徐 鵬，趙文翰，付文波

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

作為連接變壓器繞組和導(dǎo)線的重要部件，套管的絕緣性能對變壓器安全運(yùn)行意義重大[1-3]。根據(jù)內(nèi)部絕緣介質(zhì)的不同，變壓器套管可以分為干式套管和油浸式套管，我國110 kV 及以上系統(tǒng)中多采用油紙電容型套管[4-6]。油紙電容型套管的故障類型有油紙老化、電容芯子缺陷、外絕緣故障等，其中電容芯子缺陷是最為常見的故障之一[7-9]。

文獻(xiàn)[10]總結(jié)了油紙電容型變壓器套管常見故障類型，對于變壓器套管事故分析具有重要指導(dǎo)意義；文獻(xiàn)[11]對套管電容芯子等效電容、電位、場強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并利用ANSYS 軟件進(jìn)行電場分析，具有重要參考價(jià)值。文獻(xiàn)[12]針對一起油紙電容型套管電容芯子擊穿現(xiàn)象展開分析，為油紙電容型套管的運(yùn)行維護(hù)提出了寶貴意見。

套管電容芯子缺陷會危及設(shè)備主絕緣，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致套管擊穿炸裂，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此對油紙電容型套管電容芯子缺陷進(jìn)行分析具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)分析

油紙電容型套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。瓷套和導(dǎo)電管之間通過電容芯子實(shí)現(xiàn)電位隔離。

圖1 套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電容芯子由多層電容屏構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。每層電容屏由一定厚度的電纜紙和兩層鋁箔構(gòu)成，靠近導(dǎo)電管的一層稱為零層電極，電容芯子的最外層稱為接地電極。為了避免套管運(yùn)行過程中出現(xiàn)懸浮電位，接地電極一般通過小套管或者端子引出并在運(yùn)行中接地。

圖2 電容芯子結(jié)構(gòu)

電容屏圍著導(dǎo)電管繞制，從零層電極到接地電極直徑逐漸增大，長度逐漸縮短，以保證兩層鋁箔之間的等效電容大致相等，從而均勻場強(qiáng)，使電壓分布更加合理。將套管零層電極至接地電極間電容等效為串聯(lián)電容組建立簡易模型。電容屏簡易模型如圖3 所示。

圖3 電容屏簡易模型

定義某套管電容屏有n層，其電容量用CΣ表示，則套管總電容量與每層電容屏電容量的關(guān)系可由公式(1)表示。

式中：CΣ為套管零層電極至接地電極的總電容，C1，C2，．．．，Cn為各電容屏間等效電容。

每層電容屏鋁箔面積S和鋁箔間距d大致相等，介電系數(shù)ε為絕緣材料的相對介電系數(shù)，為一恒定值。由C=εS/d可得各電容屏間等效電容量基本相等，定義每層電容屏等效電容為C0，則式(1)可簡化為：

當(dāng)1 層電容屏發(fā)生擊穿后，套管總電容CΣ′可由公式(3)表示。

電容變化量ΔCΣ可由公式(4)表示。

國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修規(guī)程Q/GDW 1168—2013 中，高壓套管例行試驗(yàn)項(xiàng)目要求套管電容量初值差不超過±5 % (警示值)。假設(shè)某套管有70 層電容屏，當(dāng)一層電容屏發(fā)生擊穿后，由公式(4)計(jì)算可得電容變化量ΔCΣ約為1．45 %。因此僅憑電容量變化值不能作為其內(nèi)部電容屏完好的判據(jù)。

2 電容芯子典型缺陷

常見的電容芯子缺陷有電容屏下墜、脫落、電容屏缺失、屏間雜質(zhì)、電容芯子受潮以及接地電極接地不良等。電容屏下墜、松脫會導(dǎo)致電容屏移位；電容屏缺失、屏間雜質(zhì)等都會導(dǎo)致電場分布不均，引發(fā)局部放電；套管密封性能不良易導(dǎo)致電容芯子受潮，水分不僅會降低套管絕緣性能，還會加速絕緣老化程度；接地電極接地不良則會引起運(yùn)行中套管接地電極產(chǎn)生懸浮電位，危及設(shè)備安全，嚴(yán)重時(shí)引起套管炸裂[13-15]。

