沈曼盛，周路遙，詹江楊，楊 智，劉浩軍，廖玉龍

（1.中國(guó)中鐵武漢電氣化局集團(tuán)，武漢 430000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310008）

0 引言

斷路器并聯(lián)電容（均壓電容）能夠改善斷口間的電壓分布，提高斷路器整體耐壓水平，同時(shí)降低斷路器分合閘弧隙恢復(fù)電壓陡度，提高斷路器開(kāi)斷能力，對(duì)高壓斷路器的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用[1]。

目前，現(xiàn)場(chǎng)主要通過(guò)10 kV試驗(yàn)電壓下的介質(zhì)損耗（以下簡(jiǎn)稱“介損”）數(shù)值來(lái)判斷并聯(lián)電容是否存在絕緣受潮、油或浸漬物臟污、劣化變質(zhì)等缺陷。某變電站500 kV敞開(kāi)式斷路器在預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)斷口間并聯(lián)電容（膜紙復(fù)合絕緣）介損超標(biāo)問(wèn)題，即該電容介損值超出了Q/GDW 1168-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中所規(guī)定的值0.25%[2]。產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因可能是膜紙絕緣并聯(lián)電容存在Garton效應(yīng)，即較低試驗(yàn)電壓下的介損值為額定電壓下的若干倍。若常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損測(cè)得值超過(guò)注意值時(shí)，為防止誤判，有必要進(jìn)行高電壓介損診斷試驗(yàn)，并測(cè)量tanδ-U介損特性曲線以作參考。

本文將結(jié)合并聯(lián)電容介損超標(biāo)的故障診斷判據(jù)，并通過(guò)高壓介損試驗(yàn)對(duì)并聯(lián)電容介損超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，提出試驗(yàn)中Garton效應(yīng)判定及處理方法，最后提出減小Garton效應(yīng)影響的相關(guān)改進(jìn)對(duì)策，以期為斷路器并聯(lián)電容介損超標(biāo)問(wèn)題的判別提供參考。

1 故障診斷判據(jù)

電介質(zhì)在外界電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生能量損耗，即介質(zhì)損耗。介損主要包括電導(dǎo)損耗和極化損耗：電導(dǎo)損耗主要來(lái)源于電壓作用下產(chǎn)生的泄漏電流；極化損耗主要來(lái)源于電介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下作往復(fù)位移和重新排列而產(chǎn)生相互磨擦。介損將電能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使絕緣介質(zhì)中熱量積聚，溫度升高，導(dǎo)致絕緣老化甚至燒焦[3]。

常規(guī)10 kV介損試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)低于斷路器并聯(lián)電容額定運(yùn)行電壓，不能完全真實(shí)地檢測(cè)出電容器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的絕緣缺陷，有必要進(jìn)行額定電壓下的介損測(cè)量，并采用均勻分段加壓及降壓方式得到完整的tanδ-U介損特性曲線，根據(jù)其變化規(guī)律對(duì)設(shè)備絕緣缺陷類型進(jìn)行綜合判斷，其典型圖譜如圖1所示[4-6]：

（1）曲線1對(duì)應(yīng)良好絕緣的情形，tanδ-U曲線呈水平直線，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過(guò)某一極限時(shí)tanδ值才略微增加。

（2）曲線2對(duì)應(yīng)絕緣老化的情形，低電壓下的tanδ值比良好絕緣時(shí)要小，但過(guò)了起始游離點(diǎn)后則迅速升高，且起始游離電壓比良好絕緣時(shí)低。

（3）曲線3對(duì)應(yīng)絕緣缺陷的情形，低電壓下tanδ值比良好絕緣時(shí)要大，tanδ會(huì)較早出現(xiàn)向上彎曲，且電壓上升曲線與下降曲線不重合。當(dāng)試驗(yàn)電壓超過(guò)局部放電起始電壓時(shí)，tanδ值急劇增大，后逐步降低試驗(yàn)電壓，tanδ值將高于各個(gè)對(duì)應(yīng)電壓下的值，直至局部放電熄滅，曲線呈閉合環(huán)狀。

