一起交流特高壓電抗器套管的油中溶解氣體異常分析

（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

套管是一種將帶電導(dǎo)體引入電氣設(shè)備或穿過(guò)墻壁的絕緣裝置。特高壓套管是變壓器（電抗器）的重要組成部分，其作用是把特高壓變壓器或電抗器的引線引到油箱外部，起到引線對(duì)地絕緣和固定引線的作用[2]。特高壓套管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般情況下，總長(zhǎng)超過(guò)13 m，總重接近7 000 kg，法蘭外徑1 200 mm 左右，具有“重、長(zhǎng)、粗”的特點(diǎn)，有著良好的熱穩(wěn)定性、較高的機(jī)械性能和可靠的密封性能[3]，是特高壓變電站中的關(guān)鍵性絕緣支撐設(shè)備，運(yùn)維難度和運(yùn)維壓力很大。近年來(lái)，由各類(lèi)各電壓等級(jí)的變壓器套管故障引起的電力事故頻發(fā)，變壓器套管一旦出現(xiàn)故障，將造成變壓器停運(yùn)，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，套管導(dǎo)致的變壓器故障占變壓器重大故障總數(shù)的45%[4-5]。特高壓變壓器（電抗器）經(jīng)濟(jì)成本更高、運(yùn)行重要性更高、事故定級(jí)更高，因此，對(duì)交流特高壓電抗器套管運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)以及異常缺陷的分析工作，具有更加重要的實(shí)際意義。

交流特高壓電抗器套管主絕緣一般采取油紙電容型結(jié)構(gòu)，大量套管解體分析結(jié)果表明，這一類(lèi)套管異常的主要原因?yàn)榻^緣油紙受潮、過(guò)熱以及局部放電，這些都與套管加工工藝及密封性能密切相關(guān)。特高壓套管運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，在長(zhǎng)期電場(chǎng)、機(jī)械、溫度等應(yīng)力作用下，初期微小缺陷就有可能發(fā)展為重大事故。目前，套管的狀態(tài)評(píng)價(jià)仍以定期的例行試驗(yàn)為主，需要在停電狀態(tài)下對(duì)套管進(jìn)行介損、局部放電和油中溶解氣體分析等檢測(cè)[6-9]。傳統(tǒng)例行試驗(yàn)方法測(cè)試周期長(zhǎng)，難以發(fā)現(xiàn)套管早期隱患，還容易造成套管隱性損害[10]。油浸式套管在故障早期油中會(huì)產(chǎn)出少量氣體，這作為判斷套管故障的重要征兆，通常可通過(guò)油色譜來(lái)進(jìn)行多組分氣體分析診斷。需要注意的是，套管屬于少油設(shè)備，頻繁取油不僅可能造成套管油位過(guò)低，也可能破壞套管整體密封性。因此，套管生產(chǎn)廠家一般均不建議客戶取油樣，以減少由于操作不當(dāng)給套管帶來(lái)的危險(xiǎn)。

本文結(jié)合一起交流特高壓電抗器套管油中溶解氣體異常事件，分析其原因并給出相應(yīng)的運(yùn)維建議。

1 缺陷套管整體情況

該交流特高壓電抗器套管主絕緣為油浸紙電容芯子，外絕緣為瓷質(zhì)材料結(jié)構(gòu)[11]。最高工作電壓為1 100 kV，額定電流2 500 A，絕緣水平（Ur/AC/SIL/BIL）：1 100/1 200/1 950/2 400 kV，電容量689 pF；套管用絕緣油采用DDB（十二烷基苯）人工合成絕緣油。

套管頂部接線端子由帶法蘭的接線端子、過(guò)渡法蘭連接件、表帶觸指組成，下部接線端子通過(guò)表帶觸指與套管的載流導(dǎo)管相連接。在套管安裝法蘭位置附近設(shè)計(jì)有2 個(gè)油枕，通過(guò)不銹鋼軟管連接至套管本體，使整體油路相通。油枕內(nèi)部配置密閉可伸縮的金屬腔體，用于補(bǔ)償套管內(nèi)部絕緣油溫度變化時(shí)產(chǎn)生的壓力。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 套管結(jié)構(gòu)示意

