楊 智，李 晨，蔣 鵬，趙 琳，周路遙，于 兵

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

變壓器套管是變壓器最重要的附件之一，它是將變壓器內(nèi)部的高、低壓引線引到油箱外部的出線裝置。套管作為引線對地的絕緣，還擔(dān)負(fù)著固定引線的作用。因此，它必須達(dá)到規(guī)定的電氣和機械強度。套管在運行中除應(yīng)承受長期負(fù)載電流外，還應(yīng)能承受短路時的瞬時過流，即應(yīng)有良好的熱穩(wěn)定性。如果套管存在缺陷或發(fā)生故障，將直接危及變壓器的安全運行及其供電可靠性[1-5]。

2011—2014年，電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生多起上海MWB互感器有限公司COT型套管缺陷引起的220 kV及110 kV主變壓器故障。其中，浙江電網(wǎng)發(fā)生2起220 kV套管爆炸事故，運行過程中也發(fā)現(xiàn)幾支220 kV套管C2H2（乙炔）超標(biāo)；型號為COT-800的110 kV套管同期發(fā)生4次故障，其生產(chǎn)日期集中在2005—2007年，發(fā)生放電或爆炸的部位集中在套管電容屏部分。因此，檢測和分析套管的缺陷類型及故障原因，提出異常處理對策，具有重要意義。

為了查明套管故障發(fā)展過程和主要誘因，本文選取若干基于顯著性差異原理統(tǒng)計分析而認(rèn)定為存在缺陷的110 kV套管，對其試驗、解體及仿真計算結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 套管排查數(shù)據(jù)分析

上海MWB公司COT型套管發(fā)生故障前后介質(zhì)損耗因數(shù)（以下簡稱“介損”）、電容量或油色譜數(shù)據(jù)存在異常，其他數(shù)據(jù)未見異常。為了分析事件原因，對浙江電網(wǎng)在運的387支220 kV和207支110 kV COT型套管進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)排查，220 kV套管型號主要有COT 1050-800和COT 1050-1250，110 kV套管型號主要有COT 550-800，COT 550-1250，COT 550-1600和 COT 550-2000，采用統(tǒng)計學(xué)方法分析出廠數(shù)據(jù)及本次排查過程中所獲取的數(shù)據(jù)。

1.1 顯著性差異分析

文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了顯著性差異分析方法。顯著性差異分析是統(tǒng)計學(xué)上對數(shù)據(jù)差異性的評價手段，是指當(dāng)數(shù)據(jù)之間存在顯著性差異時說明參與比對的數(shù)據(jù)可能來自具有差異的2個不同總體，或者同一總體由于實驗處理導(dǎo)致實驗對象發(fā)生了根本性狀改變，可作為油紙電容式套管介損數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的工具。進(jìn)行顯著性差異分析的數(shù)據(jù)需滿足以下前提：參與統(tǒng)計的樣本數(shù)據(jù)來源于同一總體；樣本數(shù)據(jù)分布服從正態(tài)分布。

套管試驗參數(shù)的顯著性差異分析流程如圖1所示。

圖1 顯著性差異分析流程

依據(jù)圖1分析流程，以220 kV套管的介損值為例，顯著性差異分析包括以下內(nèi)容：

（1）確定數(shù)據(jù)樣本

220 kV套管出廠試驗及本次排查試驗中測得的介損值分布如圖2所示。由圖可知，220 kV套管的出廠試驗介損值分散性較小，主要集中在0.2%～0.4%的區(qū)間，與出廠時間未見明顯相關(guān)性；排查過程中測得的介損值分散性較大，最高值達(dá)到0.706%，且介損值較大的樣本套管出廠年份主要集中在2008—2010年，運行年限4～6年。整體來看，排查過程中測得的介損值在不同運行年限上的分布基本相同，年變化率小于0.005%，并沒有隨著運行年限的增長而出現(xiàn)明顯的增長趨勢。因此可以對不同運行年限套管測得的介損值進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。

圖2 介損值的出廠時間/運行年限分布

（2）箱式圖分析

箱式圖用于數(shù)據(jù)平均水平和變異程度的直觀分析比較，每組數(shù)據(jù)均可呈現(xiàn)最小值、最大值、平均水平，最小值、最大值形成的間距可以反映數(shù)據(jù)的變異程度。箱式圖分析可以初步篩選樣本中某些與其他數(shù)據(jù)有明顯偏離的取值。這些取值可能緣于讀數(shù)錄入的錯誤或真實存在的極端現(xiàn)象，分析時如果不剔除可能導(dǎo)致參數(shù)估計的偏離、統(tǒng)計分布的錯判，進(jìn)而影響統(tǒng)計方法的選擇和結(jié)果解釋。明顯偏離的極端值一般采取直接剔除的處理方法，并采用“*”來表示。

