一起1 000 kV特高壓并聯(lián)電抗器內(nèi)部故障分析

束 暢，章 茜，高 燃，黃道均，馬 凱

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司,安徽 合肥 230009)

特高壓并聯(lián)電抗器(簡(jiǎn)稱(chēng)高抗)是連接在特高壓輸電線路的始、末端和大地之間的電氣設(shè)備，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)功功率。除此之外，它可以減小輕載線路中電容效應(yīng)所引起的電壓抬升和操作過(guò)電壓，改善沿線無(wú)功功率和電壓分布，提高線路功率因數(shù)，加速潛供電流的熄滅，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送電力能力[1]。

2 250/1 100；油箱結(jié)構(gòu)：鐘罩式。

1 油中溶解氣體分析

1.1 原理

當(dāng)油浸式電抗器內(nèi)部發(fā)生油紙老化、發(fā)熱甚至局部放電等缺陷時(shí)，設(shè)備內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生多種氣體(如氫氣、一氧化碳、二氧化碳、烴類(lèi)等)，產(chǎn)生氣體較少時(shí)，這些氣體會(huì)溶解在變壓器油中，氣體種類(lèi)和含量不同可以反映不同的故障類(lèi)型，通過(guò)儀器將變壓器油和氣體分離，對(duì)氣體成分、含量檢測(cè)，通過(guò)“三比值”法則判斷故障類(lèi)型，從而診斷電抗器內(nèi)部絕緣狀況[2]。

1.2 實(shí)例分析

高抗自投運(yùn)以來(lái)，油中含氣量變化見(jiàn)表1。油化試驗(yàn)中的油色譜乙炔指標(biāo)未見(jiàn)異常。2014年12月有激增現(xiàn)象，12月15日凌晨油樣中乙炔含量由1.4 μL/L突然增長(zhǎng)至3.9 μL/L； 12月15日8：00增長(zhǎng)至5.3 μL/L；12月15日18：00為4.52 μL/L；12月18日18:00為4.13 μL/L；總烴由22.5 μL/L增至181.6 μL/L；一氧化碳和二氧化碳基本無(wú)變化。

表1 2014年油中含氣量變化 μL/L

相對(duì)產(chǎn)氣率是指某時(shí)間段內(nèi)氣體含量增加至原有值的平均數(shù)，通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻所取油樣進(jìn)行氣體分析。12月14日20:00至12月15日00:00 5 h總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算得：

(1)

12月15日00:00至12月15日02:00 2 h總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率計(jì)算：

(2)

式中：r1、r2為對(duì)應(yīng)時(shí)間段相對(duì)產(chǎn)氣率；C1、C2表示對(duì)應(yīng)某時(shí)刻的氣體含量；Δt1、Δt2表示對(duì)應(yīng)時(shí)間段的時(shí)間差。

綜合分析，15日凌晨2 h的產(chǎn)氣率為14日5 h產(chǎn)氣率的3.47倍，呈明顯上升趨勢(shì)，且乙炔含量自14—15日又大幅度上升，根據(jù)規(guī)程總烴的相對(duì)產(chǎn)氣率大于10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步診斷，且氣體中有乙炔產(chǎn)生，初步判斷有放電現(xiàn)象。但尚不能確定放電點(diǎn)位置，需通過(guò)其他檢測(cè)手段準(zhǔn)確定位[3]。

2 帶電檢測(cè)的應(yīng)用

2.1 超聲波局部放電檢測(cè)

局部放電是指在運(yùn)行電氣設(shè)備在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，部分區(qū)域或位置發(fā)生微小放電，而沒(méi)有形成貫穿性施加電壓，即主絕緣尚未被擊穿，局部放電時(shí)放電點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的超聲波信號(hào)[4]。超聲波局部放電檢測(cè)是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，并根據(jù)結(jié)果診斷設(shè)備狀態(tài)的一種檢測(cè)手段。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在局部放電時(shí)，隨著放電的進(jìn)行會(huì)發(fā)生向四周發(fā)散傳播爆裂狀的聲波，在設(shè)備外沿面上安裝超聲波傳感器來(lái)接收聲波信號(hào)，并將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，分析電信號(hào)的異常及變化規(guī)律，就能對(duì)高抗內(nèi)部局部放電水平進(jìn)行判斷，根據(jù)測(cè)得電信號(hào)強(qiáng)弱預(yù)判局部放電點(diǎn)的位置，即為超聲波局部放電檢測(cè)法[5]。

超聲波具有很強(qiáng)的穿透介質(zhì)能力，并且在通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)波形會(huì)發(fā)生畸變，主要表現(xiàn)為幅值衰減，超聲波在電力設(shè)備常見(jiàn)介質(zhì)中的傳播速度和衰減率見(jiàn)表2。

