基于頻域介電譜法的套管受潮狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估

徐肖偉，孫兆臣，劉光祺

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 前言

電容型油紙絕緣套管作為應(yīng)用于高壓電網(wǎng)主變套管的最主要型式，在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期經(jīng)受電、熱、水分、機(jī)械振動(dòng)等多重因素的考驗(yàn)。近年來(lái)，由于套管主絕緣受潮引起的變壓器安全事故屢有發(fā)生，甚至出現(xiàn)了500kV批次性的家族性受潮缺陷，極大影響了電網(wǎng)安全穩(wěn)定。因此，對(duì)電容型油紙絕緣套管受潮狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估具有重要意義。

1 電容型油紙絕緣套管典型結(jié)構(gòu)

電容型油紙絕緣套管主絕緣為電容芯子與絕緣油共同浸漬而成，是套管絕緣性能最為重要的部分。如圖1所示，油浸式套管的電容芯子由絕緣紙和多層鋁箔圍繞導(dǎo)電銅管卷制而成的圓柱形。其內(nèi)部繞制的多層鋁箔極板，起到電容屏的作用，以控制套管電容芯子內(nèi)部和表面的電場(chǎng)均勻化[1]。

電容型油紙絕緣套管外絕緣為瓷套，其作用是作為內(nèi)絕緣的容器，使其不受外界潮氣、塵土、風(fēng)雨雪等影響，上瓷套有傘裙，以提高外絕緣抵抗大氣條件如雨、霧、露、潮濕、臟污等能力，下瓷套在變壓器油中工作。套管外絕緣往往需要有一定的高度，以保證其表面不發(fā)生閃絡(luò)放電[1]。

圖1 電容芯子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 套管受潮狀態(tài)無(wú)損評(píng)估方法

理化參數(shù)測(cè)量法是油浸式套管主絕緣受潮狀態(tài)診斷的一種間接方法，對(duì)溫度達(dá)到平衡狀態(tài)的套管進(jìn)行取油操作，測(cè)試油中水分，根據(jù)油紙絕緣系統(tǒng)的水分平衡關(guān)系對(duì)其整體受潮狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。由于油紙絕緣中絕大多數(shù)水分集中在紙中，且水分的平衡受溫度的變化影響很大，因此測(cè)試結(jié)果往往會(huì)有較大偏差。

目前，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的套管受潮狀態(tài)診斷的主要方法為工頻介質(zhì)損耗tanδ測(cè)試[3]。在長(zhǎng)期應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，工頻介損對(duì)水分的敏感性較差，往往套管主絕緣含水量已發(fā)生較大變化，其工頻介損仍處于較低水平。

頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy,FDS）自上世紀(jì)90年代起逐漸引起越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注[2]。頻域介電譜法以電介質(zhì)響應(yīng)原理為基礎(chǔ)，可對(duì)試樣施加頻率范圍在10-4～104Hz的測(cè)試電場(chǎng)，根據(jù)輸入電壓和輸出電流的幅值、相位關(guān)系對(duì)試樣不同頻率下的介損tanδ、復(fù)介電常數(shù)ε*進(jìn)行計(jì)算。頻域介電譜法因?yàn)榫哂袦y(cè)試頻段寬、試驗(yàn)電壓低、測(cè)試過(guò)程對(duì)套管無(wú)損、攜帶絕緣信息豐富等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于對(duì)油紙絕緣型電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)診斷。因此，頻域介質(zhì)譜法應(yīng)用于套管受潮狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的優(yōu)勢(shì)就比較明顯[4-8]。

3 FDS測(cè)試及結(jié)果分析

本文用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的套管試樣為云網(wǎng)110kV、220kV、500kV運(yùn)行的主變高壓側(cè)三相套管，測(cè)試接線圖如圖2。實(shí)驗(yàn)用于FDS測(cè)試的儀器通過(guò)外加升壓設(shè)備可輸出有效值為1400V，頻率范圍1mHz～103Hz的測(cè)試電壓。電容型油紙絕緣套管進(jìn)行FDS測(cè)試時(shí)，高壓端加在套管引線連接端，測(cè)試端接在套管測(cè)試端子，實(shí)驗(yàn)儀器與套管外殼良好共地。

圖2 FDS測(cè)試接線圖

3.1 FDS試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖3為500kV主變套管的測(cè)試結(jié)果曲線，其中編號(hào)0182套管評(píng)估結(jié)果為紙中含水量是2.4%，按照500kV的含水量標(biāo)準(zhǔn)，該套管為受潮狀態(tài)，同時(shí)，對(duì)比測(cè)試了該套管的工頻介損值，F(xiàn)DS顯示的工頻介損值為0.658%與常規(guī)電橋測(cè)試的0.63%結(jié)果一致，其出廠試驗(yàn)值0.37%，縱向?qū)Ρ瓤煽闯?，套管有受潮的跡象。

圖3 500kV主變高壓側(cè)兩相套管FDS測(cè)試曲線

為進(jìn)一步對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)該套管進(jìn)行了解體取紙樣，該套管共有25個(gè)主屏，每間隔一個(gè)主屏取一組紙?jiān)嚇?，共?3組試樣，在實(shí)驗(yàn)室采用卡爾費(fèi)休滴定法，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 500kV套管的紙樣含水量

