周妺末，楊小濤，唐林凱，趙 綱，歐昌宇

（國家電網(wǎng)綿陽供電公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

高壓套管作為電力變壓器固定高低壓繞組引線及引線對(duì)地絕緣的關(guān)鍵組件，其絕緣性能的優(yōu)劣直接影響變壓器及電網(wǎng)的安全運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。據(jù)我國電力監(jiān)管委員會(huì)關(guān)于全國變壓器運(yùn)行事故的分析報(bào)告統(tǒng)計(jì)[3-7]，2008—2011年因套管故障導(dǎo)致的變壓器非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)長占總非計(jì)劃時(shí)長的58.6%；在2008—2009年，套管故障更是成為造成220/500 kV變壓器非計(jì)劃停運(yùn)的首要原因?？梢姡坠芄收弦殉蔀閷?dǎo)致變壓器事故的主要因素。但高壓套管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修難度大，其故障突發(fā)率高、偶發(fā)性強(qiáng)、影響時(shí)間長。因此，對(duì)高壓套管進(jìn)行周期性試驗(yàn)以保障其處于良好運(yùn)行狀態(tài)，是提高電力變壓器及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的有效措施。

高壓套管常見故障包括套管接頭發(fā)熱、滲油漏油、末屏接地不良、絕緣受潮等[8]。據(jù)德國漢諾威大學(xué)統(tǒng)計(jì)，因潮氣侵入導(dǎo)致的套管故障約占套管故障總數(shù)的90%[3,9]?？梢?，對(duì)潮氣侵入的研究勢(shì)在必行。眾多絕緣試驗(yàn)中，電容量(C)與介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)測(cè)量是監(jiān)測(cè)高壓套管絕緣受潮、劣化、油或浸漬物臟污和其他局部性絕緣缺陷的重要手段[10-12]。但介質(zhì)損耗測(cè)量受環(huán)境影響較大，試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)電壓、設(shè)備儀器、電磁場(chǎng)等都將影響試驗(yàn)結(jié)果，致使tanδ測(cè)量值出現(xiàn)不同程度的偏差。但在工程試驗(yàn)中，tanδ測(cè)量值出現(xiàn)負(fù)值的情況較少，且目前缺少對(duì)套管介質(zhì)損耗測(cè)量出現(xiàn)負(fù)值的情況與潮氣對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量結(jié)果的影響的系統(tǒng)性分析。

本研究利用一起220 kV主變110 kV側(cè)高壓套管的異常試驗(yàn)結(jié)果，介紹其tanδ測(cè)量結(jié)果為負(fù)值的具體情況，針對(duì)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的套管末屏表面潮氣對(duì)C與tanδ測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行深入討論及分析。

1 油紙電容式高壓套管與介質(zhì)損耗測(cè)量情況

1.1 油紙電容式高壓套管結(jié)構(gòu)

目前，我國電力企業(yè)采用的110 kV套管以油浸紙電容式為主，普及度達(dá)93%[13]。油浸紙電容式套管根據(jù)電容分壓原理卷制，可以改善套管軸向與徑向電場(chǎng)分布，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。套管中心導(dǎo)電管和連接套筒之間以高壓電纜紙和導(dǎo)電鋁箔作為極板的電容芯子（以油浸電纜紙作為屏間介質(zhì)組成的串聯(lián)同軸圓柱電容器），作為套管的主絕緣結(jié)構(gòu)[12,14-15]。與中心導(dǎo)電桿直接連接的極板為電容器的零屏，處于最外層的電容屏為末屏。110 kV以上的電容式套管在法蘭處裝有接地小套管作為末屏引出；小套管材質(zhì)不一，常見材料主要有陶瓷與環(huán)氧樹脂[16]。運(yùn)行時(shí)，末屏處于接地狀態(tài)，檢修時(shí)則作為試驗(yàn)端子。

圖1 油紙電容式套管結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Oil-paper capacitive bushing structure diagram

