徐宏碧

（廣東電網(wǎng)有限責任公司肇慶供電局，廣東肇慶，526000）

1 套管結(jié)構

220kV變壓器套管中最廣泛應用的套管是油浸電容式套管，基于套管末屏接地的標準能夠?qū)⑵浞譃槌＝拥厥?、?nèi)置式、外置式三種類型，基本結(jié)構如圖1所示，組成部件包括儲油柜、接線頭、導電結(jié)構、電容芯子、末屏、上/下瓷套、中間接地法蘭等。額定電流在1250 A以下的導電結(jié)構為穿纜結(jié)構，額定電流超過1250A的導電結(jié)構為導電桿結(jié)構。

圖1 套管結(jié)構圖

2 220kV變壓器套管常見缺陷及原因分析

本文就220kV變壓器套管中常見的缺陷及可能引發(fā)的原因進行了解析，主要內(nèi)容如下。

2.1 接頭過熱

一般220kV變壓器中套管接頭中存在3個極易過熱部位，包括（1）將軍帽（導電頭）和接線板的連接位置；（2）外部引線接頭和接線板的連接位置；（3）將軍帽和變壓器內(nèi)部繞組引線接頭連接位置。

三個位置中最容易引發(fā)接頭過熱的是變壓器內(nèi)部繞線接頭和導電頭之間連熱位置，因為兩者之間的連接主要依靠引線扭力和螺紋，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全緊固，因此就存在發(fā)熱風險。導致220kV變壓器套管接頭過熱的原因可能有接觸螺紋長度較短、兩部件接觸面積不夠或接觸面不平整、兩零部件緊固不足、導電膏硬化、加工尺寸偏差、安裝錯位、定位螺母松脫以及螺紋配合不當?shù)?。如果部件連接位置接觸不良可能引發(fā)套管接頭出現(xiàn)發(fā)熱的情況，另外接觸不良還會引起套管介損測試值超標。若不能及時有效進行處理，情況會進一步惡化并引發(fā)惡性循環(huán)，最終導致高點回路連接零部件毀壞、熔焊或燒毀。

2.2 末屏放電

220kV變壓器套管一般采用電容型的絕緣結(jié)構，以保證軸向場強和徑向場強的均勻性。電容型絕緣結(jié)構是同心圓柱體電容器，其以導電銅管作為中心位置，示意圖如圖2所示。其中c0表示零屏電容，而c1～cn表示絕緣結(jié)構中的主電容，用C1表示絕緣結(jié)構的總電容量，末屏對地電容量用C2表示。在末屏不接地情況下，末屏對地電壓可以利用下式進行計算：

示意圖中能夠發(fā)現(xiàn)末屏與地間具有較小的絕緣距離，未達到U2時，懸浮放電已經(jīng)發(fā)生。

圖2 套管電容層示意圖

2.3 局部放電

220kV變壓器套管中常見的局部放電類型包括電暈放電、懸浮放電以及尖端放電。

2.3.1 懸浮放電

導致220kV變壓器套管懸浮放電的主要原因是設計存在一定缺陷，在缺陷情況下均壓帽和導電桿之間的連接主要依靠定位銷實現(xiàn)，如果因震動等因素導致兩零部件之間出現(xiàn)接觸不良或未接觸的情況，就會導致兩者間存在電位差，發(fā)生放電。

2.3.2 尖端放電

在強電場作用下，物體的尖銳部分會出現(xiàn)一定放電現(xiàn)象，統(tǒng)稱尖端放電。尖端放電的誘因主要是金屬部件的質(zhì)量問題，加工工藝不良引發(fā)高壓零屏鋁管表面的毛刺瑕疵，進而導致電場畸變、電廠強度增加、絕緣面老化，最終引起沿面擊穿。

