沖擊電壓下500 kV油浸倒置式電流互感器局部放電特性研究

楊智，鄭一鳴，何文林，李晨，詹江楊，郭沖

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

電流互感器是將一次(高壓)側(cè)交流電流按照額定電流比轉(zhuǎn)換成可供電側(cè)儀表、繼電保護裝置或者控制裝置使用的二次(低壓)側(cè)電流的變流設(shè)備。電流互感器是電網(wǎng)中的重要電氣設(shè)備，擔負著為電力系統(tǒng)提供計量和繼電保護所需信號的重任，其可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運行[1-2]。電流互感器發(fā)生故障不但會造成自身損壞，還可能引起保護誤動、設(shè)備跳閘，造成電網(wǎng)安全事故[3-5]。

電流互感器按絕緣介質(zhì)可分為固體絕緣式、油浸絕緣式、六氟化硫氣體絕緣式。110 kV及以上電壓等級的電流互感器大多采用油浸式絕緣結(jié)構(gòu)，根據(jù)浙江電網(wǎng)近3年的設(shè)備信息統(tǒng)計，油浸式電流互感器占比88.3%。其中，油浸倒置式電流互感器因具有散熱快、傳導(dǎo)均勻、絕緣性可恢復(fù)等特點，在500 kV及以上電壓等級油浸式電流互感器中占比較大[6-8]。

油浸倒置式電流互感器在運行時易受沖擊電壓、靜電電壓、運行電壓和潮氣等多種不利因素的影響，存在著絕緣性能不斷降低的風險[9-11]。尤其是在沖擊電壓下發(fā)生局部放電，一旦放電熄滅電壓低于正常運行電壓，放電現(xiàn)象在正常運行電壓下持續(xù)發(fā)展，或者絕緣損壞持續(xù)累積，可能導(dǎo)致設(shè)備爆炸損壞[12-14]。因此，研究沖擊電壓下油浸式電流互感器的局部放電特性，對于設(shè)備絕緣損壞預(yù)警并制訂合理的運維措施具有重要的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對油浸倒置式電流互感器的絕緣故障已經(jīng)進行了詳細研究分析，總結(jié)出2個原因：①倒置式結(jié)構(gòu)的絕緣薄弱點在一次繞組的三角區(qū)，此處為手工包扎，產(chǎn)品質(zhì)量有一定的分散性；②直線部分電容屏端部的電場較為集中，多存在較明顯的屏間放電現(xiàn)象[15-16]。目前，油浸倒置式電流互感器的檢測方法主要包括局部放電測量和油中溶解氣體分析等[17-20]。

本文搭建沖擊電壓下500 kV油浸倒置式電流互感器局部放電試驗回路，根據(jù)試品的結(jié)構(gòu)特點，分析沖擊電壓下試品放電波形特性及識別方法，并且結(jié)合工頻電壓下局部放電特性和油中溶解氣體分析結(jié)果，研究沖擊電壓下局部放電對設(shè)備絕緣損壞程度的影響。

1 沖擊電壓下局部放電測量回路

1.1 測量回路

測量回路由沖擊電壓發(fā)生器、電容分壓器、倒置式電流互感器、非接觸式傳感器及數(shù)字示波器組成，如圖1所示。

圖1 沖擊電壓下局部放電接線圖Fig.1 Partial discharge wiring diagram in impulse voltage

測量時由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生標準的雷電沖擊、操作沖擊電壓波形，通過電容分壓器對沖擊電壓進行測量。沖擊電壓施加于倒置式電流互感器的一次導(dǎo)桿上，互感器的鋁管和末屏接線端、二次接線以及底座接地，使用非接觸式傳感器檢測接地線上的電流，并通過數(shù)字示波器測量該電流信號。

1.2 被測試品

本文選用AREVA公司(巴西基地)生產(chǎn)的CTH-550型油浸倒置式電流互感器進行測量，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—鋁罩殼；2—油位指示；3—金屬膨脹器；4—二次鐵心；5—一次導(dǎo)桿；6—油紙絕緣；7—瓷套；8—二次引下線鋁管；9—二次接線盒；10—底座。

