一起干式互感器的局部放電缺陷分析

梁軍龍，徐肖偉

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

干式互感器主要由硅鋼片組成的鐵芯和漆包線繞制的線圈，并用環(huán)氧樹脂澆注而成，相較于油浸紙絕緣互感器和SF6互感器具有無油、無氣泄漏、維護工作量小，體積小、重量輕的特性[1-2]。隨著我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設進程的推進，干式互感器得到了越來越廣泛的應用。干式互感器干式半絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣裕度小，熱穩(wěn)定性較差，其缺陷及故障主要體現(xiàn)在設計工藝上的缺陷、設備本體絕緣、設計生產(chǎn)質(zhì)量問題、受到系統(tǒng)運行方式的影響等。

干式組合式互感器內(nèi)部絕緣在各種原因造成在一定的外部施加電壓下，器身內(nèi)部發(fā)生局部的和重復的擊穿和熄滅現(xiàn)象。一般這種局部放電發(fā)生在一個或幾個很小的空間內(nèi)，能量很小，并不會在短時間內(nèi)降低絕緣強度，但是這種局部放電產(chǎn)生的不可恢復的絕緣損壞，隨著時間累積從而導致絕緣擊穿[3-6]。干式互感器局部放電試驗是一種重要的出廠檢測、入網(wǎng)檢測項目，利用脈沖電流法可以簡單有效檢測出干式互感器自身存在的局部放電缺陷，借助紫外成像技術(shù)可以觀測發(fā)生在表面的局部放電發(fā)生的位置。

1 脈沖電流法局放檢測原理

局部放電檢測的方法分為電測法和非電測法，脈沖電流法屬于常用的電測法，用于對局部放電進行定量的檢測，也是目前唯一有國際標準的局部放電檢測方法[7]。局放儀一般由指示部分和放大部分組成。檢測阻抗上的脈沖電壓首先通過放大器放大，然后通過顯示界面進行觀察和計量。顯示界面可以直接觀察波形、相位、極性，并能測量視在放電量的大小。

干式互感器局部放電試驗由380 V交流電源供電，中間試驗變壓器對試品加壓。將標準分壓器接入升壓系統(tǒng)，通過標準方波發(fā)生器進行局放校準，確認試驗裝置內(nèi)部的局放測量精度在合理的范圍內(nèi)，如圖1所示。校準后，將試品互感器的低壓側(cè)短接并接地，高壓測短接，高壓側(cè)接到電容式交流分壓器的上節(jié)引出線上。具體試驗接線圖如圖2所示。

圖1 試驗裝置正常背景噪聲

圖2 干式互感器局部放電試驗接線圖

2 紫外成像技術(shù)在局放查找中的應用

紫外成像檢測設備應用雙光譜成像原理，將設備接收的變電設備放電產(chǎn)生的紫外線信號進行處理生成紫外圖像，并將圖像和可見光生成的圖像進行重疊，影像混合后呈現(xiàn)在檢測設備的顯示器上，因此檢測設備可以確定變電設備局放的部位和定性顯示局放的強度[8-12]。

在電力設備局部放電過程中，空氣中電離的電子持續(xù)的接收和釋放能量，在此過程中會釋放特定波長的紫外線。紫外成像儀針對有效波長的紫外線測試即可實現(xiàn)干式互感器表面電暈放電的有效探測，其中對戶內(nèi)電氣設備的外絕緣局部放電檢測靈敏度更高。使用紫外成像儀來探測局放位置的方法僅局限于設備外絕緣。圖3為紫外成像技術(shù)工作原理圖。

圖3 紫外成像技術(shù)工作原理

3 局部放電試驗與結(jié)果分析

本文用于試驗測試的三臺干式組合互感器額定負荷15 VA，電流變比30/5 A、電壓變比10/0.01 kV。三臺試品設計的外觀和安裝工藝各有不同，其在設備的絕緣工藝和絕緣質(zhì)量上也各有差異。

3.1 局部放電試驗結(jié)果

表1 三臺試品互感器的局放值

在其中③號試品在試驗升壓至14 kV的目標電壓過程中，當升壓到11 kV時，試品出現(xiàn)了細微且可聽到的噪聲。同時在電腦的顯示界面上出現(xiàn)了周期性的階躍信號，這是代表出現(xiàn)局部放電的典型現(xiàn)象，如圖4所示。當局部放電量超過標準時，確定放電部位是很重要的，對改進結(jié)構(gòu)設計以及提高工藝制造水平均具有指導意義。通過紫外成像儀進行檢測，發(fā)現(xiàn)在試品銘牌位置出現(xiàn)了大量并且集中的光子，局放值達到2500 pC以上，如圖5所示。從而大致推斷在試品的銘牌處發(fā)生了局部放電。

