胡善福

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

隨著電網(wǎng)發(fā)展的信息化、自動(dòng)化以及發(fā)電廠裝機(jī)容量的高速增長(zhǎng)，電力變壓器的重要性也日益突出，變壓器的安全可靠運(yùn)行對(duì)保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義［1］。大量實(shí)例表明，變壓器內(nèi)部故障多數(shù)是由局部放電誘發(fā)的。局部放電是指引起導(dǎo)體之間的場(chǎng)強(qiáng)高處絕緣只發(fā)生局部橋接的一種放電，而沒(méi)有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，可以發(fā)生在導(dǎo)體周?chē)?，也可能發(fā)生在其他區(qū)域，一般情況下是由絕緣體內(nèi)部或表面局部電場(chǎng)過(guò)于集中導(dǎo)致的［2］。局部放電量超標(biāo)是變壓器試驗(yàn)或運(yùn)行時(shí)絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障的前兆，其持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步劣化，典型的局部放電類(lèi)型主要有懸浮放電、尖端放電、氣泡放電和沿面放電等，如果局部放電未能及時(shí)處理，完全有可能發(fā)展為全面的絕緣擊穿，是影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重大隱患［3］。

局部放電是衡量變壓器絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)［4］，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1094.3及IEC60076-3規(guī)定110 kV及以上電壓等級(jí)的所有變壓器應(yīng)實(shí)施局部放電檢測(cè)。局部放電表現(xiàn)為絕緣系統(tǒng)局部區(qū)域的微小擊穿，常伴有發(fā)光、發(fā)熱、電脈沖、電磁輻射、超聲波以及放電導(dǎo)致絕緣材料分解出氣體等現(xiàn)象，通過(guò)這些現(xiàn)象可以進(jìn)行局部放電量檢測(cè)［5］。目前，對(duì)局部放電源進(jìn)行定位的方法已有較大發(fā)展，有超聲波檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、氣相色譜分析法、射頻檢測(cè)法、介質(zhì)損耗法、紅外成像法、脈沖電流檢測(cè)法、超高頻檢測(cè)法［6］，其中常用的方法是脈沖電流法和超聲波檢測(cè)法，即先通過(guò)脈沖電流法大致確定放電源的電氣位置，再通過(guò)超聲波定位法確定放電源的空間部位，將此二種方法組合起來(lái)使用，能夠達(dá)到快速準(zhǔn)確地對(duì)局部放電部位進(jìn)行定位的目的［7］。局部放電測(cè)量是對(duì)變壓器設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、生產(chǎn)工藝、材料性能以及現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝的綜合檢驗(yàn)，是變壓器例行試驗(yàn)中最重要的項(xiàng)目，是變壓器絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)［8］。

本文針對(duì)某臺(tái)220 kV大容量電力變壓器在例行試驗(yàn)中局部放電量超標(biāo)的故障，說(shuō)明了如何進(jìn)行測(cè)量診斷、故障定位、物料材質(zhì)檢測(cè)，通過(guò)綜合分析，制定了解決方案，最后成功地解決了該故障，相關(guān)過(guò)程可供變壓器制造廠和變電運(yùn)行單位參考。

2 故障概況

某電網(wǎng)公司220 kV變電站增容改造工程主變壓器，型號(hào)為SFSZ13-240000/220，變壓器的基本信息如表1所示，外部附件布置如圖1所示。

表1 變壓器基本信息

圖1 變壓器外形

2021年11月，此臺(tái)變壓器已成功通過(guò)例行試驗(yàn)中的低電壓測(cè)試項(xiàng)目，如電壓變比測(cè)量，繞組絕緣電阻測(cè)量等，而且也已通過(guò)空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)，操作沖擊試驗(yàn)和外施耐壓試驗(yàn)。然而，在帶有局部放電測(cè)量的感應(yīng)電壓試驗(yàn)過(guò)程中，高壓A相和B相局部放電量不穩(wěn)定，局部放電響應(yīng)波形中偶爾出現(xiàn)閃爍不穩(wěn)定的尖峰，A相局部放電量最大值約1 000 pC，B相約400 pC，高壓兩相局部放電響應(yīng)波形及圖譜如圖2所示。變壓器技術(shù)協(xié)議規(guī)定，局部放電量不得大于100 pC，因此需要查明原因，處理合格后才能放行。

圖2 高壓兩相局部放電響應(yīng)波形和圖譜

3 故障分析

3.1 外部干擾排查

局部放電源也有可能來(lái)自于被測(cè)試品的外部，因此試驗(yàn)人員首先對(duì)可能存在的外部干擾進(jìn)行了逐一排查。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)附近無(wú)切割、焊接作業(yè)，電源輸入側(cè)也接入了濾波器。在試驗(yàn)回路周?chē)脑O(shè)備、工裝和環(huán)境進(jìn)行了懸浮電位檢查，相關(guān)尖角均采用臨時(shí)的屏蔽罩避免過(guò)高電場(chǎng)。對(duì)于試驗(yàn)回路的接地線(xiàn)路也一并進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)套管末屏接觸異常。隨后，對(duì)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)進(jìn)行多次調(diào)擋操作，以免開(kāi)關(guān)接觸不良［9］。最后，再次對(duì)變壓器的相關(guān)位置進(jìn)行充分放氣。排查完畢后，重新施壓測(cè)試，高壓A相和B相局部放電量超標(biāo)現(xiàn)象仍未改變，可排除外部干擾因數(shù)。初步判斷變壓器內(nèi)部存在某種缺陷，需要進(jìn)一步處理。變壓器試驗(yàn)人員應(yīng)不斷提高識(shí)別典型局部放電響應(yīng)波形和干擾波形的能力，正確掌握放電的特征與施加電壓及時(shí)間的規(guī)律［10］。