圖2 油浸倒置式電流互感器結(jié)構(gòu)
Fig.2 Structure of oil-immersed inverted current transformer

從圖2可以看出，500 kV油浸倒置式電流互感器的二次鐵心繞組內(nèi)置于圓形鐵心外罩內(nèi)，二次繞組通過與二次鐵心外罩直接焊接的圓柱形金屬管(二次引下線鋁管)引出，二次鐵心外罩與直接焊接的二次引下線鋁管外繞油紙絕緣層，油紙絕緣層內(nèi)設(shè)置若干電容屏構(gòu)成主電容，最內(nèi)一層電容稱“末屏”，與設(shè)備低壓端相連接。

末屏引出方式有2種結(jié)構(gòu)：①二次引下線鋁管末端與底座絕緣固定，不直接導(dǎo)通，在外部通過扁鐵與底座連接，末屏接線位置在扁鐵處；②二次引下線與底座直接導(dǎo)通，末屏接線位置在二次接線盒內(nèi)的某個端子。本次測量所用試品通過第2種方式將末屏電流信號引出，并通過非接觸式傳感器和數(shù)字示波器采集電流信號。

1.3 非接觸式傳感器的選取

1.3.1 非接觸式電流傳感器

油浸倒置式電流互感器在帶電運行時，電壓頻率為50 Hz，而在承受操作過電壓和雷電過電壓作用時，電壓頻率高達kHz級甚至MHz級，這就要求電流傳感器及信號采集、處理裝置應(yīng)具有較大的頻率響應(yīng)范圍[21-22]。

本文采用PEARSON公司生產(chǎn)的110A型非接觸式電流傳感器采集油浸倒置式電流互感器的末屏電流信號。電流傳感器為穿心式結(jié)構(gòu)，通過雙屏蔽電纜經(jīng)50 Ω匹配電阻與示波器相連接，采用蛇皮銅網(wǎng)線穿套電纜，高壓連接線經(jīng)電暈處理。電流互感器末屏接地引下線直接穿過該電流傳感器。電流傳感器頻率范圍為1 Hz～20 MHz，靈敏度為100 mV/1 A，具有寬頻域、大量程、不改變電流互感器原有接地方式、具有一定的抗干擾能力、安全可靠等特點。試驗在屏蔽室內(nèi)進行，測量前采用方波源對局部放電測量系統(tǒng)進行標定，并分別測量控制臺合閘前后的背景噪聲。經(jīng)測量背景噪聲約為10 pC，滿足試驗要求。

1.3.2 示波器

本文采用Tektronix數(shù)字示波器對非接觸式電流傳感器測得的信號進行采集處理。該示波器測量頻率最高為100 MHz，采樣率為2.5×109s-1，能夠?qū)﹄娏骰ジ衅髦械碾娏餍盘栠M行采集存儲，滿足測試要求。

2 沖擊電壓下局部放電

2.1 沖擊電壓局部放電波形

2.1.1 外施電壓波形

為研究沖擊電壓下油浸倒置式電流互感器油紙絕緣局部放電特性，結(jié)合出廠試驗標準，分別在標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓下對7組試品進行局部放電試驗。雷電沖擊電壓下進行正、負極性局部放電試驗，電壓峰值為1 340 kV；操作沖擊電壓下只進行正極性局部放電試驗，電壓峰值940 kV。典型外施電壓波形如圖3所示。

2.1.2 雷電沖擊電壓下局部放電

在試品上分別施加正、負極性的標準雷電沖擊電壓，研究電壓極性對雷電沖擊電壓下油紙絕緣局部放電特性的影響。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖3 外施電壓波形Fig.3 Applied voltage waveform

