1 000 MW核電機(jī)組主變高壓套管介損與環(huán)境溫度關(guān)系試驗研究

賈輝，曹浩，劉希志，李偉超，陳偉，高建強(qiáng)

(1.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116000；2.華北電力大學(xué) 動力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

高壓套管是變壓器的重要組成部分，其主要功能是通過高壓引線從變壓器箱中抽出高、中、低壓繞組，固定引線并與外殼保持良好的絕緣。根據(jù)套管的絕緣結(jié)構(gòu)，可分為純瓷套管、充油套管和電容式套管，其中電容式高壓套管廣泛應(yīng)用[1]。

套管介質(zhì)損耗(以下簡稱介損)大小會受環(huán)境溫度、濕度和絕緣表面污穢程度的影響，探究環(huán)境溫度對套管介損的影響有利于加強(qiáng)對套管的保護(hù)。在近些年的研究中，律方成分析了環(huán)境溫度和濕度對電容型設(shè)備絕緣狀況的影響，并計算了主要環(huán)境因素對tanδ影響的關(guān)聯(lián)度[2]；李峰建立了環(huán)境溫度、濕度、降雨等對變壓器套管介損的影響模型，通過建模分析提出了相應(yīng)的預(yù)警策略[3]。劉歡分析了湖北鳳凰山變電站油紙電容型套管的歷年試驗數(shù)據(jù)，探究了套管介損與環(huán)境溫度的關(guān)系[4]。王永強(qiáng)完成了人工氣候室內(nèi)變壓器套管介損的在線測量試驗，以此為基礎(chǔ)分析了環(huán)境因素對電容型設(shè)備介損的影響情況[5]。

與常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比，核電機(jī)組對設(shè)備的安全性要求更高，而我國北方地區(qū)全年氣溫變化幅度較大，該區(qū)域的核電機(jī)組主變壓器面對極端環(huán)境溫度，其高壓套管的介損值可能偏差較大，給套管運行狀況的分析、判斷帶來諸多難題。本文以沈陽某核電廠型號為EKTG 1800-550/2000 E10的高壓套管為例，探究環(huán)境溫度對套管介損的影響。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 介損測量

介損是絕緣材料在電場下，由于自身的介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化而導(dǎo)致的能量損耗。其表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：CP，RP為并聯(lián)等效電容和電阻；CS，RS為串聯(lián)等效電容電阻[6]。

當(dāng)外界條件一定時，介損P正比于介損角正切值tanδ，所以在一定試驗條件下，可以用tanδ值來代替介損P。

tanδ可由介損儀進(jìn)行測量。介損儀的內(nèi)部分為標(biāo)準(zhǔn)側(cè)和被試側(cè)，分別通過標(biāo)準(zhǔn)電容器和被試品的電容信號，通過測量兩側(cè)的信號，確定兩側(cè)信號的幅值和相位關(guān)系，進(jìn)而得出試品的電容量和介質(zhì)損失角正切值tanδ[7]。

套管溫度是影響套管介損大小的一個重要因素，溫度變化會導(dǎo)致介質(zhì)電阻率ρ發(fā)生變化，從而導(dǎo)致等效電阻的變化[8]。當(dāng)套管正常運行時，套管溫度大小主要受兩方面影響，一是套管自身內(nèi)部介損而產(chǎn)生的熱量，二是套管與外界環(huán)境的換熱。當(dāng)套管處于理想的試驗環(huán)境下，不考慮套管自身產(chǎn)生的熱量及其他因素的影響，可以認(rèn)定介損P僅隨環(huán)境溫度t變化：

P=f(ρ)=f(t)。

(3)

1.2 試驗系統(tǒng)

本試驗在溫度可調(diào)控的試驗環(huán)境中進(jìn)行，試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗示意

制冷設(shè)備和制熱設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)實驗室內(nèi)的溫度，2個數(shù)字溫度計放于實驗室的兩側(cè)對溫度進(jìn)行檢測，溫度偏差不能超過0.5 ℃。為了盡量保證實驗室溫度分布均勻，冷熱風(fēng)進(jìn)口各設(shè)有2個，分別位于實驗室上方和下方。為防止套管與地面直接接觸而造成熱量的傳遞，套管要置于實驗室支架上，以減少導(dǎo)熱對套管溫度的影響。