2.1 電容屏工藝缺陷

某廠曾出現(xiàn)廠內(nèi)制造工藝不良導(dǎo)致的電容屏缺陷。其左側(cè)電容屏繞制松弛，受自重影響電容屏發(fā)生位移；右側(cè)電容屏裁剪、卷繞工藝存在瑕疵，導(dǎo)致套管運(yùn)行中該處實(shí)際場強(qiáng)高于設(shè)計(jì)場強(qiáng)。運(yùn)行中套管電容屏場強(qiáng)最集中部位一般位于鋁箔邊緣，幾何位置的變化可能導(dǎo)致鋁箔邊緣局部電場強(qiáng)度超過局部放電起始電場強(qiáng)度。

當(dāng)施加較高電壓時(shí)，該缺陷處電場畸變，引發(fā)低能量放電，雖然短時(shí)間內(nèi)不足以引發(fā)電容屏擊穿，但對設(shè)備主絕緣危害逐漸加大，最終導(dǎo)致電容屏擊穿燒毀。該套管在例行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)零層電極與接地電極之間電容量變化量已超出20 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)程要求。

除了電容屏下墜、松脫之外，屏間雜質(zhì)、電容屏褶皺和電容屏缺失同樣會導(dǎo)致場強(qiáng)發(fā)生畸變，對設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。

2.2 電容芯子受潮

套管的接線樁頭與油枕頂部之間、壓簧片與壓簧槽之間、油枕下部與上瓷套之間、上瓷套與法蘭之間、法蘭和延伸筒間、延伸筒和環(huán)氧管間、環(huán)氧管和鋁管間都由密封墊圈實(shí)現(xiàn)密封，若上述部位存在密封墊圈老化或因壓緊力不夠?qū)е旅芊庑阅懿涣?，就會?dǎo)致套管內(nèi)部受潮[16-17]。因電容芯子受潮導(dǎo)致的套管炸裂事故時(shí)有發(fā)生。

事故套管存在壓簧片壓縮量和壓緊力不足、形變調(diào)整量不足等缺陷導(dǎo)致電容芯子受潮，在比較惡劣的運(yùn)行工況下引發(fā)套管絕緣擊穿，最終導(dǎo)致油紙絕緣及電容芯子燒毀、瓷套炸裂。

2.3 接地電極接地不良

接地電極一般通過引出線接地，試驗(yàn)時(shí)斷開接地電極與地的連接，通過接地電極測量端子進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)主電容、接地電極絕緣受潮、絕緣油劣化、電容屏間開路或短路等缺陷。運(yùn)行中接地電極若發(fā)生接地不良，將會產(chǎn)生懸浮電位，長時(shí)間運(yùn)行極易導(dǎo)致設(shè)備損壞。與接地電極連接的多股銅絞線松脫、斷股、虛接都會引起接地電極接地不良。

現(xiàn)場就曾發(fā)生過一與接地電極連接的多股銅絞線斷裂缺陷。該套管在最近一次例行試驗(yàn)中主電容量接近于零。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，主電容、油端下瓷套外觀均無明顯破損及放電痕跡，與接地電極連接的引線約3 cm 處發(fā)現(xiàn)斷股現(xiàn)象，引線透明護(hù)套內(nèi)多股銅導(dǎo)線只有少股銅導(dǎo)線連接，初步判斷此處為與接地電極連接的引線的斷裂處。為驗(yàn)證主電容內(nèi)部是否完好，從與接地電極連接的銅絞線斷股處引出測試線進(jìn)行主電容量測試，測試數(shù)值顯示主電容量與出廠值相符，說明套管主電容完好，事故主要原因?yàn)榕c接地電極連接的引線斷股。

3 應(yīng)對策略

目前油紙電容型套管預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中，巡檢項(xiàng)目有外觀檢查、油位及滲漏檢查；例行試驗(yàn)項(xiàng)目包括紅外熱像檢測、絕緣電阻測試、電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)測量；診斷性試驗(yàn)項(xiàng)目包括油中溶解氣體分析、接地電極介質(zhì)損耗因數(shù)、交流耐壓和局部放電測量等項(xiàng)目。

具體應(yīng)對策略如下。

3.1 針對電容屏工藝缺陷

因廠內(nèi)工藝問題導(dǎo)致電容屏移位、屏間雜質(zhì)和電容屏褶皺等局部缺陷，會引起電場分布不均造成小能量放電，即使短時(shí)間內(nèi)不足以引發(fā)絕緣擊穿，但也已經(jīng)對設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。

