚小。則介質(zhì)的功率損耗P=UIR=UICtanδ=U2ωCxtanδ，tanδ為介損，Cx為電容量，能反映因套管絕緣進(jìn)水、進(jìn)氣受潮和電容屏放電、燒傷等因素引起的介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等。

圖2 套管絕緣的等值電路和向量

目前，無論電容式套管絕緣離線（停電）檢測(cè)還是在線（帶電）檢測(cè)，均是測(cè)量電容 C、介損tanδ等反映介電特性的參數(shù)，其不同的是檢測(cè)結(jié)果反映設(shè)備的不同階段狀態(tài)，且測(cè)量?jī)x器差別較大。

2.電容式套管絕緣離線檢測(cè)裝置

目前離線測(cè)量介損與電容量的常用儀器有西林電橋、不平衡電橋和數(shù)字式自動(dòng)介損測(cè)試儀。進(jìn)行套管絕緣測(cè)試時(shí)常用試驗(yàn)接線方法有正接法和反接法。由于《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》未明確規(guī)定該項(xiàng)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)接線方法，實(shí)際上往往參考出廠采用的接線方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及對(duì)比分析安裝前后套管質(zhì)量變化。以海南昌江核電1#機(jī)組A相為例，測(cè)量不同階段的套管絕緣試驗(yàn)結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)（表1，注：參照GB 50150-2006電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程）。由表1可看出，僅測(cè)量了套管安裝前導(dǎo)電桿對(duì)末屏之間的電容C1和介損tanδ1，及安裝后繞組連同套管的電容和介損，其雖驗(yàn)證了套管出廠及交付現(xiàn)場(chǎng)后絕緣情況，但未進(jìn)行安裝前末屏對(duì)地、安裝后導(dǎo)電桿對(duì)末屏與末屏對(duì)地的電容和介損測(cè)量。因此，就不能反映整個(gè)套管絕緣情況。在海南昌江核電不僅主變壓器高壓套管如此，主變壓器高壓中性點(diǎn)套管、低壓套管，及輔變高壓套管和中性點(diǎn)套管均存在此種情況。

3.電容式套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置

海南昌江核電擬裝設(shè)的IMM2000型電容式設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由電壓采集單元、泄漏電流采集單元、各電源電流傳感器等組成，其測(cè)試原理及套管等值電路見圖3。

該裝置將通過穿心式電流傳感器串接在高壓套管Cx末屏接地上，以及安裝在GIS室母線PT二次端子上的信號(hào)取樣單元，分別獲取高壓套管Cx的末屏接地電流信號(hào)Ix和PT二次電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過精度電阻轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)In，兩路電流經(jīng)過濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，利用諧波分析法提取基波分量，并計(jì)算出其相位差和幅度比，從而獲得套管的介損tanδ和電容Cx。

表1 測(cè)量不同階段的套管絕緣試驗(yàn)結(jié)果

圖3 套管在線絕緣監(jiān)測(cè)原理及等值電路圖

由于變壓器在運(yùn)行中末屏直接接地，運(yùn)行電壓全部加在C1上，C2則因末屏和法蘭均可靠接地而被短接，不承受電壓。因此，絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量的是套管電容C1、介損tanδ1及Ix，無法同時(shí)在線檢測(cè)末屏對(duì)地電容和介損。

四、取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置原因分析

1.高壓套管末屏與絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)不匹配

若采用該結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置iIMM202利用絕緣件頂開接地彈簧與末屏，只能用內(nèi)徑為4 mm卡套鎖緊末屏并引出通過電流傳感器接地，且外徑要求小于10.5mm（ 圖 4） 。

圖4 末屏與卡套配合圖

因該套管末屏引線柱外徑僅為4 mm，而絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置iIMM2020的卡套裝置最小直徑為16 mm（圖5），無法鎖緊末屏4 mm引線柱，也無法彈開接地彈簧的絕緣件，導(dǎo)致無法匹配安裝，而其又無法同時(shí)測(cè)量導(dǎo)電桿對(duì)末屏及末屏對(duì)地電容、介損，所以在此討論套管加裝絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置或電氣連接完整性就顯得無意義。

