SF6氣體變壓器用盆式絕緣子出廠試驗研究

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

SF6氣體變壓器(SF6gas insulated transformer，GIT)是一種以SF6氣體作為絕緣和冷卻介質(zhì)的新型變壓器，主要由日本發(fā)明并首先使用。SF6氣體具有優(yōu)秀的絕緣特性和不燃性，它可以在變壓器中代替變壓器油。SF6氣體變壓器作為無油化變壓器，具有防火性能好、安裝空間小、噪聲低、重量輕等優(yōu)勢，在日本、中國北京、上海、深圳和香港地區(qū)等土地資源稀缺的城市得到廣泛應(yīng)用。目前GIT電壓等級以110 kV為主，主要應(yīng)用在地下變電站和合建式變電站等對消防要求嚴(yán)格的場合[1-5]。

GIT高壓出線主要有3種連接方式：電纜連接、套管連接和直接與GIS連接，目前以電纜連接為主[6]。電纜連接方式是指變壓器高壓繞組出線以電纜方式引出，這種連接方式需要通過電纜氣箱實現(xiàn)變壓器本體和電纜接頭的連接和過渡，見圖1。

圖1 GIT電纜連接方式Fig.1 Cable connection of GIT

為方便檢修和試驗，GIT一般配備有獨立的電纜氣箱，變壓器本體氣箱和電纜氣箱間采用盆式絕緣子進(jìn)行隔離。

目前GIT使用的盆式絕緣子以三菱、東芝等日本進(jìn)口產(chǎn)品為主，雖然國內(nèi)部分制造廠也具備生產(chǎn)制造能力，但因需求量少、開模費貴，國內(nèi)制造廠基本沒有生產(chǎn)GIT盆式絕緣子。作為GIT的重要組部件，盆式絕緣子的質(zhì)量管控非常重要。目前針對GIT盆式絕緣子出廠試驗的研究較少，雖然可以參考GIS盆式絕緣子的出廠試驗要求，但GIT及其盆式絕緣子具有自身的技術(shù)特點，因而需要制定相應(yīng)的出廠試驗要求。為保證盆式絕緣子制造和出廠質(zhì)量，筆者將對GIT盆式絕緣子出廠試驗方法和要求進(jìn)行研究。

1 SF6氣體變壓器用盆式絕緣子特點

GIT盆式絕緣子由嵌件和環(huán)氧樹脂澆注件2部分組成，環(huán)氧樹脂澆注件采用環(huán)氧樹脂及其它添加料，在高溫、高真空下澆注而成，與組合電器GIS盆式絕緣子的材料和工藝類似，見圖2。在GIT上使用盆式絕緣子主要有3個作用，一是通過盆式絕緣子將變壓器高壓繞組引出到電纜接頭處，承載導(dǎo)流載體，二是通過盆式絕緣子實現(xiàn)變壓器本體氣箱和電纜氣箱間的隔離，保證變壓器本體和電纜氣箱可獨立進(jìn)行檢修和維護(hù)，三是保證高壓繞組與變壓器外殼間的絕緣性能[7-8]。

圖2 110 kV GIT盆式絕緣子Fig.2 Basin-type insulator of 110 kV GIT

目前，國內(nèi)外尚未制定GIT及其盆式絕緣子的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而GB 7674—2008《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備》[9]的5.104規(guī)定了GIS盆式絕緣子的性能要求，這些要求同樣適用于GIT盆式絕緣子。但考慮到GIT與GIS兩類設(shè)備存在一定的差異性，GIT盆式絕緣子還有以下4個技術(shù)性能特點：

1)GIT變壓器本體的氣壓比GIS低(額定壓力為0.14 MPa，最高運(yùn)行壓力為0.2 MPa)，因而沿面爬距增加，導(dǎo)致GIT盆式絕緣子的體積、橫截面積和厚度均相應(yīng)增加，在此基礎(chǔ)上仍需保證環(huán)氧樹脂的澆注質(zhì)量。

2)GIT為無局放變壓器，其整體局放量要求比油浸式主變要低，因而也要求盆式絕緣子等重要組部件無局放，內(nèi)部無微小氣泡、雜質(zhì)和裂紋。

3)GIT盆式絕緣子正常運(yùn)行中兩側(cè)的最大壓力差達(dá)0.38 MPa，檢修過程最大壓力差達(dá)0.6 MPa，在截面較大的情況下，對盆式絕緣子長時間的承壓能力和機(jī)械強(qiáng)度要求嚴(yán)格。

4)GIT安裝投運(yùn)后更換盆式絕緣子的工程量龐大，在出廠試驗階段通過試驗發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子潛在缺陷，可有效避免運(yùn)行中發(fā)生破損和放電，減輕運(yùn)行和維護(hù)的工作量。

