變壓器油紙絕緣套管受潮缺陷頻域介電譜特征

張毅濤，齊波，林元棣，沈殷和，吳益明

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

油紙絕緣套管是變壓器設(shè)備的重要組成部分，起絕緣、引流和支撐作用，其絕緣結(jié)構(gòu)分內(nèi)絕緣和外絕緣。內(nèi)絕緣為圓柱形電容芯子，由油浸紙和鋁箔極板組成；外絕緣為瓷套[1]。因套管密封設(shè)計(jì)不合理或安裝維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致套管密封失效進(jìn)水受潮，進(jìn)而造成套管絕緣故障甚至引起變壓器停運(yùn)或著火[2]。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院近二十年收集的事故統(tǒng)計(jì)，油紙絕緣套管一旦發(fā)生絕緣放電性故障，則導(dǎo)致變壓器火災(zāi)事故的發(fā)生率高達(dá)83%[3]?？梢娞坠芄收蠒?huì)直接引發(fā)變壓器故障，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

套管受潮是油紙絕緣套管絕緣故障的主要形式之一，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行造成極大威脅[4—8]。如2015年9月2日某水電站輕重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，主變高低壓側(cè)斷路器跳閘，套管油紙絕緣存在明顯電弧放電痕跡。事后分析認(rèn)為，套管密封不良造成絕緣受潮導(dǎo)致絕緣劣化，運(yùn)行中產(chǎn)生局部放電并不斷發(fā)展至套管導(dǎo)桿與法蘭盤之間油紙絕緣擊穿[9—10]。2005年4月30日某換流站換流變保護(hù)動(dòng)作，換流變壓力釋放閥冒油，套管儲(chǔ)油柜移位。套管解體發(fā)現(xiàn)電容屏間有嚴(yán)重電弧碳化通道，檢查發(fā)現(xiàn)套管頭部螺栓使用不當(dāng)，有明顯進(jìn)水通道，造成絕緣受潮，引發(fā)故障[11—13]。

目前國內(nèi)外關(guān)于水分對(duì)變壓器油及絕緣紙板的影響研究較多，但針對(duì)套管油紙絕緣受潮特征的研究較少?，F(xiàn)行《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[14]對(duì)套管絕緣狀況的判斷作出了規(guī)定，但符合試驗(yàn)規(guī)程的套管仍有故障發(fā)生，因此有必要開展變壓器油紙絕緣套管受潮缺陷的特征研究。華北電力大學(xué)王偉等人研究了水分含量對(duì)油紙絕緣沿面爬電的影響[15]，認(rèn)為水分濃度的升高會(huì)顯著降低沿面爬電的起始電壓。研究顯示頻域介電譜(frequency domain spectroscopy,FDS)對(duì)油紙絕緣中的水分較敏感，可以通過FDS特征診斷油紙絕緣受潮狀態(tài)[16—19]。已有研究將FDS方法應(yīng)用于套管受潮狀態(tài)的判斷研究中[20—25]，但未明確給出受潮油紙絕緣套管的FDS特征。

為研究變壓器油紙絕緣套管因密封失效引起的受潮缺陷對(duì)套管FDS的影響，文中研制了電場(chǎng)等值的套管試驗(yàn)?zāi)Ｐ停罱?0.5 kV試驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)套管受潮不同靜置時(shí)間(24 h，48 h，72 h，96 h，120 h，144 h，168 h，192 h，216 h)下介損電壓特性和0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進(jìn)行測(cè)試，分析其變化趨勢(shì)，并通過數(shù)據(jù)對(duì)比獲得受潮套管的診斷特征量。

1 研究平臺(tái)及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為便于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)研究，文中研究采用了電場(chǎng)等值的套管模型。試驗(yàn)所用套管模型如圖1所示，套管外套采用透明有機(jī)玻璃，便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，套管電容芯子由0.125 mm厚的電纜絕緣紙和0.007 mm厚的鋁箔組成。套管模型的額定電壓為40.5 kV，最高工作相電壓為23.5 kV。套管徑向場(chǎng)強(qiáng)最大值為4.52 kV/mm，最小值為2.21 kV/mm；上軸向場(chǎng)強(qiáng)最大值為0.19 kV/mm，最小值為0.11 kV/mm；下軸向場(chǎng)強(qiáng)最大值為0.22 kV/mm，最小值為0.18 kV/mm。該模型由國內(nèi)某套管廠家加工制作，生產(chǎn)和處理工藝和實(shí)際油紙絕緣套管一致，保證套管模型的電氣性能滿足GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》[26]的要求。

