主絕緣包扎工藝不良引發(fā)油浸式電流互感器內(nèi)部異常產(chǎn)氫的原因分析

陳 浩，郭 鐵，劉黎洋，高 森

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽 110006)

油浸式電流互感器是電力系統(tǒng)中重要的一次設(shè)備，主要安裝于戶外變電站，因其長期運行在大電流、高場強的惡劣復雜環(huán)境下，易出現(xiàn)因過電壓、諧波、受潮和絕緣劣化等原因而引發(fā)的局部放電、過熱情況[1]，進而導致電流互感器內(nèi)的絕緣油裂解產(chǎn)生氫氣等故障氣體，通過對油中溶解氣體含量分析可以發(fā)現(xiàn)此類故障[2]。油浸式電流互感器(TA)內(nèi)部過量產(chǎn)氫的問題已有研究人員開展過一些研究，得出的結(jié)論主要有：因TA內(nèi)部的金屬件存在焊接，在鎳的催化作用下促進有機物分解產(chǎn)氫[3]；水或絕緣油在高溫及電場作用下分解產(chǎn)氫[4]；也有案例顯示在未帶電運行的TA中發(fā)現(xiàn)了過量產(chǎn)氫現(xiàn)象，但介損和絕緣電阻等常規(guī)試驗未見異常，TA脫氫后投運正常，因此提出過量產(chǎn)氫和內(nèi)部絕緣問題并無直接聯(lián)系的觀點[5]。本文針對遼寧電網(wǎng)近年來發(fā)生的多起不同工況下過量產(chǎn)氫的TA進行試驗和解體分析，查找出多起過量產(chǎn)氫問題的共性：油紙絕緣系統(tǒng)中紙絕緣存在大量“褶皺”引起局部場強不均導致故障產(chǎn)氫，對“褶皺”產(chǎn)生的原因進行分析并對TA的制造和運行提出建議。

1 油浸式電流互感器過量產(chǎn)氫現(xiàn)象

遼寧電網(wǎng)近年來出現(xiàn)多起TA過量產(chǎn)氫的現(xiàn)象，其共同特征為油中溶解氣體分析發(fā)現(xiàn)氫氣含量超標(超過標準規(guī)定的150 μL/L)，甲烷和總烴含量增大，但一般不產(chǎn)生或者產(chǎn)生痕量乙炔。過量產(chǎn)氫會導致TA內(nèi)部壓力增大，嚴重時會將膨脹器異常頂起，造成設(shè)備變形，甚至引起本體炸裂。過量產(chǎn)氫表明設(shè)備內(nèi)部可能存在絕緣缺陷。

2 典型案例分析

本文對遼寧電網(wǎng)近年多起TA過量產(chǎn)氫案例進行綜合分析, 以220 kV電壓等級設(shè)備為例，共收集了13臺過量產(chǎn)氫TA的數(shù)據(jù)，其中有3起氫氣含量接近104μL /L；7起達1000 μL /L；3起大于100 μL /L不超過1000 μL /L。這些異常的TA，有的投運超過了15年，有的僅僅投運1～2年，從數(shù)據(jù)上看，產(chǎn)氫的含量多少與年份并無直接關(guān)聯(lián)。本文選取2起比較典型的TA過量產(chǎn)氫案例，并對故障TA進行試驗及解體分析。

2.1 案例1

變電站巡視人員發(fā)現(xiàn)某220 kV電壓等級運行中TA金屬膨脹器異常頂起上蓋。帶電取油樣進行油中溶解氣體分析，發(fā)現(xiàn)氫氣、甲烷和總烴氣體含量均遠高于標準要求的注意值(220 kV 電流互感器：氫氣含量≤150 μL/L，總烴含量≤100 μL/L)。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表 1 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù) 單位：μL /L

由油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)判斷，該設(shè)備內(nèi)部存在低能量放電，為進一步確認故障及分析原因，對該臺設(shè)備返廠解體。

