李威，張進(jìn)，符勁松，陳斌，劉要峰，尹旭

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙，410004；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西贛州，341000)

油浸式電力變壓器是完成工頻交流電壓轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)電能跨電壓等級(jí)傳輸?shù)脑O(shè)備，也是主電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。500 kV變壓器的絕緣性能是其全生命周期中的關(guān)鍵性因素，絕緣可靠性是變壓器抵御雷電侵入波、操作暫態(tài)波等過(guò)電壓主要參數(shù)，其強(qiáng)弱直接影響未來(lái)運(yùn)行質(zhì)量，因此在產(chǎn)品出廠驗(yàn)收階段必須保證絕緣性能已達(dá)標(biāo)[1]。

500 kV變壓器多由三臺(tái)單相變壓器組成，高、中壓繞組多為自耦型，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定[2]，出廠試驗(yàn)中絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目包括外施工頻耐壓、短時(shí)感應(yīng)耐壓和長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓帶局部放電等。其中，耐壓試驗(yàn)用于考核設(shè)備主絕緣強(qiáng)度，通常在低壓試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后進(jìn)行，耐壓試驗(yàn)后應(yīng)復(fù)測(cè)各繞組絕緣電阻。

目前超高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中500 kV變壓器較普遍，絕緣缺陷研究已累積了一定經(jīng)驗(yàn)。其中，分接開(kāi)關(guān)頂部均壓環(huán)、套管底部均壓球與外殼 (地)之間存在雜質(zhì)或氣泡會(huì)使高電位對(duì)地場(chǎng)強(qiáng)分布變化，導(dǎo)致實(shí)際間隙距離縮短而放電擊穿[3]；器身內(nèi)需包裹副絕緣的組件若包裹厚度不夠，會(huì)導(dǎo)致加壓部位對(duì)地絕緣裕度不足而擊穿[4]；部分絕緣夾件內(nèi)的潮氣未充分干燥，也會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中形成放電通道[5]。變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絕緣影響因素較多，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中仍有新缺陷發(fā)生。本文對(duì)一起500 kV變壓器出廠試驗(yàn)過(guò)程中耐壓擊穿的事故進(jìn)行討論，分析事故原因并提出預(yù)防措施，為變壓器驗(yàn)收和缺陷分析提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 事故概況

2019年3月12日，某變電站500 kV主變B相出廠驗(yàn)收過(guò)程中，各繞組的絕緣電阻、介損、雷電沖擊、操作沖擊、工頻耐壓試驗(yàn)均已通過(guò)。進(jìn)行短時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)時(shí)，采用圖1所示的支撐法[6]對(duì)被試單相變壓器加壓，加壓至1.5倍最高相電壓(相對(duì)地476 kV)后保持1 min通過(guò)，進(jìn)一步升至增強(qiáng)電壓680 kV時(shí)，持續(xù)10 s后發(fā)生放電，可見(jiàn)隱約電光和明顯放電聲，隨即過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，加壓設(shè)備跳閘，試驗(yàn)中斷。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，短時(shí)感應(yīng)耐壓最高增強(qiáng)電壓的持續(xù)時(shí)間與施加電壓頻率相關(guān)，200 Hz時(shí)應(yīng)持續(xù)30 s[2]。

圖1 支撐法加壓接線圖

圖1 中，發(fā)電機(jī)通過(guò)變頻柜接入中間變和支撐變，0～300 Hz變頻，耐壓時(shí)加壓頻率為200 Hz；支撐變高壓側(cè)接變壓器自耦繞組尾端 (中性點(diǎn))，最高電壓下的支撐電壓不超過(guò)中性點(diǎn)工頻耐壓值。被試變壓器型號(hào)為ODFS—334000/500，額定電壓(525/3)/(230/3±2×2.5%)/36 kV，連接組別Ia0i0。

2 故障檢查分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查及分析

放電后復(fù)測(cè)高中壓繞組對(duì)低壓及地的絕緣電阻，僅為270 MΩ且無(wú)明顯吸收現(xiàn)象，初步懷疑繞組間發(fā)生放電擊穿。事故12 h后對(duì)變壓器本體油樣進(jìn)行油色譜分析，與試驗(yàn)前后結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 放電前后油色譜數(shù)據(jù) μL/L

由表1可知，耐壓試驗(yàn)放電后有明顯的乙炔增長(zhǎng)，通過(guò)三比值法[6]判定為內(nèi)部有固體放電發(fā)生；對(duì)比本體中下部乙炔含量可知，放電點(diǎn)位于本體中部位置，放電后擴(kuò)散至下部，因此應(yīng)優(yōu)先對(duì)器身中部進(jìn)行檢查。

確認(rèn)為內(nèi)部放電后迅速進(jìn)行本體排油，進(jìn)入器身內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)中性點(diǎn)引線與低壓繞組尾端引線間發(fā)生放電擊穿。