1.2 介質(zhì)損耗測(cè)量及導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)負(fù)值的主要因素

西林電橋最早應(yīng)用在介質(zhì)損耗測(cè)量中，是我國電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于介質(zhì)損耗測(cè)量的高壓交流平衡電橋[17]。使用西林電橋測(cè)量套管介質(zhì)損耗時(shí)，有正接與反接兩種接線方式，如圖2所示。反接法因測(cè)量時(shí)加入了對(duì)地雜散電容，無法對(duì)套管本體絕緣進(jìn)行完整考察，因此在工程中一般不作為試驗(yàn)接線方案。但在正接測(cè)試后再進(jìn)行反接測(cè)試，并以此作為同類設(shè)備的橫向比較仍具有一定的參考性與比較性。

圖2 套管介損試驗(yàn)正接與反接法原理圖Fig.2 Positive connection and reverse connection schematic of dielectric loss test for bushing

目前，介質(zhì)損耗測(cè)試已向全自動(dòng)、高精度、良好抗干擾性能等方向發(fā)展。數(shù)字式全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀因采用自動(dòng)干擾跟蹤補(bǔ)償電路，結(jié)合矢量運(yùn)算法與移相法，運(yùn)用全數(shù)字波形處理技術(shù)，能有效降低客觀因素對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的干擾，已成為我國電力系統(tǒng)中介質(zhì)損耗測(cè)量的主要手段之一[15]。

2 套管介質(zhì)損耗試驗(yàn)異常結(jié)果情況介紹

2019年6月20日，國網(wǎng)綿陽供電公司檢修公司在停電檢修過程中發(fā)現(xiàn)某變電站3號(hào)220 kV主變110 kV側(cè)A、B相套管介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果存在異常，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)溫度為28℃，濕度為72%，皆在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。

表1 3號(hào)主變110 kV側(cè)套管介損預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Dielectric loss preventive test results of No.3 transformer 110 kV side bushing

由表1可知，本次試驗(yàn)中A、B相套管的tanδ測(cè)量結(jié)果皆為負(fù)值；A、B相套管的電容量與額定電容量分別相差3.351%、2.440%；與上一次試驗(yàn)測(cè)試得到的電容量分別相差2.362%、1.462%。根據(jù)DL/T 569—2016《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)》[18]與Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》[19]規(guī)定：①套管電容量與出廠值或上一次測(cè)量值的初值偏差范圍為±5%，若超過此值應(yīng)查明原因。②介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量值與出廠值對(duì)比無明顯增大。110 kV套管的介質(zhì)損耗因數(shù)不應(yīng)超過1%。③若進(jìn)行末屏介質(zhì)損耗測(cè)量，則其測(cè)量值不應(yīng)超過1.5%。

實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示，本次tanδ測(cè)量結(jié)果為負(fù)值，不符合規(guī)程要求。電容量變化雖然在規(guī)程范圍內(nèi)，但與平時(shí)試驗(yàn)結(jié)果相比仍有所偏大。為進(jìn)一步衡量套管絕緣性能優(yōu)劣，驗(yàn)證正接線方式得到的試驗(yàn)結(jié)果，利用反接線方式對(duì)3號(hào)主變110 kV側(cè)3只套管進(jìn)行套管末屏介質(zhì)損耗測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 3號(hào)主變110 kV側(cè)套管末屏介質(zhì)損耗預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dielectric loss preventive test results of No.3 transformer 110 kV side bushing end shield

由表2可見，與試驗(yàn)正常相C相相比，A、B相套管的tanδ雖然在規(guī)程范圍內(nèi)，但是嚴(yán)重偏大；電容量也存在一定偏差，最大偏差達(dá)到0.8%。因此，初步判定A、B相套管可能存在異常。