圖4 局部放電波形

圖5 銘牌處局部放電

3.2 局部放電缺陷分析

干式互感器引起的局部放電的原因一般有兩個：一是干式互感器中存在局部電場強度的集中，從而引發(fā)干式互感器中環(huán)氧樹脂的放電；二是絕緣材料或澆注的環(huán)氧樹脂內(nèi)部存在氣體，氣體在超過其允許承受的電場強度從而產(chǎn)生局部放電。通過這兩種可能對三臺試品進行對比分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)缺陷的③號試品銘牌安裝的位置有較大的失誤。銘牌貼在了靠近一次繞組的外絕緣件上且底部連接到接地支架，這種安裝方式縮短了絕緣距離，極易導致電場分布不均勻并形成局部放電，嚴重時造成對地放電。對比與①號、②號試品，它們的銘牌安裝的位置遠離一次繞組，或安裝在二次繞組的端蓋外側(cè)，或者安裝在接地的底座上面。

3.3 COMSOL仿真分析

在對干式組合式互感器無局部放電的設計和工藝制造過程中，應當控制各部分的電場強度在允許范圍內(nèi)。本文對干式互感器在Comsol Multiphysics軟件進行二維建模，通過對比內(nèi)部高壓繞組附近有、無銘牌兩種情況下的電場強度分布，來驗證對于本次檢測結(jié)果原因歸納的合理性。仿真中建立電壓互感器銘牌和高壓繞組同時組在的一個截面，將檢測試驗的電壓設為輸入值，將外圍空氣設為無限元域，銘牌與底座相連接并將其電壓設為0 V，其中外圍的空氣域和無限元域已經(jīng)隱藏，基本模塊如圖6所示。本建模組主要為比較有、無銘牌前后的電場強度差別，所以對二維模型進行了簡化。在網(wǎng)格劃分上，繞組、銘牌和外圍的環(huán)氧樹脂做超細化網(wǎng)格，其他域采用較細化網(wǎng)格。

圖6 干式電壓互感器仿真建模

如圖7、8所示，有銘牌時繞組和銘牌間的電場出現(xiàn)了強烈的扭曲，電場強度增強數(shù)十倍。在仿真結(jié)果上差別最大的區(qū)域，即銘牌的頂部和一次側(cè)線圈外側(cè)的最底部間的區(qū)域，可以顯示兩條二維截線上的電場強度的變化。選取差別最大的二維截線2進行比較。從圖9和圖10中可得，在其他條件相同的情況下，有銘牌時，電場強度最高處超過了15 kV/mm，無銘牌時，電場強度不超過0.7 kV/mm。所以銘牌安裝不當，造成了局部電場集中，從而引發(fā)局部放電的現(xiàn)象。

圖7 有銘牌時電場強度

圖8 無銘牌時電場強度

圖9 二維截線2（有銘牌）

圖10 二維截線2（無銘牌）

4 結(jié)束語

本文基于干式互感器局放檢測試驗和紫外線檢測的方法，對三臺受檢的干式互感器進行檢測，通過試驗檢測出一臺試品存在設計缺陷，避免了不良設備流入電網(wǎng)。同時通過對比另外兩臺試品，歸納總結(jié)出互感器銘牌安裝不當是造成試品出現(xiàn)局部放電的主要原因，并通過仿真軟件佐證了猜想的正確性。在干式互感器的設計和加工制造的過程中銘牌的位置應該遠離一次繞組和高低壓接線接口的位置，以防止互感器內(nèi)部出現(xiàn)電場的分布不均勻，產(chǎn)生局部放電。配電網(wǎng)中干式互感器出現(xiàn)故障較多，為了預防運行出現(xiàn)局部放電累積導致絕緣被破壞，生產(chǎn)廠家應當嚴格遵守國標及技術(shù)指導書工藝要求，控制各部分電場強度在允許范圍內(nèi)，保證入網(wǎng)設備本體絕緣和電氣質(zhì)量。