一例500 kV變壓器感應耐壓試驗擊穿原因分析及處理

李威，張進，符勁松，陳斌，劉要峰，尹旭

(1.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙，410004；2.國網江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西贛州，341000)

油浸式電力變壓器是完成工頻交流電壓轉換、實現電能跨電壓等級傳輸的設備，也是主電網結構的重要組成部分。500 kV變壓器的絕緣性能是其全生命周期中的關鍵性因素，絕緣可靠性是變壓器抵御雷電侵入波、操作暫態(tài)波等過電壓主要參數，其強弱直接影響未來運行質量，因此在產品出廠驗收階段必須保證絕緣性能已達標[1]。

500 kV變壓器多由三臺單相變壓器組成，高、中壓繞組多為自耦型，根據相關規(guī)程規(guī)定[2]，出廠試驗中絕緣試驗項目包括外施工頻耐壓、短時感應耐壓和長時感應耐壓帶局部放電等。其中，耐壓試驗用于考核設備主絕緣強度，通常在低壓試驗項目結束后進行，耐壓試驗后應復測各繞組絕緣電阻。

目前超高壓電網結構中500 kV變壓器較普遍，絕緣缺陷研究已累積了一定經驗。其中，分接開關頂部均壓環(huán)、套管底部均壓球與外殼 (地)之間存在雜質或氣泡會使高電位對地場強分布變化，導致實際間隙距離縮短而放電擊穿[3]；器身內需包裹副絕緣的組件若包裹厚度不夠，會導致加壓部位對地絕緣裕度不足而擊穿[4]；部分絕緣夾件內的潮氣未充分干燥，也會在試驗過程中形成放電通道[5]。變壓器內部結構復雜，絕緣影響因素較多，實際試驗過程中仍有新缺陷發(fā)生。本文對一起500 kV變壓器出廠試驗過程中耐壓擊穿的事故進行討論，分析事故原因并提出預防措施，為變壓器驗收和缺陷分析提供經驗參考。

1 事故概況

2019年3月12日，某變電站500 kV主變B相出廠驗收過程中，各繞組的絕緣電阻、介損、雷電沖擊、操作沖擊、工頻耐壓試驗均已通過。進行短時感應耐壓試驗時，采用圖1所示的支撐法[6]對被試單相變壓器加壓，加壓至1.5倍最高相電壓(相對地476 kV)后保持1 min通過，進一步升至增強電壓680 kV時，持續(xù)10 s后發(fā)生放電，可見隱約電光和明顯放電聲，隨即過電壓保護動作，加壓設備跳閘，試驗中斷。根據規(guī)程規(guī)定，短時感應耐壓最高增強電壓的持續(xù)時間與施加電壓頻率相關，200 Hz時應持續(xù)30 s[2]。

圖1 支撐法加壓接線圖

圖1 中，發(fā)電機通過變頻柜接入中間變和支撐變，0～300 Hz變頻，耐壓時加壓頻率為200 Hz；支撐變高壓側接變壓器自耦繞組尾端 (中性點)，最高電壓下的支撐電壓不超過中性點工頻耐壓值。被試變壓器型號為ODFS—334000/500，額定電壓(525/3)/(230/3±2×2.5%)/36 kV，連接組別Ia0i0。

2 故障檢查分析

2.1 現場檢查及分析

放電后復測高中壓繞組對低壓及地的絕緣電阻，僅為270 MΩ且無明顯吸收現象，初步懷疑繞組間發(fā)生放電擊穿。事故12 h后對變壓器本體油樣進行油色譜分析，與試驗前后結果見表1。

表1 放電前后油色譜數據 μL/L

由表1可知，耐壓試驗放電后有明顯的乙炔增長，通過三比值法[6]判定為內部有固體放電發(fā)生；對比本體中下部乙炔含量可知，放電點位于本體中部位置，放電后擴散至下部，因此應優(yōu)先對器身中部進行檢查。

