受潮對變壓器套管的影響分析

王仁文

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

變壓器具有電壓變換及安全隔離的作用，是電力系統(tǒng)的重要設備之一，其運行狀況也與電力系統(tǒng)的可靠運行息息相關。套管作為變壓器內(nèi)部與外部的連接部件，在制造、安裝、運行過程中均可能會產(chǎn)生缺陷，同時套管所處的高電壓、高場強環(huán)境會使這些缺陷加劇，進而造成套管過熱及局部放電等故障[1]。在造成變壓器故障中，受潮較為常見。套管受潮后，水分會降低套管的絕緣強度，引起局部放電現(xiàn)象，嚴重時甚至會出現(xiàn)絕緣擊穿等問題[2]。基于此，本文分析了變壓器套管的受潮缺陷形成機理，并對套管受潮影響進行了仿真計算。

1 套管缺陷劃分

變壓器套管所處環(huán)境較為惡劣，高電壓、高場強的特殊環(huán)境會加劇套管運行的危險性[3]。

按照發(fā)生缺陷的部位不同進行劃分，可將套管缺陷分為如圖1所示的7個部分[4]。從圖1中可以看出，套管的電容芯子、末屏接地小套管的缺陷占比最高，是變壓器套管運行中需要重點關注的部分。

圖1 套管各故障部位統(tǒng)計圖

2 套管受潮缺陷的劣化機理

套管在長期運行過程中，油紙絕緣材料會逐漸發(fā)生老化，分解出水分，造成套管的受潮。除此之外，套管在雨水等濕度較大的環(huán)境下，一部分水分會通過套管頂部侵入內(nèi)部，造成套管的受潮。當套管受潮后，其油紙絕緣性能會隨之下降，如果不采取措施加以防護，變壓器的高電壓、高場強環(huán)境會使受潮情況加劇，產(chǎn)生局部放電等現(xiàn)象。如果受潮情況過于嚴重，甚至會使套管絕緣擊穿[5]。

油紙絕緣遇水后，會使其機械性能老化，這是發(fā)生絕緣降低的主要原因。同時，受潮還會使套管產(chǎn)生泄漏電流，泄漏電流產(chǎn)生的損耗會使套管絕緣出現(xiàn)局部發(fā)熱等隱患。水分會加劇極化形成，因此當套管受潮后，其相對介電常數(shù)會隨之增大。同時，水分的增加會加大電導損耗，因此介質(zhì)損耗因數(shù)也會增加。由此可知，介損是套管受潮的重要表征[6]。

3 算例分析

3.1 500 kV套管仿真分析

3.1.1 均勻受潮的500 kV套管模型

當套管受潮時，會使油紙絕緣的芯子的徑向場強發(fā)生變化，首先計算20 ℃時，套管均勻受潮與沒有受潮兩種情況下的電場強度分布，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 20 ℃沒有受潮與均勻受潮對比

觀察圖2可知，20℃下，當套管受潮后，1—35層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現(xiàn)了增長趨勢，如芯子層數(shù)為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.5 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數(shù)為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.25 kV/mm。

對80 ℃時套管均勻受潮時的電場分布進行仿真計算，然后將均勻受潮結(jié)果與沒有受潮的結(jié)果進行對比分析，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 80 ℃沒有受潮與均勻受潮對比

觀察圖3可知，當溫度上升后，均勻受潮后的徑向場強有所增加，如20 ℃時，芯子層數(shù)為1的徑向場強為4.9 kV/mm，當溫度升高至80 ℃時，芯子層數(shù)為1的徑向場強增加至5.2 kV/mm。同時，與20 ℃時的變化趨勢一致，當套管受潮后，1—35層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現(xiàn)了增長趨勢，如芯子層數(shù)為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.53 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數(shù)為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.35 kV/mm。

3.1.2 非均勻受潮的500 kV套管模型

接下來計算套管受到非均勻受潮時的電場分布變化，首先計算20 ℃時，套管非均勻受潮與沒有受潮兩種情況下的電場強度分布，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 20 ℃沒有受潮與非均勻受潮對比

觀察圖4可知，20 ℃下，當套管受潮后，1—40層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時有所增加，如芯子層數(shù)為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.28 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場強有所減少，如當芯子層數(shù)為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.35 kV/mm。

對80 ℃時套管非均勻受潮時的電場分布進行仿真計算，然后將非均勻受潮結(jié)果與干燥良好結(jié)果進行對比分析，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 80 ℃沒有受潮與非均勻受潮對比

觀察圖5可知，與20 ℃時的變化趨勢一致，當套管受潮后，1—40層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現(xiàn)了增長趨勢，如芯子層數(shù)為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.53 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數(shù)為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.45 kV/mm。

3.2 72.5 kV套管仿真分析

3.2.1 均勻受潮的72.5 kV套管模型

下面以72.5 kV套管為例，計算均勻受潮48 h下套管的介質(zhì)損耗特性，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 套管均勻受潮介質(zhì)損耗變化

觀察圖6可知，套管的介質(zhì)損耗正切值與體積介質(zhì)損耗密度的變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)增大—減小—再增大的趨勢，在13 h附近存在一個峰值，隨后快速趨于平穩(wěn)。

再對不同頻率下，套管均勻受潮后的介質(zhì)損耗角正切值進行仿真計算，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 套管均勻受潮介質(zhì)損耗正切值變化

觀察圖7可知，隨著頻率的增大，套管受潮后的介質(zhì)損耗角正切值隨之減小，在低頻區(qū)，套管受潮后的介質(zhì)損耗角正切值較大，因此在低頻區(qū)進行介質(zhì)損耗角正切值的測量更易追蹤到套管的受潮情況。

3.2.2 非均勻受潮的72.5 kV套管模型

同樣，計算非均勻受潮48 h下套管的介質(zhì)損耗密度，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 套管非均勻受潮介質(zhì)損耗密度變化

觀察圖8可知，與均勻受潮時的變化趨勢一致，非均勻受潮情況下，套管的介質(zhì)損耗密度同樣呈現(xiàn)增大—減小—再增大的趨勢。

接下來繼續(xù)計算不同頻率下，套管非均勻受潮后的介質(zhì)損耗角正切值，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 套管非均勻受潮介質(zhì)損耗正切值變化

對比圖7、9可知，與均勻受潮的變化趨勢一致，非均勻受潮下套管的介質(zhì)損耗角正切值隨著頻率的增大而減小。

將均勻受潮與非均勻受潮時套管的介質(zhì)損耗角正切值對比分析可知（見圖10），比起均勻受潮，非均勻受潮時套管的介質(zhì)損耗角正切值有所減小。但同樣，低頻區(qū)的介質(zhì)損耗角正切值仍然遠大于高頻區(qū)，因此，對于套管的非均勻受潮，依然能采用低頻區(qū)測量介質(zhì)損耗角正切值的方法發(fā)現(xiàn)套管的受潮情況。

圖10 套管均勻受潮與非均勻受潮介質(zhì)損耗正切值曲線對比

4 結(jié) 論

受潮是變壓器套管的主要缺陷之一，為保證變壓器套管的安全穩(wěn)定運行，本文分析了變壓器套管的受潮機理，并對不同電壓等級、不同受潮情況下的電場分布及介質(zhì)損耗進行了計算，結(jié)果表明，低頻區(qū)測量介質(zhì)損耗角正切值的方法可發(fā)現(xiàn)套管的受潮情況。