表2 超聲波在介質(zhì)中傳播速度和衰減率

變電站有很多電磁信號(hào)干擾源，為使局放測(cè)量更加精確，需要屏蔽或繞開(kāi)干擾頻率[6]。一般情況下，局部放電產(chǎn)生的聲波在氣體中傳播頻率約為0～10 kHz，在變壓器油及油箱外殼中傳播頻率約為30～550 kHz。由于運(yùn)行中電抗器鐵芯的振動(dòng)噪聲大多在20 kHz以下，但頻率越高，在傳送過(guò)程中的衰減程度越大[7]。因此，超聲波局部放電檢測(cè)頻率一般在10～600 kHz，本次測(cè)試用儀器頻帶寬為40～300 kHz。

在高抗4個(gè)側(cè)面，每個(gè)面分別選取上、中、下各3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行超聲波局部放電測(cè)試，分別對(duì)其編號(hào)①—，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高抗12個(gè)位置的局部放電值 pC

結(jié)果表明，放電量大于1 000 pC位置有一處(測(cè)試點(diǎn)④)。經(jīng)過(guò)使用不同信號(hào)的局部放電測(cè)試儀對(duì)比可知，確定測(cè)試點(diǎn)④的放電量相對(duì)固定，穩(wěn)定在1 000 pC附近，測(cè)試點(diǎn)④的局部放電圖譜如圖1所示，測(cè)試點(diǎn)⑥超聲波檢測(cè)圖相位幅度頻譜如圖2所示，測(cè)試點(diǎn)⑥頻域圖譜如圖3所示。

由于超聲波局部放電反映的是聲波信號(hào)，因此檢測(cè)數(shù)據(jù)的大小可能高抗內(nèi)部發(fā)生局部放電而接受到的聲波信號(hào)，也可能是由于高抗自身振動(dòng)引起的鐵芯夾件振動(dòng)而接收到的聲波信號(hào)，但無(wú)論如何均可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果的大小，確定高壓電抗器內(nèi)部的聲源或者是放電部位，本次測(cè)量數(shù)據(jù)較大的部位均在高抗的西側(cè)面上部附近[8]。

圖1 位置④的局部放電圖譜

圖2 高抗超聲波檢測(cè)相位-幅度圖譜

圖3 高抗超聲波檢測(cè)頻域圖譜

2.2 特高頻局部放電測(cè)試

特高頻局部放電測(cè)試法(UHF法)是電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的一種新方法。局部放電通常會(huì)伴有正、負(fù)電荷的產(chǎn)生、中和，變壓器油分解等物理和化學(xué)變化。在放電路徑中會(huì)產(chǎn)生時(shí)間極短、幅值很大的脈沖電流，當(dāng)電流脈沖的陡度較大時(shí)，電磁波信號(hào)的特高頻分量十分明顯，利用設(shè)備測(cè)量這個(gè)特高頻分量可以判斷放電情況[9]。

變壓器油中放電脈沖的上升沿很陡，能量很大，通常在1 ns以?xún)?nèi)，所以局部放電能夠激發(fā)出高頻率的電磁波，其數(shù)量級(jí)可達(dá)GHz[10]。通過(guò)在變壓器上方安裝傳感器可接收輻射產(chǎn)生的UHF電磁波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)UHF法局部放電檢測(cè)。

采用PD71型特高頻局部放電測(cè)試儀對(duì)高抗進(jìn)行局部放電檢測(cè)，將外置式傳感器貼于高抗表面，并使用耦合劑處理，傳感器放置在西面上部(即位置④)、西面下部(即位置⑥)，儀器顯示能檢測(cè)到異常信號(hào)。

通過(guò)圖4、圖5所示的局部放電相位統(tǒng)計(jì)譜圖(簡(jiǎn)稱(chēng)PRPD)、脈沖序列分布譜圖(簡(jiǎn)稱(chēng)PRPS)中可以看出，確有異常信號(hào)分散在通道1和通道2，但通道3不明顯，故不能完全確定放電大小及位置。目前，特高頻法局部放電測(cè)試的實(shí)用性也面臨著一些問(wèn)題，其測(cè)量機(jī)理是對(duì)局放脈沖電流的電磁波測(cè)量，而電磁波的強(qiáng)弱和放電量的數(shù)量關(guān)系不能確定，因此無(wú)法進(jìn)行視在放電量的標(biāo)定。通常情況下,外置式傳感器靈敏度明顯低于內(nèi)置式，如果安裝內(nèi)置式傳感器，就務(wù)必將設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一些改動(dòng)，對(duì)高壓設(shè)備來(lái)說(shuō)，電磁環(huán)境、內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)都需要進(jìn)行調(diào)整，所以給變壓器設(shè)計(jì)增加了不可預(yù)知的因素。目前，一般是在設(shè)備外壁預(yù)埋傳感器開(kāi)孔或利用注、放油閥或者在線監(jiān)測(cè)接口將特高頻傳感器伸進(jìn)變壓器箱體。這種檢測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用中還存在一定缺陷[11]。