筆者將結(jié)合GIT盆式絕緣子上述的技術(shù)性能特點，對其出廠試驗進(jìn)行研究和探討，并利用一個110 kV GIT盆式絕緣子試品開展試驗研究，搜集試驗數(shù)據(jù)，提出適用于GIT盆式絕緣子的試驗項目、方法和參考指標(biāo)。

2 SF6氣體變壓器用盆式絕緣子試驗

GIS盆式絕緣子的性能要求主要是電氣性能和力學(xué)性能，其出廠試驗以GB 7674—2008為依據(jù)，試驗項目包括絕緣試驗、局部放電量測量、X射線探傷、水壓試驗、密封試驗和外觀質(zhì)量檢查。GIT盆式絕緣子的出廠試驗項目基本可以參考GIS盆式絕緣子的出廠試驗項目及GB 7674—2008的要求，同時考慮到GIT與GIS兩類設(shè)備存在一定的差異性，GIT盆式絕緣子出廠試驗要求需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有針對性的調(diào)整。

以GIS盆式絕緣子出廠試驗要求為依據(jù)，筆者對GIT盆式絕緣子開展試驗研究和探討，主要從2個方面調(diào)整和確定GIT盆式絕緣子出廠試驗要求：一是結(jié)合GIT的性能和參數(shù)，提出適合GIT盆式絕緣子的試驗方法和參考指標(biāo)，二是針對GIT盆式絕緣子的技術(shù)特點，增加部分考核試驗項目。下文將從電氣性能、力學(xué)性能、密封性能和其他性能4方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 電氣性能

GIS盆式絕緣子電氣性能出廠試驗項目包括工頻耐壓試驗和局部放電量測量，雷電沖擊試驗為型式試驗，出廠試驗一般不進(jìn)行該項目。鑒于GIT對組部件的局放量要求高，建議GIT盆式絕緣子電氣性能出廠試驗項目為雷電沖擊試驗、工頻耐壓試驗和局部放電量測量。

雷電沖擊試驗雖然是型式試驗項目，但雷電沖擊試驗容易檢測出盆式絕緣子潛在的缺陷[10]，建議在有條件情況下，將雷電沖擊試驗作為GIT盆式絕緣子出廠試驗的一項檢測項目。

在上述分析的基礎(chǔ)上，利用110 kV GIT盆式絕緣子試品開展電氣性能出廠試驗研究，試驗裝置見圖3。試驗方法如下：將盆式絕緣子表面擦拭干凈后，裝配到試驗工裝上，工裝內(nèi)部充入SF6氣體至GIT額定工作電壓，盆式絕緣子嵌件通過工裝引出并連接到雷電沖擊和耐壓設(shè)備上。首先對試品施加±550 kV雷電沖擊電壓各3次，隨后施加230 kV工頻耐壓試驗并持續(xù)5 min，最后直接降壓至184 kV(230 kV×80%=184 kV)進(jìn)行局放量測量。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，GIT盆式絕緣子局放量基本在3 pC以內(nèi)。依據(jù)試驗結(jié)果，電氣性能出廠試驗項目建議包括雷電沖擊試驗、工頻耐壓試驗和局部放電量測量，雷電沖擊耐受電壓和工頻耐受電壓可參照GB 7674—2008的表102施加，并且最后在不低于80%的工頻耐壓值下測量局放量，局放量應(yīng)在3 pC以內(nèi)。

圖3 電氣性能試驗Fig.3 Electrical performance test

2.2 力學(xué)性能

GIT盆式絕緣子力學(xué)性能出廠試驗建議包括壓力試驗和長時壓力及真空試驗。其中，壓力試驗屬于GIS盆式絕緣子出廠試驗項目，該試驗同樣適用于GIT盆式絕緣子。長時壓力及真空試驗不屬于GIS盆式絕緣子出廠試驗項目，該試驗項目為本文建議新增出廠試驗項目。

壓力試驗可參照GB 7674—2008的7.104的要求進(jìn)行，通過水介質(zhì)對GIT盆式絕緣子施加兩倍設(shè)計壓力并保持1 min，見圖4。試驗方法如下：將GIT盆式絕緣子安裝在水壓工裝上，工裝內(nèi)部充入水介質(zhì)，并按照不超過400 kPa/min的速度升壓，直至壓力達(dá)到兩倍設(shè)計壓力，保壓1 min，盆式絕緣子不應(yīng)出現(xiàn)任何過應(yīng)力或泄漏的跡象。試驗完成后，將盆式絕緣子放入80℃烘箱內(nèi)烘干至少2 h以防受潮。