圖1 不同絕緣情況下的tanδ-U特性曲線

（4）曲線4對(duì)應(yīng)嚴(yán)重受潮的情形，低電壓下tanδ值較大，而隨著試驗(yàn)電壓升高，tanδ值不斷增大，再逐步降低試驗(yàn)電壓時(shí)，由于介損的增大已使介質(zhì)溫度升高，此時(shí)tanδ值無(wú)法降至各個(gè)對(duì)應(yīng)電壓下的值，tanδ-U的上升和下降曲線不相重合。

（5）曲線5對(duì)應(yīng)絕緣中存在Garton效應(yīng)的情形，tanδ值隨電壓升高出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，較低電壓下的tanδ值比高電壓下的tanδ值高出1～10倍。

2 高壓介損試驗(yàn)

某變電站出現(xiàn)介損超標(biāo)問(wèn)題的500 kV斷路器為雙斷口敞開(kāi)式，每個(gè)斷口間并聯(lián)一個(gè)膜紙復(fù)合絕緣均壓電容，其電容量為1 600 pF，額定運(yùn)行電壓為170 kV，對(duì)并聯(lián)電容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)漏油等異?，F(xiàn)象。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為實(shí)現(xiàn)高壓介損的精確測(cè)量，選取2只存在介損超標(biāo)問(wèn)題的并聯(lián)電容，將其從斷路器中拆卸下并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行工頻試驗(yàn)變壓器升壓。此外，采用西林電橋進(jìn)行介損測(cè)試，外接高壓標(biāo)準(zhǔn)電容，并采用正接法進(jìn)行測(cè)量。其中，精密介損電橋型號(hào)為AI-6000F，高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器型號(hào)為YL300-50，工頻電壓發(fā)生器型號(hào)為YDTCW-500/2×250。

試驗(yàn)過(guò)程中采用均勻分段加壓方式，將試驗(yàn)電壓從10 kV升至170 kV，每隔10 kV測(cè)量1次；然后降至10 kV，仍每隔10 kV測(cè)量1次，以此分別得到并聯(lián)電容A與并聯(lián)電容B 2只試品的tanδ-U介損特性曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 并聯(lián)電容A的高壓介損tanδ-U特性曲線

圖3 并聯(lián)電容B的高壓介損tanδ-U特性曲線

由圖2、圖3可知，2只并聯(lián)電容試品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均具有以下特征：隨著試驗(yàn)電壓的升高，介損值逐漸降低；當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到50 kV后，其介損值基本達(dá)到穩(wěn)定，高電壓下測(cè)得的介損值均未超過(guò)0.25%；額定電壓下介損值僅為常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下介損值的1/5；tanδ-U特性曲線的電壓下降部分為電壓上升部分的逆過(guò)程，2條曲線并未完全重合，但介損試驗(yàn)值的整體變化趨勢(shì)基本保持一致。

2.2 原因分析

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高壓介損試驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)的tanδ-U介損變化規(guī)律與絕緣介質(zhì)的Garton效應(yīng)特征相符：介損值隨電壓升高出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且較低試驗(yàn)電壓下的介損值為較高試驗(yàn)電壓下介損值的若干倍。

絕緣介質(zhì)的Garton效應(yīng)是由于介質(zhì)中帶電雜質(zhì)粒子分布改變而引起的一種外在表象，普遍存在于含有紙的絕緣介質(zhì)（包括油紙復(fù)合絕緣及膜紙復(fù)合絕緣）中[7]。由于含有紙質(zhì)絕緣層的油介質(zhì)中會(huì)有一定數(shù)量的帶電粒子存在[8]，在較低電壓下，帶電粒子容易析出，但顆粒較大，容易受到紙纖維層的阻攔，故而會(huì)有一定數(shù)量的粒子游離于介質(zhì)空間中，造成一定的極化損耗，所以總體介損值較大；當(dāng)電壓升高后，帶電粒子極化作用進(jìn)一步加強(qiáng)，在偶極矩作用下這些帶電粒子會(huì)逐漸穿越紙纖維層，集中于電極兩端，故而介質(zhì)中的帶電粒子數(shù)量逐漸減少，從而極化損耗降低，總體介損值明顯減??；此時(shí)若繼續(xù)升高電壓，游離的帶電粒子已經(jīng)基本集中于電極兩端，故介質(zhì)損耗不會(huì)再有明顯變化[9-10]。

