某330 kV主變壓器主壓板表面放電故障原因分析

摘 要：某330 kV變電站離線絕緣油色譜乙炔嚴(yán)重超標(biāo)，主壓板存在放電碳化故障，文章通過對(duì)故障變壓器線餅絕緣紙及主壓板的宏觀檢查、掃描電鏡能譜分析和射線檢測(cè)等相關(guān)研究，確定導(dǎo)致此次故障的主要原因是主壓板存在的間隙、孔洞等內(nèi)部缺陷降低了變壓器的絕緣性能，導(dǎo)致變壓器在運(yùn)行或試驗(yàn)狀態(tài)下，能量較高處會(huì)發(fā)生局部放電故障。最后，針對(duì)此類故障提出相應(yīng)的整改措施，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：主壓板；絕緣性能；放電

中圖分類號(hào)：TM41

1 引言

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中輸、配電的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)電能傳遞的重要任務(wù)，尤其是大型高壓電力變壓器更是處于系統(tǒng)的樞紐位置，它們的運(yùn)行可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定[1-4] 。但目前的電力系統(tǒng)中有一部分因自身設(shè)計(jì)缺陷及運(yùn)行老化等問題而存在安全隱患的變壓器，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了危害。絕緣層壓板是變壓器的主要絕緣材料之一，其絕緣性能及絕緣處理工藝，對(duì)變壓器的性能和使用安全有很大的影響[5-10]。

文章主要針對(duì)甘肅某330 kV變電站3號(hào)主變壓器放電故障中線餅絕緣紙表面發(fā)現(xiàn)不明斑點(diǎn)和主壓板存在放電通道故障，分析故障產(chǎn)生的原因并提出防范措施，為今后因絕緣紙和主壓板造成停電等事故提供技術(shù)參考。

2 故障概況

某330 kV變電站3號(hào)主變壓器在進(jìn)行離線絕緣油色譜試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)乙炔含量嚴(yán)重超標(biāo)，但該變壓器小項(xiàng)目試驗(yàn)直阻、電壓比、絕緣電阻等試驗(yàn)正常，工頻耐壓試驗(yàn)均正常。將主變壓器停電檢修發(fā)現(xiàn)，該變壓器內(nèi)部主壓板、絕緣紙等多處存在放電故障，并且變壓器中壓線圈中下部線餅絕緣紙表面存在多處不明斑點(diǎn)，文章對(duì)此次放電故障問題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對(duì)策。

3 絕緣紙表面不明斑點(diǎn)分析

3.1 宏觀分析

某330 kV變電站3號(hào)主變壓器發(fā)生放電故障后，經(jīng)解體后發(fā)現(xiàn)，絕緣紙表面存在大量呈噴灑狀的白色顆粒物，直徑約為1～2 mm，未發(fā)現(xiàn)直徑較大的黃色顆粒物噴灑現(xiàn)象和集中灑落特征，且未發(fā)現(xiàn)集中灑落特征，顆粒物在繞組外部絕緣紙靠下部表面分布較集中，存在從上往下噴灑的特征，斑點(diǎn)分布較為均勻，如圖1所示。將取下的剝落物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，該顆粒物帶有棱角，具有脆性的特征。為研究其特性，開展燒融試驗(yàn)后用放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)剝落物遇熱后融化，但是在冷卻后再次凝結(jié)，具有類似于松香類樹脂的性狀。

3.2 掃描電鏡能譜分析

為確定某330 kV變電站3號(hào)主變壓器絕緣紙上黃色顆粒物的成分，對(duì)此黃色斑點(diǎn)開展掃描電鏡能譜（EDS）分析。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，絕緣紙的主要元素為碳（C）和氧（O），２次測(cè)量的氧含量分別為79.99 wt%和80.22 wt%，未有較大變化，說明絕緣紙并未發(fā)生其他腐蝕或者破壞。而絕緣紙上發(fā)現(xiàn)的不明斑點(diǎn)的主要元素為碳（C）、氮（N）和氧（O），且N元素含量較高，２次測(cè)量值依次為87.18 wt%和89.26 wt%，說明該黃色顆粒狀物質(zhì)主要為含氮的松香類樹脂，質(zhì)量百分比見表1，含有少量鋁（Al）、鈉（Na）等其他元素，為外界引入的雜質(zhì)元素。

