特高壓變電站變壓器升高座套管表面損傷原因分析

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

2019 年4 月，某特高壓變電站主變壓器（以下簡(jiǎn)稱“主變”）年檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)A 相1 000 kV 高壓套管油色譜乙炔含量達(dá)到89.49 mg/L，三比值法結(jié)果分析為低能放電。類似故障在低電壓等級(jí)的變電器中也時(shí)常發(fā)生[1-2]。2019 年7 月，在重慶變壓器廠完成了該主變A 相1 000 kV 高壓套管的解體檢查。從故障套管中拔出定位油密封管、定位補(bǔ)償管，其中定位補(bǔ)償管同心安裝在定位油密封管外側(cè)。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)定位油密封管外表面以及定位補(bǔ)償管內(nèi)表面存在多處疑似放電燒蝕、過(guò)熱痕跡及表面凹坑。為準(zhǔn)確分析定位油密封管和定位補(bǔ)償管表面損傷痕跡的形成原因，需要對(duì)樣品做進(jìn)一步分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌分析

首先對(duì)定位油密封管和定位補(bǔ)償管共計(jì)10根樣品（分別編號(hào)為定位油密封管1，3，5，7，9 號(hào)以及定位補(bǔ)償管1，3，5，7，9 號(hào)）進(jìn)行宏觀檢查，其典型宏觀形貌如圖1 所示。從圖中可以看出，10 根套管樣品均為圓柱形，材質(zhì)為鋁合金，具體牌號(hào)未知。定位油密封管直徑約為60 mm，管材壁厚6 mm；定位補(bǔ)償管直徑約為68 mm，管材壁厚4 mm。它們整體呈銀白色，金屬光澤較強(qiáng)，不存在整體腐蝕情況。定位油密封管樣品的外表面均存在一些損傷痕跡，有點(diǎn)狀的、條狀的、斑塊狀的以及圓環(huán)狀的，且部分表面損傷位置已經(jīng)發(fā)黑（如圖2 所示）。由于定位油密封管安裝在定位補(bǔ)償管的內(nèi)部，因而定位補(bǔ)償管樣品的表面損傷均位于其內(nèi)表面上。定位補(bǔ)償管內(nèi)表面損傷痕跡與定位油密封管外表面損傷痕跡的對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)圖3，特征與定位油密封管外表面的損傷高度相似。

1.2 體視顯微鏡分析

圖1 定位油密封管和定位補(bǔ)償管的宏觀形貌

圖2 定位油密封管的外表面損傷痕跡

從10 根套管樣品中選取了7 個(gè)具有典型特征的損傷點(diǎn)，經(jīng)超聲清洗后在體視顯微鏡下檢查它們的宏觀特征，如圖4、圖5 所示。1 號(hào)樣品切自定位油密封管1；2，3 號(hào)樣品切自定位油密封管5；4 號(hào)樣品切自定位油密封管3；5，6 號(hào)樣品取自定位油密封管7；7 號(hào)樣品取自定位油密封管3。從圖中可以看出，1 號(hào)樣品表面有一塊呈魚(yú)鱗狀的三角形區(qū)域，表面較為粗糙。2 號(hào)樣品中部區(qū)域存在大量灰色斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)已經(jīng)失去金屬光澤，并且在斑點(diǎn)周圍還存在一圈黃褐色痕跡。3 號(hào)樣品中部也存在一塊失去金屬光澤的灰色斑點(diǎn)，在其周圍也存在一些條狀褐色痕跡。4號(hào)樣品表面原本存在2 個(gè)黑色的小點(diǎn)，經(jīng)清洗后在表面上只留下2 個(gè)凹坑。5 號(hào)樣品表面存在一個(gè)黑色的圓形坑洞，坑洞具備一定的深度。6 號(hào)樣品的情況與5 號(hào)樣品類似，有2 個(gè)深度較淺的圓形坑洞位于表面，并且顏色也較淺。7 號(hào)樣品表面存在兩塊面積較大、形狀不規(guī)則的黑色區(qū)域，發(fā)黑區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯凹坑。

