鄭利娜 黃平兒

（海南核電有限公司 海南?？冢?/p>

一、概述

目前電容式套管最廣泛的應(yīng)用于變壓器高壓套管，其絕緣特性好壞是影響電力變壓器安全可靠運(yùn)行的主要因素之一。電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)（以下簡稱介損）是高壓套管絕緣狀態(tài)的主要參數(shù)，能宏觀地評價絕緣基本狀態(tài)，因此測量電容量和介損具有重大意義?？紤]到核電特殊性和安全性，及電容式設(shè)備高概率故障特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前在線監(jiān)測裝置的發(fā)展以及世界和運(yùn)行者協(xié)會WANO SORE 2011-1重大運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)報告對大功率變壓器要求（WANO SORE 2011-1），海南昌江核電在設(shè)備采購時技術(shù)規(guī)格書中要求設(shè)置主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測裝置，用以進(jìn)行實(shí)時測量與預(yù)警套管絕緣性能。

然而，電容式套管因結(jié)構(gòu)與制造工藝特點(diǎn)，易發(fā)生末屏接地故障，一旦裝設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)將加劇問題的凸顯，如套管結(jié)構(gòu)與制造工藝不足、在線測量技術(shù)、末屏接地不良等問題。為此，本文就裝設(shè)在線監(jiān)測裝置的必要性和可行性進(jìn)行了深入分析，特別是通過絕緣離線監(jiān)測與在線監(jiān)測裝置的對比分析，經(jīng)過與設(shè)計院和制造廠共同分析和比較，認(rèn)為在滿足技術(shù)規(guī)格書總體性能要求前提下，取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測裝置是必要的。最終海南昌江核電主變壓器高壓套管采用離線檢測方法，并結(jié)合制造廠實(shí)際情況提出了相對合理的優(yōu)化方案。筆者就海南昌江核電主變壓器高壓套管結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)，及電容式套管絕緣監(jiān)測裝置，分為幾個方面進(jìn)行了分析比較。

二、海南昌江核電主變壓器高壓套管結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

海南昌江核電主變壓器高壓套管采用的油-SF6干式電容式套管是ABB RTKG245-1050/2000真空樹脂澆注紙絕緣油-SF6電容式套管（以下簡稱電容式套管）。該套管下部在變壓器油箱內(nèi)部的變壓器油中，上部處于SF6氣體（GIL）中，使主變壓器通過GIL管道與SF6全封閉組合電器（GIS）連接。該電容式套管電容包由瓷套、電容芯、中心銅管、安裝法蘭、均壓球等組成，主結(jié)構(gòu)是1個電容（圖1），即在導(dǎo)電桿上包許多絕緣層，其間根據(jù)場強(qiáng)分布特點(diǎn)夾有許多鋁箔，組成一串同心圓柱形電容器，最外面一層鋁箔為套管末屏。通過末屏可以測量套管的電容量和介損，判斷其絕緣狀況。因其電容包含導(dǎo)電桿（主絕緣）對末屏的電容C1和末屏對法蘭的電容C2兩部分，所以在變壓器運(yùn)行且無加裝絕緣在線監(jiān)測裝置時，因接地彈簧與末屏銅柱接觸連接，末屏通過接地彈簧引線直接接地，運(yùn)行時電壓全部作用于套管電容C1，末屏對地電容C2不承受電壓。

由于電容式套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝問題，易出現(xiàn)芯子紙板間隙過大、密封不良間隙進(jìn)水受潮等問題，導(dǎo)致末屏絕緣問題、接地不良等故障造成局部放電，甚至引起變壓器爆炸。因此，測量導(dǎo)電桿對末屏的電容 C1和介損 tanδ1、末屏對法蘭的電容C2和介損tanδ2對有效防止套管運(yùn)行中發(fā)生爆炸事故，以便及時做預(yù)防或處理方案。

圖1 套管電容結(jié)構(gòu)