4 壓板試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

4.1 外觀檢查

通過對(duì)某330 kV變電站3號(hào)主變解體后發(fā)現(xiàn)，該變壓器的主壓板存在明顯的破損及放電現(xiàn)象，且破損位置較大，放電區(qū)域總長(zhǎng)占主壓板高度的90%以上，上端未貫通，下端貫通。通過對(duì)主壓板宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，該變壓器所用的主壓板為木質(zhì)多層膠合板結(jié)構(gòu)的層壓木，如圖2所示。

為細(xì)致研究主壓板細(xì)致特征，對(duì)主壓板表面區(qū)域進(jìn)行表層剝離后的檢查，具體情況如圖3（a）、（b）和（c）所示，依次為沿著放電破損位置由上至下拍攝。圖3的炭化通道中均發(fā)生破損現(xiàn)象，且破損較為嚴(yán)重。在主壓板表面部分區(qū)域表層剝離后可觀察到放電后明顯炭化痕跡，大部分與主壓板立向保持一致。在靠近主壓板下端部位有一段放電炭化痕跡向水平方向發(fā)展后轉(zhuǎn)回豎直方向，在最下部放電炭化痕跡分叉形成2個(gè)豎直的平行通道。通過放電炭化通道發(fā)展趨勢(shì)研究可知，其通道與不同層板材料纖維方向保持一致，基本沿主壓板纖維方向放電。

為檢查未放電區(qū)域特征，對(duì)主壓板整體外表觀察發(fā)現(xiàn)，主壓板表面存在較多的表面裂紋及板材拼縫，方向與主壓板各板層板材木質(zhì)纖維方向一致，如圖4所示。

在主壓板去除表層板材部位，可見內(nèi)層板材同樣存在與木質(zhì)纖維方向一致的表面裂紋缺陷。如圖4（a）和圖4（b）所示，沿著與木材纖維方向的橫向和豎向均存在表面裂紋。

如圖4（c）和圖4（d）所示，主壓板在除了放電炭化部位外，其表面也存在多處機(jī)械損傷，且部分表面層有翹起現(xiàn)象。

從端面看，該變壓器多層板材的不同板層均存在板材拼接不連續(xù)間隙及平行于板材膠合方向的拼縫，如圖4（e）和圖4（f）所示的立向斷面的橫向拼縫裂隙及橫向斷面的立向拼縫間隙。

通過對(duì)主壓板的宏觀檢查表明，該變壓器的主壓板存在較明顯的表面裂紋及拼縫等表面缺陷，該缺陷的存在會(huì)造成變壓器在運(yùn)行中易發(fā)生放電等故障發(fā)生。

4.2 主壓板射線檢測(cè)

鑒于宏觀檢查發(fā)現(xiàn)較多缺陷，便采用X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)某330 kV變電站3號(hào)主變壓器主壓板放電炭化部位及正常部位進(jìn)行DR射線檢測(cè)，以期檢查主壓板內(nèi)部狀態(tài)。在進(jìn)行X射線時(shí)，取3個(gè)部位，如圖2所示，A、B、C分別對(duì)應(yīng)圖5的X射線圖像。

從DR射線圖像中可以看到表面溝槽、螺紋孔及炭化道，內(nèi)部發(fā)現(xiàn)較多線狀、塊狀及條狀內(nèi)部缺陷。圖5（a）中明顯可見與實(shí)物中炭化道相對(duì)應(yīng)的弓形較暗影像痕跡；圖5（b）中在主壓板上所加工的溝槽邊緣也可見與其平行的、略有彎曲的較暗炭化道影像痕跡；圖5（a）、圖5（b）及圖5（c）中均發(fā)現(xiàn)水平方向及豎直方向略有彎曲的線狀內(nèi)部缺陷；圖5（b）中發(fā)現(xiàn)豎直方向的條狀缺陷；圖5（b）和圖5（c）中均發(fā)現(xiàn)不規(guī)則塊狀內(nèi)部缺陷。

