斷路器并聯(lián)電容介質(zhì)損耗超標(biāo)分析

沈曼盛，周路遙，詹江楊，楊 智，劉浩軍，廖玉龍

（1.中國中鐵武漢電氣化局集團(tuán)，武漢 430000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310008）

0 引言

斷路器并聯(lián)電容（均壓電容）能夠改善斷口間的電壓分布，提高斷路器整體耐壓水平，同時降低斷路器分合閘弧隙恢復(fù)電壓陡度，提高斷路器開斷能力，對高壓斷路器的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用[1]。

目前，現(xiàn)場主要通過10 kV試驗(yàn)電壓下的介質(zhì)損耗（以下簡稱“介損”）數(shù)值來判斷并聯(lián)電容是否存在絕緣受潮、油或浸漬物臟污、劣化變質(zhì)等缺陷。某變電站500 kV敞開式斷路器在預(yù)防性試驗(yàn)時出現(xiàn)斷口間并聯(lián)電容（膜紙復(fù)合絕緣）介損超標(biāo)問題，即該電容介損值超出了Q/GDW 1168-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中所規(guī)定的值0.25%[2]。產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因可能是膜紙絕緣并聯(lián)電容存在Garton效應(yīng)，即較低試驗(yàn)電壓下的介損值為額定電壓下的若干倍。若常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損測得值超過注意值時，為防止誤判，有必要進(jìn)行高電壓介損診斷試驗(yàn)，并測量tanδ-U介損特性曲線以作參考。

本文將結(jié)合并聯(lián)電容介損超標(biāo)的故障診斷判據(jù)，并通過高壓介損試驗(yàn)對并聯(lián)電容介損超標(biāo)問題進(jìn)行綜合分析，提出試驗(yàn)中Garton效應(yīng)判定及處理方法，最后提出減小Garton效應(yīng)影響的相關(guān)改進(jìn)對策，以期為斷路器并聯(lián)電容介損超標(biāo)問題的判別提供參考。

1 故障診斷判據(jù)

電介質(zhì)在外界電場作用下會產(chǎn)生能量損耗，即介質(zhì)損耗。介損主要包括電導(dǎo)損耗和極化損耗：電導(dǎo)損耗主要來源于電壓作用下產(chǎn)生的泄漏電流；極化損耗主要來源于電介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)在電場作用下作往復(fù)位移和重新排列而產(chǎn)生相互磨擦。介損將電能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使絕緣介質(zhì)中熱量積聚，溫度升高，導(dǎo)致絕緣老化甚至燒焦[3]。

常規(guī)10 kV介損試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)低于斷路器并聯(lián)電容額定運(yùn)行電壓，不能完全真實(shí)地檢測出電容器實(shí)際運(yùn)行時的絕緣缺陷，有必要進(jìn)行額定電壓下的介損測量，并采用均勻分段加壓及降壓方式得到完整的tanδ-U介損特性曲線，根據(jù)其變化規(guī)律對設(shè)備絕緣缺陷類型進(jìn)行綜合判斷，其典型圖譜如圖1所示[4-6]：

（1）曲線1對應(yīng)良好絕緣的情形，tanδ-U曲線呈水平直線，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過某一極限時tanδ值才略微增加。

（2）曲線2對應(yīng)絕緣老化的情形，低電壓下的tanδ值比良好絕緣時要小，但過了起始游離點(diǎn)后則迅速升高，且起始游離電壓比良好絕緣時低。

（3）曲線3對應(yīng)絕緣缺陷的情形，低電壓下tanδ值比良好絕緣時要大，tanδ會較早出現(xiàn)向上彎曲，且電壓上升曲線與下降曲線不重合。當(dāng)試驗(yàn)電壓超過局部放電起始電壓時，tanδ值急劇增大，后逐步降低試驗(yàn)電壓，tanδ值將高于各個對應(yīng)電壓下的值，直至局部放電熄滅，曲線呈閉合環(huán)狀。

圖1 不同絕緣情況下的tanδ-U特性曲線

（4）曲線4對應(yīng)嚴(yán)重受潮的情形，低電壓下tanδ值較大，而隨著試驗(yàn)電壓升高，tanδ值不斷增大，再逐步降低試驗(yàn)電壓時，由于介損的增大已使介質(zhì)溫度升高，此時tanδ值無法降至各個對應(yīng)電壓下的值，tanδ-U的上升和下降曲線不相重合。

（5）曲線5對應(yīng)絕緣中存在Garton效應(yīng)的情形，tanδ值隨電壓升高出現(xiàn)明顯的下降趨勢，較低電壓下的tanδ值比高電壓下的tanδ值高出1～10倍。

2 高壓介損試驗(yàn)

某變電站出現(xiàn)介損超標(biāo)問題的500 kV斷路器為雙斷口敞開式，每個斷口間并聯(lián)一個膜紙復(fù)合絕緣均壓電容，其電容量為1 600 pF，額定運(yùn)行電壓為170 kV，對并聯(lián)電容進(jìn)行現(xiàn)場外觀檢查時未發(fā)現(xiàn)漏油等異?，F(xiàn)象。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為實(shí)現(xiàn)高壓介損的精確測量，選取2只存在介損超標(biāo)問題的并聯(lián)電容，將其從斷路器中拆卸下并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行工頻試驗(yàn)變壓器升壓。此外，采用西林電橋進(jìn)行介損測試，外接高壓標(biāo)準(zhǔn)電容，并采用正接法進(jìn)行測量。其中，精密介損電橋型號為AI-6000F，高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器型號為YL300-50，工頻電壓發(fā)生器型號為YDTCW-500/2×250。