從上表中看出，實(shí)驗(yàn)室的取樣測(cè)試結(jié)果顯示：該套管有不同程度的受潮跡象，其中，最內(nèi)屏的受潮最為嚴(yán)重，含水量達(dá)到2.86%，驗(yàn)證了FDS測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。

圖4為220kV主變高壓側(cè)的三相套管FDS測(cè)試曲線，三相套管的FDS測(cè)試曲線隨著頻率下降略有上升，而A相、B相、C相套管的FDS曲線在各個(gè)頻段并為展現(xiàn)較大差異。

現(xiàn)有研究表明，隨著水分含量的增加，套管主絕緣引入更多雜質(zhì)離子，單位體積內(nèi)參與極化的帶點(diǎn)粒子增多，而油紙絕緣中的親水粒子和基團(tuán)更容易離開(kāi)平衡位置與水分子結(jié)合，這些分子積聚在油紙界面間，使界面極化更容易建立，而且隨著外加電場(chǎng)頻率的降低，外部電場(chǎng)變化的周期更長(zhǎng)，油紙絕緣內(nèi)部的極化也更容易建立[4,5,6]。具體表現(xiàn)為：復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′、復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′′、介質(zhì)損耗tanδ隨著頻率上升均有不同程度的下降。而三相套管的FDS曲線在各個(gè)頻段的差異較小則說(shuō)明投運(yùn)時(shí)間和運(yùn)行工況相同的三只套管含水量橫向比較基本無(wú)較大差異，評(píng)估結(jié)果顯示該主變高壓側(cè)A、B、C三相套管水分含量分別為0.5%、0.4%、0.4%，屬于干燥狀態(tài)。

圖4 220kV高壓側(cè)套管FDS測(cè)試曲線

圖5為110kV主變套管的測(cè)試曲線，在該圖中，該相套管測(cè)試曲線和干燥套管的測(cè)試曲線相接近，水份分析的結(jié)果為含水量0.9%，套管內(nèi)絕緣為干燥狀態(tài)。在FDS譜圖中折算的工頻介損值為0.35%，與常規(guī)介損電橋測(cè)試的0.38%結(jié)果一致，從FDS和介損值來(lái)看，該套管為干燥狀態(tài)。

圖5 110kV主變中性點(diǎn)套管FDS測(cè)試曲線

3.2 FDS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的干擾因素分析

現(xiàn)有研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下的套管FDS測(cè)試已有大量成果。而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件下，電磁環(huán)境復(fù)雜，且檢修期間周?chē)娏υO(shè)備開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，進(jìn)行套管FDS測(cè)試時(shí)必須要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾的影響單獨(dú)研究。

圖6 不同工況下的220kV主變A相套管FDS測(cè)試曲線

圖6為對(duì)主變高壓側(cè)A套管不同條件下的介質(zhì)損耗tanδ曲線，在測(cè)試時(shí)分別對(duì)另外兩相引線進(jìn)行不同的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變電站現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要來(lái)自于中頻部分。B相、C相套管引線未拆除時(shí)，工頻干擾對(duì)FDS測(cè)試結(jié)果的影響十分明顯。在50Hz處，A相套管的介損曲線產(chǎn)時(shí)生明顯跳變，并使得介損曲線整體規(guī)律性下降。此時(shí)介質(zhì)損耗值為0.61%(50Hz，24℃)，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員測(cè)試值0.311%(50Hz，24℃)有較大差別。在應(yīng)用FDS法評(píng)估套管絕緣狀態(tài)時(shí)必須要盡量消除周?chē)ゎl干擾源。

圖6中，在對(duì)B相、C相套管進(jìn)行拆除引線處理后，工頻的頻點(diǎn)處干擾下降，此時(shí)工頻介損為0.312%。而干擾頻率點(diǎn)向高頻方向偏移，在100Hz附近影響較為明顯。因此可認(rèn)定，在使用FDS法在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)套管含水量進(jìn)行評(píng)估時(shí)，消除工頻干擾后，100Hz附近的干擾源為最主要干擾，可考慮外加帶阻濾波設(shè)備濾除該頻率下的干擾以提高測(cè)試結(jié)果可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于頻域介電譜法對(duì)500kV、220kV、110kV主變套管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果與工頻介損值，初步評(píng)估了套管受潮狀態(tài)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的三組套管的介電譜測(cè)試評(píng)估結(jié)果，得出了一組500kV套管受潮的結(jié)論，并將解剖套管后取的紙樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了FDS方法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及評(píng)估的準(zhǔn)確性。對(duì)FDS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的干擾因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)不同的工況（拆除套管端頭引流線與否），得出了拆除套管引流線可以有效減少空間雜散電容的耦合干擾的結(jié)論，基于FDS法的套管絕緣狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，需要考慮使用外加帶阻濾波器消除中頻段（50Hz～100Hz）產(chǎn)生的干擾。