2.1.1 解體前的電氣試驗

該故障設(shè)備為2000年出廠產(chǎn)品，為LCWB7油浸式正立型產(chǎn)品。因懷疑該設(shè)備內(nèi)部可能存在絕緣缺陷，耐壓試驗可能會對其造成二次損傷而影響對其原始故障原因的分析，因此，對故障設(shè)備進行如下試驗：①絕緣電阻測試；②電氣試驗前后介電損耗因數(shù)及電容量測試；③局部放電試驗；④電氣試驗前后油中溶解氣體分析；⑤油耐壓、微水及油介損試驗[6]。

a.絕緣電阻測試。一次繞組對二次繞組及地為2500 MΩ；一次繞組段間為2500 MΩ；二次繞組之間及地為2500 MΩ；末屏對二次及地為2500 MΩ。

b.介電損耗因數(shù)及電容量測試。電氣試驗前后分別測量了試品的介電損耗因數(shù)(以下簡稱“介損”)和電容量，測量結(jié)果見表2。

表2 介損及電容量試驗數(shù)據(jù)

表3 局部放電試驗數(shù)據(jù)

d.電氣試驗前后油中溶解氣體分析。試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù) 單位：μL /L

2.1.2 解體檢查

對故障TA進行放油、拆除膨脹器、外瓷套及吊芯檢查。解體檢查TA的油箱及二次繞組，油箱無變形，油箱壁無明顯放電；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實，繞組及各接頭未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，如圖1所示。

圖1 220 kV油浸式電流互感器

對TA的一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內(nèi)進行拆解，發(fā)現(xiàn)從靠近末屏的第4層主電容屏開始，在絕緣紙上發(fā)現(xiàn)大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置主要位于“U”型彎的內(nèi)外側(cè)，越向內(nèi)拆解絕緣電纜紙“褶皺”越明顯，直至拆解到第7層主電容屏后，絕緣紙恢復平整。絕緣紙的橫向“褶皺”見圖2。

圖2 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2 案例2

國家電網(wǎng)有限公司《十八項電網(wǎng)重大反事故措施》中要求，新投運的110(66) kV及以上電壓等級電流互感器投運后1～2年內(nèi)應取油樣進行油中溶解氣體組分分析。試驗人員對已投運8個月的某220 kV電壓等級運行中TA開展油中溶解氣體分析，發(fā)現(xiàn)氫氣、甲烷和總烴氣體含量均遠高于標準要求的注意值。試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù) 單位：μL /L

由油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)判斷，該設(shè)備內(nèi)部存在低能量放電，為進一步確認故障及分析原因，對該臺設(shè)備返廠解體。

2.2.1 解體前的電氣試驗

該故障設(shè)備為2019年出廠產(chǎn)品，為LCWB7油浸式正立型產(chǎn)品。對故障產(chǎn)品開展以下試驗：①絕緣電阻測試；②電氣試驗前后介電損耗因數(shù)及電容量測試；③工頻耐壓試驗；④局部放電試驗；⑤電氣試驗前后油色譜分析；⑥油耐壓、微水及油介損試驗。

a.絕緣電阻測試。一次繞組對二次繞組及地為2500 MΩ；一次繞組段間為2500 MΩ；二次繞組之間及地為2500 MΩ；末屏對二次及地為2500 MΩ。

b.介損及電容量測試。電氣試驗前后分別測量了試品的介損和電容量，測量的結(jié)果見表6。

表6 介損及電容量試驗數(shù)據(jù)

c.工頻耐壓試驗。二次繞組間及對地：3 kV，1 min；末屏對地：5 kV，1 min；一次繞組：368 kV，1 min。

表7 局部放電試驗數(shù)據(jù)

e.電氣試驗前后油中溶解氣體分析。試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù) 單位：μL /L

f.油耐壓、微水及油介損試驗。油耐壓值56 kV；油微水為8.3 mg/L；90 ℃下油介損為0.22 %。絕緣電阻試驗顯示，該TA一、二次絕緣正常；由表6 測試結(jié)果判斷，設(shè)備不存在內(nèi)部絕緣材料老化、受潮和主電容屏擊穿的問題；由工頻耐壓試驗結(jié)果可知，設(shè)備內(nèi)部不存在絕緣擊穿；由表7局放測試結(jié)果判斷，設(shè)備內(nèi)部可能存在低能量的放電，但值得注意的是，本次試驗在加壓2 min內(nèi)，TA的局放量均未超過20 pC，而在2～5 min的過程中局放值上升37 pC；由表8可知，試驗前后試品油中溶解氣體中氫氣含量略有增長，可判斷設(shè)備內(nèi)部仍存在低能量放電；對絕緣油進行油耐壓、微水及油介損試驗，試驗結(jié)果無異常，表明絕緣油沒有進水受潮和污染劣化現(xiàn)象。