次日對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩全面檢查，打開(kāi)引線垂直交叉部位，移開(kāi)引線絕緣紙外的副絕緣層后，在圖2所示位置發(fā)現(xiàn)明顯擊穿點(diǎn)，中性點(diǎn)引線絕緣層和低壓尾端引線絕緣層以及副絕緣均被明顯擊穿。剝開(kāi)引線絕緣層后發(fā)現(xiàn)表層軟銅線有焦黑痕跡，清理后可見(jiàn)放電處2—3股銅線表面已被明顯燒蝕。

圖2 擊穿所在位置

此外，檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)放電擊穿處中性點(diǎn)引線與低壓繞組尾端引線緊貼在一起，中間無(wú)明顯的油間隙，懷疑絕緣裕度不足。與設(shè)計(jì)圖紙比對(duì)發(fā)現(xiàn)，有兩層絕緣墊塊未按設(shè)計(jì)安裝，導(dǎo)致實(shí)際外絕緣距離僅為5 mm左右，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值74 mm。

2.2 理論及仿真分析

2.2.1 理論計(jì)算分析

在圖1支撐法的線路結(jié)構(gòu)中，對(duì)試驗(yàn)加壓過(guò)程中擊穿處引線電位進(jìn)行計(jì)算。低壓側(cè)尾端引線直接接地，電位為0，中性點(diǎn)引線電位與支撐變輸出電壓相同，其電位幅值U0按式 (1)計(jì)算。

式中K1為中間變的變比，為11.5；K2為支撐變的變比，為24.45；K為被試變壓器高壓對(duì)中壓的變比，計(jì)算得8.42；Uh為高壓繞組達(dá)到的最高電壓有效值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)Uh取680 kV時(shí)，中性點(diǎn)引線電位U0幅值可達(dá)到193.7 kV，當(dāng)引線間絕緣距離不足的情況下，有必要通過(guò)對(duì)其場(chǎng)域內(nèi)的電場(chǎng)分布進(jìn)行研究。將中性點(diǎn)引線視為兩根并排的有限長(zhǎng)圓柱形導(dǎo)體，與4根并排且接地的低壓側(cè)引線垂直交叉，二者銅質(zhì)引線表面間距為絕緣層厚度10 mm。采用圖3所示的模型進(jìn)行理論計(jì)算。

圖3 計(jì)算模型

圖3 中，D為兩種引線中軟銅線部分的直徑，50 mm；d0為低壓尾端引線的導(dǎo)體間距，8 mm；d1為中性點(diǎn)引線的導(dǎo)體間距，12 mm；d3為低壓引線與中性點(diǎn)引線之間的距離，考慮絕緣紙厚度后設(shè)計(jì)距離84 mm，實(shí)際距離10 mm；低壓引線與中性點(diǎn)引線計(jì)算長(zhǎng)度均取3m。

采用模擬電荷法搭建數(shù)值計(jì)算模型，單根導(dǎo)線采用8根環(huán)形均勻分布的有限長(zhǎng)模擬電荷進(jìn)行等效，與集膚效應(yīng)產(chǎn)生的表面電位相同[7]；在三維空間內(nèi)，分別對(duì)無(wú)絕緣墊塊 (間距10 mm)和有墊塊時(shí) (間距84 mm)，引線間最短距離上的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。以中性點(diǎn)引線表面為零距離開(kāi)始計(jì)算。

圖4 有缺陷和正常時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布

由圖4可知，缺少絕緣墊塊時(shí)，引線間距上的場(chǎng)強(qiáng)分布規(guī)律與正常距離時(shí)的類似，均呈現(xiàn) “兩端大、中間小”的U型分布，這與電極形狀與間隙的比例大小有關(guān)系；間隔10 mm時(shí)路徑上的場(chǎng)強(qiáng)比正常距離時(shí)明顯增大，靠近引線電極處的場(chǎng)強(qiáng)接近195 kV/cm，中間位置也超過(guò)185 kV/cm，明顯高于典型油浸絕緣紙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)180 kV/cm[8]，大概率會(huì)直接導(dǎo)致放電發(fā)生，尤其是有線端侵入波時(shí)；間隔85 mm時(shí)，路徑上最大場(chǎng)強(qiáng)也在引線銅質(zhì)電極表面，但最大數(shù)值不超過(guò)40 kV/cm，遠(yuǎn)低于變壓器油的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)130 kV/cm，此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)裕度較大，有利于抵御過(guò)電壓而不產(chǎn)生絕緣擊穿。

2.2.2 仿真計(jì)算分析

在ANSYS仿真軟件中搭建簡(jiǎn)化引線模型，搭建同圖3的電極模型。間隔10 mm時(shí)絕緣介質(zhì)采用油浸絕緣紙介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)取文獻(xiàn)[8]中的平均值3.5；間隔84 mm時(shí)，間隙內(nèi)主要為變壓器油，相對(duì)介電常數(shù)取克拉瑪依油的典型值2.2[9]。在相同施加電壓下 (193.7 kV)計(jì)算重合區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度，兩種情況下的場(chǎng)強(qiáng)分布如圖5所示。