圖1 試驗(yàn)套管模型Fig.1 Experimental bushing model

1.2 受潮模擬

為模擬套管頭部密封不良引起的潮氣入侵造成套管受潮缺陷，利用圖2(a)所示的超聲波空氣加濕器，從套管頭部注油口部位注入水汽，從泄壓閥部位排出水汽，對(duì)套管模型頭部加濕2 h，加濕結(jié)束后靜置。頭部加濕效果如圖2(b)所示，尾部沉積水水分布如圖2(c)所示?？諝饧訚衿鞯牧髁繛?00 mL/h，水汽顆粒約5 μm。該受潮模擬方法先使套管內(nèi)變壓器油受潮，然后水分從油中向紙中遷移使絕緣紙受潮，與實(shí)際套管受潮過程相似。

圖2 套管模型加濕過程Fig.2 Process of moisture ingress of bushing model

1.3 試驗(yàn)平臺(tái)

文中建立了一套40.5 kV套管絕緣缺陷工頻介損及FDS試驗(yàn)平臺(tái),如圖3(a)所示，所采用的試驗(yàn)回路如圖3(b)所示。采用并聯(lián)回路的方法測(cè)試套管模型的局部放電脈沖電流信號(hào)，以保證試驗(yàn)過程中測(cè)量設(shè)備的安全。采用相對(duì)比較法，測(cè)試套管模型的介質(zhì)損耗正切值(tanδ)及電容量，以實(shí)現(xiàn)介損的在線監(jiān)測(cè)。介損在線測(cè)量裝置主要由高精度穿心式電流傳感器和測(cè)量主機(jī)2個(gè)部分組成，介損的測(cè)量精度為±0.04%。FDS測(cè)試系統(tǒng)的輸出電壓峰值范圍為0～200 V，輸出電流峰值為0～50 mA，頻率范圍為0.1 mHz～10 kHz。

圖3 40.5 kV套管試驗(yàn)研究平臺(tái)Fig.3 Experiment platform of 40.5 kV bushing

1.4 試驗(yàn)方法

(1) 利用介損測(cè)試儀對(duì)40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時(shí)間下的介損電壓特性分別進(jìn)行測(cè)試。文中采用階梯升壓法，試驗(yàn)電壓由10 kV逐級(jí)升至30 kV，升壓步長(zhǎng)為5 kV/5 min。階梯升壓示意如圖4所示。

圖4 階梯升壓示意Fig.4 Schematic diagram of ladder booster

(2) 利用介電響應(yīng)測(cè)試儀對(duì)受潮前、受潮后不同靜置時(shí)間下0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進(jìn)行測(cè)試。FDS測(cè)試電壓峰值為200 V。

2 結(jié)果及分析

2.1 介質(zhì)損耗正切值變化過程

40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時(shí)間下介損電壓特性曲線如圖5所示。

圖5 介損變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of dielectric loss

由圖5可以看出，潮氣入侵40.5 kV套管后，在受潮初期0—48 h，相同試驗(yàn)電壓下介損隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，但并不明顯；相同時(shí)間下，不同試驗(yàn)電壓下介損有所增長(zhǎng)。在受潮中期靜置48—120 h階段，介損隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，并在120 h時(shí)介損達(dá)到峰值，此時(shí)階梯升壓下介損增量達(dá)到峰值，介損增量+0.22%。在受潮末期靜置120—216 h階段，介損隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。介損最大值及介損增量均未超過DL/T 596—1996[14]及南網(wǎng)Q/CSG 114002—2011[27]規(guī)程的規(guī)定值。

受潮缺陷套管的特征量變化規(guī)律與時(shí)間有較強(qiáng)的相關(guān)性，利用傳統(tǒng)的介損檢測(cè)方法需要把握最佳時(shí)機(jī)?，F(xiàn)有規(guī)程DL/T 596—1996及南網(wǎng)Q/CSG 114002—2011規(guī)定的介損增量0.3%偏大，建議介損增量應(yīng)小于0.2%。利用高電壓介損法，可在受潮初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷套管。

