張毅濤，齊波，林元棣，沈殷和，吳益明

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

油紙絕緣套管是變壓器設備的重要組成部分，起絕緣、引流和支撐作用，其絕緣結構分內絕緣和外絕緣。內絕緣為圓柱形電容芯子，由油浸紙和鋁箔極板組成；外絕緣為瓷套[1]。因套管密封設計不合理或安裝維護不當導致套管密封失效進水受潮，進而造成套管絕緣故障甚至引起變壓器停運或著火[2]。根據中國電力科學研究院近二十年收集的事故統(tǒng)計，油紙絕緣套管一旦發(fā)生絕緣放電性故障，則導致變壓器火災事故的發(fā)生率高達83%[3]。可見套管故障會直接引發(fā)變壓器故障，造成巨大經濟損失。

套管受潮是油紙絕緣套管絕緣故障的主要形式之一，會對電力系統(tǒng)的安全可靠運行造成極大威脅[4—8]。如2015年9月2日某水電站輕重瓦斯保護動作，主變高低壓側斷路器跳閘，套管油紙絕緣存在明顯電弧放電痕跡。事后分析認為，套管密封不良造成絕緣受潮導致絕緣劣化，運行中產生局部放電并不斷發(fā)展至套管導桿與法蘭盤之間油紙絕緣擊穿[9—10]。2005年4月30日某換流站換流變保護動作，換流變壓力釋放閥冒油，套管儲油柜移位。套管解體發(fā)現(xiàn)電容屏間有嚴重電弧碳化通道，檢查發(fā)現(xiàn)套管頭部螺栓使用不當，有明顯進水通道，造成絕緣受潮，引發(fā)故障[11—13]。

目前國內外關于水分對變壓器油及絕緣紙板的影響研究較多，但針對套管油紙絕緣受潮特征的研究較少?，F(xiàn)行《電力設備預防性試驗規(guī)程》[14]對套管絕緣狀況的判斷作出了規(guī)定，但符合試驗規(guī)程的套管仍有故障發(fā)生，因此有必要開展變壓器油紙絕緣套管受潮缺陷的特征研究。華北電力大學王偉等人研究了水分含量對油紙絕緣沿面爬電的影響[15]，認為水分濃度的升高會顯著降低沿面爬電的起始電壓。研究顯示頻域介電譜(frequency domain spectroscopy,FDS)對油紙絕緣中的水分較敏感，可以通過FDS特征診斷油紙絕緣受潮狀態(tài)[16—19]。已有研究將FDS方法應用于套管受潮狀態(tài)的判斷研究中[20—25]，但未明確給出受潮油紙絕緣套管的FDS特征。

為研究變壓器油紙絕緣套管因密封失效引起的受潮缺陷對套管FDS的影響，文中研制了電場等值的套管試驗模型，搭建了40.5 kV試驗平臺。對套管受潮不同靜置時間(24 h，48 h，72 h，96 h，120 h，144 h，168 h，192 h，216 h)下介損電壓特性和0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進行測試，分析其變化趨勢，并通過數(shù)據對比獲得受潮套管的診斷特征量。

1 研究平臺及試驗方法

1.1 試驗模型

為便于實驗室進行試驗研究，文中研究采用了電場等值的套管模型。試驗所用套管模型如圖1所示，套管外套采用透明有機玻璃，便于觀察試驗現(xiàn)象，套管電容芯子由0.125 mm厚的電纜絕緣紙和0.007 mm厚的鋁箔組成。套管模型的額定電壓為40.5 kV，最高工作相電壓為23.5 kV。套管徑向場強最大值為4.52 kV/mm，最小值為2.21 kV/mm；上軸向場強最大值為0.19 kV/mm，最小值為0.11 kV/mm；下軸向場強最大值為0.22 kV/mm，最小值為0.18 kV/mm。該模型由國內某套管廠家加工制作，生產和處理工藝和實際油紙絕緣套管一致，保證套管模型的電氣性能滿足GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》[26]的要求。

圖1 試驗套管模型Fig.1 Experimental bushing model

1.2 受潮模擬

為模擬套管頭部密封不良引起的潮氣入侵造成套管受潮缺陷，利用圖2(a)所示的超聲波空氣加濕器，從套管頭部注油口部位注入水汽，從泄壓閥部位排出水汽，對套管模型頭部加濕2 h，加濕結束后靜置。頭部加濕效果如圖2(b)所示，尾部沉積水水分布如圖2(c)所示?？諝饧訚衿鞯牧髁繛?00 mL/h，水汽顆粒約5 μm。該受潮模擬方法先使套管內變壓器油受潮，然后水分從油中向紙中遷移使絕緣紙受潮，與實際套管受潮過程相似。

圖2 套管模型加濕過程Fig.2 Process of moisture ingress of bushing model

1.3 試驗平臺

文中建立了一套40.5 kV套管絕緣缺陷工頻介損及FDS試驗平臺,如圖3(a)所示，所采用的試驗回路如圖3(b)所示。采用并聯(lián)回路的方法測試套管模型的局部放電脈沖電流信號，以保證試驗過程中測量設備的安全。采用相對比較法，測試套管模型的介質損耗正切值(tanδ)及電容量，以實現(xiàn)介損的在線監(jiān)測。介損在線測量裝置主要由高精度穿心式電流傳感器和測量主機2個部分組成，介損的測量精度為±0.04%。FDS測試系統(tǒng)的輸出電壓峰值范圍為0～200 V，輸出電流峰值為0～50 mA，頻率范圍為0.1 mHz～10 kHz。

圖3 40.5 kV套管試驗研究平臺Fig.3 Experiment platform of 40.5 kV bushing

1.4 試驗方法

(1) 利用介損測試儀對40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時間下的介損電壓特性分別進行測試。文中采用階梯升壓法，試驗電壓由10 kV逐級升至30 kV，升壓步長為5 kV/5 min。階梯升壓示意如圖4所示。