圖4 壓力試驗Fig.4 Pressure test

對于長時壓力及真空試驗，增加該試驗的原因主要有兩方面，一是GB 7674—2008的5.104要求盆式絕緣子應(yīng)能長期承受各種工況下的壓力差，但壓力試驗加壓持續(xù)時間僅為1 min，持續(xù)時間過短，無法有效驗證盆式絕緣子長時間承壓能力；二是GIT盆式絕緣子正常運(yùn)行中兩側(cè)的最大壓力差達(dá)0.38 MPa，檢修過程最大壓力差達(dá)0.6 MPa，考慮到GIT盆式絕緣子無論在正常運(yùn)行還是檢修狀態(tài)均長時間承受較大的壓力差，因此本文建議增加長時壓力及真空試驗對其長時間承壓能力進(jìn)行考核。長時壓力及真空試驗原理是在GIT盆式絕緣子一側(cè)施加最高運(yùn)行壓力，同時在另一側(cè)抽真空，保持24 h以驗證盆式絕緣子長時間的承壓能力。為確定該試驗參考指標(biāo)，利用110 kV GIT盆式絕緣子試品開展長時壓力及真空試驗研究，試驗裝置見圖5。

圖5 長時壓力及真空試驗Fig.5 Pressure and vacuum test for long time

試驗方法如下：GIT盆式絕緣子兩側(cè)分別裝配到試驗工裝上，在一側(cè)(正壓側(cè))充入SF6氣體至最高運(yùn)行氣壓，在另一側(cè)(真空側(cè))抽真空至小于50 Pa，并通過麥?zhǔn)险婵沼媽崟r測量真空度，保持該狀態(tài)24 h。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，真空側(cè)在保持24 h后真空度變化值基本不超過50 Pa(折算到同一溫度下)，正壓側(cè)壓力表數(shù)值無明顯變化，對GIT盆式絕緣子進(jìn)行檢查無損傷。依據(jù)上述試驗結(jié)果，力學(xué)性能出廠試驗項目除了常規(guī)的壓力試驗，還可增加長時壓力及真空試驗，其試驗方法及參考指標(biāo)可參照上述介紹進(jìn)行，該試驗?zāi)苡行Э己薌IT盆式絕緣子長時間承壓能力。

2.3 密封性能

GIT和GIS盆式絕緣子的密封試驗方法和要求基本一致，試驗依據(jù)為GB 7674—2008的7.4。試驗原理是將檢漏壓力施加在盆式絕緣子一側(cè)，盆式絕緣子另一側(cè)處于正常大氣壓中，對法蘭與殼體對接面、嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處兩個密封部位采用局部包扎法或扣罩法進(jìn)行定量檢漏。根據(jù)GB 7674—2008中5.15的要求，單個隔室泄漏到大氣和相鄰隔室的年漏氣率不應(yīng)超過0.5%，該漏氣率指標(biāo)同樣適用于GIT設(shè)備，但實際計算過程存在難以確定封閉罩容積和試品體積的問題[12-15]。為確定密封試驗參考指標(biāo)，本文利用GIT盆式絕緣子試品開展密封試驗研究，試驗裝置見圖6。具體試驗方法如下：將盆式絕緣子一側(cè)(加壓側(cè))裝配到試驗工裝上，工裝內(nèi)部充入SF6氣體至最高運(yùn)行壓力，盆式絕緣子另一側(cè)處于正常大氣壓中。利用塑料薄膜對法蘭與殼體對接面進(jìn)行局部包扎，同時對嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處進(jìn)行整體扣罩，保持該狀態(tài)24 h，24 h后用SF6氣體檢漏儀測量SF6氣體濃度變化情況。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，24 h后包扎膜或罩體內(nèi)空氣中的SF6氣體濃度變化值基本可控制在15μL/L以內(nèi)，換算為年漏氣率后小于0.5%，因此可將15μL/L作為GIT盆式絕緣子密封試驗的參考指標(biāo)。

圖6 密封試驗Fig.6 Seal test

2.4 其他性能

其他性能包括X射線探傷和外觀質(zhì)量檢查，均可參照GIS盆式絕緣子出廠試驗要求執(zhí)行。其中，X射線探傷可有效排查盆式絕緣子內(nèi)部裂紋、雜質(zhì)、氣孔等異常，外觀質(zhì)量檢查通過目測方式對環(huán)氧表面、嵌件進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測，以確保無溝痕、磕碰劃傷等異常，尺寸滿足安裝要求。

3 結(jié)論

以GIS盆式絕緣子出廠試驗要求為依據(jù)，結(jié)合GIT性能參數(shù)及其盆式絕緣子的技術(shù)特點，對GIT盆式絕緣子出廠試驗開展研究和探討。其中，對局放量測量電壓進(jìn)行調(diào)整，對密封試驗指標(biāo)進(jìn)行量化，增加長時壓力及真空試驗，最終提出適用于GIT盆式絕緣子的出廠試驗項目、方法和指標(biāo)，有助于提升GIT盆式絕緣子制造和出廠質(zhì)量。