圖4 雷電沖擊電壓下局部放電Fig.4 Partial discharge in lightning impulse voltage

從圖4可以看出，試品內(nèi)部在正極性雷電沖擊電壓的峰值處存在明顯的放電信號，負極性下未檢測到放電信號。試驗結(jié)果表明，缺陷放電存在極性效應(yīng)。在沖擊電壓波形起始處存在較大的噪聲，這主要為球隙觸發(fā)導(dǎo)通時氣隙放電產(chǎn)生的干擾信號，出現(xiàn)位置固定且幅值較大，易于同局部放電信號進行區(qū)分。

在雷電沖擊電壓下檢測的放電信號時域波形如圖5所示，放電脈沖波形與油中放電波形類似，信號頻率約為10 MHz。

2.1.3 操作沖擊電壓下局部放電

為研究操作沖擊電壓油浸倒置式電流互感器油紙絕緣局部放電特性，在試品上施加標準操作沖擊電壓，逐漸升高電壓幅值，并選取外施電壓范圍為0.6～1.8(標幺值)，研究電壓幅值對操作沖擊電壓下的油紙絕緣局部放電特性。試驗結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出：當外施電壓幅值較低(小于1)時，檢測到的信號中存在較多干擾信號，信號幅值小于5 V，如圖6(a)、(b)所示；當外施電壓升高至1 時，檢測結(jié)果中出現(xiàn)幅值較高的脈沖信號，如圖6(c)所示，脈沖幅值大于5 V，該脈沖應(yīng)該為放電信號；繼續(xù)升高外施電壓幅值，檢測到的大幅值脈沖數(shù)量增加，同時幅值也有所增大，如圖6(d)、(e)、(f)所示；大幅值脈沖主要出現(xiàn)在外施電壓的峰值附近，也偶爾出現(xiàn)在電壓的波尾，如圖6(g)、(h)所示。對比圖6(a)—(h)可以看出，隨著操作沖擊電壓幅值的增大，油紙絕緣局部放電信號幅值增大，放電次數(shù)增加。

圖5 雷電沖擊電壓下放電脈沖波形Fig.5 Discharge pulse waveform inlightning impulse voltage

圖6 操作沖擊電壓下局部放電Fig.6 Partial discharge in switching impulse voltage

單個大幅值脈沖的波形如圖7所示，脈沖信號最大幅值約為20 V，脈沖的主頻率約為4 MHz，持續(xù)時間約為2.35 μs。

圖7 高幅值脈沖的時域波形Fig.7 Time domain waveform in high amplitude pulse

2.2 工頻局部放電

結(jié)合油浸倒置式電流互感器的實際運行環(huán)境，分別對試品進行長時間工頻局部放電測試及沖擊電壓作用后的工頻局部放電測試，并利用TWPD-2F、Tettex和PDcheck采集到的數(shù)據(jù)進行譜圖統(tǒng)計分析。局部放電的起始與熄滅電壓見表1，長時間工頻局部放電加壓過程的局部放電相位(phase resolved partial discharge，PRPD)譜圖如圖8所示，雷電和操作沖擊電壓下起始放電時的PRPD譜圖如圖9所示。

表1 局部放電的起始與熄滅電壓Tab.1 PDIV and PDEV of partial discharge

從表1可以看出，7臺試品的局部放電起始與熄滅電壓均較低，其中有4臺試品的起始電壓低于正常運行電壓(318 kV)；所有設(shè)備的熄滅電壓均低于正常運行電壓。試驗結(jié)果表明，設(shè)備運行時，存在局部放電被激發(fā)后難以熄滅的風險。

從圖8可以看出試品內(nèi)部至少存在2種類型的放電：類氣隙放電和樹枝放電。放電起始時放電量較小，放電集中在正負半周過零點附近，呈現(xiàn)出較為明顯的兔耳形狀，主要表征為類氣隙放電；在峰值附近也存在放電信號分布，主要為樹枝放電，但放電幅值變化規(guī)律不明顯，分散性較大。隨著電壓逐漸增大，類氣隙放電的局部放電量幾乎不變，被淹沒在樹枝放電的信號中，但仍能觀察到過零點附近的弧頂放電分布，樹枝放電的放電量明顯增加，此時放電對紙絕緣損傷較為嚴重。