三、電容式套管絕緣監(jiān)測裝置的功能與用途

1.電容式套管電容量C和tanδ測量原理

在交流電壓作用下套管絕緣的等值電路和向量如圖2，由圖可見，流過介質(zhì)的電流I由電容電流分量IC和電阻電流分量IR兩部分組成，IR就是因介質(zhì)損耗而產(chǎn)生的，IR使流過介質(zhì)的電流偏離電容型電流IC的角度 δ。 通常IC＞＞IR，介損角 δ甚小。則介質(zhì)的功率損耗P=UIR=UICtanδ=U2ωCxtanδ，tanδ為介損，Cx為電容量，能反映因套管絕緣進(jìn)水、進(jìn)氣受潮和電容屏放電、燒傷等因素引起的介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等。

圖2 套管絕緣的等值電路和向量

目前，無論電容式套管絕緣離線（停電）檢測還是在線（帶電）檢測，均是測量電容 C、介損tanδ等反映介電特性的參數(shù)，其不同的是檢測結(jié)果反映設(shè)備的不同階段狀態(tài)，且測量儀器差別較大。

2.電容式套管絕緣離線檢測裝置

目前離線測量介損與電容量的常用儀器有西林電橋、不平衡電橋和數(shù)字式自動介損測試儀。進(jìn)行套管絕緣測試時常用試驗(yàn)接線方法有正接法和反接法。由于《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》未明確規(guī)定該項(xiàng)試驗(yàn)的現(xiàn)場接線方法，實(shí)際上往往參考出廠采用的接線方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及對比分析安裝前后套管質(zhì)量變化。以海南昌江核電1#機(jī)組A相為例，測量不同階段的套管絕緣試驗(yàn)結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)（表1，注：參照GB 50150-2006電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程）。由表1可看出，僅測量了套管安裝前導(dǎo)電桿對末屏之間的電容C1和介損tanδ1，及安裝后繞組連同套管的電容和介損，其雖驗(yàn)證了套管出廠及交付現(xiàn)場后絕緣情況，但未進(jìn)行安裝前末屏對地、安裝后導(dǎo)電桿對末屏與末屏對地的電容和介損測量。因此，就不能反映整個套管絕緣情況。在海南昌江核電不僅主變壓器高壓套管如此，主變壓器高壓中性點(diǎn)套管、低壓套管，及輔變高壓套管和中性點(diǎn)套管均存在此種情況。

3.電容式套管絕緣在線監(jiān)測裝置

海南昌江核電擬裝設(shè)的IMM2000型電容式設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，由電壓采集單元、泄漏電流采集單元、各電源電流傳感器等組成，其測試原理及套管等值電路見圖3。

該裝置將通過穿心式電流傳感器串接在高壓套管Cx末屏接地上，以及安裝在GIS室母線PT二次端子上的信號取樣單元，分別獲取高壓套管Cx的末屏接地電流信號Ix和PT二次電壓信號，電壓信號經(jīng)過精度電阻轉(zhuǎn)化為電流信號In，兩路電流經(jīng)過濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，利用諧波分析法提取基波分量，并計算出其相位差和幅度比，從而獲得套管的介損tanδ和電容Cx。

表1 測量不同階段的套管絕緣試驗(yàn)結(jié)果

圖3 套管在線絕緣監(jiān)測原理及等值電路圖

由于變壓器在運(yùn)行中末屏直接接地，運(yùn)行電壓全部加在C1上，C2則因末屏和法蘭均可靠接地而被短接，不承受電壓。因此，絕緣在線監(jiān)測裝置測量的是套管電容C1、介損tanδ1及Ix，無法同時在線檢測末屏對地電容和介損。

四、取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測裝置原因分析

1.高壓套管末屏與絕緣在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)不匹配

若采用該結(jié)構(gòu)，在安裝時，絕緣在線監(jiān)測裝置iIMM202利用絕緣件頂開接地彈簧與末屏，只能用內(nèi)徑為4 mm卡套鎖緊末屏并引出通過電流傳感器接地，且外徑要求小于10.5mm（ 圖 4） 。