試驗(yàn)過程中采用均勻分段加壓方式，將試驗(yàn)電壓從10 kV升至170 kV，每隔10 kV測量1次；然后降至10 kV，仍每隔10 kV測量1次，以此分別得到并聯(lián)電容A與并聯(lián)電容B 2只試品的tanδ-U介損特性曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 并聯(lián)電容A的高壓介損tanδ-U特性曲線

圖3 并聯(lián)電容B的高壓介損tanδ-U特性曲線

由圖2、圖3可知，2只并聯(lián)電容試品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均具有以下特征：隨著試驗(yàn)電壓的升高，介損值逐漸降低；當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到50 kV后，其介損值基本達(dá)到穩(wěn)定，高電壓下測得的介損值均未超過0.25%；額定電壓下介損值僅為常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下介損值的1/5；tanδ-U特性曲線的電壓下降部分為電壓上升部分的逆過程，2條曲線并未完全重合，但介損試驗(yàn)值的整體變化趨勢基本保持一致。

2.2 原因分析

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高壓介損試驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)的tanδ-U介損變化規(guī)律與絕緣介質(zhì)的Garton效應(yīng)特征相符：介損值隨電壓升高出現(xiàn)明顯的下降趨勢，且較低試驗(yàn)電壓下的介損值為較高試驗(yàn)電壓下介損值的若干倍。

絕緣介質(zhì)的Garton效應(yīng)是由于介質(zhì)中帶電雜質(zhì)粒子分布改變而引起的一種外在表象，普遍存在于含有紙的絕緣介質(zhì)（包括油紙復(fù)合絕緣及膜紙復(fù)合絕緣）中[7]。由于含有紙質(zhì)絕緣層的油介質(zhì)中會有一定數(shù)量的帶電粒子存在[8]，在較低電壓下，帶電粒子容易析出，但顆粒較大，容易受到紙纖維層的阻攔，故而會有一定數(shù)量的粒子游離于介質(zhì)空間中，造成一定的極化損耗，所以總體介損值較大；當(dāng)電壓升高后，帶電粒子極化作用進(jìn)一步加強(qiáng)，在偶極矩作用下這些帶電粒子會逐漸穿越紙纖維層，集中于電極兩端，故而介質(zhì)中的帶電粒子數(shù)量逐漸減少，從而極化損耗降低，總體介損值明顯減小；此時若繼續(xù)升高電壓，游離的帶電粒子已經(jīng)基本集中于電極兩端，故介質(zhì)損耗不會再有明顯變化[9-10]。

研究表明，膜紙復(fù)合絕緣電容器（多為進(jìn)口并聯(lián)電容）的油介質(zhì)為有機(jī)合成絕緣油，含有較多的膠體型帶電粒子；而油紙復(fù)合絕緣電容器（多為國產(chǎn)并聯(lián)電容）的油介質(zhì)為礦物質(zhì)油，其中多為離子型帶電粒子，故紙質(zhì)絕緣層無法起到阻擋作用，Garton效應(yīng)影響不明顯[11]。

2.3 Garton效應(yīng)判定方法

膜紙復(fù)合絕緣并聯(lián)電容在進(jìn)行常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)時，若出現(xiàn)介損值超標(biāo)現(xiàn)象，不宜輕易判定不合格。可通過開展高電壓介損試驗(yàn)進(jìn)一步判斷，若在較高試驗(yàn)電壓下的介損值明顯下降，且隨試驗(yàn)電壓升高到一定時介損值維持在某個低于標(biāo)準(zhǔn)要求值時，可認(rèn)為發(fā)生了Garton效應(yīng)；也可通過先對被試品施加高電壓（如耐壓試驗(yàn)），然后再進(jìn)行常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)，如果此時介損值低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，也可說明發(fā)生了Garton效應(yīng)[12]。

3 對策

根據(jù)Garton效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及以往現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生Garton效應(yīng)的并聯(lián)電容在重新投運(yùn)后均保持正常運(yùn)行[13]。為避免盲目更換設(shè)備導(dǎo)致人力、物力的極大浪費(fèi)，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，應(yīng)盡量減小Garton效應(yīng)對電容設(shè)備絕緣故障診斷的影響，對此可以采取以下措施：

（1）從源頭上降低Garton效應(yīng)發(fā)生的可能性。由于造成Garton效應(yīng)的本質(zhì)原因是雜質(zhì)粒子的極化損耗，對此應(yīng)注意防范電容因生產(chǎn)工藝問題而帶來的缺陷，減少裝配過程中混入膜紙復(fù)合絕緣介質(zhì)中的微小雜質(zhì)含量[14]。

（2）研究表明，由于RTV（室溫硫化硅橡膠）防污閃涂料具有良好的憎水性和憎水遷移性，能夠切斷電容外瓷套表面的泄漏電流通道，減少電容器的有功損耗[15]。因此，對于防污等級較高的場合可以實(shí)施RTV防污閃涂料的噴涂工作。

（3）縮短電容在無電情況下的靜置時間。高壓條件下會使得絕緣介質(zhì)中的帶電雜質(zhì)粒子集中于電極兩端，減小Garton效應(yīng)的影響。因此，在安排例行性試驗(yàn)時，可以在停電后優(yōu)先進(jìn)行介損試驗(yàn)[16]。

4 結(jié)語

高壓介損試驗(yàn)可以更真實(shí)地反映電容（容性設(shè)備）絕緣內(nèi)部潛在缺陷類型及發(fā)展情況，有助于對設(shè)備絕緣狀況作出精準(zhǔn)判別和處理。根據(jù)Garton效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及以往現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生Garton效應(yīng)的并聯(lián)電容可以作為合格產(chǎn)品繼續(xù)投運(yùn)。為確保設(shè)備和電網(wǎng)的運(yùn)行安全，可加強(qiáng)對設(shè)備的日常監(jiān)視，縮短例行試驗(yàn)周期。