在缺陷發(fā)展階段介損和電容量測試難以發(fā)現(xiàn)電容屏缺陷，紅外熱像檢測、油中溶解氣體分析可以發(fā)現(xiàn)一些比較明顯的放電性缺陷，但是對于一些輕微性放電，上述兩種手段難以捕捉。如果芯子的電容屏存在位移、松脫等嚴(yán)重缺陷，通過電容量測試是可以比較容易發(fā)現(xiàn)的。

例如：在某500 kV 變壓器高壓套管電容量測試過程中，發(fā)現(xiàn)A 相主電容量初值差已達(dá)26．08 %，具體數(shù)據(jù)如表1 所示，已遠(yuǎn)超注意值(±5 %)，事后經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)A 相芯子電容屏工藝質(zhì)量存在問題缺陷，通過此次測試成功消除一項(xiàng)重大設(shè)備安全隱患。

表1 某500 kV 套管電容量測試結(jié)果

對于此類缺陷除了嚴(yán)格管控廠內(nèi)工藝之外，只能通過提高檢測手段和質(zhì)量，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，避免事故發(fā)生。由于設(shè)備已投運(yùn)，對于已經(jīng)明確存在安全隱患的套管，建議結(jié)合停電計(jì)劃盡早更換，提升電網(wǎng)安全水平。

3.2 針對電容芯子受潮

因套管密封不良或質(zhì)量問題導(dǎo)致電容芯子受潮，會造成設(shè)備主絕緣降低[13-15]。密封不良往往會伴隨著漏油現(xiàn)象的產(chǎn)生，一是套管內(nèi)油外滲，套管油量降低會導(dǎo)致外界潮氣進(jìn)入；二是套管內(nèi)油向主變本體滲漏，在套管內(nèi)形成負(fù)壓吸入外部濕氣。兩種滲漏都會引發(fā)潮氣進(jìn)入套管本體，逐漸侵蝕設(shè)備絕緣，嚴(yán)重時(shí)引起套管炸裂。

對于第一種滲漏，通過日常巡檢、外觀檢查或者油位檢查可以發(fā)現(xiàn)一些比較明顯的滲漏點(diǎn)。對于第二種滲漏僅從外觀檢查難以發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)，但是可以通過油位觀察來判斷是否發(fā)生內(nèi)部滲漏，但觀察油位時(shí)需注意避免誤讀“假油位”。

套管密封不良會引起電容芯子受潮，設(shè)備主絕緣降低、介損變大。通過介損測試以及絕緣電阻測試等試驗(yàn)項(xiàng)目，可以比較準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)受潮嚴(yán)重套管。某500 kV 變壓預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其B 相套管介損偏大，已超過注意值(0．7 %)，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 某500 kV 變壓器套管介損值

雖然該套管沒有明顯的漏油跡象，但是解體該套管后發(fā)現(xiàn)部分密封圈已嚴(yán)重老化、變形，將軍帽、儲油柜內(nèi)部等部位存在水汽。通過介損測試及時(shí)發(fā)現(xiàn)該套管受潮，避免了事故擴(kuò)大。

若套管滲漏油嚴(yán)重，會改變套管內(nèi)部電場分布，引起運(yùn)行設(shè)備發(fā)熱，除了介損測試之外，紅外熱像檢測也可以較為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

3.3 針對接地電極接地不良

接地電極接地不良是威脅套管安全運(yùn)行的多發(fā)事故，因焊接或其他原因?qū)е碌慕拥仉姌O引出線松動、斷裂，都會導(dǎo)致運(yùn)行過程中產(chǎn)生懸浮電位，留下安全隱患。

接地電極接地不良，一般會在套管附近產(chǎn)生異常放電聲音，放電的同時(shí)會引起套管局部發(fā)熱，通過開展紅外測溫工作，加強(qiáng)接地電極溫升橫向?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)該缺陷。另外，例行試驗(yàn)中拆解、復(fù)裝接地電極時(shí)需仔細(xì)檢查其引出端子與周邊是否有放電跡象。