通過對(duì)主壓板的X射線檢測(cè)可知，主壓板內(nèi)部可能存在孔隙或結(jié)合不嚴(yán)密等內(nèi)部缺陷，內(nèi)部缺陷的存在影響變壓器主壓板的絕緣性能，導(dǎo)致絕緣性能下降，發(fā)生放電等故障，影響設(shè)備運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

（1）通過能譜點(diǎn)掃結(jié)果可知，絕緣紙表面黃色不明斑點(diǎn)為含N元素較多的具有類似于松香類樹脂性狀的有機(jī)物質(zhì)，可能在安裝或運(yùn)輸階段按一定方向噴灑到絕緣紙上。

（2）通過對(duì)主壓板的宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，主壓板表面存在較多裂紋、機(jī)械損傷、拼縫間隙等宏觀缺陷，造成主壓板材質(zhì)承載力下降，不均勻的介質(zhì)，在外界條件下更容易引起放電。并且放電后明顯炭化痕跡，主要放電沿著主壓板板材纖維方向，可見板材空隙容易引起放電通道的延續(xù)。

（3）利用X射線無損檢測(cè)對(duì)主壓板內(nèi)部缺陷檢查發(fā)現(xiàn)，此330 kV放電主壓板內(nèi)部存在較多線狀、條狀及不規(guī)則塊狀內(nèi)部缺陷，主壓板的不嚴(yán)密，在變壓器發(fā)生放電故障后產(chǎn)生通道，造成沿板材放電現(xiàn)象。

（4）主壓板內(nèi)部及外部裂紋等缺陷的存在，導(dǎo)致整體絕緣性能降低，是造成變壓器主壓板放電的誘因，從而影響變壓器的安全運(yùn)行。

6 意見和建議

（1） 加強(qiáng)變壓器主壓板在投運(yùn)前的質(zhì)量監(jiān)督與檢查，避免質(zhì)量不合格的設(shè)備入網(wǎng)，導(dǎo)致放電等引發(fā)的停電等故障。

（2） 建立電網(wǎng)設(shè)備主壓板等非金屬材料設(shè)備的監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)制，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]" 鄧祥力，朱慧，楊梅. 基于多狀態(tài)模型的變壓器繞組早期故障保護(hù)方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022，42（18）：6704-6714.

[2]" 韓霞，陳剛. 考慮材料影響的雙向直流固態(tài)變壓器繞組損耗計(jì)算方法[J/OL]. 電源學(xué)報(bào)：1-16[2022-07-06]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20210804.1315.002.html.

[3]" 王允光，朱啟龍，沈映，等. 一起變壓器繞組變形故障的測(cè)量分析與判斷[J]. 電力設(shè)備管理，2021（6）：48-50+59.

[4]" 唐偉，臧昱. 主變壓器高低壓側(cè)后備保護(hù)復(fù)壓功能壓板在運(yùn)行中的注意事項(xiàng)[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（Z1）：97-98+106.

[5]" 李萬全. 變壓器絕緣層壓板干燥過程微水分檢測(cè)[J]. 變壓器，2009，46（1）：22-25+70.

[6]" 李萬全，孫寶元，戴恒震. 變壓器絕緣紙板微水分在線檢測(cè)研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2005（5）：26-28.

[7]" 曾耀德，張濟(jì)明. 高導(dǎo)熱復(fù)合基絕緣層壓板的研制[J]. 絕緣材料，2012，45（6）：27-29.

[8]" 馬吉周，王凌君，王嶸，等. 一種耐高溫高性能絕緣層壓板的研制[J]. 航空制造技術(shù)，2010（17）：104-106.

[9]" 周利軍，周猛，李沃陽，等. 基于振蕩波多特征融合的變壓器繞組故障診斷方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2022，42（12）：191-196+203.

[10] 敖志寧. 基于振動(dòng)分析法的電力變壓器繞組故障診斷方法研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2021.