出廠試驗及排查試驗中樣本套管介損值的箱式圖分布如圖3所示，圖中數(shù)字表示樣本編號，橫線表示最大值或最小值，小圓圈表示偏離最大值或最小值的點。出廠試驗介損值基本處于0.2%～0.5%，波動較小，沒有明顯偏離的極端值；而排查試驗中有一部分介損值處于0.6%～0.7%，屬于明顯偏離的極端值。在排除測試誤差等因素后，這些明顯偏離的極端值表明該部分樣本套管存在異常。

圖3 介損值箱式圖

（3）直方圖分析

直方圖是表示特性值頻度分布的柱狀圖，利用一系列高度不等的縱向條紋或線段表示數(shù)據(jù)的分布。直方圖可以解析樣本的規(guī)則性，比較直觀地反映出樣本的分布狀態(tài)。

如果有異常值，需將其剔除后再繪制直方圖。以出廠試驗介損值為例，因其無異常值，便可直接繪制直方圖，如圖4所示。從圖中可以看出，出廠試驗介損值的分布接近正態(tài)分布。

（4）非參數(shù)校驗及顯著性差異分析

圖4 出廠試驗介損值直方圖

顯著性差異分析的數(shù)據(jù)必須服從正態(tài)分布，所以需要對出廠介損數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗。

樣本的非參數(shù)檢驗采用K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗方法進(jìn)行。K-S檢驗是基于累積分布函數(shù)檢驗樣本是否來自某一特定分布的方法。K-S檢驗比較樣本數(shù)據(jù)的累計頻數(shù)分布和特定理論分布，若兩者間的差距小于要求值，則推論該樣本取自該分布。利用K-S校驗方法對樣本進(jìn)行正態(tài)分布校驗時一般用Dn（統(tǒng)計量）和n（樣本數(shù)）反推接受原假設(shè)的顯著性水平β值，若β值大于0.05%則表明樣本接受原假設(shè)，服從正態(tài)分布；若β值小于0.05%則表明樣本拒絕原假設(shè)，不服從正態(tài)分布。

利用K-S檢驗方法對剔除異常值后的出廠介損數(shù)據(jù)和排查介損數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗。檢驗結(jié)果顯示，出廠試驗介損值為0.60%，大于0.05%，服從正態(tài)分布。其均值μ與方差δ分別為0.308和0.037，根據(jù)樣本顯著性差異條件：

式中：μ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量；α表示樣本的顯著性水平，統(tǒng)計離群值的顯著性水平一般取0.01，查正態(tài)分布表獲取顯著性水平0.01時單側(cè)u1-α值為2.326。

代入式（1）可得樣本顯著性差異條件為x＞0.393。表明出廠試驗介損值大于0.393%的值與正常值具有顯著性差異。

1.2 套管試驗參數(shù)邊界值

根據(jù)1.1介紹的顯著性差異分析方法，以及Q/GDW 1168-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》[7]要求，得出了出廠試驗介損值、排查試驗介損值、介損初值差、電容初值差等狀態(tài)量正常閾值，即各試驗參數(shù)存在顯著性差異的邊界值，見表1。

表1 套管排查狀態(tài)量閾值

2 試驗分析

2.1 試驗樣品信息

由于套管尺寸、試驗設(shè)備容量、試驗場地的限制，選取110 kV電壓等級的套管進(jìn)行試驗。按照表1中的套管排查狀態(tài)量閾值，選取的異常套管信息如表2所示。

表2中，編號8016568和060728的套管排查試驗介損值超過表1的邊界值；編號060727的套管介損初值差超過表1的邊界值；編號060726的套管油中溶解氣體超過注意值，C2H2濃度超過 1 μL/L， H2濃度超過 50 μL/L， 總烴濃度超過50 μL/L，疑似運行期間發(fā)生放電；編號8000435的套管電容初值差超過表1的邊界值；上述5支套管的試驗參數(shù)均存在顯著性差異，具有一定的代表性。編號8016570的套管各項試驗數(shù)據(jù)無明顯異常，作為對照被試品。

