陳 浩，郭 鐵，劉黎洋，高 森

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽(yáng) 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(zhǎng)期運(yùn)行在大電流、高場(chǎng)強(qiáng)的惡劣復(fù)雜環(huán)境下，易出現(xiàn)因過(guò)電壓、諧波、受潮和絕緣劣化等原因而引發(fā)的局部放電、過(guò)熱情況[1]，進(jìn)而導(dǎo)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(guò)對(duì)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(guò)量產(chǎn)氫的問(wèn)題已有研究人員開展過(guò)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(jìn)有機(jī)物分解產(chǎn)氫[3]；水或絕緣油在高溫及電場(chǎng)作用下分解產(chǎn)氫[4]；也有案例顯示在未帶電運(yùn)行的TA中發(fā)現(xiàn)了過(guò)量產(chǎn)氫現(xiàn)象，但介損和絕緣電阻等常規(guī)試驗(yàn)未見(jiàn)異常，TA脫氫后投運(yùn)正常，因此提出過(guò)量產(chǎn)氫和內(nèi)部絕緣問(wèn)題并無(wú)直接聯(lián)系的觀點(diǎn)[5]。本文針對(duì)遼寧電網(wǎng)近年來(lái)發(fā)生的多起不同工況下過(guò)量產(chǎn)氫的TA進(jìn)行試驗(yàn)和解體分析，查找出多起過(guò)量產(chǎn)氫問(wèn)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(chǎng)強(qiáng)不均導(dǎo)致故障產(chǎn)氫，對(duì)“褶皺”產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析并對(duì)TA的制造和運(yùn)行提出建議。

1 油浸式電流互感器過(guò)量產(chǎn)氫現(xiàn)象

遼寧電網(wǎng)近年來(lái)出現(xiàn)多起TA過(guò)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(biāo)(超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)量產(chǎn)氫會(huì)導(dǎo)致TA內(nèi)部壓力增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將膨脹器異常頂起，造成設(shè)備變形，甚至引起本體炸裂。過(guò)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(duì)遼寧電網(wǎng)近年多起TA過(guò)量產(chǎn)氫案例進(jìn)行綜合分析, 以220 kV電壓等級(jí)設(shè)備為例，共收集了13臺(tái)過(guò)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(dá)1000 μL /L；3起大于100 μL /L不超過(guò)1000 μL /L。這些異常的TA，有的投運(yùn)超過(guò)了15年，有的僅僅投運(yùn)1～2年，從數(shù)據(jù)上看，產(chǎn)氫的含量多少與年份并無(wú)直接關(guān)聯(lián)。本文選取2起比較典型的TA過(guò)量產(chǎn)氫案例，并對(duì)故障TA進(jìn)行試驗(yàn)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(jí)運(yùn)行中TA金屬膨脹器異常頂起上蓋。帶電取油樣進(jìn)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(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jìn)一步確認(rèn)故障及分析原因，對(duì)該臺(tái)設(shè)備返廠解體。

2.1.1 解體前的電氣試驗(yàn)

該故障設(shè)備為2000年出廠產(chǎn)品，為L(zhǎng)CWB7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(yàn)可能會(huì)對(duì)其造成二次損傷而影響對(duì)其原始故障原因的分析，因此，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行如下試驗(yàn)：①絕緣電阻測(cè)試；②電氣試驗(yàn)前后介電損耗因數(shù)及電容量測(cè)試；③局部放電試驗(yàn)；④電氣試驗(yàn)前后油中溶解氣體分析；⑤油耐壓、微水及油介損試驗(yàn)[6]。

a.絕緣電阻測(cè)試。一次繞組對(duì)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(duì)二次及地為2500 MΩ。

b.介電損耗因數(shù)及電容量測(cè)試。電氣試驗(yàn)前后分別測(cè)量了試品的介電損耗因數(shù)(以下簡(jiǎn)稱“介損”)和電容量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 介損及電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

d.電氣試驗(yàn)前后油中溶解氣體分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(duì)故障TA進(jìn)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(wú)變形，油箱壁無(wú)明顯放電；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實(shí)，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(duì)TA的一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內(nèi)進(jìn)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(fù)平整。絕緣紙的橫向“褶皺”見(jiàn)圖2。

圖2 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2 案例2

國(guó)家電網(wǎng)有限公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中要求，新投運(yùn)的110(66) kV及以上電壓等級(jí)電流互感器投運(yùn)后1～2年內(nèi)應(yīng)取油樣進(jìn)行油中溶解氣體組分分析。試驗(yàn)人員對(duì)已投運(yùn)8個(gè)月的某220 kV電壓等級(jí)運(yùn)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(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的注意值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jìn)一步確認(rèn)故障及分析原因，對(duì)該臺(tái)設(shè)備返廠解體。

2.2.1 解體前的電氣試驗(yàn)

