頻域介電譜在500kV變壓器套管故障診斷中的應(yīng)用

文/馬欣 鄭偉欽 李利

0 引言

變壓器套管是變壓器的重要組成部分，其作用是將變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)繞組的引線從變壓器的油箱引出，并且起到固定引線、高壓對外殼及地絕緣的作用。絕緣套管的種類包括純瓷套管、沖油套管和電容型套管等，其中電容型套管廣泛應(yīng)用于電壓等級高的設(shè)備。油紙電容式變壓器套管由油枕、瓷套、電容芯子、連接法蘭和均壓球等組成。電容芯子是套管的主絕緣，它是在套管的中心導(dǎo)電桿包繞鋁箔作為電極、油浸紙作為極間介質(zhì)組成的串聯(lián)同軸圓柱電容器，能夠保證套管徑向和軸向電場均勻分布。目前，油紙電容式變壓器套管的預(yù)防性試驗(yàn)包括介質(zhì)損耗、絕緣電阻、局部放電、紅外測溫等項(xiàng)目。頻域介電譜（freq uency domain spectroscopy，F(xiàn)DS）作為一種新型的絕緣診斷技術(shù)，將傳統(tǒng)的工頻復(fù)電容和介質(zhì)損耗測量擴(kuò)展到低頻、中頻和高頻頻段（如 0.1mHz～1kHz）進(jìn)行絕緣評估和分析，能夠提供更加豐富的套管絕緣評估檢測方法。本文就某500kV變壓器套管FDS專項(xiàng)試驗(yàn)中頻域介電特性曲線低頻段異常作詳細(xì)的原因分析。

1 缺陷發(fā)現(xiàn)過程

近年來，南方電網(wǎng)公司連續(xù)發(fā)現(xiàn)幾起500kV主變高壓側(cè)套管介損緩慢增長、油色譜異常的缺陷。該套管為瑞典ABB公司生產(chǎn)的GOE型油紙電容式套管（型號為GOE 1675-1300-2500-0.6-B；編號為1ZSCT14001657/03），南方電網(wǎng)公司因此要求各地市供電局對該型號的套管開展檢測和整改。2016年11月2日，試驗(yàn)人員對某500kV變電站2#主變壓器（以下簡稱“主變”）高壓側(cè)A相套管進(jìn)行FDS專項(xiàng)試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，頻域介電特性曲線在低頻段呈現(xiàn)向上翹的形態(tài)，曲線在頻率為50Hz的介損值為0.553%，超出南方電網(wǎng)公司電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程的注意值（0.4%）。測試曲線如圖1所示。

圖1 A相套管頻域介電譜測試曲線

根據(jù)套管生產(chǎn)廠家提供的該型號套管的FDS試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)圖譜（如圖2）所示，其中曲線1和曲線2表示套管存在不溶于油的碳?xì)渚酆衔铮╔-蠟），曲線3和曲線4表示套管不存在X-蠟，可以發(fā)現(xiàn)圖1中的頻域介電譜測試曲線隨頻域變化的介損超出標(biāo)準(zhǔn)圖譜中的曲線1和曲線2，可以初步判斷該套管存在X-蠟。套管絕緣油在高壓或高溫下形成X-蠟，這是局部放電的產(chǎn)物，且會導(dǎo)致套管介損值偏大。

圖2 套管FDS試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)圖譜

試驗(yàn)人員對A相套管進(jìn)行介質(zhì)損耗復(fù)試和油色譜分析，并與歷年預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 A相套管介損和電容量測試結(jié)果

表2 套管油色譜分析結(jié)果

由表1可以看出，A相套管自交接試驗(yàn)以來，主絕緣介損值一直持續(xù)增長，由交接時的0.380%，上升至0.512%（2016年02月24日），經(jīng)過約9個月時間，介損增長至0.528%（2016年11月2日），并且最近兩次試驗(yàn)套管介損均大于0.500%。