圖4 套管典型表面損傷樣品1-4 號(hào)

1.3 金相分析

圖5 套管表面損傷的體視鏡形貌

將套管未見(jiàn)明顯缺陷的部分切割制樣，打磨拋光，經(jīng)氫氟酸腐蝕后置于Zeiss Axiovert 200 型光學(xué)顯微鏡下，對(duì)其金相組織進(jìn)行研究，如圖6所示。套管的晶粒為長(zhǎng)條形，尺寸細(xì)小，為典型的變形鋁合金的金相組織。金相組織整體上未見(jiàn)明顯異常。

圖6 套管的光學(xué)顯微組織

1.4 SEM 及EDS 分析

將從套管上取下的1—7 號(hào)樣品置于Zeiss EVO 18 型SEM（掃描電子顯微鏡）中，觀察到其表面的微觀形貌如圖7—圖13 所示。比較不同圖片可以得出，1 號(hào)樣品表面存在大面積的金屬波紋狀形貌，這類形貌一般多在金屬發(fā)生較大規(guī)模熔融而后凝固形成。2 號(hào)及3 號(hào)樣品的微觀表面特征較為相似，都存在大量的環(huán)形坑，坑內(nèi)呈顆粒狀多孔結(jié)構(gòu)；顆粒呈柱狀，顆粒間存在明顯的空隙。4 號(hào)樣品表面存在數(shù)道長(zhǎng)條形的凹痕，凹痕的兩側(cè)邊緣呈平行關(guān)系，這類形貌一般是由表面刮擦形成。5 號(hào)樣品表面存在一個(gè)面積較大的環(huán)形凹坑，凹坑內(nèi)部部分區(qū)域的金屬已缺失，并存在一些金屬熔融痕跡；凹坑周邊同樣存在大量與3 號(hào)樣品表面高度相似的顆粒狀多孔結(jié)構(gòu)。6 號(hào)樣品表面的兩個(gè)凹坑表面形貌類似，鋁管表面的部分金屬已缺失，剩下的塊狀金屬物發(fā)生塊狀堆疊。7 號(hào)樣品表面黑色區(qū)域也呈環(huán)形坑形貌，深度較淺；坑內(nèi)表面較為平滑，部分區(qū)域有不規(guī)則塊狀物覆蓋。

圖7 1 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖8 2 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖9 3 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖10 4 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖11 5 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖12 6 號(hào)樣品的SEM 形貌

圖13 7 號(hào)樣品的SEM 形貌

與此同時(shí)，通過(guò)EDS（能譜分析儀）對(duì)表面部分區(qū)域進(jìn)行了成分分析，分析位置及分析結(jié)果如圖14—圖19 及表1—表6 所示。元素分析的結(jié)果顯示，套管的基體金屬應(yīng)為Al-Si 合金，Si 元素的含量應(yīng)該不高。1 號(hào)樣品表面含有套管基體金屬所不含有的Mg，Mn，F(xiàn)e 三種金屬元素，這與其發(fā)生過(guò)金屬熔融并凝固，從而帶入其他金屬元素的過(guò)程相符。2 號(hào)樣品與3 號(hào)樣品凹坑內(nèi)的元素分析結(jié)果與基體金屬一致，只含有C，Al，O 三種元素，但其O 元素含量高達(dá)78.33%，說(shuō)明凹坑內(nèi)的多孔狀顆粒物為鋁的氧化物，導(dǎo)電性較差，因而在電鏡視野內(nèi)呈白色。鋁的氧化產(chǎn)物一般通過(guò)腐蝕過(guò)程而產(chǎn)生。4 號(hào)樣品凹坑內(nèi)的成分分析結(jié)果與基體材料一致，說(shuō)明表面刮擦不會(huì)引入其他金屬元素，也不會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)。5 號(hào)樣品凹坑內(nèi)含有C，O，Al，Si，Mn 五種元素，除Mn 元素以外與鋁管基體元素一致，Mn 元素考慮為外界帶入。6 號(hào)樣品凹坑內(nèi)也只含C，O，Al 三種元素，其余元素含量太低，未檢出。放電電擊后會(huì)使鋁管表面的金屬部分缺失，部分金屬重新堆疊，從而形成一定放射狀的微觀形貌。放電現(xiàn)象會(huì)瞬間產(chǎn)生高溫，使電擊區(qū)域不可避免地發(fā)生碳化。1 號(hào)、5 號(hào)及6 號(hào)樣品的C 元素含量分別為2.27%，1.28%，1.26%，明顯高于其他未放電區(qū)域C 元素約為0.7%的含量水平。因此從成分角度來(lái)看，1 號(hào)、5 號(hào)及6 號(hào)樣品符合電擊的特征。

