王仁文

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

變壓器具有電壓變換及安全隔離的作用，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況也與電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行息息相關(guān)。套管作為變壓器內(nèi)部與外部的連接部件，在制造、安裝、運(yùn)行過(guò)程中均可能會(huì)產(chǎn)生缺陷，同時(shí)套管所處的高電壓、高場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境會(huì)使這些缺陷加劇，進(jìn)而造成套管過(guò)熱及局部放電等故障[1]。在造成變壓器故障中，受潮較為常見(jiàn)。套管受潮后，水分會(huì)降低套管的絕緣強(qiáng)度，引起局部放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)絕緣擊穿等問(wèn)題[2]?；诖耍疚姆治隽俗儔浩魈坠艿氖艹比毕菪纬蓹C(jī)理，并對(duì)套管受潮影響進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 套管缺陷劃分

變壓器套管所處環(huán)境較為惡劣，高電壓、高場(chǎng)強(qiáng)的特殊環(huán)境會(huì)加劇套管運(yùn)行的危險(xiǎn)性[3]。

按照發(fā)生缺陷的部位不同進(jìn)行劃分，可將套管缺陷分為如圖1所示的7個(gè)部分[4]。從圖1中可以看出，套管的電容芯子、末屏接地小套管的缺陷占比最高，是變壓器套管運(yùn)行中需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。

圖1 套管各故障部位統(tǒng)計(jì)圖

2 套管受潮缺陷的劣化機(jī)理

套管在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，油紙絕緣材料會(huì)逐漸發(fā)生老化，分解出水分，造成套管的受潮。除此之外，套管在雨水等濕度較大的環(huán)境下，一部分水分會(huì)通過(guò)套管頂部侵入內(nèi)部，造成套管的受潮。當(dāng)套管受潮后，其油紙絕緣性能會(huì)隨之下降，如果不采取措施加以防護(hù)，變壓器的高電壓、高場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境會(huì)使受潮情況加劇，產(chǎn)生局部放電等現(xiàn)象。如果受潮情況過(guò)于嚴(yán)重，甚至?xí)固坠芙^緣擊穿[5]。

油紙絕緣遇水后，會(huì)使其機(jī)械性能老化，這是發(fā)生絕緣降低的主要原因。同時(shí)，受潮還會(huì)使套管產(chǎn)生泄漏電流，泄漏電流產(chǎn)生的損耗會(huì)使套管絕緣出現(xiàn)局部發(fā)熱等隱患。水分會(huì)加劇極化形成，因此當(dāng)套管受潮后，其相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨之增大。同時(shí)，水分的增加會(huì)加大電導(dǎo)損耗，因此介質(zhì)損耗因數(shù)也會(huì)增加。由此可知，介損是套管受潮的重要表征[6]。

3 算例分析

3.1 500 kV套管仿真分析

3.1.1 均勻受潮的500 kV套管模型

當(dāng)套管受潮時(shí)，會(huì)使油紙絕緣的芯子的徑向場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，首先計(jì)算20 ℃時(shí)，套管均勻受潮與沒(méi)有受潮兩種情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 20 ℃沒(méi)有受潮與均勻受潮對(duì)比

觀察圖2可知，20℃下，當(dāng)套管受潮后，1—35層芯子的徑向場(chǎng)強(qiáng)分布比起沒(méi)有受潮時(shí)出現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，如芯子層數(shù)為1時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)增加了0.5 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)又有了下降趨勢(shì)，如當(dāng)芯子層數(shù)為60時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)減小了0.25 kV/mm。

對(duì)80 ℃時(shí)套管均勻受潮時(shí)的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算，然后將均勻受潮結(jié)果與沒(méi)有受潮的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 80 ℃沒(méi)有受潮與均勻受潮對(duì)比

觀察圖3可知，當(dāng)溫度上升后，均勻受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)有所增加，如20 ℃時(shí)，芯子層數(shù)為1的徑向場(chǎng)強(qiáng)為4.9 kV/mm，當(dāng)溫度升高至80 ℃時(shí)，芯子層數(shù)為1的徑向場(chǎng)強(qiáng)增加至5.2 kV/mm。同時(shí)，與20 ℃時(shí)的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)套管受潮后，1—35層芯子的徑向場(chǎng)強(qiáng)分布比起沒(méi)有受潮時(shí)出現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，如芯子層數(shù)為1時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)增加了0.53 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)又有了下降趨勢(shì)，如當(dāng)芯子層數(shù)為60時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)減小了0.35 kV/mm。