由表2可以看出，本次試驗(yàn)套管油中H2、CH4、C2H2含 量 均 已 超 出Q/CSG 114002—2017《南網(wǎng)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡稱《預(yù)試規(guī)程》）的注意值（H2：500μL/L；CH4：100μL/L；C2H2：1μL/L），而最近三次試驗(yàn)中H2、CH4、C2H2含量均為超過預(yù)試規(guī)程的注意值。C2H6含量超過IEC 61464中C2H6的規(guī)定值（70μL/L），而最近三次試驗(yàn)中C2H6的含量均為零。采用三比值法的編碼規(guī)則和典型故障類型判斷方法，可以初步判斷套管內(nèi)部存在局部放電，并釋放大量氣體。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及分析

對套管解體前開展了油色譜分析、介損及電容量、局部放電及頻域介電譜等試驗(yàn)。在套管進(jìn)行電氣試驗(yàn)前后，對套管取油樣分析，以判斷電氣試驗(yàn)對油中溶解氣體含量的影響。

2.1 介損測試

（1）末屏介損測試

套管末屏介損測試采用1kV的試驗(yàn)電壓，測量的電容量為855.86pF，介損值為0.31%，滿足預(yù)試規(guī)程的要求（tanδ不大于2%），套管末屏沒有進(jìn)水受潮的跡象。

（2）高壓介損測試

跟蹤分析套管高壓介損與電壓的關(guān)系，為了不使電氣試驗(yàn)對套管絕緣產(chǎn)生新的破壞，便于套管解體分析，試驗(yàn)電壓由10kV升到333kV，測得的介損值介于0.59%到0.60%之間，介損值的增量沒有超過預(yù)試規(guī)程的要求（±0.3%）。升壓過程、降壓過程測試結(jié)果一致，測試曲線如圖3所示。

圖3 A相套管介損與電壓的關(guān)系

2.2 局部放電量測試

局部放電測試結(jié)果如表3所示。測試中，電壓升至230kV出現(xiàn)30pC左右穩(wěn)定的放電，當(dāng)電壓繼續(xù)升至318kV時，出現(xiàn)約80pC穩(wěn)定放電，電壓下降至170kV時局部放電熄滅。由于該套管局放量較大，繼續(xù)升壓會導(dǎo)致原始缺陷發(fā)展，不利于解體分析，故只將局放測試電壓最高升至設(shè)備運(yùn)行電壓。

表3 A相套管局放測試結(jié)果

2.3 油介損及局部放電試驗(yàn)前后套管油樣分析結(jié)果

為準(zhǔn)確確定該套管出現(xiàn)關(guān)鍵氣體的原因，對套管油樣進(jìn)行含水量、擊穿電壓、介質(zhì)損耗試驗(yàn)，套管油在溫度為90℃時的介損值為0.6648%，擊穿電壓為36.80kV。局部放電試驗(yàn)前后套管油樣分析結(jié)果如表4所示。由表4可以發(fā)現(xiàn)，電氣試驗(yàn)前后，油中溶解氣體均有不同程度的增加，可明顯看出電壓施加后對套管絕緣產(chǎn)生的影響。耐壓試驗(yàn)結(jié)束后，對套管介損耗進(jìn)行復(fù)測，測試結(jié)果沒有明顯變化。

表4 A相套管局放測試前后套管油色譜分析結(jié)果

3 套管解體檢查

為確定缺陷原因，現(xiàn)場對套管進(jìn)行解體分析。套管解體檢查的基本思路如下：套管排油后拆卸金具、瓷套、油位計(jì)、末屏引出裝置等附件并逐個查看，檢查是否存在放電痕跡、異物附著、形變、物理性損傷、進(jìn)水痕跡等，最后對套管電容芯逐層解剖檢查。

