一起主變壓器高壓套管介質(zhì)損耗異常及處理

穆 強(qiáng)，喻勇麗，李奇艷

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南省長沙市 410000）

0 引言

變壓器套管是變壓器箱外的主要絕緣裝置，主要起固定導(dǎo)線并使高壓導(dǎo)線安全穿過接地墻壁，與其他電氣設(shè)備連接的作用。某水力發(fā)電廠1號(hào)主變壓器為衡陽特變電工2011年生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號(hào)是SSP-160000/500，變壓器高壓側(cè)出線套管為沈陽傳奇電氣有限公司生產(chǎn)的ETG-550/1250環(huán)氧樹脂浸紙電容式變壓器/SF6套管。

1 試驗(yàn)及處理過程

1.1 試驗(yàn)基本情況

1號(hào)主變壓器于2017年2月12日停電進(jìn)行年度檢修，試驗(yàn)人員2月20日對(duì)1號(hào)主變壓器進(jìn)行常規(guī)檢修預(yù)防性試驗(yàn)，依次進(jìn)行了高低壓繞組的絕緣電阻、直流耐壓和泄漏電流試驗(yàn)，繞組及套管介質(zhì)損耗試驗(yàn)，其中絕緣電阻、直流耐壓與泄漏電流試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)異常。在進(jìn)行A相高壓側(cè)套管介質(zhì)損耗試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其測得數(shù)據(jù)為2.06%，超過DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)高壓電容性套管介質(zhì)損耗0.8%以內(nèi)的要求，且與歷史數(shù)據(jù)比較有明顯的偏差，而相鄰B、C兩相的測量結(jié)果與歷年數(shù)據(jù)比較未發(fā)現(xiàn)較大變化，均在正常范圍之內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

據(jù)表1來看，A相高壓套管電容量為313.9pF，與出廠時(shí)325pF相比，變化率為-3.5%，與上次檢修時(shí)315.6pF相比，變化率為-0.5%，均未發(fā)生較大突變。符合DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，電容型套管的電容值與出廠值或上一次試驗(yàn)值不宜超過±5%的要求。

表1 A相高壓套管試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of phase A bushing

1.2 試驗(yàn)結(jié)論初步分析

高壓套管電容量測試主要用來檢測電容屏間的絕緣性能，若電容量發(fā)生漂移，往往會(huì)引起運(yùn)行中的高壓套管介電強(qiáng)度、電暈電壓和絕緣電阻降低，從而導(dǎo)致電容器發(fā)熱，損耗增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果A相電容值較往年變化不大，因此可以推斷沒有電容屏間絕緣不良，包括電容紙芯絕緣未受到損傷和擊穿。

套管介質(zhì)損耗因數(shù)值tanδ是變壓器絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一，是判斷變壓器套管絕緣狀態(tài)的有效手段。相比絕緣電阻，介質(zhì)損耗因數(shù)測量能更加靈敏的發(fā)現(xiàn)變壓器整體受潮、油質(zhì)劣化、繞組上附著油泥及嚴(yán)重的局部缺陷。例如對(duì)某臺(tái)變壓器的套管進(jìn)行試驗(yàn)，正常的tanδ值為0.6%，而當(dāng)絕緣受潮后的tanδ值為3.6%，兩個(gè)數(shù)據(jù)相差6倍，而測量其絕緣電阻，受潮前后則相差不大。套管介質(zhì)損耗增大的原因一般有：密封不良，潮氣反透，導(dǎo)致套管末屏或端屏絕緣不良；在出廠或安裝時(shí)，金屬導(dǎo)桿留有缺陷導(dǎo)致介損增大；絕緣油老化導(dǎo)致介質(zhì)損耗增大等情況，同時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果常受表面泄漏和外界條件的影響，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析就要排查這些因素。

1.2.1 套管臟污受潮引起介損值增大

在試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)三相高壓套管末屏及末屏引出端分別進(jìn)行了外觀檢查，并沒有發(fā)現(xiàn)有臟污、異物附著和銹跡。由于末屏引出端封蓋打開后，末屏暴露在空氣中，懷疑引出端受潮，導(dǎo)致介質(zhì)損耗出現(xiàn)偏差。采取對(duì)末屏引出端進(jìn)行清潔、干燥后復(fù)測介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)為2.071%，未見顯著變化，后又測量末屏對(duì)地的絕緣電阻超過200GΩ，因此排除了末屏臟污受潮引起介損偏差的原因。

1.2.2 套管內(nèi)部金屬導(dǎo)桿缺陷引起介損增大

由于一部分套管出廠帶有一定的先天缺陷，導(dǎo)致后期運(yùn)行過程中長期受電場、溫度、機(jī)械振動(dòng)的作用，會(huì)逐漸劣化。懷疑變壓器套管內(nèi)將軍帽密封不嚴(yán)，導(dǎo)致金屬導(dǎo)電桿有銹跡，相當(dāng)于串入了一個(gè)附加小電阻，在進(jìn)行介質(zhì)損耗試驗(yàn)時(shí)，隨著電壓升高，損耗增大，介質(zhì)損耗值tanδ偏高。故測試其繞組連同套管的直流電阻，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 繞組連同套管的直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 DC resistance test data of winding and bushing