2 缺陷套管檢測(cè)分析

2.1 油中溶解氣體檢測(cè)結(jié)果

缺陷套管為華東某特高壓交流變電站高壓電抗器（以下簡(jiǎn)稱“高抗”）的高壓套管，投運(yùn)日期為2013 年9 月。該套管投運(yùn)后無(wú)明顯異常，共進(jìn)行8 次停電例行試驗(yàn)，電容量、介損等相關(guān)狀態(tài)量無(wú)明顯變化。2020 年5 月，高抗停電檢修時(shí)，對(duì)高抗三相套管油中溶解氣體進(jìn)行了離線檢測(cè)，異常相套管油色譜數(shù)據(jù)及另外兩相數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 套管離線油色譜檢測(cè)數(shù)據(jù) μL/L

從表1 可以看到，缺陷相（A 相）套管氫氣（90.24 μL/L）、甲烷（45.29 μL/L）、乙烷（204.87 μL/L）等特征氣體含量接近或超出注意值[14]，且明顯高于對(duì)比相（B 相、C 相）套管。對(duì)比相套管如B 相的氫氣（26.23 μL/L）、甲烷（15.21 μL/L）、乙烷（69.08 μL/L）含量?jī)H為缺陷相的三分之一。由標(biāo)準(zhǔn)可知，缺陷套管特征氣體比值（C2H6/C2H4）大于1，三比值法計(jì)算結(jié)果為（0，0，0），對(duì)應(yīng)于低溫過(guò)熱（低于150 ℃）故障，套管中可能存在油中導(dǎo)體過(guò)熱缺陷。

21世紀(jì)的今天文化自覺(jué)是特色的社會(huì)主義地位的角色認(rèn)知，與對(duì)馬克思主義思想的認(rèn)可，打破時(shí)間空間的界限，無(wú)論是歷史的過(guò)往還是當(dāng)今時(shí)代的新型文化理解模式，從始至終都應(yīng)對(duì)中華的文化形成一種民族自信，深刻的認(rèn)識(shí)到我國(guó)文化傳播的意義，并隨著自身價(jià)值的體現(xiàn)，接力文化傳承，以飽滿的自信將文化發(fā)揚(yáng)到世界各地，傳輸?shù)较乱淮乃枷胫?，將文化的種子播種到所見(jiàn)的區(qū)域中，身體力行實(shí)現(xiàn)文化的推衍。

2.2 診斷性試驗(yàn)結(jié)果

為準(zhǔn)確評(píng)估缺陷套管狀態(tài)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)該交流特高壓電抗器套管開(kāi)展了系列診斷性試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目有FDS（頻域介電譜）、局部放電、高壓介損、雷電沖擊等。具體流程如圖2 所示。

圖2 套管診斷性試驗(yàn)流程

套管熱穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，升溫和降溫過(guò)程中分別在30 ℃，45 ℃，60 ℃和90 ℃進(jìn)行頻域介電譜測(cè)試、紅外測(cè)溫以及套管壓力檢測(cè)；升溫至45 ℃，60 ℃和90 ℃時(shí)進(jìn)行油色譜分析；90 ℃時(shí)每隔1 h進(jìn)行1 次高電壓介損試驗(yàn)，共測(cè)試6 次，過(guò)程中持續(xù)加壓667 kV。除熱穩(wěn)定試驗(yàn)周期外，每次絕緣試驗(yàn)24 h 后抽取油樣進(jìn)行油色譜檢測(cè)分析。

套管診斷性試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)前套管油中溶解氣體測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一致，熱穩(wěn)定試驗(yàn)后，總烴（205.2 μL/L）超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)注意值（100 μL/L），氫氣（81.0 μL/L）、甲烷（40.8 μL/L）、乙烷（162.9 μL/L）等氣體含量偏高。套管雷電沖擊試驗(yàn)前后的高電壓介損無(wú)明顯差異，667 kV 處的介損值為0.310%，953 kV 處的介損值為0.339%，滿足介損值不大于0.4%及667 kV 升壓到953 kV 介損增量不大于0.1%的要求。熱穩(wěn)定試驗(yàn)后的高電壓介損值略微降低（667 kV 處0.275%，953 kV 處0.322%），推測(cè)因環(huán)境溫、濕度發(fā)生變化導(dǎo)致。套管共進(jìn)行了3 輪局部放電試驗(yàn)，雷電沖擊前套管升壓至953 kV 時(shí)放電量為2.6 pC，雷電沖擊后升壓至953 kV 時(shí)放電量為1.8 pC，熱穩(wěn)定試驗(yàn)后升壓至953 kV 時(shí)放電量為7.68 pC，滿足局部放電量不大于10 pC 的要求。