圖5 有缺陷和正常時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布

由圖5可知，間距10 mm時(shí)，由于間隙距離相對(duì)導(dǎo)體尺寸較小，因此間隙內(nèi)較大區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度均在200 kV/cm(圖中20 000 kV/m)左右，尤其是引線正對(duì)的最短距離上，從而使放電通道在此路徑上形成，這與圖4(a)中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符合，也印證了圖2中的擊穿部位。間距84 mm時(shí)，電極間油層整體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)較小，裕度很大，最高場(chǎng)強(qiáng)(圖中4 000 kV/m)位于中性點(diǎn)引線表面小范圍內(nèi)，符合圖4(b)的數(shù)值計(jì)算值。

根據(jù)有限元法的計(jì)算，絞線表面場(chǎng)強(qiáng)比光滑導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)高出28%[10]。若考慮銅絞線表面實(shí)際形狀引起的電場(chǎng)不均勻，則電極表面的電場(chǎng)還會(huì)再增大，無(wú)絕緣墊塊情況下最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到249.6 kV/cm，使放電概率進(jìn)一步升高，導(dǎo)致短時(shí)感應(yīng)耐壓時(shí)的擊穿變成必然。

2.3 故障處理及修后試驗(yàn)

確認(rèn)擊穿原因后，按以下步驟對(duì)缺陷設(shè)備進(jìn)行處理:

1)解開(kāi)擊穿引線絕緣支架上的膠木螺栓，按設(shè)計(jì)圖紙要求增加絕緣墊塊，復(fù)查器身各部位尺寸是否符合圖紙要求。

2)更換受損的中性點(diǎn)引線和低壓尾端引線，替換舊的冷壓點(diǎn)，重新冷壓壓緊，避免在原有引線回路上增加新接觸面。

3)對(duì)排出的變壓器油進(jìn)行熱油循環(huán)，最大限度的濾除氫氣、乙炔等氣體。

4)干燥器身，重新裝配后緊固，重新注油，循環(huán)，靜置72 h。

靜置結(jié)束后，復(fù)測(cè)低壓試驗(yàn)，各繞組絕緣電阻、電容量及介損試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，直流電阻與故障處理前無(wú)明顯差別；復(fù)測(cè)雷電全波沖擊試驗(yàn)與外施工頻耐壓試驗(yàn)通過(guò)。200 Hz試驗(yàn)電壓下，復(fù)測(cè)短時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，高壓側(cè)最高增強(qiáng)電壓680 kV持續(xù)30 s順利通過(guò)，絕緣裕度滿足要求。

對(duì)其他兩相變壓器進(jìn)行排油后引線尺寸檢查，發(fā)現(xiàn)同樣存在引線交叉處未安裝絕緣墊塊的情況，按上述步驟進(jìn)行絕緣墊塊補(bǔ)裝后，短時(shí)感應(yīng)耐壓復(fù)測(cè)試驗(yàn)合格。因重新吊罩、排油、處理、復(fù)裝、濾油然后靜置需要時(shí)間，導(dǎo)致驗(yàn)收過(guò)程中3臺(tái)變壓器實(shí)際出廠時(shí)間推遲了近1個(gè)月，目前均已投入運(yùn)行。

3 預(yù)防措施

本次絕緣墊塊漏裝引發(fā)的耐壓擊穿事故，主要由于在生產(chǎn)制造階段時(shí)工藝控制不夠，直接導(dǎo)致內(nèi)部引線之間絕緣距離不足，引起場(chǎng)強(qiáng)顯著增大并放電擊穿，延遲了主設(shè)備出廠時(shí)間，增加了現(xiàn)場(chǎng)基建施工成本。針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制和預(yù)防:

1)產(chǎn)品制造階段。廠家應(yīng)提高零部件組裝和器身總裝過(guò)程中的工藝控制，增設(shè)圖紙尺寸校核步驟，尤其是器身內(nèi)部存在電勢(shì)差的區(qū)域，如引線之間、均壓環(huán)對(duì)外殼等部位，從而保證總裝階段設(shè)備的完整性，監(jiān)造人員應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

2)產(chǎn)品試驗(yàn)階段。出廠試驗(yàn)中短時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)對(duì)考驗(yàn)變壓器絕緣裕度有不可替代的重要性，考慮到現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中不進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，因此在出廠試驗(yàn)階段必須嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)方案，關(guān)注試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，并要求施加電壓和持續(xù)時(shí)間達(dá)標(biāo)。

3)缺陷處理階段。發(fā)生放電擊穿問(wèn)題后，應(yīng)立即分析擊穿原因是否具有共性，并檢查同批次同類型產(chǎn)品，避免因重復(fù)擊穿故障導(dǎo)致廠內(nèi)處理時(shí)間再次延長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)診斷性試驗(yàn)、排油檢查等方法確認(rèn)了500 kV變壓器短時(shí)感應(yīng)耐壓擊穿的部位在中性點(diǎn)引線與低壓尾端引線之間，發(fā)現(xiàn)了引線間缺少絕緣墊塊的工藝缺陷。經(jīng)模擬電荷法和仿真計(jì)算對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行分析，查明了放電擊穿原因。增加絕緣墊塊至設(shè)計(jì)間距后，場(chǎng)強(qiáng)降至合理水平。