3 結(jié)果及分析

3.1 原因分析及排除

為找出本次套管介質(zhì)損耗測(cè)量出現(xiàn)異常的原因，對(duì)相關(guān)因素依次進(jìn)行排查。

（1）基本干擾因素。首先，使用的試驗(yàn)儀器是經(jīng)校驗(yàn)合格的AI-6000F型自動(dòng)介損測(cè)試儀，其使用變頻法進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量，抗電磁干擾能力強(qiáng)；其次，停電變壓器周圍沒有在運(yùn)設(shè)備，且進(jìn)行主變220 kV套管測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果并無異常。因此，電磁場(chǎng)干擾、電橋標(biāo)準(zhǔn)電容器受潮、儀器接地不良等因素可以排除。在套管測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，沒有雜物、墻壁、梯子等構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)，可以排除T型網(wǎng)絡(luò)干擾。中壓110 kV套管被安裝在變壓器上，法蘭接地良好，因此，法蘭與地面接觸不良的原因也可排除。試驗(yàn)人員在套管表面清潔前后都進(jìn)行了介質(zhì)損耗試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果沒有明顯變化，可排除被試品表面臟污原因。可見，致使tanδ測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值誤差的基本因素均可排除。

（2）變壓器剩磁干擾。對(duì)變壓器三側(cè)分別進(jìn)行短路接地，并對(duì)三側(cè)繞組進(jìn)行充分注流消磁后，再次進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量，測(cè)量結(jié)果并無明顯變化。因此可以排除變壓器剩磁干擾。

（3）套管末屏受潮影響。測(cè)量人員將套管末屏蓋板取下后，用酒精對(duì)套管末屏進(jìn)行擦拭，隨后利用風(fēng)機(jī)吹干其表面。再次進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量，發(fā)現(xiàn)套管的tanδ、C與之前并無差別。

（4）套管內(nèi)部受潮或放電故障影響。對(duì)套管本體絕緣油進(jìn)行采集及油化試驗(yàn)，A、B、C三相套管中油樣的氣相色譜數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出，試驗(yàn)油樣的色譜分析數(shù)據(jù)并無異常，因此判定套管內(nèi)部絕緣良好，并無放電或受潮現(xiàn)象。

（5）排除以上常見影響介質(zhì)損耗測(cè)量的客觀因素后，測(cè)量人員懷疑可能是套管末屏引出小套管表面受空氣潮氣影響，導(dǎo)致tanδ測(cè)量結(jié)果異常。因此，對(duì)A、B相套管末屏表面進(jìn)行潮氣隔絕的對(duì)比試驗(yàn)。首先，關(guān)閉B相套管末屏蓋板，敞開A相套管末屏蓋板。3 h內(nèi)對(duì)兩相套管進(jìn)行多次介質(zhì)損耗測(cè)量，測(cè)量期間C和tanδ的變化曲線如圖3～4所示。

表3 3號(hào)主變110 kV側(cè)套管氣相色譜試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Gas chromatography test results of No.3 transformer 110 kV side bushing

圖3 A相套管C及tanδ隨時(shí)間變化情況Fig.3 Variation of C and tanδ of A-phase bushing with time

圖4 B相套管C及tanδ隨時(shí)間變化情況Fig.4 Variation of C and tanδ of B-phase bushing with time

由圖3可知，隨著A相套管末屏暴露在空氣中時(shí)間的增加，其C和tanδ均明顯減小，且減小速度均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，在試驗(yàn)1.5 h后減小速率明顯減緩。從圖4可以看出，隨著潮氣隔絕時(shí)間的增加，B相套管的C和tanδ則呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)。隨后，對(duì)A相套管進(jìn)行3 h的潮氣隔絕，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著潮氣隔絕時(shí)間的增加，A相套管的C和tanδ也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖5 A相套管隔絕潮氣后C及tanδ隨時(shí)間變化情況Fig.5 Variation of C and tanδ with time after moisture isolation for A-phase bushing