由表2可知，繞組連同套管的直流電阻相間差0.1%，相差不大，符合規(guī)程2%以內(nèi)的要求。因此，也排除了套管內(nèi)金屬導(dǎo)管存在銹跡導(dǎo)致介質(zhì)損耗值增大的現(xiàn)象。

1.2.3 油質(zhì)劣化引起介損增大

該套管采用環(huán)氧樹脂浸紙結(jié)構(gòu)，電容芯子制造時(shí)在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥處理，并與整體結(jié)構(gòu)在環(huán)氧樹脂中浸漬、固化，車削成型、涂釉后裝配法蘭保證其絕緣、氣密性等符合要求。在目前，不同于傳統(tǒng)油浸紙電容型套管故障時(shí)，進(jìn)行套管油樣化驗(yàn)。所以，也排除了油質(zhì)劣化引起介質(zhì)損耗偏大的因素。

1.3 處理方案

經(jīng)查閱相關(guān)資料并借鑒了近年來主變壓器高壓套管異常處理的一些經(jīng)驗(yàn)，分析為絕緣電阻和套管的介質(zhì)損耗試驗(yàn)，雖然可以有效地反映高壓套管環(huán)氧樹脂浸紙絕緣系統(tǒng)的電導(dǎo)特性，而變壓器在帶電投切時(shí)，介質(zhì)受極化現(xiàn)象影響更為復(fù)雜，難以通過單一電氣特性參數(shù)表征。采取由發(fā)電機(jī)帶主變壓器零起升壓至額定電壓后，持續(xù)運(yùn)行30min，再降壓后分閘，重新測量異常套管的介損，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 復(fù)測A相高壓套管試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Retest data of phase A bushing

由表3可以看到，數(shù)據(jù)異常的A相高壓套管經(jīng)發(fā)電機(jī)帶主變壓器零起升壓后，介質(zhì)損耗有明顯減小，恢復(fù)正常，達(dá)到規(guī)程要求之內(nèi)。同時(shí)，采用紅外成像無損檢測法，對(duì)投運(yùn)后的三相套管進(jìn)行了橫向溫度比較，額定電壓下三相高壓套管的末屏處溫度如表4所示。

表4 套管末屏紅外成像試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 In feared imaging test data of casing end shield

由表4可知，三相套管溫度偏差不大，沒有出現(xiàn)故障相過熱的狀況，故障已經(jīng)消除。

2 介質(zhì)損耗超標(biāo)原因分析

2.1 環(huán)氧樹脂浸紙?zhí)坠芙Y(jié)構(gòu)

主變壓器500kV環(huán)氧樹脂浸紙?zhí)坠苁且愿蓱B(tài)皺紋紙繞制，套管內(nèi)電容芯絕緣結(jié)構(gòu)，是在導(dǎo)電桿上包上許多絕緣層，

它由0.08～0.12mm的干態(tài)皺紋紙和0.01mm或0.007mm厚的鋁箔加壓交錯(cuò)繞制在導(dǎo)管上，組成一串同心圓柱體電容器，通常稱為電容屏，由于導(dǎo)管處在最高電位，電容屏最外屏即末屏是接地的，因此可以使電壓沿著套管中心銅導(dǎo)體與接地法蘭間的徑向和軸向分布均勻。

環(huán)氧樹脂和紙同屬于極性介質(zhì)，套管的絕緣由多層介質(zhì)組成，屬于不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)。

2.2 環(huán)氧樹脂浸漬紙?zhí)坠艽嬖跇O化現(xiàn)象

按照電介質(zhì)的極化理論，在外電場中，非極性介質(zhì)由于正負(fù)電荷中心不再重合，產(chǎn)生等效電偶極矩，主要是位移極化。而極性介質(zhì)，諸如蓖麻油、橡膠、酚醛樹脂在外電場作用下，原來排列雜亂無序的分子會(huì)順著電場方向定向排列，因此除了上述位移極化，還包括偶極子式極化和轉(zhuǎn)向極化。

由于環(huán)氧樹脂浸紙主變壓器高壓套管的絕緣由皺紋紙和樹脂灌膠等材料組成，因此對(duì)外呈現(xiàn)出不均勻組合電介質(zhì)的極化形態(tài)。而不均勻多層介質(zhì)的絕緣材料在外電場作用下的極化就包含了電子位移極化、偶極子弛豫極化以及夾層介質(zhì)界面極化等形式。