確認為內部放電后迅速進行本體排油，進入器身內部檢查，發(fā)現箱內中性點引線與低壓繞組尾端引線間發(fā)生放電擊穿。

次日對變壓器進行吊罩全面檢查，打開引線垂直交叉部位，移開引線絕緣紙外的副絕緣層后，在圖2所示位置發(fā)現明顯擊穿點，中性點引線絕緣層和低壓尾端引線絕緣層以及副絕緣均被明顯擊穿。剝開引線絕緣層后發(fā)現表層軟銅線有焦黑痕跡，清理后可見放電處2—3股銅線表面已被明顯燒蝕。

圖2 擊穿所在位置

此外，檢查過程中發(fā)現放電擊穿處中性點引線與低壓繞組尾端引線緊貼在一起，中間無明顯的油間隙，懷疑絕緣裕度不足。與設計圖紙比對發(fā)現，有兩層絕緣墊塊未按設計安裝，導致實際外絕緣距離僅為5 mm左右，遠小于設計值74 mm。

2.2 理論及仿真分析

2.2.1 理論計算分析

在圖1支撐法的線路結構中，對試驗加壓過程中擊穿處引線電位進行計算。低壓側尾端引線直接接地，電位為0，中性點引線電位與支撐變輸出電壓相同，其電位幅值U0按式 (1)計算。

式中K1為中間變的變比，為11.5；K2為支撐變的變比，為24.45；K為被試變壓器高壓對中壓的變比，計算得8.42；Uh為高壓繞組達到的最高電壓有效值。

經過計算，當Uh取680 kV時，中性點引線電位U0幅值可達到193.7 kV，當引線間絕緣距離不足的情況下，有必要通過對其場域內的電場分布進行研究。將中性點引線視為兩根并排的有限長圓柱形導體，與4根并排且接地的低壓側引線垂直交叉，二者銅質引線表面間距為絕緣層厚度10 mm。采用圖3所示的模型進行理論計算。

圖3 計算模型

圖3 中，D為兩種引線中軟銅線部分的直徑，50 mm；d0為低壓尾端引線的導體間距，8 mm；d1為中性點引線的導體間距，12 mm；d3為低壓引線與中性點引線之間的距離，考慮絕緣紙厚度后設計距離84 mm，實際距離10 mm；低壓引線與中性點引線計算長度均取3m。

采用模擬電荷法搭建數值計算模型，單根導線采用8根環(huán)形均勻分布的有限長模擬電荷進行等效，與集膚效應產生的表面電位相同[7]；在三維空間內，分別對無絕緣墊塊 (間距10 mm)和有墊塊時 (間距84 mm)，引線間最短距離上的電場分布進行計算，如圖4所示。以中性點引線表面為零距離開始計算。

圖4 有缺陷和正常時的場強分布

由圖4可知，缺少絕緣墊塊時，引線間距上的場強分布規(guī)律與正常距離時的類似，均呈現 “兩端大、中間小”的U型分布，這與電極形狀與間隙的比例大小有關系；間隔10 mm時路徑上的場強比正常距離時明顯增大，靠近引線電極處的場強接近195 kV/cm，中間位置也超過185 kV/cm，明顯高于典型油浸絕緣紙的擊穿場強180 kV/cm[8]，大概率會直接導致放電發(fā)生，尤其是有線端侵入波時；間隔85 mm時，路徑上最大場強也在引線銅質電極表面，但最大數值不超過40 kV/cm，遠低于變壓器油的平均擊穿場強130 kV/cm，此時場強裕度較大，有利于抵御過電壓而不產生絕緣擊穿。

2.2.2 仿真計算分析

在ANSYS仿真軟件中搭建簡化引線模型，搭建同圖3的電極模型。間隔10 mm時絕緣介質采用油浸絕緣紙介質，相對介電常數取文獻[8]中的平均值3.5；間隔84 mm時，間隙內主要為變壓器油，相對介電常數取克拉瑪依油的典型值2.2[9]。在相同施加電壓下 (193.7 kV)計算重合區(qū)域電場強度，兩種情況下的場強分布如圖5所示。