2.3.3 電暈放電

作為220kV變壓器套管外部中最常見的放電類型，引發(fā)電暈放電的最主要原因是表面電壓分布不均勻。

2.4 滲漏油

在220kV變壓器套管的導電頭、油位鏡、套管末屏、放油螺栓以及金屬法蘭和套管瓷件的連接位置等均會發(fā)生滲漏油情況。一般在220kV變壓器套管金屬法蘭和瓷件之間的灌注密封主要采用硅油填充物，這種方式下灌注往往密實性較差，而且由于引線拉力的作用，在中部法蘭和瓷套下部的水泥燒結(jié)處會出現(xiàn)裂紋，進而出現(xiàn)滲漏油的情況。如果不能及時處理可能導致220kV變壓器套管油位下降，220kV變壓器套管的絕緣性受到極大威脅。

2.5 進水受潮

220kV變壓器套管中的導電頭、注油孔等密封部位均極易進水受潮。導電頭的密封中如果不使用十字槽螺栓或者是密封橡膠墊，其密封效果就會較差。注油孔的油枕上端是注油螺栓，若注油螺栓缺失或者墊圈發(fā)生老化，密封性大大減弱，并且水分會因此進入到套管本體當中。另外，若套管的防雨罩底座和出線端接柱之間沒有緊固鎖定裝置，防雨罩的防水作用會因此喪失，水分進入套管引發(fā)內(nèi)部受潮。

2.6 雨閃

在220kV變壓器套管缺陷故障統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，雨閃事故在污閃事故中的占比達到了25%，必須受到重視，其主要和降雨有關，需要做好防水防雨工作。

2.7 介損超標

220kV變壓器套管絕緣狀況的有效判別手段包括電容量測量和介質(zhì)損耗因數(shù)測量等。220kV變壓器套管體積相對較小，且電容量也較小，通過介質(zhì)損耗的測量，能夠極其靈眠的發(fā)現(xiàn)套管的局部缺陷和劣化受潮情況。尤其是對于套管內(nèi)部的嚴重漏油、電容芯層擊穿、接觸不良、小套管斷線等缺陷和故障，能夠及時、有效、靈敏的發(fā)現(xiàn)。

3 220kV變壓器套管缺陷常用檢測方法

3.1 基于紅外圖像識別的缺陷檢測方法

在研究中，提出了基于紅外圖像識別的220kV變壓器套管缺陷檢測方法，并且該技術的新技術流程和步驟詳細明確。首先，需要借助紅外圖像識別技術以獲得220kV變壓器套管的紅外圖像；然后，結(jié)合多模板匹配技術對獲得的紅外圖像進一步分析，得到變壓器套管的詳細圖像；接下來，利用圖像形態(tài)學技術、三級金字塔濾波技術對220kV變壓器套管具體圖像位置進行分析，并進行具體定位。最后，在220kV變壓器套管的具體對象和定位圖中引入圖像灰度值分析方法，建立其和色溫表的對應函數(shù)映像關系，分析比對得到220kV變壓器套管不同位置的具體溫度，以此分析判斷發(fā)熱套管中可能存在的缺陷。

3.2 變壓器局部放電試驗中套管缺陷的檢測

國標GBl 094.3-85中對變壓器局部放電試驗進行了明確界定，其本質(zhì)是220kV等變壓器在感應耐壓下的測試實驗，最終的電壓測試值必須保證滿足系統(tǒng)要求，能承受220kV變壓器正常運行的電壓值，也能夠承受暫時過電壓。局部放電試驗多端子測量校準在該標準中也進行了明確要求，需要準確校準線圈端子和地之間，以此模擬套管局部放電。

3.3 基于數(shù)據(jù)分析的變壓器套管新型在線監(jiān)測與預警

大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展和應用，為220kV變壓器套管的監(jiān)測和預警提供了重要的技術支持。某省在220kV變壓器套管缺陷分析中對歷年來的介損值歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并利用基礎數(shù)據(jù)構建了在線監(jiān)測和預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對間歇性、短時性異常數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測，同時將這些異常數(shù)據(jù)進行剔除，進一步優(yōu)化了預警策略，提升了在線監(jiān)測和缺陷監(jiān)測預警水平。