初步分析認(rèn)為，該套管絕緣無(wú)異常，其氫高、總烴高異?，F(xiàn)象可能是過(guò)熱、有異物等其他原因所導(dǎo)致，需進(jìn)行解體分析，檢查套管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及平整度、潔凈度情況等。

2.3 解體檢查分析結(jié)果

為進(jìn)一步分析套管異常原因，對(duì)套管進(jìn)行解體檢查。根據(jù)該套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解體檢查按套管空氣側(cè)、油中側(cè)、中間法蘭和末屏、電容芯體、載流管的順序?qū)嵤?/p>

檢查中發(fā)現(xiàn)（圖3），套管空氣側(cè)（頭部接線端子、過(guò)渡法蘭連接件、上瓷套等）各部件表面完好，密封圈無(wú)破損，未見(jiàn)密封不良、進(jìn)水受潮、生銹、放電等現(xiàn)象。套管油中側(cè)（尾端接線端子、下瓷套等）各部件表面完好，無(wú)受損現(xiàn)象。

圖3 套管空氣側(cè)和油中側(cè)檢查

檢查套管中間法蘭處發(fā)現(xiàn)，鋸開(kāi)套管兩側(cè)油枕的連接不銹鋼軟管，其內(nèi)壁靠套管側(cè)存在深色氧化痕跡，如圖4 所示。

套管電容芯體整體外觀無(wú)異常，表面無(wú)閃絡(luò)痕跡、黑點(diǎn)、深色區(qū)域或其他不規(guī)則現(xiàn)象。逐層檢查128 層鋁箔，整體情況良好，每層鋁箔邊沿間距連續(xù)，梯度布置均勻。鋁箔未見(jiàn)斷開(kāi)和放電痕跡，未見(jiàn)X 蠟。局部區(qū)域存在輕微褶皺現(xiàn)象，個(gè)別層鋁箔存在直徑2～8 mm 的孔洞；4 處絕緣紙存在直徑1～5 mm 異物（圖5）。上述對(duì)應(yīng)部位均無(wú)放電或過(guò)熱痕跡。電容芯檢查結(jié)果驗(yàn)證了該套管絕緣試驗(yàn)無(wú)異常的情況；不銹鋼軟管的應(yīng)用可能是造成氫高的原因；油中總烴含量異常可能并不是套管過(guò)熱引起。

圖4 套管油枕檢查

圖5 逐層絕緣紙和鋁箔檢查

2.4 絕緣紙檢測(cè)

將絕緣紙完好區(qū)域及黑色特征點(diǎn)經(jīng)噴金處理后置于SEM（掃描電子顯微鏡）中以觀察其表面的微觀形貌，并對(duì)特征區(qū)域的元素成分進(jìn)行能譜分析。絕緣紙顯微形貌如圖6 所示。

從圖6 可以看出，絕緣紙由條狀纖維編織而成，完好區(qū)域絕緣紙的微觀形貌中纖維條狀輪廓清晰，脈絡(luò)清楚。絕緣紙黑色特征點(diǎn)表面仍然有明顯的條狀纖維，但是纖維之間已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生粘連，纖維的輪廓和脈絡(luò)開(kāi)始變得模糊。

圖6 絕緣紙顯微形貌

絕緣紙能譜分析結(jié)果如圖7 和表2 所示。絕緣紙主要成分纖維素由C，H 和O 元素組成。除H 元素因質(zhì)量太輕無(wú)法通過(guò)能譜檢測(cè)分析外，其余2 種元素含量基本一致。黑點(diǎn)區(qū)域除了C 和O元素外，還含有少量的Mg 和Si 元素。