2.2 FDS變化過程

將受潮后不同靜置時(shí)間的40.5 kV套管FDS繪制成圖，見圖6。在FDS的低頻段0.001～0.01 Hz區(qū)間范圍內(nèi)可明顯區(qū)分受潮套管與不受潮套管，1 mHz介損特征尤其明顯。受潮后0—216 h內(nèi)，F(xiàn)DS低頻段特征區(qū)間逐漸上升，而50 Hz介損變化特征不明顯。建議出廠及運(yùn)行增加FDS低頻段測(cè)試，利用FDS低頻段特征進(jìn)行套管絕緣診斷。

圖6 FDS特征變化趨勢(shì)Fig.6 Change trend of FDS characteristic

2.3 工頻介損和低頻介損對(duì)比

為了比較高電壓下工頻介損與FDS低頻介損對(duì)受潮程度的靈敏性，選取相同時(shí)間下10 kV工頻介損與1 mHz低頻介損進(jìn)行比較，如圖7所示。隨著靜置時(shí)間的增加，10 kV工頻介損變化并不明顯，而1 mHz低頻介損呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。1 mHz低頻介損最大值為12.68%，其增量最大值為8.02%。而現(xiàn)有規(guī)程DL/T 596—1996及南網(wǎng)Q/CSG 114002—2011規(guī)定的介損值應(yīng)低于1%，介損增量應(yīng)低于0.3%。1 mHz低頻介損值無論在增量還是數(shù)值方面，均比工頻介損靈敏。

圖7 10 kV工頻與1 mHz低頻的tan δ比較Fig.7 Comparison of tan δ for 10 kV power frequency and 1 mHz low frequency

分析認(rèn)為低頻介損更靈敏的原因是，受潮情況下，套管芯子受潮與干燥區(qū)域的等效電阻、等效電容不相匹配。在超低頻電場(chǎng)作用下，受潮層與干燥層間的界面極化增強(qiáng)，界面存在電荷的積累，弛豫效應(yīng)明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為更好地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室獲得的套管受潮FDS特征規(guī)律，對(duì)實(shí)際500 kV疑似受潮套管A、正常套管C、新出廠套管Z在室溫下分別進(jìn)行FDS測(cè)試，3支套管測(cè)試工況如圖8所示。

圖8 500 kV套管FDS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.8 FDS field test of 500 kV bushings

由圖9可見，A套管1～10 mHz介損明顯高于C套管，0.001 Hz介損值超過10%。A套管在低頻范圍(1 mHz ～0.1 Hz)段FDS曲線明顯高于C套管和Z套管，說明A套管介電特性已發(fā)生改變。而C套管的FDS曲線與新套管的FDS曲線基本重合，該套管在1 mHz～1 kHz頻段介損值始終低于0.5%。測(cè)試完成后，對(duì)異常A套管進(jìn)行解體并取紙樣進(jìn)行紙中含水量測(cè)試。采用卡爾費(fèi)休滴定法實(shí)測(cè)套管紙樣的平均含水量約為1.1%，而DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，運(yùn)行中變壓器紙板500 kV電壓等級(jí)變壓器紙板含水量一般不大于1%，因此確定A套管為受潮套管，F(xiàn)DS低頻介損特征明顯。

圖9 500 kV套管的FDS特征Fig.9 FDS characteristic of 500 kV bushings

4 結(jié)語

受潮缺陷套管的特征量變化規(guī)律與時(shí)間有較強(qiáng)的相關(guān)性，利用傳統(tǒng)的介損檢測(cè)方法需要把握最佳時(shí)機(jī)?，F(xiàn)有規(guī)程規(guī)定的介損增量0.3%偏大，建議規(guī)程介損增量應(yīng)小于0.2%。FDS對(duì)受潮缺陷檢測(cè)靈敏，建議利用FDS特征量診斷套管受潮缺陷。發(fā)現(xiàn)潮氣入侵套管后，F(xiàn)DS的1 mHz低頻介損是關(guān)鍵特征量，1 mHz低頻介損值無論是增量還是數(shù)值均比工頻介損靈敏。在潮氣侵入后0—216 h中，F(xiàn)DS的低頻介損隨靜置時(shí)間增長(zhǎng)而增大，其最大增量為8.02%。建議出廠及運(yùn)行增加FDS低頻段(1 mHz～0.1 Hz)測(cè)試，利用FDS低頻段特征進(jìn)行套管絕緣診斷，建議1 mHz介損增量應(yīng)小于5%。