2.增加帶浪涌保護(hù)裝置的適配器改變電氣設(shè)備完整性

為解決絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置iIMM2020卡套不能既鎖緊4 mm末屏銅柱，又能絕緣開接地彈簧片的問題，而增加帶浪涌保護(hù)裝置的適配器，可將接地彈簧片與末屏銅柱分離，并分別通過適配器引出，再通過串聯(lián)在線絕緣監(jiān)測(cè)裝置的電流傳感器接地。此方法理論上可行，但出現(xiàn)以下問題。

（1）在一定程度上改變一次電氣設(shè)備完整性， 而《Q/GDW 534-2010變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》要求在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入不應(yīng)改變一次電氣設(shè)備的完整性和正常運(yùn)行。

（2）增加末屏銅柱與引出線之間不可靠連接的概率，一旦運(yùn)行將造成末屏接地不良，使末屏對(duì)地形成一個(gè)電容，按照電容串聯(lián)原理，將在末屏與地之間形成很高的懸浮電壓，導(dǎo)致末屏對(duì)地放電，甚至套管爆炸。

圖5 iIMM2020在線監(jiān)測(cè)裝置與末屏的配合結(jié)構(gòu)

3.兩種監(jiān)測(cè)方案的對(duì)比（表2）

表2 兩種監(jiān)測(cè)方案的對(duì)比

目前暫不討論絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置是否能測(cè)量整個(gè)套管電容和介損，以及核電運(yùn)行業(yè)績(jī)等，但就套管末屏與在線監(jiān)測(cè)裝置接口不匹配，或增加適配器改變一次電氣設(shè)備完整性等對(duì)變壓器運(yùn)行安全帶來的隱患。況且，絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置采購(gòu)、校驗(yàn)及維護(hù)成本相對(duì)高。而且海南昌江核電除了主變壓器高壓套管外，還有主變壓器低壓、高壓中性點(diǎn)套管，輔助變高壓和中性點(diǎn)套管等均為電容式設(shè)備也無法減少介損測(cè)試儀的采購(gòu)成本。因此，無論從技術(shù)上還是投資上而言，主變壓器高壓套管以取消絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置，采用絕緣離線檢測(cè)設(shè)備為宜。

目前絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展是提高電站未來自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平的方向，通過實(shí)施主變壓器套管帶電測(cè)試技術(shù)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，可減少主變預(yù)防性試驗(yàn)停電的時(shí)間和次數(shù)，且在變電站已逐漸向更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用邁進(jìn)，但要在核電站得以應(yīng)用至少應(yīng)在下列任意問題上取得新的突破。

（1）通過增加適配器來解決末屏與在線監(jiān)測(cè)裝置接口匹配問題，不僅改變?cè)须姎饨泳€方式，還受限于末屏接地方式。目前市場(chǎng)套管生產(chǎn)廠家多，導(dǎo)致套管末屏結(jié)構(gòu)和接地方式較多，這就需要研究單位與供應(yīng)商在套管末屏接口開發(fā)與套管在線監(jiān)測(cè)/帶電檢測(cè)技術(shù)方面充分考慮，采用更加合理的末屏結(jié)構(gòu)和接地方式。

（2）進(jìn)行該類電容式套管末屏直接接地故障概率與增加絕緣在線監(jiān)測(cè)后可能發(fā)生的故障概率統(tǒng)計(jì)，以便定性分析是否需要增加在線監(jiān)測(cè)，也利于使用單位根據(jù)各自需求做出選擇。