取電容芯體第0，7，36，62 屏鋁箔的絕緣紙進(jìn)行聚合度測(cè)試，聚合度分別為1279，1092，1093，1090；取第126 屏2 處絕緣紙，一處為靠近鋁箔，一處為遠(yuǎn)離鋁箔，聚合度分別為1180和1226。結(jié)果表明套管芯體絕緣紙狀態(tài)均良好，無(wú)老化現(xiàn)象。該套管于2013 年投運(yùn)，至今運(yùn)行7年，也遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。

3 異常原因分析

該套管電容芯體無(wú)放電、老化情況。鋁箔褶皺、破損和絕緣紙黑點(diǎn)異常應(yīng)為卷制過(guò)程中環(huán)境質(zhì)量、工藝質(zhì)量把控不嚴(yán)導(dǎo)致，與套管油色譜異常無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

圖7 絕緣紙能譜分析

表2 能譜分析結(jié)果 wt·%

套管采用的DDB 人工合成絕緣油，屬于弱極性材料，具有粘度低、介質(zhì)損耗低、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的混合物等特點(diǎn)[12]。DDB 油既有單環(huán)芳烴的良好的吸氣性，也具有烷烴的較差的熱穩(wěn)定性和氧化安定性，在溫度70～80 ℃時(shí)就會(huì)裂解，從而產(chǎn)生甲烷、乙烷等特征氣體[13]，普通變壓器絕緣油裂解溫度為105 ℃左右，因此在A 相套管運(yùn)行溫度雖未超過(guò)注意值，但相對(duì)溫度較高的情況下會(huì)造成總烴含量異常。

套管油枕的連接不銹鋼軟管焊接過(guò)程中使用了不銹鋼焊條，其主要成分為鉻和鎳，其中鎳的催化活性較高。鎳在工業(yè)上常用作不飽和烴加氫的催化劑，具有降低活化能的特性，因此亦是飽和烴脫氫的良好催化劑。鎳的催化活性主要取決于不銹鋼表面鎳構(gòu)成的平面密堆層所占總表面積的大小；表面缺陷產(chǎn)生的鎳原子數(shù)量；鎳原子團(tuán)簇在絕緣油中的濃度。由于催化中心濃度具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，與不銹鋼表面狀態(tài)有關(guān)，又因?yàn)椴煌骷庸ぜ笆褂脿顟B(tài)不同，因此不同套管內(nèi)氫氣含量存在較大的個(gè)體差異。

正常運(yùn)行中，不銹鋼材質(zhì)在油中不應(yīng)產(chǎn)生表面氧化等異常現(xiàn)象。該套管油枕連接不銹鋼軟管內(nèi)壁的深色氧化痕跡表明了套管油枕存在焊接脫氫處理等工藝控制不到位問(wèn)題，從而導(dǎo)致該套管油中氫氣含量高的異常情況[15－17]。

4 結(jié)語(yǔ)

缺陷套管油中溶解氣體分析結(jié)果中的氫氣含量異常是由于不銹鋼材料對(duì)絕緣油的催化作用引起，油枕的不銹鋼連接軟管焊接脫氫處理不到位，表面的鎳作為催化劑導(dǎo)致油中氫氣的析出。甲烷和乙烷氣體異常是套管使用了DDB 人工合成絕緣油引起，在低于常規(guī)注意溫度的狀態(tài)下裂解，導(dǎo)致油中該類(lèi)特征氣體的析出。

油中氣體的異常增長(zhǎng)，積聚到一定程度后，最終也會(huì)引起局部放電等絕緣問(wèn)題，從而引發(fā)設(shè)備故障。針對(duì)交流特高壓電抗器套管，一方面，需要明確在運(yùn)正常套管運(yùn)維管控措施及異常處置標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)套管油色譜分析及紅外測(cè)溫工作，進(jìn)一步分析普通礦物油和DDB 人工合成油中溶解氣體的取樣要求和判斷標(biāo)準(zhǔn)差異。另一方面，針對(duì)存在異常的同批次套管，需要加快推進(jìn)油壓、氫氣、相對(duì)介損等套管運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用，提升狀態(tài)管控及故障預(yù)警能力。