圖4 三通道PRPD圖譜

圖5 三通道PRPS圖譜

3 吊罩前試驗(yàn)及檢查

3.1 吊罩前試驗(yàn)

放油吊罩前對(duì)三相高抗進(jìn)行直流電阻測(cè)試，折算到20 ℃下，與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，利用縱橫比法分析，與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，排除了繞組電流回路故障。隨后進(jìn)行鐵芯與夾件的絕緣電阻測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 吊罩前絕緣電阻試驗(yàn)

3.2 吊罩檢查

從油箱下部人孔進(jìn)箱開(kāi)始檢查，排查故障點(diǎn)。在散熱器側(cè)，夾件A柱下部磁分路的絕緣紙板與絕緣端圈之間發(fā)現(xiàn)一斷裂的屏蔽帽，取出屏蔽帽后，發(fā)現(xiàn)磁分路絕緣紙板和絕緣端圈有2處明顯的燒蝕痕跡，其中磁分路絕緣紙板處為5 mm×6 mm的橢圓形，深度約1 mm，絕緣端圈處為寬度2 mm的三角形，深度約1 mm，另外一處是黑點(diǎn)，如圖6與圖7所示。同時(shí)，在對(duì)應(yīng)的A柱上部磁分路的屏蔽管處發(fā)現(xiàn)斷裂的屏蔽帽殘痕，具體故障點(diǎn)如圖8所示。

隨后進(jìn)一步對(duì)所有接地螺栓和緊固件進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)其他任何異常情況，并對(duì)磁分路區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)排查，未發(fā)現(xiàn)異常。隨后開(kāi)始消除清理故障點(diǎn)，對(duì)絕緣端圈的燒蝕部位及絕緣紙板的碳化痕跡進(jìn)行清除，對(duì)斷裂的屏蔽帽進(jìn)行更換。對(duì)高抗油箱內(nèi)部進(jìn)行全面清理和檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

圖6 掉落的屏蔽帽

圖7 掉落的屏蔽帽以及放電點(diǎn)

圖8 失去屏蔽帽的螺栓

4 結(jié)果分析

本文從高抗油色譜乙炔數(shù)據(jù)異常入手，通過(guò)含氣量計(jì)算，超聲波局部放電測(cè)量及特高頻局部放電測(cè)量，對(duì)高抗內(nèi)部疑似放電情況分析，最終通過(guò)吊罩內(nèi)檢查出故障點(diǎn)，并進(jìn)行處理。

屏蔽帽斷裂脫落是此次故障發(fā)生的原因，掉落過(guò)程經(jīng)過(guò)高電場(chǎng)區(qū)域，最終所產(chǎn)生的放電和過(guò)熱引起油色譜的異常。 上述燒蝕和碳化痕跡與運(yùn)行中出現(xiàn)的油色譜特征氣體含量基本吻合，也與運(yùn)行中檢測(cè)到明顯的高頻和超聲局部放電信號(hào)相一致， 該故障發(fā)生的機(jī)理是：掉落在磁分路絕緣紙板上的磁性屏蔽帽處于低電位，而相鄰絕緣端圈受 A 柱下端1 000 kV 電壓作用有一定的高電位，因此在磁性屏蔽帽與絕緣端圈的接觸處有2處燒蝕痕跡，屬于一定能量的局部放電燒損。由于該磁性屏蔽帽所處的位置主要由磁分路絕緣紙板支撐， 一旦與絕緣端圈的燒蝕痕跡達(dá)到一定深度以后，局部放電可能會(huì)進(jìn)一步降低甚至消失。 磁性屏蔽帽在高磁場(chǎng)區(qū)域發(fā)熱形成局部過(guò)熱也是形成該區(qū)域碳化的原因。電抗器的振動(dòng)對(duì)該磁性屏蔽帽與絕緣端圈的電熱燒蝕也起到一定程度的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)大型變壓器類(lèi)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置跟蹤力度，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采用多種方法進(jìn)行診斷，并綜合對(duì)比分析，從而得出可靠的結(jié)論。對(duì)變壓器部件進(jìn)行駐廠、竣工、交接環(huán)節(jié)驗(yàn)收，嚴(yán)控設(shè)備質(zhì)量關(guān)，敦促變壓器廠商加大對(duì)其零配件供應(yīng)商提供配件的檢測(cè)力度，提高缺陷部件的檢出率，加大金屬技術(shù)監(jiān)督力度，防止不良設(shè)備流入電網(wǎng)。