本次試驗中試驗儀器與被試品在同一環(huán)境下進(jìn)行測試，為防止溫度過低對介損儀的影響，低溫環(huán)境下，介損儀每次啟動測試前先預(yù)熱30 min。

除濕機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)實驗室濕度，確保濕度在68%～70%范圍內(nèi)。

介損儀和套管在實驗室內(nèi)按正接法進(jìn)行連接，套管tanδ為套管主電容上的介損測量值。在測量變壓器套管tanδ時，與被試套管相連的所有繞組端連在一起加壓，其余繞組端均接地，末屏接電橋，正接線測量[9]。

1.3 環(huán)境溫度變化分析

圖1中的套管與試驗環(huán)境主要的換熱方式為對流換熱和輻射換熱。為使套管內(nèi)部溫度一致，在改變試驗環(huán)境溫度后，應(yīng)當(dāng)保持足夠的時間τ，使系統(tǒng)換熱達(dá)到穩(wěn)定，再進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和記錄。

根據(jù)能量守恒定律，套管自身溫度變化模型如下：

(4)

式中：m1，m2分別為套管和套管油的質(zhì)量；c1，c2為套管和套管油比熱容；Q1，Q2為套管表面與環(huán)境的對流換熱量和輻射換熱量。

根據(jù)式(4)，可以估算環(huán)境溫度變化1 ℃，套管達(dá)到熱平衡所需的時間。當(dāng)環(huán)境溫度由-20 ℃升高到-19 ℃時，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得τ≥1.46 h。

表1 估算τ所需的數(shù)據(jù)參數(shù)

但該計算方法存在很大誤差，式(4)為簡化的集總參數(shù)模型，沒有考慮套管各種內(nèi)部導(dǎo)熱過程，也沒有考慮制冷制熱設(shè)備與實驗室環(huán)境達(dá)到熱平衡所需時間。因此，當(dāng)環(huán)境溫度變化1 ℃時，整個試驗系統(tǒng)達(dá)到熱平衡所需要的時間比按式(4)估算的時間還要長。

綜合分析上述因素，本試驗過程中，在環(huán)境溫度變化后，需要連續(xù)維持16 h后再進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量，確保系統(tǒng)有足夠的時間達(dá)到換熱穩(wěn)定[10-13]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程

在常溫條件下測出高壓套管的介損值和電容量，并記錄數(shù)據(jù)。

將試驗環(huán)境溫度設(shè)定到-20 ℃并維持16 h，確保套管內(nèi)部與外部界環(huán)境充分換熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)，再進(jìn)行測量。

將試驗環(huán)境溫度每升高1 ℃都維持16 h后，再測量、記錄數(shù)據(jù)。

2.2 試驗結(jié)果及分析

本試驗環(huán)境溫度的變化范圍是-20～50 ℃。試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 介損隨溫度變化曲線

圖3 電容量隨溫度變化曲線

從上述結(jié)果中可以看出，隨環(huán)境溫度升高介損值不斷下降。溫度區(qū)間在-20～0 ℃時，溫度升高介損值下降速度較快，溫度每升高1 ℃，介損約下降0.020百分點；0～30 ℃時，介損下降速度有所減小，溫度每升高1 ℃，介損下降約0.007百分點；溫度高于30 ℃時，介損大小趨于穩(wěn)定。

根據(jù)試驗結(jié)果，需要特別注意的是：當(dāng)環(huán)境溫度低于-18 ℃時，根據(jù)《中國南方電網(wǎng)公司預(yù)防性試驗規(guī)程》的要求，介損值已超過允許標(biāo)準(zhǔn)0.7%，此時要加強(qiáng)對套管的監(jiān)測，防止因介損偏大而出現(xiàn)安全問題[14]。

高壓套管電容量一直隨溫度升高呈線性趨勢增大，溫度每升高1 ℃，電容量約增長0.141 pF。

3 結(jié)論

某核電站電容式高壓套管介損隨環(huán)境溫度變化的試驗，可以得出以下結(jié)論：

(1)隨溫度升高該套管電容不斷上升，介損不斷下降，在-20～0 ℃范圍內(nèi)，介損下降速度較快，0～30 ℃范圍內(nèi)下降速度有所減緩，環(huán)境溫度高于30 ℃后介損大小趨于穩(wěn)定。

(2)要加強(qiáng)極端環(huán)境溫度下對高壓套管的保護(hù)，尤其是冬季，此時套管介損偏高，電容偏差較大。