圖4 階梯升壓示意Fig.4 Schematic diagram of ladder booster

(2) 利用介電響應測試儀對受潮前、受潮后不同靜置時間下0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進行測試。FDS測試電壓峰值為200 V。

2 結果及分析

2.1 介質損耗正切值變化過程

40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時間下介損電壓特性曲線如圖5所示。

圖5 介損變化趨勢Fig.5 Change trend of dielectric loss

由圖5可以看出，潮氣入侵40.5 kV套管后，在受潮初期0—48 h，相同試驗電壓下介損隨時間的變化呈現(xiàn)微弱增長趨勢，但并不明顯；相同時間下，不同試驗電壓下介損有所增長。在受潮中期靜置48—120 h階段，介損隨時間的變化呈現(xiàn)明顯增長趨勢，并在120 h時介損達到峰值，此時階梯升壓下介損增量達到峰值，介損增量+0.22%。在受潮末期靜置120—216 h階段，介損隨著時間的增加呈現(xiàn)下降趨勢。介損最大值及介損增量均未超過DL/T 596—1996[14]及南網Q/CSG 114002—2011[27]規(guī)程的規(guī)定值。

受潮缺陷套管的特征量變化規(guī)律與時間有較強的相關性，利用傳統(tǒng)的介損檢測方法需要把握最佳時機?，F(xiàn)有規(guī)程DL/T 596—1996及南網Q/CSG 114002—2011規(guī)定的介損增量0.3%偏大，建議介損增量應小于0.2%。利用高電壓介損法，可在受潮初期及時發(fā)現(xiàn)缺陷套管。

2.2 FDS變化過程

將受潮后不同靜置時間的40.5 kV套管FDS繪制成圖，見圖6。在FDS的低頻段0.001～0.01 Hz區(qū)間范圍內可明顯區(qū)分受潮套管與不受潮套管，1 mHz介損特征尤其明顯。受潮后0—216 h內，F(xiàn)DS低頻段特征區(qū)間逐漸上升，而50 Hz介損變化特征不明顯。建議出廠及運行增加FDS低頻段測試，利用FDS低頻段特征進行套管絕緣診斷。

圖6 FDS特征變化趨勢Fig.6 Change trend of FDS characteristic

2.3 工頻介損和低頻介損對比

為了比較高電壓下工頻介損與FDS低頻介損對受潮程度的靈敏性，選取相同時間下10 kV工頻介損與1 mHz低頻介損進行比較，如圖7所示。隨著靜置時間的增加，10 kV工頻介損變化并不明顯，而1 mHz低頻介損呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。1 mHz低頻介損最大值為12.68%，其增量最大值為8.02%。而現(xiàn)有規(guī)程DL/T 596—1996及南網Q/CSG 114002—2011規(guī)定的介損值應低于1%，介損增量應低于0.3%。1 mHz低頻介損值無論在增量還是數(shù)值方面，均比工頻介損靈敏。

圖7 10 kV工頻與1 mHz低頻的tan δ比較Fig.7 Comparison of tan δ for 10 kV power frequency and 1 mHz low frequency

分析認為低頻介損更靈敏的原因是，受潮情況下，套管芯子受潮與干燥區(qū)域的等效電阻、等效電容不相匹配。在超低頻電場作用下，受潮層與干燥層間的界面極化增強，界面存在電荷的積累，弛豫效應明顯。

3 現(xiàn)場應用

為更好地驗證實驗室獲得的套管受潮FDS特征規(guī)律，對實際500 kV疑似受潮套管A、正常套管C、新出廠套管Z在室溫下分別進行FDS測試，3支套管測試工況如圖8所示。

圖8 500 kV套管FDS現(xiàn)場測試Fig.8 FDS field test of 500 kV bushings

由圖9可見，A套管1～10 mHz介損明顯高于C套管，0.001 Hz介損值超過10%。A套管在低頻范圍(1 mHz ～0.1 Hz)段FDS曲線明顯高于C套管和Z套管，說明A套管介電特性已發(fā)生改變。而C套管的FDS曲線與新套管的FDS曲線基本重合，該套管在1 mHz～1 kHz頻段介損值始終低于0.5%。測試完成后，對異常A套管進行解體并取紙樣進行紙中含水量測試。采用卡爾費休滴定法實測套管紙樣的平均含水量約為1.1%，而DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規(guī)程》規(guī)定，運行中變壓器紙板500 kV電壓等級變壓器紙板含水量一般不大于1%，因此確定A套管為受潮套管，F(xiàn)DS低頻介損特征明顯。

圖9 500 kV套管的FDS特征Fig.9 FDS characteristic of 500 kV bushings

4 結語

受潮缺陷套管的特征量變化規(guī)律與時間有較強的相關性，利用傳統(tǒng)的介損檢測方法需要把握最佳時機?，F(xiàn)有規(guī)程規(guī)定的介損增量0.3%偏大，建議規(guī)程介損增量應小于0.2%。FDS對受潮缺陷檢測靈敏，建議利用FDS特征量診斷套管受潮缺陷。發(fā)現(xiàn)潮氣入侵套管后，F(xiàn)DS的1 mHz低頻介損是關鍵特征量，1 mHz低頻介損值無論是增量還是數(shù)值均比工頻介損靈敏。在潮氣侵入后0—216 h中，F(xiàn)DS的低頻介損隨靜置時間增長而增大，其最大增量為8.02%。建議出廠及運行增加FDS低頻段(1 mHz～0.1 Hz)測試，利用FDS低頻段特征進行套管絕緣診斷，建議1 mHz介損增量應小于5%。