五、絕緣離線測(cè)量改進(jìn)方法

在實(shí)際中，海南核電主變壓器高壓套管僅測(cè)量安裝前主絕緣及安裝后變壓器繞組電容介損，不能全面地反映套管質(zhì)量狀態(tài)。為驗(yàn)證套管及變壓器安全運(yùn)行是否在限度之內(nèi)，建議采用新的方法并增加安裝前末屏對(duì)地、安裝后導(dǎo)電桿對(duì)末屏與末屏對(duì)地，及運(yùn)行后例行試驗(yàn)或檢修后導(dǎo)電桿對(duì)末屏、末屏對(duì)地等電容與介損，具體如下：套管安裝前，采用正接法將高壓套管末屏引線接至電橋Cx端，套管端部接至電橋高壓端，測(cè)量導(dǎo)電桿對(duì)末屏的電容C1和介損tanδ1（圖6）。再采用反接法將套管末屏引線接至電橋的電橋Cx端，套管的端部短路接至電橋的屏蔽端，測(cè)量末屏對(duì)法蘭的電容C2和介損tanδ2（圖6）。

圖6 測(cè)試套管正/反接法

套管安裝后，通過從變壓器吊出來單獨(dú)測(cè)量將會(huì)增大末屏接觸不良概率，例行試驗(yàn)應(yīng)大部分情況下在套管安裝變壓器后進(jìn)行，其電容結(jié)構(gòu)變化（圖7）。

圖7 套管安裝后電容結(jié)構(gòu)

安裝后，因變壓器繞組電容、套管電容C1以及套管電容C2為連接在一起無法分離，直接采用正接法和反接法只能測(cè)量繞組連同套管介損和電容，要測(cè)量安裝后套管電容和介損，需采用方法如下。

（1）采用圖7正接法測(cè)量套管導(dǎo)電桿至末屏之間的介損tanδ1和電容 C1。

（2）采用帶屏蔽的反接法測(cè)量套管末屏對(duì)地電容C2和介損tanδ2，由于C2的一極為套管法蘭，此法蘭與變壓器油箱無法分離，所以將介損測(cè)試儀的高壓輸出端接到套管測(cè)量端子，屏蔽端接到套管線端（圖8）。因屏蔽線與高壓輸出線基本為同一電位，所以電容C1上無電流，而變壓器繞組電容上流過的電流直接由屏蔽線提供，沒有進(jìn)入測(cè)量用的采樣電阻中。

圖8 反接法原理圖

按照此方法測(cè)量，不僅全面驗(yàn)證套管各個(gè)階段的絕緣情況，而且為例行測(cè)量套管電容和介損提供方法，及為后期套管常規(guī)維護(hù)、檢修提供比對(duì)基準(zhǔn)。

六、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過分析論證，絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然是提高核電站未來自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平的方向，但目前尚無數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)反饋，也無實(shí)驗(yàn)室量化計(jì)算。要在核電站應(yīng)用至少應(yīng)解決其關(guān)鍵問題后再逐步得以實(shí)施。海南昌江核電取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置，而采用離線監(jiān)測(cè)裝置，降低了套管末屏對(duì)地?fù)舸┑纫鹛坠苌踔磷儔浩鞴收系母怕?，根?jù)要求還可隨時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)其檢測(cè)數(shù)據(jù)比較全面，尤其是套管出廠、安裝前后、電廠例行與檢修后試驗(yàn)等應(yīng)用比較多。

總之，海南昌江核電工程采用技術(shù)上更為可靠而且應(yīng)用業(yè)績(jī)較多的離線監(jiān)測(cè)裝置在技術(shù)上是合理的，而且可降低設(shè)備采購(gòu)成本也可降低運(yùn)行費(fèi)用。由于在項(xiàng)目執(zhí)行過程或現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試中均會(huì)出現(xiàn)很多類似問題，這就不僅需要項(xiàng)目管理人員具有較強(qiáng)的項(xiàng)目管理能力，而且也對(duì)項(xiàng)目管理人員專業(yè)問題發(fā)現(xiàn)、提出及解決的能力及專業(yè)水平提出更高要求，同時(shí)通過本文論述也為電容式套管帶電檢測(cè)接口的研究提供參考。