2.2 試驗方案

試驗采用雷電沖擊試驗及整體加熱試驗?zāi)M運行中套管遭受的過電壓及大負(fù)荷工況。在沖擊或加熱試驗后，參照DL/T 865-2004《126 kV-550 kV電容式瓷套管技術(shù)規(guī)范》[8]和GB 1094.3-2003《電力變壓器 第3部分：絕緣水平、絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》[9]分別進(jìn)行交流耐壓、局部放電測量（以下簡稱“局放”）及介損等診斷性試驗，進(jìn)而判斷絕緣狀況[10-11]。具體試驗流程見圖5。

圖5 套管試驗流程

圖5套管試驗流程中，每一輪雷電沖擊輻值均為550 kV，正負(fù)極性各15次；整體加熱試驗根據(jù)GB 1094.2《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》[12]的規(guī)定，將被試套管本體整體置于大型加熱裝置內(nèi)模擬大負(fù)荷工況下套管溫升，保證頂層油溫溫升不超過60K，環(huán)境高溫45℃時則頂層油溫不超過105℃。診斷性試驗包括油色譜分析、油介損及耐壓試驗、套管本體介損試驗、套管交流耐壓和局放試驗。現(xiàn)場局放過程需采取抗干擾措施，準(zhǔn)確判讀真實放電信號及局部放電量值[13]。當(dāng)診斷性試驗結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，即認(rèn)為套管絕緣出現(xiàn)劣化。

2.3 試驗結(jié)果

分別選取3支套管進(jìn)行整體加熱和雷電沖擊耐壓試驗，其中進(jìn)行整體加熱的套管編號分別為060727，060728和8000435，進(jìn)行雷電沖擊耐壓試驗的套管編號分別為8016570，8016568和060726。

（1）整體加熱

整體加熱前以及3輪加熱后分別進(jìn)行診斷性試驗，以編號060728的套管為例，診斷性試驗中的油色譜及介損因數(shù)測試數(shù)據(jù)見表3，表中步驟分別對應(yīng)圖5中的步驟。

表2 被試套管信息

表3 060728套管的診斷性試驗數(shù)據(jù)

由于套管在更換后至試驗前的時間間隔已經(jīng)超過1年，試驗期間的色譜數(shù)據(jù)與最后一次排查結(jié)果相差較大，但總體上套管油色譜及含水量數(shù)據(jù)并未超過標(biāo)準(zhǔn)要求或存在顯著性差異，并且在超過120℃時，套管油中水分含量也并未受外部潮氣影響，出現(xiàn)了明顯下降。因此，套管長時間保持在其最高運行溫度下并未對其油紙絕緣造成本質(zhì)影響。

盡管編號060728的套管在排查試驗中介損值存在顯著性差異，但3支被試品的介損數(shù)據(jù)在試驗期間均未發(fā)生明顯變化，基本保持恒定，電容量的變化也未超過5%。說明在該溫度下，套管內(nèi)部整體絕緣并未出現(xiàn)劣化的情況。

其后對被試套管按出廠試驗要求進(jìn)行耐壓試驗，在230 kV以及在Ur（126 kV）下測量套管的局放，即使在運行一段時間后退出并長時間水平放置，套管整體加熱后置于大濕度環(huán)境下，在工頻電壓下仍然保持良好的絕緣性能，并未發(fā)現(xiàn)明顯的局部缺陷。

（2）雷電沖擊耐壓試驗

在雷電沖擊耐壓試驗前后進(jìn)行了診斷性試驗，其中編號8016568的套管在第1輪雷電沖擊試驗時未出現(xiàn)擊穿，然而在試驗后未通過局放試驗，具體試驗數(shù)據(jù)見表4。

雷電沖擊后進(jìn)行局放測量，在試驗電壓加至Ur（126 kV）時，放電量小于背景值7 pC，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；繼續(xù)升壓進(jìn)行耐壓試驗，同時監(jiān)視局放，當(dāng)電壓升至170 kV時出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，幅值在65～80 pC；繼續(xù)升壓，當(dāng)電壓升至194 kV時被試套管放電量陡增至3 000 pC以上；為避免發(fā)生擊穿后造成局放測量回路損壞，斷開電源繼續(xù)升壓，并在通過耐壓試驗后，將電壓降至140 kV左右重新接回局放儀記錄熄滅電壓，熄滅電壓為105 kV。為確認(rèn)套管的內(nèi)部放電情況，進(jìn)行第2次局放及耐壓試驗，在試驗電壓升至114 kV（約0.9Ur）時即出現(xiàn)明顯放電，放電量約30 pC；在試驗電壓126 kV時放電量增加至50 pC；在試驗電壓177 kV時放電量達(dá)到3 000 pC以上，局放熄滅電壓為97 kV。結(jié)合2次試驗發(fā)現(xiàn)，放電的起始電壓和熄滅電壓均出現(xiàn)下降。