若接地電極接地不良的原因?yàn)橐鼍€斷裂，這種情況相當(dāng)于在接地電極引出線和套管主電容之間串聯(lián)了一個(gè)氣隙，此時(shí)主電容量接近于零，通過介損和電容量測試可以明顯發(fā)現(xiàn)該缺陷。某500 kV主變中性點(diǎn)套管電容量測試過程中，發(fā)現(xiàn)A 相主電容量只有0．698 pF，具體數(shù)據(jù)如表3 所示。為了配合分析主電容異常的原因，遂進(jìn)行末屏電容量測試，發(fā)現(xiàn)末屏電容量也非常小，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)末屏引出線發(fā)生斷裂。本次檢測發(fā)現(xiàn)了中性點(diǎn)套管接地電極存在的隱患，消除因接地電極懸浮而可能出現(xiàn)的放電性缺陷，提升了設(shè)備運(yùn)行可靠性。

表3 某500 kV 中性點(diǎn)套管電容量測試結(jié)果

目前對于接地電極接地可靠性研究尚缺乏有效的技術(shù)手段，若接地電極引出線斷裂，僅憑常規(guī)例行試驗(yàn)項(xiàng)目難以發(fā)現(xiàn)。除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高安裝、施工質(zhì)量，紅外檢測工作質(zhì)量之外，還可以加強(qiáng)接地電極接地性良好監(jiān)測試驗(yàn)方面的研究，以提升接地電極接地可靠性。

3.4 針對其他缺陷

除了上述缺陷之外，還需要對一些潛在的隱患提高警惕。比如：套管發(fā)生滲漏油會引起主電容量減小，電容芯子受潮將會造成主電容量增大，此時(shí)僅憑借電容量測試結(jié)果很容易造成誤判，需結(jié)合介質(zhì)損耗值研判分析。

套管電容屏發(fā)生擊穿時(shí)，若擊穿屏數(shù)很少，電容量變化較小，未達(dá)到規(guī)程要求注意值時(shí)，通過電容量測試也難以發(fā)現(xiàn)該缺陷。此時(shí)可以結(jié)合其他相套管電容量變化橫向比較，當(dāng)懷疑電容屏發(fā)生擊穿時(shí)，可以采集油樣進(jìn)行色譜分析。表4 所示為某套管電容量測試結(jié)果。

表4 某套管電容量測試結(jié)果

表4 中雖然三相套管電容初值差都未超過±5 %，但是橫向比較發(fā)現(xiàn)相間偏差絕對值超過5 %，已經(jīng)能初步判斷該套管存在問題，需要結(jié)合其他測試手段予以確認(rèn)。另外，輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修規(guī)程例行試驗(yàn)中要求套管電容初值差不超過±5 %。規(guī)程中對于初值的定義較為寬泛，初值可以是廠值、交接試驗(yàn)值、早期試驗(yàn)值、設(shè)備核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修之后的首次試驗(yàn)值等。因套管電容屏電容量變化是逐漸發(fā)展的，若例行試驗(yàn)時(shí)將電容量測試值與上次試驗(yàn)值作對比，在未超出規(guī)程要求的情況下是難以準(zhǔn)確把握電容量變化趨勢的。因此建議將測試值與出廠值或者交接值等早期數(shù)據(jù)比較，可以較為準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)主電容量變化情況。

4 結(jié)論

油紙電容型套管常見缺陷類型有電容屏工藝缺陷、電容芯子受潮、接地電極接地不良等。以上針對不同類型的電容屏缺陷展開分析，得出以下結(jié)論。

(1) 對于明確存在缺陷且不能現(xiàn)場修復(fù)的套管，需結(jié)合停電計(jì)劃盡早更換，避免缺陷繼續(xù)發(fā)展。

(2) 因密封不良導(dǎo)致電容屏受潮將會對設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，需加強(qiáng)現(xiàn)場巡檢以及紅外監(jiān)測。

(3) 目前對于接地電極接地可靠性研究尚缺乏有效的技術(shù)手段，紅外測溫時(shí)應(yīng)注意設(shè)備溫升橫向?qū)Ρ?，同時(shí)結(jié)合例行試驗(yàn)檢查接地電極狀態(tài)。

(4) 套管電容量變化未超出規(guī)程要求不能作為套管電容屏完好的依據(jù)，需結(jié)合其他試驗(yàn)綜合研判，并建議將電容量測試值與出廠值比較，分析電容量變化趨勢，作出正確判斷。