圖4 末屏與卡套配合圖

因該套管末屏引線柱外徑僅為4 mm，而絕緣在線監(jiān)測裝置iIMM2020的卡套裝置最小直徑為16 mm（圖5），無法鎖緊末屏4 mm引線柱，也無法彈開接地彈簧的絕緣件，導(dǎo)致無法匹配安裝，而其又無法同時測量導(dǎo)電桿對末屏及末屏對地電容、介損，所以在此討論套管加裝絕緣在線監(jiān)測裝置或電氣連接完整性就顯得無意義。

2.增加帶浪涌保護(hù)裝置的適配器改變電氣設(shè)備完整性

為解決絕緣在線監(jiān)測裝置iIMM2020卡套不能既鎖緊4 mm末屏銅柱，又能絕緣開接地彈簧片的問題，而增加帶浪涌保護(hù)裝置的適配器，可將接地彈簧片與末屏銅柱分離，并分別通過適配器引出，再通過串聯(lián)在線絕緣監(jiān)測裝置的電流傳感器接地。此方法理論上可行，但出現(xiàn)以下問題。

（1）在一定程度上改變一次電氣設(shè)備完整性， 而《Q/GDW 534-2010變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》要求在線監(jiān)測系統(tǒng)接入不應(yīng)改變一次電氣設(shè)備的完整性和正常運(yùn)行。

（2）增加末屏銅柱與引出線之間不可靠連接的概率，一旦運(yùn)行將造成末屏接地不良，使末屏對地形成一個電容，按照電容串聯(lián)原理，將在末屏與地之間形成很高的懸浮電壓，導(dǎo)致末屏對地放電，甚至套管爆炸。

圖5 iIMM2020在線監(jiān)測裝置與末屏的配合結(jié)構(gòu)

3.兩種監(jiān)測方案的對比（表2）

表2 兩種監(jiān)測方案的對比

目前暫不討論絕緣在線監(jiān)測裝置是否能測量整個套管電容和介損，以及核電運(yùn)行業(yè)績等，但就套管末屏與在線監(jiān)測裝置接口不匹配，或增加適配器改變一次電氣設(shè)備完整性等對變壓器運(yùn)行安全帶來的隱患。況且，絕緣在線監(jiān)測裝置采購、校驗(yàn)及維護(hù)成本相對高。而且海南昌江核電除了主變壓器高壓套管外，還有主變壓器低壓、高壓中性點(diǎn)套管，輔助變高壓和中性點(diǎn)套管等均為電容式設(shè)備也無法減少介損測試儀的采購成本。因此，無論從技術(shù)上還是投資上而言，主變壓器高壓套管以取消絕緣在線監(jiān)測裝置，采用絕緣離線檢測設(shè)備為宜。

目前絕緣在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展是提高電站未來自動化監(jiān)測水平的方向，通過實(shí)施主變壓器套管帶電測試技術(shù)檢測設(shè)備運(yùn)行狀況，可減少主變預(yù)防性試驗(yàn)停電的時間和次數(shù)，且在變電站已逐漸向更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用邁進(jìn)，但要在核電站得以應(yīng)用至少應(yīng)在下列任意問題上取得新的突破。

（1）通過增加適配器來解決末屏與在線監(jiān)測裝置接口匹配問題，不僅改變原有電氣接線方式，還受限于末屏接地方式。目前市場套管生產(chǎn)廠家多，導(dǎo)致套管末屏結(jié)構(gòu)和接地方式較多，這就需要研究單位與供應(yīng)商在套管末屏接口開發(fā)與套管在線監(jiān)測/帶電檢測技術(shù)方面充分考慮，采用更加合理的末屏結(jié)構(gòu)和接地方式。

（2）進(jìn)行該類電容式套管末屏直接接地故障概率與增加絕緣在線監(jiān)測后可能發(fā)生的故障概率統(tǒng)計，以便定性分析是否需要增加在線監(jiān)測，也利于使用單位根據(jù)各自需求做出選擇。