其中，電子位移式極化是由原子外圍的原子云及外圍的電子云產(chǎn)生相對(duì)位移形成的極化，表現(xiàn)為瞬間完成，且無能量損耗，各層介質(zhì)中的電位按介電系數(shù)分布。隨著時(shí)間延長，在介質(zhì)界面上積聚的一些空間自由電荷，會(huì)在這一過程中重新分布。各層絕緣介質(zhì)的界面上的電壓會(huì)逐漸變?yōu)榘凑针妼?dǎo)系數(shù)分布，因此極化形式有偶極子式極化、空間電荷極化，以及夾層介質(zhì)界面極化。運(yùn)行中的高壓套管長期受電場、溫度和機(jī)械振動(dòng)的影響，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，老化程度加深，就會(huì)產(chǎn)生新的物質(zhì)、雜質(zhì)等局部缺陷，影響各種絕緣介質(zhì)的介電強(qiáng)度，改變其電導(dǎo)和極化過程，特別是在介質(zhì)界面，自由移動(dòng)電荷長期積聚，形成高壓式極化，過程比較漫長，無彈性，且伴有能量損耗。

在交流電場中穩(wěn)定運(yùn)行的主變壓器，在進(jìn)行斷路器分合閘過程中，或者帶電投切空載運(yùn)行變壓器時(shí)，多次沖擊會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生含非周期分量的暫態(tài)過程，而環(huán)氧樹脂浸漬紙?zhí)坠苤械亩鄬咏^緣介質(zhì)材料便會(huì)在這一暫態(tài)過程作用下，發(fā)生多種極化形式，并產(chǎn)生能量損耗，包括電導(dǎo)損耗和極化引起的損耗兩種形式。

2.3 極化導(dǎo)致套管介損異常的原因

當(dāng)套管絕緣介質(zhì)材料在分合閘等有非周期分量存在的暫態(tài)過程中發(fā)生極化時(shí)，在多種極化形式共同作用下，介質(zhì)表面積累了一些束縛電荷，同時(shí)，在金屬導(dǎo)桿和電容鋁箔層上吸住了另外一部分電荷，所以使導(dǎo)桿和鋁箔上的自由移動(dòng)電荷增多。在進(jìn)行套管介質(zhì)損耗試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)儀器外加10kV測試電壓，依據(jù)疊加原理，這部分新增電荷產(chǎn)生有功電流直接累加到電介質(zhì)的電導(dǎo)電流中，使得電介質(zhì)極化損耗而產(chǎn)生的有功電流在總的電介質(zhì)有功電流中占有的比例增大，電介質(zhì)的總有功電流與無功電流之比也較大，因此介質(zhì)損耗偏大。

隨著測試電壓的提高，電介質(zhì)電導(dǎo)電流成比例增大，而由于高壓作用下極化引起損耗形成時(shí)間緩慢，其產(chǎn)生的有功電流卻沒有明顯地成比例增大，因此介質(zhì)極化損耗而產(chǎn)生的有功電流在總的電介質(zhì)有功電流中占有的比例顯著減小，電介質(zhì)總有功電流與無功電流之比也相應(yīng)減小，所以介質(zhì)損耗也降低了。再進(jìn)行降壓后，絕緣介質(zhì)內(nèi)部偶極子在失去電場后由原來的有序狀態(tài)進(jìn)入無序狀態(tài)，分散開來，介質(zhì)進(jìn)入去極化過程，導(dǎo)桿上附著電荷減少，再進(jìn)行測試介質(zhì)損耗，便會(huì)恢復(fù)正常。

因此通過發(fā)電機(jī)零起升壓至額定電壓持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間再降壓的方法，可以使套管介損恢復(fù)正常，極化理論分析認(rèn)為交流運(yùn)行電壓有極化和去極化的功效，能消除套管介質(zhì)的極化。

3 結(jié)論和建議

（1）根據(jù)理論分析和現(xiàn)場實(shí)測，不均勻介質(zhì)的極化是造成套管介質(zhì)損耗測試結(jié)果異常的主要原因。

（2）若在預(yù)防性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂浸紙主變壓器高壓套管的介質(zhì)損耗異常增大，而電容量未有明顯變化，可通過進(jìn)行提高測試電壓的方法，觀察隨著測試電壓的上升、套管介質(zhì)損耗的變化規(guī)律，如果套管介質(zhì)損耗隨著測試電壓的上升而下降，則建議采用發(fā)電機(jī)帶主變壓器零起升壓至額定電壓運(yùn)行一段時(shí)間再降壓的方法，使介質(zhì)損耗恢復(fù)正常；若此種方法無法使介質(zhì)損耗降低到規(guī)程規(guī)定值，或套管介質(zhì)損耗隨著測試電壓的上升而增大，則應(yīng)查明原因，消除缺陷確保變壓器的安全運(yùn)行。

（3）對(duì)介質(zhì)損耗異常的套管還應(yīng)該注意其電容量的變化，若經(jīng)過幾年的運(yùn)行，電容量與出廠值相比有一定的增加，則應(yīng)引起重視。

（4）按照DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，從宏觀無損角度出發(fā)，在運(yùn)行狀態(tài)下，特別是負(fù)荷較大的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)套管開展帶電紅外測溫工作，可以簡潔有效地發(fā)現(xiàn)套管介質(zhì)損耗異常的狀況。

（5）可在主變壓器高壓側(cè)套管加裝一套介質(zhì)損耗在線監(jiān)測裝置，對(duì)主變壓器高壓套管介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，分析高壓套管絕緣狀況，同時(shí)防止主變壓器高壓套管在運(yùn)行時(shí)突生異常的情況。