500 kV變壓器絕緣材料綜合檢測與應(yīng)用

霍亞俊，馮 霆，宇文龍

（國網(wǎng)晉中供電公司，山西 榆次 030600）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，它的健康安全對電網(wǎng)的穩(wěn)定影響起著十分重要的作用。目前，我國在電力變壓器制造水平上有了長足的進(jìn)步，但是近年來變壓器故障頻繁發(fā)生，給電力行業(yè)和社會造成重大損失。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在過熱、放電等故障時，除了使絕緣材料分解產(chǎn)生氣體外，還會伴有其他電氣、物理和化學(xué)性能的變化。變壓器油中溶解氣體分析是分析診斷變壓器內(nèi)部故障最有效的手段之一，當(dāng)通過油中溶解氣體發(fā)現(xiàn)變壓器可能有故障時，要結(jié)合其他試驗手段包括高壓試驗、化學(xué)試驗、材料分析等進(jìn)行綜合分析診斷[1-2]。

1 某變壓器歷年運(yùn)行簡介

某發(fā)電公司500 kV主變壓器為單相變，單相額定容量為210 MVA，變壓器為高低2個繞組，高壓額定電壓低壓額定電壓20 kV，該變壓器1991年11月開始投入運(yùn)行。

該變壓器A相在2001年7月進(jìn)行油中溶解氣體分析，開始發(fā)現(xiàn)部分特征氣體有較快增長趨勢，乙炔達(dá)到1.7 ppm，乙烯含量沒有增長，利用停電機(jī)會，進(jìn)行了例行試驗，主要包括直流電阻、介質(zhì)損耗等，未發(fā)現(xiàn)異常。之后，一直跟蹤分析該變壓器油中溶解氣體的增長情況。2001年至2012年7月，油中特征氣體乙炔含量一直穩(wěn)定在2～5 ppm之間，其他特征氣體也未見有大幅度的增長趨勢。2012年8月對該變壓器進(jìn)行油中溶解氣體分析時發(fā)現(xiàn)乙炔含量增長快，達(dá)到15.8 ppm，歷年來變壓器油中溶解氣體含量見表1。

2 變壓器故障診斷分析

2.1 變壓器油中溶解氣體分析

a） 從變壓器油中總烴月相對增長速率來看，由于在2012年8月份前后油中特征氣體變化較明顯，2012年6月到8月的油中特征氣體增長較快，依據(jù)試驗判斷標(biāo)準(zhǔn)[3]，認(rèn)為變壓器可能存在異常，應(yīng)通過其他檢測手段判斷異常部位。

表1 變壓器歷年油中溶解氣體含量 ppm

b）根據(jù)導(dǎo)則推薦的三比值法[4]，計算編碼為“200”，再結(jié)合特征氣體，判斷變壓器內(nèi)部發(fā)生低能量放電。依據(jù)歷年油特征氣體數(shù)據(jù)，由于特征氣體不是連續(xù)增長，分析認(rèn)為缺陷屬于間歇性的低能量放電。2012年8月份之前乙炔、氫氣、乙烯等特征氣體含量比較穩(wěn)定，變壓器運(yùn)行情況正常。之后取油通過檢測發(fā)現(xiàn)總烴、乙炔、氫氣等有明顯地增長，診斷變壓器可能發(fā)生了間歇性的放電故障。

2.2 高壓試驗診斷

通過對該變壓器進(jìn)行了包括絕緣電阻、直流電阻、繞組介質(zhì)損耗、繞組變形、局部放電等診斷性試驗[5-6]，結(jié)果，除了局部放電試驗外，其他試驗均未發(fā)現(xiàn)異常。變壓器局部放電試驗接線如圖1所示[7]。

圖1 變壓器局部放電試驗接線圖

進(jìn)行變壓器感應(yīng)耐壓監(jiān)測局部放電試驗，從變壓器的低壓側(cè)升壓，高壓側(cè)感應(yīng)，當(dāng)高壓側(cè)試驗電壓升到時，局放量約450 pC，此時密切監(jiān)視局放量，當(dāng)高壓側(cè)繼續(xù)升高至已檢測到明顯的局部放電信號，高壓端放電量達(dá)2 000 pC。5 min后電壓繼續(xù)升到放電量已達(dá)到約5 600 pC，局部放電圖譜表明變壓器內(nèi)部存在放電，同時進(jìn)行了超聲波定位，經(jīng)過多次挪動超聲傳感器位置[8-11]，發(fā)現(xiàn)在高壓出線端底部附近檢測到明顯的放電信號，如圖2所示。

圖2 變壓器超聲局放測試圖譜

變壓器油中不定期產(chǎn)生乙炔等特征氣體，考慮到問題的嚴(yán)重性再加上升壓站現(xiàn)場解體環(huán)境條件惡劣，決定返廠解體檢查，根據(jù)高壓試驗情況重點(diǎn)檢查變壓器的高壓引線連接處、均壓球等高壓出線裝置附近的部位。