3.1.2 非均勻受潮的500 kV套管模型

接下來(lái)計(jì)算套管受到非均勻受潮時(shí)的電場(chǎng)分布變化，首先計(jì)算20 ℃時(shí)，套管非均勻受潮與沒(méi)有受潮兩種情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 20 ℃沒(méi)有受潮與非均勻受潮對(duì)比

觀察圖4可知，20 ℃下，當(dāng)套管受潮后，1—40層芯子的徑向場(chǎng)強(qiáng)分布比起沒(méi)有受潮時(shí)有所增加，如芯子層數(shù)為1時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)增加了0.28 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)有所減少，如當(dāng)芯子層數(shù)為60時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)減小了0.35 kV/mm。

對(duì)80 ℃時(shí)套管非均勻受潮時(shí)的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算，然后將非均勻受潮結(jié)果與干燥良好結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 80 ℃沒(méi)有受潮與非均勻受潮對(duì)比

觀察圖5可知，與20 ℃時(shí)的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)套管受潮后，1—40層芯子的徑向場(chǎng)強(qiáng)分布比起沒(méi)有受潮時(shí)出現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，如芯子層數(shù)為1時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)增加了0.53 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)又有了下降趨勢(shì)，如當(dāng)芯子層數(shù)為60時(shí)，受潮后的徑向場(chǎng)強(qiáng)比沒(méi)有受潮時(shí)減小了0.45 kV/mm。

3.2 72.5 kV套管仿真分析

3.2.1 均勻受潮的72.5 kV套管模型

下面以72.5 kV套管為例，計(jì)算均勻受潮48 h下套管的介質(zhì)損耗特性，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 套管均勻受潮介質(zhì)損耗變化

觀察圖6可知，套管的介質(zhì)損耗正切值與體積介質(zhì)損耗密度的變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)增大—減小—再增大的趨勢(shì)，在13 h附近存在一個(gè)峰值，隨后快速趨于平穩(wěn)。

再對(duì)不同頻率下，套管均勻受潮后的介質(zhì)損耗角正切值進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 套管均勻受潮介質(zhì)損耗正切值變化

觀察圖7可知，隨著頻率的增大，套管受潮后的介質(zhì)損耗角正切值隨之減小，在低頻區(qū)，套管受潮后的介質(zhì)損耗角正切值較大，因此在低頻區(qū)進(jìn)行介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)量更易追蹤到套管的受潮情況。

3.2.2 非均勻受潮的72.5 kV套管模型

同樣，計(jì)算非均勻受潮48 h下套管的介質(zhì)損耗密度，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 套管非均勻受潮介質(zhì)損耗密度變化

觀察圖8可知，與均勻受潮時(shí)的變化趨勢(shì)一致，非均勻受潮情況下，套管的介質(zhì)損耗密度同樣呈現(xiàn)增大—減小—再增大的趨勢(shì)。

接下來(lái)繼續(xù)計(jì)算不同頻率下，套管非均勻受潮后的介質(zhì)損耗角正切值，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 套管非均勻受潮介質(zhì)損耗正切值變化

對(duì)比圖7、9可知，與均勻受潮的變化趨勢(shì)一致，非均勻受潮下套管的介質(zhì)損耗角正切值隨著頻率的增大而減小。

將均勻受潮與非均勻受潮時(shí)套管的介質(zhì)損耗角正切值對(duì)比分析可知（見(jiàn)圖10），比起均勻受潮，非均勻受潮時(shí)套管的介質(zhì)損耗角正切值有所減小。但同樣，低頻區(qū)的介質(zhì)損耗角正切值仍然遠(yuǎn)大于高頻區(qū)，因此，對(duì)于套管的非均勻受潮，依然能采用低頻區(qū)測(cè)量介質(zhì)損耗角正切值的方法發(fā)現(xiàn)套管的受潮情況。

圖10 套管均勻受潮與非均勻受潮介質(zhì)損耗正切值曲線對(duì)比

4 結(jié) 論

受潮是變壓器套管的主要缺陷之一，為保證變壓器套管的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文分析了變壓器套管的受潮機(jī)理，并對(duì)不同電壓等級(jí)、不同受潮情況下的電場(chǎng)分布及介質(zhì)損耗進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，低頻區(qū)測(cè)量介質(zhì)損耗角正切值的方法可發(fā)現(xiàn)套管的受潮情況。