3.4 基于計算機視覺的變壓器套管缺陷監(jiān)測

在計算機技術、圖像處理技術、智能監(jiān)測技術以及計算機視覺技術發(fā)展的同時，這些新型技術在220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測中得到良好應用。研究者在研究中提出了基于計算機視覺的220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測技術，在技術基礎上發(fā)展配備了相應的軟件（MATLAB、ASP.NET等）和硬件，構建220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測平臺，結(jié)合遠程攝像機獲取220kV變壓器套管現(xiàn)場應用的實時圖像，利用信息傳輸技術將獲得的圖像和數(shù)據(jù)傳輸回服務器深入分析，并進行識別和判斷，如果發(fā)現(xiàn)異?；蛘呷毕?，及時通知工作人員進行核準和處理。

4 220kV變壓器套管缺陷交流阻抗檢測與定位方法研究

4.1 電流分布

圖3顯示了金屬套管電流分布情況，其中L為金屬套管的長度，套管回流環(huán)和內(nèi)壁注入電流環(huán)之間的距離定義為l，用I表示注入電流。在趨膚效應的作用下，電流會趨向于套管的內(nèi)壁表面以及外壁表面。電流分為I0和I1兩部分，I0會沿著套管的內(nèi)部進入到回流環(huán)中，而I1會以此經(jīng)過套管內(nèi)壁、套管端面、套管外壁，最終流回套管內(nèi)壁回流環(huán)。

圖3 金屬套管電流分布

4.2 等效電路

根據(jù)220kV變壓器套管的情況構建了如圖4所示的等效電路圖，其中Z0為回流環(huán)和電流環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗；Z1為套管上頂端和電流環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗，其也應用于代表下頂端和接地環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗；Z2為套管頂端的等效阻抗；Z3為套管外壁的等效阻抗。

圖4 金屬套管等效電路

基于電路定律，正弦穩(wěn)態(tài)下的電流滿足如下條件：

圖3中電流分布若確定了距離l以及套管長度L之后，阻抗即為Z0( 2Z1+ 2Z2+ Z3)，可推導出如下關系：

4.3 套管缺陷測試方法

本文提出的220kV變壓器套管缺陷交流阻抗檢測與定位方法基礎是基于220kV變壓器套管阻抗值大小判別和趨膚效應分析實現(xiàn)的。金屬套管(良導體) 具有高的電導率和大的傳導電流。由于歐姆損耗是連續(xù)存在的，電磁波所攜帶的能量會隨著波在金屬套管中傳播而不斷衰減。金屬導體材料中，損耗角正切σ/(ωε>1，電磁波的傳播常數(shù)為：

我們首次通過前瞻性病例對照研究觀察急性期重癥腦梗死患者入院后7d經(jīng)肌電生物反饋治療對下肢肌肉容積減少的影響，針對急性期腦梗死患者肌肉容積減少提供了一個有效和可行的治療策略。之前的研究顯示，進入監(jiān)護病房可能導致1型和2型肌肉纖維橫截面積下降，每天分別為3%和4%[10]。本研究入院第1天常規(guī)康復組與肌電生物反饋組大腿周徑及小腿周徑的基線資料差異無統(tǒng)計學意義。入院后第7天肌電生物反饋組大腿周徑減少值明顯小于常規(guī)康復組。大腿肌肉變化較小腿明顯可能是由于肌電生物反饋使用的電極放置的位置影響。因此，我們的數(shù)據(jù)表明肌電生物反饋治療是切實可行的作為防治急性期腦梗死患者肌肉容積減少的對策。