圖8 長時間工頻局部放電加壓過程的PRPD譜圖Fig.8 Statistical spectrum of PRPD of long-time power frequency partial discharge during voltage rise process

試品在經(jīng)過雷電沖擊電壓作用后，放電形式有所改變，氣隙可能消散，同時油紙絕緣內(nèi)部的樹枝放電受抑制，強度有所減弱。在起始放電電壓下，放電量明顯增大，類氣隙放電特征消失或是淹沒在樹枝放電信號之中。沖擊電壓下起始放電時的PRPD譜圖如圖9所示。低于臨界電壓時放電量處于緩慢增加階段，超過臨界電壓時放電量突然增大，迅速進入間歇性擊穿階段。試品在操作沖擊電壓下起始放電時的PRPD譜圖與雷電沖擊下類似。

圖9 沖擊電壓下起始放電時的PRPD譜圖Fig.9 Statistical spectrum of PRPD in initial discharge voltage after impulse voltage

操作沖擊電壓作用后的工頻局部放電波形及PRPD譜圖如圖10所示。可以看出，該放電形式與沿面放電典型參考譜圖吻合，放電性質(zhì)應(yīng)與沿面放電類型相似，由此可以推斷此時試品內(nèi)部可能發(fā)生沿面放電。通過試驗分析可以得出，對沖擊電壓作用后的油浸倒置式電流互感器進行工頻局部放電檢測可以進一步驗證絕緣的損壞情況。

2.3 解體情況

為進一步驗證絕緣損壞情況，對測試后的試品進行解體，解體過程中發(fā)現(xiàn)安裝工藝、材質(zhì)、放電痕跡等均存在問題。

2.3.1 頭部油紙絕緣

頭部油紙絕緣層中部發(fā)現(xiàn)3處碳黑點，可用手擦除，懷疑為污染導(dǎo)致。頭部油紙絕緣采用皺紋紙和電話紙交替包扎，電話紙存在明顯褶皺現(xiàn)象，但無其他異常。分析認為該褶皺與電話紙包扎后在真空干燥和浸油工藝中的自然收縮有關(guān)。

圖10 操作沖擊電壓作用后的工頻局部放電波形及PRPD譜圖Fig.10 Partial discharge waveform and statistical spectrum of PRPD after switching impulse voltage

2.3.2 均壓套管

在拆除均壓套管的數(shù)層外包層后，發(fā)現(xiàn)第1張屏(高壓屏)末端存在嚴重的爬電現(xiàn)象，導(dǎo)致此處電纜紙?zhí)蓟兒?。爬電區(qū)域為第1張屏末端至第2張屏末端之間，其余位置未見爬電痕跡，這也與第2.2節(jié)中出現(xiàn)的沿面放電類型相對應(yīng)。

2.3.3 頸部絕緣

各試品器身頸部絕緣均存在褶皺現(xiàn)象，并有放電痕跡，逐層拆除絕緣，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣放電痕跡越來越明顯，放電通道逐漸擴大。試品二次引線管處的電容屏端部屏蔽層制作工藝不良，端部電場較為集中，在操作過電壓甚至運行電壓作用下發(fā)生油中尖端放電，引起該處絕緣紙性能下降。在持續(xù)局部放電作用下，從尖端起始沿電容屏表面發(fā)生沿面放電，放電產(chǎn)生的氣體向上移動，聚集在試品器身頸部或頭部下半圈的疏松褶皺處，發(fā)生類氣隙放電。隨著操作沖擊電壓的累積作用，發(fā)生貫穿性的樹枝放電，放電產(chǎn)生更多的氣體以及高能量，放電現(xiàn)象和絕緣破損現(xiàn)象加劇，嚴重時發(fā)生爆炸。