圖14 樣品1 表面的EDS 分析位置1

表1 樣品1 表面的EDS 分析結(jié)果1

圖15 樣品1 表面的EDS 分析位置2

圖16 樣品2 表面的EDS 分析位置

表3 樣品2 表面的EDS 分析結(jié)果

圖17 樣品3 表面的EDS 分析位置

表4 樣品3 表面的EDS 分析結(jié)果

圖18 樣品5 表面的EDS 分析位置

表5 樣品5 表面的EDS 分析結(jié)果

圖19 樣品6 表面的EDS 分析位置

表6 樣品6 表面的EDS 分析結(jié)果

2 分析與討論

變壓器是變電站最為核心的設(shè)備之一，其安全穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)變電站的正常運(yùn)行。各類針對(duì)變壓器的檢測(cè)技術(shù)都在不斷發(fā)展中[3-5]。變壓器升高座套管是一種便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的油浸電容式高壓套管，連接變壓器繞組出線的套管底部接線端子通過(guò)套管內(nèi)部的拉桿系統(tǒng)與套管載流底板和載流導(dǎo)電管連接，連接變壓器空氣端高壓引線的套管頂部接線端子通過(guò)套管內(nèi)部軟導(dǎo)流排與載流導(dǎo)電管連接。從相關(guān)研究來(lái)看，變壓器產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)和渦流損耗易使變壓器金屬部件產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象或局部放電，嚴(yán)重影響變壓器正常運(yùn)行[6-7]，并且變壓器套管在運(yùn)維過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也不在少數(shù)[8-9]。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以看出定位油密封管和定位補(bǔ)償管表面損傷的種類較多，構(gòu)成較為復(fù)雜。1 號(hào)樣品表面的大面積金屬波紋狀痕跡符合金屬熔融而后凝固形成的特征[10]，考慮到套管為變壓器的重要組成部件，可推測(cè)該痕跡由于定位油密封管和定位補(bǔ)償管互相放電引起。2 號(hào)及3號(hào)樣品表面凹坑內(nèi)的多孔顆粒狀鋁的氧化產(chǎn)物，判斷為鋁管在變壓器油環(huán)境中的腐蝕行為導(dǎo)致，應(yīng)為腐蝕痕跡，但其具體腐蝕機(jī)制及腐蝕過(guò)程有待進(jìn)一步明確。4 號(hào)樣品表面溝壑狀凹坑的邊緣平行，凹坑內(nèi)成分與基體材料成分相符，未經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，符合刮擦傷痕的特征，可以判斷為撞擊或刮擦導(dǎo)致。5 號(hào)以及6 號(hào)樣品表面的圓形凹坑十分明顯，微觀形貌顯示其表面的金屬物質(zhì)發(fā)生了部分缺失，部分重新堆疊，存在一些熔融痕跡，并且明顯經(jīng)歷了碳化過(guò)程，C 元素較高，因此也可以判斷為電擊坑，屬放電痕跡。

3 結(jié)語(yǔ)

此次特高壓變電站主變升高座套管多處表面損傷形成的原因較為復(fù)雜，并非單一原因?qū)е?。從分析結(jié)果來(lái)看，套管表面的微觀形貌存在金屬熔融物、多孔狀金屬氧化物和溝壑狀凹坑，證明損傷痕跡中同時(shí)存在放電痕跡、腐蝕痕跡以及刮擦痕跡。