圖5 有缺陷和正常時的場強分布

由圖5可知，間距10 mm時，由于間隙距離相對導體尺寸較小，因此間隙內較大區(qū)域電場強度均在200 kV/cm(圖中20 000 kV/m)左右，尤其是引線正對的最短距離上，從而使放電通道在此路徑上形成，這與圖4(a)中的數值計算結果相符合，也印證了圖2中的擊穿部位。間距84 mm時，電極間油層整體內場強較小，裕度很大，最高場強(圖中4 000 kV/m)位于中性點引線表面小范圍內，符合圖4(b)的數值計算值。

根據有限元法的計算，絞線表面場強比光滑導線表面場強高出28%[10]。若考慮銅絞線表面實際形狀引起的電場不均勻，則電極表面的電場還會再增大，無絕緣墊塊情況下最大場強達到249.6 kV/cm，使放電概率進一步升高，導致短時感應耐壓時的擊穿變成必然。

2.3 故障處理及修后試驗

確認擊穿原因后，按以下步驟對缺陷設備進行處理:

1)解開擊穿引線絕緣支架上的膠木螺栓，按設計圖紙要求增加絕緣墊塊，復查器身各部位尺寸是否符合圖紙要求。

2)更換受損的中性點引線和低壓尾端引線，替換舊的冷壓點，重新冷壓壓緊，避免在原有引線回路上增加新接觸面。

3)對排出的變壓器油進行熱油循環(huán)，最大限度的濾除氫氣、乙炔等氣體。

4)干燥器身，重新裝配后緊固，重新注油，循環(huán)，靜置72 h。

靜置結束后，復測低壓試驗，各繞組絕緣電阻、電容量及介損試驗數據合格，直流電阻與故障處理前無明顯差別；復測雷電全波沖擊試驗與外施工頻耐壓試驗通過。200 Hz試驗電壓下，復測短時感應耐壓試驗，高壓側最高增強電壓680 kV持續(xù)30 s順利通過，絕緣裕度滿足要求。

對其他兩相變壓器進行排油后引線尺寸檢查，發(fā)現同樣存在引線交叉處未安裝絕緣墊塊的情況，按上述步驟進行絕緣墊塊補裝后，短時感應耐壓復測試驗合格。因重新吊罩、排油、處理、復裝、濾油然后靜置需要時間，導致驗收過程中3臺變壓器實際出廠時間推遲了近1個月，目前均已投入運行。

3 預防措施

本次絕緣墊塊漏裝引發(fā)的耐壓擊穿事故，主要由于在生產制造階段時工藝控制不夠，直接導致內部引線之間絕緣距離不足，引起場強顯著增大并放電擊穿，延遲了主設備出廠時間，增加了現場基建施工成本。針對此問題，應從以下幾個方面進行控制和預防:

1)產品制造階段。廠家應提高零部件組裝和器身總裝過程中的工藝控制，增設圖紙尺寸校核步驟，尤其是器身內部存在電勢差的區(qū)域，如引線之間、均壓環(huán)對外殼等部位，從而保證總裝階段設備的完整性，監(jiān)造人員應加強監(jiān)控。

2)產品試驗階段。出廠試驗中短時感應耐壓試驗對考驗變壓器絕緣裕度有不可替代的重要性，考慮到現場交接試驗中不進行此項試驗，因此在出廠試驗階段必須嚴格執(zhí)行試驗方案，關注試驗參數設置，并要求施加電壓和持續(xù)時間達標。

3)缺陷處理階段。發(fā)生放電擊穿問題后，應立即分析擊穿原因是否具有共性，并檢查同批次同類型產品，避免因重復擊穿故障導致廠內處理時間再次延長。

4 結語

通過診斷性試驗、排油檢查等方法確認了500 kV變壓器短時感應耐壓擊穿的部位在中性點引線與低壓尾端引線之間，發(fā)現了引線間缺少絕緣墊塊的工藝缺陷。經模擬電荷法和仿真計算對場強進行分析，查明了放電擊穿原因。增加絕緣墊塊至設計間距后，場強降至合理水平。