該故障設(shè)備為2019年出廠產(chǎn)品，為L(zhǎng)CWB7油浸式正立型產(chǎn)品。對(duì)故障產(chǎn)品開展以下試驗(yàn)：①絕緣電阻測(cè)試；②電氣試驗(yàn)前后介電損耗因數(shù)及電容量測(cè)試；③工頻耐壓試驗(yàn)；④局部放電試驗(yàn)；⑤電氣試驗(yàn)前后油色譜分析；⑥油耐壓、微水及油介損試驗(yàn)。

a.絕緣電阻測(cè)試。一次繞組對(duì)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(duì)二次及地為2500 MΩ。

b.介損及電容量測(cè)試。電氣試驗(yàn)前后分別測(cè)量了試品的介損和電容量，測(cè)量的結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 介損及電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

表7 局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

e.電氣試驗(yàn)前后油中溶解氣體分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(yàn)。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(yàn)顯示，該TA一、二次絕緣正常；由表6 測(cè)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(wèn)題；由工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)備內(nèi)部不存在絕緣擊穿；由表7局放測(cè)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(yàn)在加壓2 min內(nèi)，TA的局放量均未超過(guò)20 pC，而在2～5 min的過(guò)程中局放值上升37 pC；由表8可知，試驗(yàn)前后試品油中溶解氣體中氫氣含量略有增長(zhǎng)，可判斷設(shè)備內(nèi)部仍存在低能量放電；對(duì)絕緣油進(jìn)行油耐壓、微水及油介損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)異常，表明絕緣油沒(méi)有進(jìn)水受潮和污染劣化現(xiàn)象。

2.2.2 解體檢查

對(duì)故障TA進(jìn)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(wú)變形或開裂，油箱壁無(wú)放電痕跡；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實(shí)，繞組及各接頭未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。

拆開TA末屏，對(duì)一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內(nèi)進(jìn)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(fù)平整，絕緣紙橫向“褶皺”見(jiàn)圖3。

圖3 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2.3 試驗(yàn)及解體結(jié)果對(duì)比

對(duì)比2臺(tái)故障TA的試驗(yàn)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(yàn)局放量超標(biāo)、試驗(yàn)前后油中溶解氣體氫氣含量略有增加；對(duì)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(yùn)行將近20年檢測(cè)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(yùn)行僅8個(gè)月時(shí)間檢測(cè)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(yàn)和解體方法對(duì)遼寧電網(wǎng)近年來(lái)的多臺(tái)過(guò)量產(chǎn)氫TA開展研究，得到了相似的試驗(yàn)結(jié)果和解體現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比研究多臺(tái)過(guò)量產(chǎn)氫的TA，分析認(rèn)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(guò)量產(chǎn)氫的主要原因。“褶皺”的存在，使絕緣紙之間形成大量“空腔”，造成場(chǎng)強(qiáng)變得不均勻，在長(zhǎng)期的運(yùn)行電壓下局部過(guò)熱產(chǎn)生過(guò)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(duì)緊實(shí)且絕緣油流動(dòng)緩慢，氣體通道貫通慢，不易擴(kuò)展，油中溶解氣體檢測(cè)出故障也需要較長(zhǎng)時(shí)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(cè)及時(shí)，過(guò)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(shí)平整無(wú)“褶皺”，與絕緣紙的質(zhì)量、工人操作工藝、設(shè)備自動(dòng)化水平等因素有關(guān)。同時(shí)，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(shí)間不足等問(wèn)題，也會(huì)加劇氣體的產(chǎn)生。針對(duì)此類問(wèn)題，對(duì)設(shè)備制造商和運(yùn)行單位提出以下建議。

a.設(shè)備制造商應(yīng)加強(qiáng)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(shí)。

b.設(shè)備制造商在絕緣紙的選擇上要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，選用達(dá)標(biāo)、優(yōu)質(zhì)的原材料；對(duì)于過(guò)于老舊、性能受影響的絕緣紙纏繞機(jī)要進(jìn)行更換。

c.要特別注意TA真空干燥環(huán)節(jié)真空度、真空時(shí)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(biāo)準(zhǔn)和要求。

d.在對(duì)故障TA開展局部放電試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，多臺(tái)試品在加壓2 min后，出現(xiàn)局放量超標(biāo)。因此在開展該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，建議參照國(guó)家電網(wǎng)有限公司《十八項(xiàng)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(yàn)時(shí)，局部放電試驗(yàn)的測(cè)量時(shí)間延至5 min。

e.根據(jù)油浸式TA的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)備運(yùn)行單位應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程開展油中溶解氣體含量分析，對(duì)于油中溶解氣體含量未超過(guò)注意值，但已明顯高于同間隔的其他相、或較上次測(cè)試值有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)復(fù)測(cè)，并縮短檢測(cè)周期。