2.2.2 解體檢查

對故障TA進行放油、拆除膨脹器、外瓷套及吊芯檢查。解體檢查TA的油箱及二次繞組，油箱無變形或開裂，油箱壁無放電痕跡；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實，繞組及各接頭未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。

拆開TA末屏，對一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內(nèi)進行拆解，發(fā)現(xiàn)靠近末屏的絕緣紙間存在大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置主要位于“U”型彎的內(nèi)外側(cè)，逐漸向內(nèi)拆解至第3層主電容屏后，“褶皺”恢復平整，絕緣紙橫向“褶皺”見圖3。

圖3 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2.3 試驗及解體結(jié)果對比

對比2臺故障TA的試驗結(jié)果和解體現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，共同的異常特征是局部放電試驗局放量超標、試驗前后油中溶解氣體氫氣含量略有增加；對一次繞組電容屏及紙絕緣拆解，發(fā)現(xiàn)絕緣紙間存在大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置均位于“U”型彎的內(nèi)外側(cè)。不同的是案例1中的TA為2000年產(chǎn)品，運行將近20年檢測出故障，“U”型彎處“褶皺”位于第4～7層主電容屏之間的絕緣紙上；案例2中的TA為2019年產(chǎn)品，運行僅8個月時間檢測出故障，“U”型彎處“褶皺”位于緊靠末屏第1～3層主電容屏之間的絕緣紙上。

用同樣的試驗和解體方法對遼寧電網(wǎng)近年來的多臺過量產(chǎn)氫TA開展研究，得到了相似的試驗結(jié)果和解體現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過對比研究多臺過量產(chǎn)氫的TA，分析認為：纏繞在TA一次繞組“U”型彎的主電容屏之間絕緣紙上的大量“褶皺”，是引起過量產(chǎn)氫的主要原因?！榜薨櫋钡拇嬖冢菇^緣紙之間形成大量“空腔”，造成場強變得不均勻，在長期的運行電壓下局部過熱產(chǎn)生過熱特征氣體甲烷等，氣體大量積累引發(fā)氣泡放電產(chǎn)生放電特征氣體氫氣，因“褶皺”存在部位不同，有的位于中間層的電容屏之間，TA絕緣包扎相對緊實且絕緣油流動緩慢，氣體通道貫通慢，不易擴展，油中溶解氣體檢測出故障也需要較長時間；而有的“褶皺”部位靠近末屏，位置距離取油閥處較近，若溶解氣體檢測及時，過熱、放電產(chǎn)生的特征氣體則比較容易發(fā)現(xiàn)。

一次繞組主絕緣包扎纏繞是否緊實平整無“褶皺”，與絕緣紙的質(zhì)量、工人操作工藝、設(shè)備自動化水平等因素有關(guān)。同時，若TA在真空干燥環(huán)節(jié)，出現(xiàn)真空度或者干燥溫度不夠、抽真空時間不足等問題，也會加劇氣體的產(chǎn)生。針對此類問題，對設(shè)備制造商和運行單位提出以下建議。

a.設(shè)備制造商應加強一次繞組絕緣包扎纏繞工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)監(jiān)督，尤其注意“U”型彎處的包扎工藝，確保纏繞緊實。

b.設(shè)備制造商在絕緣紙的選擇上要嚴把質(zhì)量關(guān)，選用達標、優(yōu)質(zhì)的原材料；對于過于老舊、性能受影響的絕緣紙纏繞機要進行更換。

c.要特別注意TA真空干燥環(huán)節(jié)真空度、真空時間、罐內(nèi)溫度的控制，杜絕因趕工期而降低該關(guān)節(jié)工藝標準和要求。

d.在對故障TA開展局部放電試驗時發(fā)現(xiàn)，多臺試品在加壓2 min后，出現(xiàn)局放量超標。因此在開展該項試驗時，建議參照國家電網(wǎng)有限公司《十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求，110(66)～750 kV油浸式電流互感器在出廠試驗時，局部放電試驗的測量時間延至5 min。

e.根據(jù)油浸式TA的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)備運行單位應嚴格按照規(guī)程開展油中溶解氣體含量分析，對于油中溶解氣體含量未超過注意值，但已明顯高于同間隔的其他相、或較上次測試值有明顯增長趨勢時，應及時復測，并縮短檢測周期。