表4 套管局放及耐壓試驗數(shù)據(jù)

試驗后靜置18 h，對被試套管取油進(jìn)行油色譜分析，試驗前后油色譜情況見表5。

表5 套管油色譜及含水量數(shù)據(jù)

可以發(fā)現(xiàn)，長時間放置后，套管油中各類特征氣體出現(xiàn)了大幅度下降，結(jié)合雷電沖擊前的絕緣診斷性試驗，判斷在雷電沖擊前被試套管絕緣完好。套管在耐壓試驗中出現(xiàn)放電后，套管油中各類特征氣體均出現(xiàn)明顯上升，其中C2H2濃度達(dá)到0.18 μL/L。因此，根據(jù)油色譜數(shù)據(jù)可判斷套管存在內(nèi)部放電。

綜合試驗情況認(rèn)為該套管內(nèi)部存在絕緣薄弱點，在雷電沖擊的激發(fā)下該薄弱點的絕緣進(jìn)一步劣化，在低于絕緣水平的電壓激發(fā)下絕緣薄弱區(qū)域出現(xiàn)局放，該放電隨著電壓的升高持續(xù)發(fā)展，雖然被試套管最終通過了耐壓試驗，但放電在Ur下無法熄滅，最終導(dǎo)致套管發(fā)生故障。

編號060727和8016570的套管在局放及耐壓試驗中未出現(xiàn)明顯放電現(xiàn)象，試驗前后油色譜數(shù)據(jù)未出現(xiàn)大幅增長，表明該套管在更高電壓的激發(fā)下，局放并無實質(zhì)性發(fā)展，絕緣情況未出現(xiàn)下降的跡象。運行中出現(xiàn)的油色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)由于運行中末屏接觸不良，造成懸浮放電所致，但因套管存放時間過長，末屏未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。

（3）試驗結(jié)論

結(jié)合6支套管的試驗數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

在套管整體加熱試驗過程中，套管絕緣未出現(xiàn)明顯劣化傾向，可認(rèn)為套管滿足在現(xiàn)場極端條件下運行的條件。

在經(jīng)受雷電沖擊后，介損存在顯著性差異的套管出現(xiàn)了局放超標(biāo)及色譜異常的情況，說明雷電沖擊激發(fā)了該套管的潛在絕緣缺陷，對其絕緣造成了一定影響。

3 仿真分析

為進(jìn)一步分析試驗過程中套管發(fā)現(xiàn)異常的原因，對所有試驗套管進(jìn)行解體。在解體過程中對該型號套管頂部油枕、內(nèi)部絕緣、電容屏法蘭面及導(dǎo)桿等部件（部位）的尺寸進(jìn)行測量，為套管內(nèi)部電場分布情況的仿真提供數(shù)據(jù)。

圖6 解體過程發(fā)現(xiàn)的放電痕跡

3.1 解體情況

解體編號8016568的套管時，在其由外向內(nèi)的第2層絕緣紙表面發(fā)現(xiàn)放電痕跡，如圖6所示。

圖6顯示的放電痕跡分為2段，分別長約51 mm和47 mm，放電痕跡距頂部油枕下端最近處約45 mm。該放電痕跡并未波及上下層絕緣紙及電容屏。為進(jìn)一步分析該處發(fā)生放電的可能性，對該套管進(jìn)行建模，仿真其內(nèi)部電場分布情況。

3.2 仿真分析

對套管采用有限元模型，選擇靜電場的計算原理，利用大型有限元分析軟件ANSYS對套管的電場進(jìn)行分析，計算出套管整體和各部件的表面電場情況。

套管結(jié)構(gòu)較為對稱，為減小運算量，采用建立二維模型的方法來計算其電場分布情況，利用ANSYS軟件對套管的電場進(jìn)行分析，其中采用漸進(jìn)邊界條件處理開域問題不僅較好地解決了有限元計算中遇到的開域問題，而且保持了有限元方法的優(yōu)點和程序的通用性[14-15]。