經(jīng)6 h的潮氣隔絕試驗(yàn)，A、B相套管C和tanδ的最終結(jié)果如表4所示。

表4 3號(hào)主變110 kV側(cè)套管介質(zhì)損耗預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Dielectric loss preventive test results of No.3 transformer 110 kV side bushing

對(duì)比表1和表4可知，與潮氣隔絕前相比，潮氣隔絕后A、B相套管的C和tanδ有所回升。為進(jìn)一步加強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，對(duì)A、B相套管進(jìn)行末屏介質(zhì)損耗測(cè)量，結(jié)果如表5所示。對(duì)比表2和表5可知，潮氣隔絕后A、B相套管末屏的C和tanδ也有一定程度的恢復(fù)。

無論是套管本體介質(zhì)損耗測(cè)量還是套管末屏介質(zhì)損耗測(cè)量，在潮氣隔絕一段時(shí)間后，其C和tanδ都會(huì)有一定的恢復(fù)。說明套管電容量與介質(zhì)損耗測(cè)量對(duì)末屏小套管材料表面潮氣具有較強(qiáng)的敏感性，而且介質(zhì)損耗受潮氣的影響遠(yuǎn)大于電容量。

表5 3號(hào)主變110 kV側(cè)套管末屏介質(zhì)損耗預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Dielectric loss preventive test results of No.3 transformer 110 kV side bushing end shield

基于以上分析，可知末屏引出小套管材料受空氣中潮氣影響是引起本次tanδ測(cè)試結(jié)果異常的主要原因，由此造成套管異常的假象。

3.2 末屏表面潮氣對(duì)介損試驗(yàn)結(jié)果影響的原因討論

本研究主要從西林電橋受潮氣影響產(chǎn)生誤差與末屏小套管材料受潮氣影響的機(jī)理特性兩方面，對(duì)末屏表面潮氣對(duì)介損試驗(yàn)結(jié)果的影響原因進(jìn)行分析。

利用西林電橋進(jìn)行正接線測(cè)試時(shí)，采用被試品串聯(lián)模型推導(dǎo)出tanδ測(cè)量值及Cx，如式（1）～（2）所示。其中，CX與RX為被試品等效電阻與電容，CN為標(biāo)準(zhǔn)電容，R4為固定電阻，R3為可調(diào)電阻，C4為可調(diào)電容。

當(dāng)tanδ隨標(biāo)準(zhǔn)電容CN變化時(shí)，R3橋臂參數(shù)發(fā)生變化，而與R3橋臂有關(guān)的參數(shù)主要是末屏對(duì)地阻抗[20]?？紤]末屏對(duì)地阻抗時(shí)西林電橋的等效電路如圖6所示。

圖6 考慮末屏對(duì)地阻抗時(shí)的西林電橋等效圖Fig.6 Xilin bridge equivalent diagram considering the impedance of end shield to ground

當(dāng)各電橋平衡時(shí)，有ZXZ4=ZNZ3，經(jīng)推導(dǎo)可得到式（3）。

綜上可知，西林電橋的實(shí)測(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ=ωC4R4；串聯(lián)模型中套管本體的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ1=ωCxRx；而第三橋臂的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ2=1/ωC0R3。因此，考慮末屏對(duì)地阻抗后，西林電橋?qū)崪y(cè)的介質(zhì)損耗因數(shù)如式（4）所示。

由式（4）可見，套管本體介質(zhì)損耗與末屏對(duì)地電容C0有關(guān)。正常情況下，因C0?C4，C0對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的影響可以忽略。但當(dāng)末屏小套管受潮氣影響時(shí)，C0增加，表面泄漏電流增大，會(huì)對(duì)tanδ測(cè)量值產(chǎn)生影響，使測(cè)量到的介質(zhì)損耗除套管本體損耗外還存在末屏小套管損耗。此時(shí)，表面電導(dǎo)產(chǎn)生分流作用，使流過橋臂的電流由I1變?yōu)镮2，如圖7所示。隨著潮氣侵入時(shí)間的延長，I1′分流作用愈大，使得流過第三橋臂的電流超前于第四橋臂的電流，導(dǎo)致tanδ測(cè)量值為負(fù)值。而對(duì)末屏進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量時(shí)，則因表面泄漏電導(dǎo)與被試品并聯(lián)，從而增大了測(cè)量誤差。