3 變壓器解體檢查

在變壓器廠進(jìn)行解體檢查，除了高壓出線裝置內(nèi)部外，其他部位未發(fā)現(xiàn)異常。高壓出線裝置內(nèi)檢時發(fā)現(xiàn)支撐均壓管的2個墊塊移位導(dǎo)致絕緣筒變形，如圖3所示。在墊塊散落對應(yīng)的波紋盤有約長12 cm、寬5 cm的黑色痕跡。此外，波紋盤表面有較多的黑色條紋，絕緣支撐墊塊未發(fā)現(xiàn)有明顯的放電痕跡。

圖3 高壓出線裝置內(nèi)部情況

為進(jìn)一步確定波紋盤上的黑跡成分，取樣進(jìn)行了成分檢測。測試結(jié)果如表2所示。

表2 波紋盤上的絕緣紙樣測試結(jié)果

測試結(jié)果分析如下。

a）聚合度被作為一種最能客觀反應(yīng)絕緣老化程度的特征量，新絕緣紙的平均聚合度為1 000，模擬試驗表明[12]，當(dāng)絕緣紙的聚合度降至300時，機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能已基本喪失。

b）樣品的灰分含量較高，說明該絕緣材料已存在部分雜質(zhì)。

c）從樣品的水抽出物pH值看，絕緣油已經(jīng)在局放電場作用下嚴(yán)重酸化。樣品的水抽出物電導(dǎo)率數(shù)值反映了絕緣材料表面電泳過高，這也是絕緣材料易形成局部放電的一個因素。通過樣品檢測分析，波紋盤上的黑跡由于放電產(chǎn)生的，高壓出線裝置絕緣性能已嚴(yán)重下降。結(jié)合前面試驗情況，重點(diǎn)懷疑乙炔等特征氣體的增長是由高壓出線裝置引起。為進(jìn)一步確認(rèn)是否是由高壓出線裝置引起特征氣體的增長，對高壓出線裝置進(jìn)行更換，并進(jìn)行感應(yīng)耐壓監(jiān)測局部放電試驗的比對分析。

4 處理后的變壓器試驗對比分析

變壓器更換了新的高壓出線裝置后，在廠內(nèi)進(jìn)行了出廠試驗，試驗均合格。重點(diǎn)開展了變壓器感應(yīng)耐壓試驗監(jiān)測局部放電試驗。

出線裝置更換前后（表中簡稱更換后） 的局部放電試驗結(jié)果如表3所示。

表3 出線裝置更換前后的局部放電試驗情況

通過高壓出線裝置更換前后的變壓器感應(yīng)耐壓監(jiān)測局部放電試驗的比對分析，確認(rèn)高壓出線裝置是產(chǎn)生局部放電的原因，說明乙炔等特征氣體是由高壓出線裝置所致。

已進(jìn)行處理的變壓器投運(yùn)后3 a多，該變壓器運(yùn)行正常，油中未發(fā)現(xiàn)特征氣體有增長趨勢。

高壓絕緣出線裝置產(chǎn)生乙炔，是均壓管內(nèi)部墊塊移位引起該區(qū)域絕緣長期電場畸變。據(jù)了解，該公司曾在2012年8月對開關(guān)進(jìn)行了倒閘操作，引起操作過電壓誘發(fā)了均壓管對波紋盤的放電，導(dǎo)致波紋盤表面燒損，并在油中產(chǎn)生乙炔。當(dāng)操作過電壓消失后，放電也立即停止，乙炔含量趨于穩(wěn)定，但由于出線裝置部分區(qū)域電場長期畸變，進(jìn)一步加速了絕緣件的老化。

5 結(jié)論

a）變壓器絕緣材料故障診斷中，需要綜合利用化學(xué)、材料、電氣等試驗進(jìn)行診斷，這些方法相互驗證相互補(bǔ)充。通過油中溶解氣體初步發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部可能有故障，通過電氣試驗可以進(jìn)一步驗證并進(jìn)行故障定位，變壓器解體時進(jìn)行絕緣材料分析，這些檢測手段是變壓器故障診斷、定位的基礎(chǔ)。

b）超聲波局部放電試驗定位在國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，實(shí)際上當(dāng)放電部分發(fā)生在變壓器內(nèi)部時超聲波定位的確有一定困難，主要由于放電源產(chǎn)生的超聲信號在油、繞組、紙板、鐵芯等材料的傳播途徑復(fù)雜、衰減程度不一，造成故障部位準(zhǔn)確定位難，所幸該變壓器放電源發(fā)生在高壓出線裝置內(nèi)部，超聲信號傳播路徑相對簡單，定位也相對容易。

c）變壓器絕緣材料局部放電也會加速絕緣老化，目前國內(nèi)外針對局部放電在線監(jiān)測變壓器的絕緣老化做了一些研究，實(shí)際上針對這種方法很多關(guān)鍵性問題需要研究，包括在線監(jiān)測局部放電的噪聲信號抑制，多個部位放電時的信號分離和識別等。因此采用局部放電監(jiān)測對變壓器進(jìn)行絕緣老化診斷還應(yīng)深入地研究局部放電的現(xiàn)場去噪技術(shù)、混合放電源的分離技術(shù)以及特征提取和診斷方法等。