式中傳導電流密度和電場強度隨著透入導體深度的增加而呈指數(shù)衰減，該現(xiàn)象稱為趨膚效應。趨膚效應是影響過套管電磁測井的主要因素之一。在z=1/α=1/β處衰減到e-1=0.368倍，令δ=1/α表示這個距離，稱為趨膚深度。趨膚深度是描述電磁波在導體傳播的一個重要參數(shù)。趨膚深度的大小與電磁波的頻率、導體電導率以及磁導率有關。當z方向距離為3δ時，電場(電流密度)衰減到e-3≈0.05倍，此時工程上可近似認為電磁波全部衰減。

圖3中就電流分布情況進行了分析，220kV變壓器套管I目標段電流環(huán)電流向套管內(nèi)壁流入，并且繼續(xù)沿著套管流回到回流環(huán)中。對于目標段中的某段距離內(nèi)的電壓和阻抗值進行判斷和檢測，進而對這些數(shù)據(jù)進行分析判別220kV變壓器套管的被檢測段是否存在問題和缺陷。對于同一檢測位置和同一檢測目標段，對注入電流頻率進行調(diào)整和改變，結(jié)合電壓值和阻抗值判斷220kV變壓器套管在徑向（厚度方向）是否會存在缺陷，其基本流程如下所示：

（1）根據(jù)220kV變壓器套管的磁導率μ和電導率σ等待測參數(shù)去計算趨膚深度δ和激勵頻率之間的關系，并且以此來確定220kV變壓器套管的厚度3δ；

（2）結(jié)合220kV變壓器套管的厚度3δ和其厚度Δa之間的關系，計算注入電流的頻率 f 值；

（3）對于井口套管等無缺陷的220kV變壓器套管在不同頻率下的阻抗值進行檢測和分析；

（4）對于220kV變壓器套管中的目標段按照信號頻率從低到高的順序進行阻抗檢測；

（5）對于（3）和（4）中的阻抗值進行對比和分析，如果無缺陷套管阻抗值和目標檢測段的阻抗值相同，則可以判定被測目標段的220kV變壓器套管內(nèi)壁3δ 范圍內(nèi)不存在缺陷，否則則表明220kV變壓器套管內(nèi)壁3δ 范圍內(nèi)存在一定缺陷。

4.4 應用效果分析

（1）220kV變壓器套管的交流阻抗值會受到趨膚效應的影響，這種情況下不能和正常無缺陷的套管進行對比，對于缺陷套管不同頻率條件下阻抗值將會發(fā)生變化。

（2）如果220kV變壓器套管內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕的情況，在電流頻率增大的情況下，220kV變壓器套管內(nèi)壁的缺陷部分交流阻抗值的變化率會呈現(xiàn)趨于常量的趨勢。220kV變壓器套管內(nèi)壁缺陷部分的阻抗值均會小于正常內(nèi)部部分的阻抗值（超低頻率除外），通過對220kV變壓器套管內(nèi)壁阻抗值的監(jiān)測和阻抗值分析能夠判別其是否存在缺陷問題。

（3）如果220kV變壓器套管外部出現(xiàn)腐蝕等情況，那么220kV變壓器套管缺陷部分的交流阻抗相對變化率會隨著電流頻率的增大而趨于0；檢測段的阻抗值和正常部分的阻抗值相等（較高頻率下）。通過對220kV變壓器套管外壁阻抗值的監(jiān)測能夠判斷是否存在缺陷，同時結(jié)合趨膚深度還能夠定位缺陷的具體位置。

（4）直流(或超低頻)阻抗法能檢測出被測段是否存在缺陷，但是缺陷在套管外壁還是在內(nèi)壁難以確定，而交流阻抗法可進一步判斷出缺陷的徑向位置。

5 結(jié)論

220kV變壓器套管應用過程中不可避免存在缺陷問題，缺陷問題可能引發(fā)電網(wǎng)安全事故，因此必須要加強對其缺陷的監(jiān)測和定位。只有通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)缺陷所在，才能對缺陷進行處理。目前常用的方法包括紅外監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、視覺成像分析等眾多技術，本文提出的交流阻抗監(jiān)測方法具有較好的應用性，希望能夠為220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測和定位提供指導。