2.4 油中溶解氣體分析

2.4.1 油色譜數(shù)據(jù)分析

為分析沖擊電壓下局部放電對油浸倒置式電流互感器油紙絕緣損壞程度的影響，采用油色譜分析儀分別對7組試品試驗前后油中乙炔、總烴含量(體積分數(shù))進行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 試驗前后乙炔、總烴含量對比Tab.2 Comparison of acetylene and total hydrocarbon contents before and after the test

從表2可以看出，高壓試驗前后試品油中乙炔、總烴含量均發(fā)生變化，這與試品局部放電量檢測結(jié)果相吻合，放電量大或出現(xiàn)明顯放電聲的試品，乙炔、總烴含量增長更明顯。放電信號來源于試品內(nèi)部，6號、7號試品乙炔含量的增長與設(shè)備內(nèi)部局部放電相關(guān)，放電位置在油浸倒置式電流互感器均壓套管部分可能性較大。

2.4.2 含氣量分析

由于取樣工裝原因，僅對其中3組試品的含氣量(體積分數(shù))進行分析，試驗前后含氣量對比見表3。

表3 試驗前后含氣量對比Tab.2 Comparison of gas content before and after the test

從表3可以看出，試驗前試品含氣量較高，設(shè)備運行或外部過電壓工況下，存在類氣隙放電的可能。

2.5 高電壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試

分別對長時間局部放電后、雷電沖擊電壓作用后和操作沖擊電壓作用后某試品的高電壓介質(zhì)損耗因數(shù)進行測試，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，該試品在長時間局部放電后、雷電和操作沖擊電壓作用后，介質(zhì)損耗因數(shù)未發(fā)生明顯變化。該試品高電壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果無明顯異常，其他試品各測試階段的高電壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果與該試品類似。

圖11 高電壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果Fig.11 High voltage dielectric loss factor test results

2.6 頻域介電譜測試

分別對高壓試驗前后試品的頻域介電譜進行測試，測試電壓200 V，測試結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，該試品的含水量(質(zhì)量分數(shù))為0.4%，整體含水量處于合理范圍，高壓試驗前后的頻域介電譜差別較小，主要差異來源于測試溫度不同。其他試品的頻域介電譜測試結(jié)果與該試品類似。測試結(jié)果表明：試品整體含水量和試品油的電導(dǎo)率均處在合理范圍，可以排除受潮因素導(dǎo)致的設(shè)備異常。

圖12 頻域介電譜Fig.12 Diagram of frequency domain dielectric spectroscopy

3 結(jié)論

本文搭建了500 kV倒置式電流互感器沖擊電壓下局部放電測量回路，研究了沖擊電壓下局部放電及設(shè)備絕緣損壞情況，并獲得了不同沖擊施加條件后工頻局部放電情況，主要得到如下結(jié)論：

a)沖擊電壓作用下，放電多集中在沖擊電壓的峰值處，放電頻率高，持續(xù)時間短，且雷電沖擊電壓下局部放電存在明顯的極性效應(yīng)。

b)隨著沖擊電壓幅值增大，局部放電信號幅值增大，放電次數(shù)增加。

c)隨著沖擊次數(shù)的增加，放電程度提升，絕緣損壞具有累積效應(yīng)。

d)工頻電壓下放電的熄滅電壓降低，放電難以熄滅，持續(xù)發(fā)展造成絕緣損壞加劇，引發(fā)爆炸和燃燒沖擊事故。

從本文的研究來看，沖擊電壓對油浸式電流互感器的絕緣造成一定的損壞；因此，有必要繼續(xù)深入研究，找出一種能夠準確測量油浸式電流互感器遭受的沖擊過電壓幅值或波形的方法，從而在監(jiān)測到過電壓時，對設(shè)備進行沖擊電壓局部放電測量，以期對油浸式電流互感器絕緣狀態(tài)進行準確判斷，提高設(shè)備運行安全性。