研究表明，膜紙復(fù)合絕緣電容器（多為進(jìn)口并聯(lián)電容）的油介質(zhì)為有機(jī)合成絕緣油，含有較多的膠體型帶電粒子；而油紙復(fù)合絕緣電容器（多為國(guó)產(chǎn)并聯(lián)電容）的油介質(zhì)為礦物質(zhì)油，其中多為離子型帶電粒子，故紙質(zhì)絕緣層無(wú)法起到阻擋作用，Garton效應(yīng)影響不明顯[11]。

2.3 Garton效應(yīng)判定方法

膜紙復(fù)合絕緣并聯(lián)電容在進(jìn)行常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)時(shí)，若出現(xiàn)介損值超標(biāo)現(xiàn)象，不宜輕易判定不合格?？赏ㄟ^(guò)開(kāi)展高電壓介損試驗(yàn)進(jìn)一步判斷，若在較高試驗(yàn)電壓下的介損值明顯下降，且隨試驗(yàn)電壓升高到一定時(shí)介損值維持在某個(gè)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值時(shí)，可認(rèn)為發(fā)生了Garton效應(yīng)；也可通過(guò)先對(duì)被試品施加高電壓（如耐壓試驗(yàn)），然后再進(jìn)行常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)，如果此時(shí)介損值低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，也可說(shuō)明發(fā)生了Garton效應(yīng)[12]。

3 對(duì)策

根據(jù)Garton效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及以往現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生Garton效應(yīng)的并聯(lián)電容在重新投運(yùn)后均保持正常運(yùn)行[13]。為避免盲目更換設(shè)備導(dǎo)致人力、物力的極大浪費(fèi)，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，應(yīng)盡量減小Garton效應(yīng)對(duì)電容設(shè)備絕緣故障診斷的影響，對(duì)此可以采取以下措施：

（1）從源頭上降低Garton效應(yīng)發(fā)生的可能性。由于造成Garton效應(yīng)的本質(zhì)原因是雜質(zhì)粒子的極化損耗，對(duì)此應(yīng)注意防范電容因生產(chǎn)工藝問(wèn)題而帶來(lái)的缺陷，減少裝配過(guò)程中混入膜紙復(fù)合絕緣介質(zhì)中的微小雜質(zhì)含量[14]。

（2）研究表明，由于RTV（室溫硫化硅橡膠）防污閃涂料具有良好的憎水性和憎水遷移性，能夠切斷電容外瓷套表面的泄漏電流通道，減少電容器的有功損耗[15]。因此，對(duì)于防污等級(jí)較高的場(chǎng)合可以實(shí)施RTV防污閃涂料的噴涂工作。

（3）縮短電容在無(wú)電情況下的靜置時(shí)間。高壓條件下會(huì)使得絕緣介質(zhì)中的帶電雜質(zhì)粒子集中于電極兩端，減小Garton效應(yīng)的影響。因此，在安排例行性試驗(yàn)時(shí)，可以在停電后優(yōu)先進(jìn)行介損試驗(yàn)[16]。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓介損試驗(yàn)可以更真實(shí)地反映電容（容性設(shè)備）絕緣內(nèi)部潛在缺陷類型及發(fā)展情況，有助于對(duì)設(shè)備絕緣狀況作出精準(zhǔn)判別和處理。根據(jù)Garton效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及以往現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生Garton效應(yīng)的并聯(lián)電容可以作為合格產(chǎn)品繼續(xù)投運(yùn)。為確保設(shè)備和電網(wǎng)的運(yùn)行安全，可加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的日常監(jiān)視，縮短例行試驗(yàn)周期。