3.1 套管的拆卸與附件的檢查

套管下瓷套檢查沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，三相套管的其他附件如下瓷套端部接觸環(huán)、下瓷套端部延伸環(huán)、接地法蘭、套管頂部彈簧壓緊裝置、套管末屏接地部件等，均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，套管密封情況良好，沒有進(jìn)水受潮的痕跡。

3.2 套管電容芯解體檢查

該GOE型套管的電容芯包含23層主屏，每兩層主屏間包含4層部分屏，屏間為多層油浸絕緣紙，油紙絕緣結(jié)構(gòu)的電容芯布置于導(dǎo)電桿和瓷套之間，如圖4所示。

圖4 A相套管電容芯結(jié)構(gòu)

套管拆卸完成后將電容芯安置在托架上進(jìn)行逐層解剖，并在套管上標(biāo)記末屏引出線焊接點(diǎn)的方向。解體過程中發(fā)現(xiàn)末屏引出焊接導(dǎo)致在絕緣紙上形成過熱痕跡，屬于正常情況。在套管電容芯的逐層解剖過程中，對每層主屏和部分屏進(jìn)行檢查，在解體到靠近導(dǎo)電桿最后5屏絕緣紙上發(fā)現(xiàn)金黃色粘稠蠟狀物，粘稠蠟狀物呈塊狀分布，如圖5所示。對套管電容芯外、中、內(nèi)部取紙樣，并依托第三方進(jìn)行試驗(yàn)分析，最終判斷此金黃色粘稠蠟狀物為X-蠟。X-蠟極有可能是套管內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的，這個結(jié)論與套管在318kV下局部放電量為80pC相吻合。查閱該套管電容芯制作過程的相關(guān)記錄，電容芯在產(chǎn)生過程中采用新型繞制機(jī)繞制，電容芯存在局部凸起部位，絕緣紙層局部相互貼合不均勻，導(dǎo)致油隙中存在小氣泡而引起局部放電。

圖5 附著在絕緣紙表面的X蠟

4 缺陷原因分析

該GOE型套管工藝處理的重點(diǎn)在于電容芯完成卷繞后的整體烘干處理。套管解剖發(fā)現(xiàn)時的現(xiàn)象，放電點(diǎn)普遍集中主絕緣的中間及偏高壓端部位，故障原因是：電容芯厚度大，整體烘干、抽真空時間短，未能有效將中部的電容紙干燥，造成電容紙殘留水份，絕緣紙間殘留氣泡，水份造成主電容屏的絕緣紙收縮不均勻出現(xiàn)皺紋，氣泡在出廠試驗(yàn)或運(yùn)行中產(chǎn)生局部放電；隨著時間的增長，放電點(diǎn)會逐步增加。套管運(yùn)行時長期在高電壓的作用下，在內(nèi)部產(chǎn)生局部放電，并伴有氫氣、甲烷、乙烷、乙炔等特征氣體的生成。這些氣體溶解在油中發(fā)展形成氣泡并逐漸積累，使得內(nèi)部局部放電有明顯惡化趨勢，同時造成油色譜結(jié)果超標(biāo)。隨著局部放電能力的增強(qiáng)和溫度的升高，致使絕緣油老化形成X-蠟附著在電容芯上，其逐漸積累會造成套管介質(zhì)損耗偏大。

5 結(jié)論

（1）該套管內(nèi)部存在局部放電生產(chǎn)的附著在電容芯上的X-蠟是導(dǎo)致套管介質(zhì)損耗偏大和油色譜結(jié)果超標(biāo)的直接原因。

（2）該套管生產(chǎn)過程中工藝控制不良是造成此次缺陷的根本原因。套管電容芯完成卷繞后的整體烘干處理不充分，繞制完成冷卻后引起電容屏伸縮不均勻出現(xiàn)皺紋，形成的氣隙助長局部放電的發(fā)生。

（3）本次套管缺陷是通過頻域介電譜（FDS）專項(xiàng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，并結(jié)合電氣、化學(xué)等不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，對準(zhǔn)確分析故障類型及故障原因有著重要的意義。