五、絕緣離線測量改進(jìn)方法

在實(shí)際中，海南核電主變壓器高壓套管僅測量安裝前主絕緣及安裝后變壓器繞組電容介損，不能全面地反映套管質(zhì)量狀態(tài)。為驗(yàn)證套管及變壓器安全運(yùn)行是否在限度之內(nèi)，建議采用新的方法并增加安裝前末屏對地、安裝后導(dǎo)電桿對末屏與末屏對地，及運(yùn)行后例行試驗(yàn)或檢修后導(dǎo)電桿對末屏、末屏對地等電容與介損，具體如下：套管安裝前，采用正接法將高壓套管末屏引線接至電橋Cx端，套管端部接至電橋高壓端，測量導(dǎo)電桿對末屏的電容C1和介損tanδ1（圖6）。再采用反接法將套管末屏引線接至電橋的電橋Cx端，套管的端部短路接至電橋的屏蔽端，測量末屏對法蘭的電容C2和介損tanδ2（圖6）。

圖6 測試套管正/反接法

套管安裝后，通過從變壓器吊出來單獨(dú)測量將會增大末屏接觸不良概率，例行試驗(yàn)應(yīng)大部分情況下在套管安裝變壓器后進(jìn)行，其電容結(jié)構(gòu)變化（圖7）。

圖7 套管安裝后電容結(jié)構(gòu)

安裝后，因變壓器繞組電容、套管電容C1以及套管電容C2為連接在一起無法分離，直接采用正接法和反接法只能測量繞組連同套管介損和電容，要測量安裝后套管電容和介損，需采用方法如下。

（1）采用圖7正接法測量套管導(dǎo)電桿至末屏之間的介損tanδ1和電容 C1。

（2）采用帶屏蔽的反接法測量套管末屏對地電容C2和介損tanδ2，由于C2的一極為套管法蘭，此法蘭與變壓器油箱無法分離，所以將介損測試儀的高壓輸出端接到套管測量端子，屏蔽端接到套管線端（圖8）。因屏蔽線與高壓輸出線基本為同一電位，所以電容C1上無電流，而變壓器繞組電容上流過的電流直接由屏蔽線提供，沒有進(jìn)入測量用的采樣電阻中。

圖8 反接法原理圖

按照此方法測量，不僅全面驗(yàn)證套管各個階段的絕緣情況，而且為例行測量套管電容和介損提供方法，及為后期套管常規(guī)維護(hù)、檢修提供比對基準(zhǔn)。

六、結(jié)語

經(jīng)過分析論證，絕緣在線監(jiān)測技術(shù)雖然是提高核電站未來自動化監(jiān)測水平的方向，但目前尚無數(shù)據(jù)統(tǒng)計和經(jīng)驗(yàn)反饋，也無實(shí)驗(yàn)室量化計算。要在核電站應(yīng)用至少應(yīng)解決其關(guān)鍵問題后再逐步得以實(shí)施。海南昌江核電取消主變壓器高壓套管絕緣在線監(jiān)測裝置，而采用離線監(jiān)測裝置，降低了套管末屏對地?fù)舸┑纫鹛坠苌踔磷儔浩鞴收系母怕?，根?jù)要求還可隨時進(jìn)行校驗(yàn)，同時其檢測數(shù)據(jù)比較全面，尤其是套管出廠、安裝前后、電廠例行與檢修后試驗(yàn)等應(yīng)用比較多。

總之，海南昌江核電工程采用技術(shù)上更為可靠而且應(yīng)用業(yè)績較多的離線監(jiān)測裝置在技術(shù)上是合理的，而且可降低設(shè)備采購成本也可降低運(yùn)行費(fèi)用。由于在項(xiàng)目執(zhí)行過程或現(xiàn)場安裝調(diào)試中均會出現(xiàn)很多類似問題，這就不僅需要項(xiàng)目管理人員具有較強(qiáng)的項(xiàng)目管理能力，而且也對項(xiàng)目管理人員專業(yè)問題發(fā)現(xiàn)、提出及解決的能力及專業(yè)水平提出更高要求，同時通過本文論述也為電容式套管帶電檢測接口的研究提供參考。