目前，高壓電氣設(shè)備主要在工頻50 Hz交流電壓下工作，電極間電壓隨時間的變化較為緩慢，極間的絕緣距離遠(yuǎn)比相應(yīng)電磁波的波長要小。即使在電壓變化較快的1.2/50 μs雷電沖擊電壓作用下，在電壓由零升至幅值的時間內(nèi)，沖擊波雖只行進(jìn)了幾百米距離，但仍比電氣設(shè)備的尺寸大得多（除高壓輸電線和有長導(dǎo)線的線圈類設(shè)備外）。因此，一般電氣設(shè)備在任一瞬間的電場都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以按靜電場來分析[16]。

ANSYS計算所涉及的邊界條件主要指帶電體的對地電位以及零電位。套管內(nèi)部金屬導(dǎo)桿為高電位，電壓為89.8 kV（峰值）；外部金屬法蘭及其下方金屬筒、末屏為地電位，電壓為0 V。由于在計算時施加的是電壓峰值，因此后續(xù)計算得到的電場強度也均為峰值。

為快速有效地分析此類電場分布，選擇ANSYS14.5作為分析軟件。計算交流電壓作用下的電場使用Plane121單元，為8節(jié)點三角型單元（映射剖分時為四邊形），采用靜電場計算電場分布情況，因此僅需定義材料的介電常數(shù)。整體模型如圖7所示。

圖7 110 kV變壓器套管模型

套管整體的電場仿真結(jié)果如圖8所示，其中最大電場強度位于第2張電容屏頂端邊緣及絕緣紙附近區(qū)域，如圖中圓形標(biāo)記處，最大值為55.46 kV/cm。

圖8 110 kV變壓器套管整體電場仿真結(jié)果

放電痕跡附近絕緣紙電場仿真結(jié)果如圖9所示，最大電場強度位于頂部油枕下方45 mm，如圖中圓形標(biāo)記MX，最大值為43.47 kV/cm。

圖9 放電痕跡附近絕緣紙電場仿真結(jié)果

3.3 解體和仿真結(jié)果分析

（1）建立了套管模型（包括高壓導(dǎo)桿、電容屏及絕緣紙、瓷瓶和法蘭等），通過ANSYS二維靜電場計算模型，計算交流電壓下按照相對介電常數(shù)分布的空間電場強度發(fā)現(xiàn)，套管最大電場強度位于第2張電容屏上端邊緣處附近，最大值為55.46 kV/cm（峰值），其余如高壓導(dǎo)桿、將軍帽、絕緣紙中的場強均較低。

（2）放電痕跡附近絕緣紙最大電場強度位于頂部油枕下方45 mm，最大值為43.47 kV/cm，接近套管內(nèi)部最高場強，屬于電場集中區(qū)域。此處與套管發(fā)生放電部位幾乎一致，若此處絕緣紙存在受潮等情況，則較易發(fā)生局放并進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致套管擊穿。同時，從多次COT型套管爆裂故障情況看，其故障點多集中在套管的中上部，也印證了解體的情況。

4 結(jié)語

通過對上海MWB公司COT型變壓器套管的顯著性差異統(tǒng)計分析、試驗及仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）對浙江省內(nèi)387支220 kV及207支110 kV COT型套管的出廠及各次停電試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，提出了對于各試驗參數(shù)存在顯著性差異的邊界值，得到了利用套管各項試驗結(jié)果對其絕緣狀況進(jìn)行評價的判據(jù)。

（2）利用自行設(shè)計和制造的套管試驗油箱對套管進(jìn)行雷電沖擊及整體加熱試驗，并進(jìn)行相關(guān)診斷性試驗，從而驗證了溫度不是影響套管絕緣的主要原因，而雷電沖擊對介損存在顯著性差異的套管具有一定影響。對排查過程中發(fā)現(xiàn)的介損存在顯著性差異的套管，應(yīng)重點關(guān)注其絕緣狀況。

（3）利用ANSYS二維靜電場計算模型，計算交流電壓下按照相對介電常數(shù)分布的空間電場強度，并發(fā)現(xiàn)套管最大電場強度集中的區(qū)域位于套管中上部的電容屏以及油紙絕緣處，該部位絕緣或電容屏的缺陷會造成電場進(jìn)一步集中，長期運行將造成絕緣性能劣化，最終導(dǎo)致套管本體發(fā)生爆裂。