圖7 電流相量圖Fig.7 Current phasor diagram

本研究中套管末屏引出小套管的包裹材料為環(huán)氧樹脂。有研究指出[21-23]，隨著濕熱老化時(shí)間的增加，環(huán)氧樹脂前期吸濕規(guī)律滿足Fick吸濕第二定律，即初期吸濕量迅速增加，隨后達(dá)到第一階段吸濕平衡。其次，水分子與環(huán)氧樹脂間的相互作用力隨著吸濕量的增加而明顯增強(qiáng)，致使其電導(dǎo)損耗與極化損耗劇烈增加。可見水分子對(duì)于環(huán)氧樹脂的介電特性確實(shí)具有較大的影響。因此可以推測(cè)，本研究案例中隨著A相套管暴露在空氣中的時(shí)間增加，其C和tanδ呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢(shì)是受其吸濕特性的影響。

為探究環(huán)氧樹脂材料在水分子影響下的老化特性，劉玉[24]對(duì)環(huán)氧樹脂的吸濕特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂材料存在由濃度差導(dǎo)致的水分子擴(kuò)散吸濕與環(huán)氧親水基團(tuán)結(jié)合氫鍵吸濕兩種方式。在受潮初期，水分子的影響主要由擴(kuò)散吸濕造成，而此種吸濕方式對(duì)材料造成的影響是可逆的。即環(huán)氧樹脂基體只發(fā)生溶脹和塑化，此時(shí)經(jīng)干燥處理后材料性能可以恢復(fù)，但若吸濕過程中產(chǎn)生了裂紋且裂紋進(jìn)行了生長擴(kuò)散，材料性能便不可恢復(fù)。需要特別說明的是，環(huán)氧樹脂材料老化特性的研究多基于高濕熱條件，但本研究中試驗(yàn)處于正常大氣環(huán)境，溫度與空氣濕度均不高，可以認(rèn)為潮氣影響對(duì)材料不構(gòu)成破壞性影響。因此將末屏蓋板蓋回后，其C和tanδ電容量均出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。

此外，為驗(yàn)證環(huán)氧樹脂材料結(jié)構(gòu)的末屏介質(zhì)損耗測(cè)量確實(shí)受客觀因素影響明顯，在相同溫度、濕度環(huán)境下，將相同電壓等級(jí)的瓷制末屏引出結(jié)構(gòu)的主變套管暴露在空氣中，進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。

圖8 瓷制末屏引出結(jié)構(gòu)套管C和tanδ隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of C and tanδ of porcelain end shield lead-in structure bushing with time

從圖8可以看出，隨著瓷制末屏引出結(jié)構(gòu)的主變套管暴露在空氣中的時(shí)間增加，其C和tanδ并沒有較大的變化。由此可見，相比于陶瓷材料小套管，環(huán)氧樹脂末屏結(jié)構(gòu)的套管介損測(cè)量極易受環(huán)境因素影響，從而導(dǎo)致介損試驗(yàn)出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)論

末屏小套管引出結(jié)構(gòu)為環(huán)氧樹脂材料的套管在進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量時(shí)對(duì)潮氣敏感性強(qiáng)，空氣中的潮氣會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)損耗測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，從而出現(xiàn)誤判。建議在天氣較悶熱、相對(duì)濕度超過70%的惡劣濕熱環(huán)境下不要進(jìn)行介質(zhì)損耗和電容量測(cè)量試驗(yàn)，或者在進(jìn)行末屏擦拭與干燥操作時(shí)，對(duì)小套管一并處理后再進(jìn)行測(cè)量。