3.2 內(nèi)部故障診斷

局部放電測(cè)試后24 h，在變壓器的底部、中部和頂部分別取油樣進(jìn)行油色譜分析，結(jié)果油中無(wú)乙炔，其他特征氣體也未見(jiàn)異常。在變壓器的生產(chǎn)實(shí)踐中，如果注油速度過(guò)快，或注油真空度不夠，吸附在絕緣件、夾件、鐵心上的氣泡不能被有效清除，那么也可能導(dǎo)致氣泡放電引起局部放電超標(biāo)的現(xiàn)象。為了排除此情況，變壓器進(jìn)行了放油、再次按工藝要求在真空條件下注油、靜放。隨后的三相接線(xiàn)法局部放電測(cè)量結(jié)果之前的與之前的相似，仍未好轉(zhuǎn)，此時(shí)開(kāi)關(guān)處于額定擋位，即9B位分接位置，A相局部放電量最大值達(dá)1 600 pC，B相約400 pC，但C相正常。如圖3所示，變壓器的高壓中性點(diǎn)接地，高壓線(xiàn)圈的底部、調(diào)壓線(xiàn)圈的第9抽頭也處于地電位。為了判斷局部放電源是否在線(xiàn)圈內(nèi)部，對(duì)高壓調(diào)壓開(kāi)關(guān)的位置進(jìn)行了調(diào)整，改為第1擋，但試驗(yàn)時(shí)保持匝電壓不變，提高了線(xiàn)圈端部電壓和相間電壓，如圖4所示。

圖3 三相接線(xiàn)法額定擋位測(cè)試

圖4 三相接線(xiàn)法1擋位測(cè)試

當(dāng)開(kāi)關(guān)處于第1擋進(jìn)行的三相接線(xiàn)法局部放電測(cè)量結(jié)果比較意外，竟然三相局部放電量均正常。但此時(shí)線(xiàn)圈匝間、餅間、引線(xiàn)間的電壓均與額定擋位相同，并且高壓端部對(duì)地、高壓端部相間電壓提高了12%。此結(jié)果表明，缺陷位置不在線(xiàn)圈底部、內(nèi)部，也不在引線(xiàn)間，更不在高壓套管上。要處理缺陷，必須判斷缺陷所在大致位置，因此需要進(jìn)行故障定位。

3.3 局部放電故障定位

首先，局部放電定位是基于放電所發(fā)生的物理現(xiàn)象查找缺陷部位的一種方法。由于局部放電瞬間會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷中和，產(chǎn)生電流脈沖現(xiàn)象。該電流脈沖在局部放電區(qū)域產(chǎn)生較高熱量，從而引起區(qū)域體積膨脹，放電結(jié)束后，該區(qū)域又會(huì)收縮，這種局部體積周期性變化導(dǎo)致介質(zhì)疏密的變化，進(jìn)而形成聲波，聲波頻率一般大于20 kHz而小于300 kHz，在變壓器油中聲波的傳播速度為1 324 m/s，在鋼鐵中為5 000 m/s［11］，由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲信號(hào)在油箱內(nèi)部會(huì)經(jīng)過(guò)多次折射和反射，超聲傳感器會(huì)收到多個(gè)超聲信號(hào)，在定位過(guò)程中需要多個(gè)傳感器、在不同位置配合，才能提高定位的準(zhǔn)確性。

通過(guò)之前的電氣診斷，判斷缺陷部位大致位于高壓A相或B相線(xiàn)圈的上部，需在變壓器的箱蓋和側(cè)壁采用多探頭進(jìn)行超聲波信號(hào)探測(cè)。有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)調(diào)整在額定擋位進(jìn)行了測(cè)試，局部放電量與之前的相同，并且多個(gè)探頭捕捉到了超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析和變壓設(shè)計(jì)模型比對(duì)，可以判斷局部放電源在A相調(diào)壓繞組上端部且靠近B相位置，如圖5紅圈位置所示。此處涉及到調(diào)壓線(xiàn)圈端部的端圈、線(xiàn)圈壓板，調(diào)壓線(xiàn)圈相關(guān)的部分紙筒和絕緣件。

圖5 故障定位結(jié)果（紅圈部位）

根據(jù)放電起始電壓與熄滅電壓相差較大，起始熄滅電壓比較穩(wěn)定的現(xiàn)象，結(jié)合圖2局部放電響應(yīng)圖譜，基本判斷定位區(qū)域的上述絕緣內(nèi)部存氣穴的可能性較大。變壓器絕緣件制造過(guò)程中存在涂膠過(guò)程，紙板中可能有封閉的氣腔，如果未被變壓器油浸透，在高場(chǎng)強(qiáng)作用下氣腔就容易放電。

3.4 絕緣材料檢測(cè)分析

該變壓器隨后進(jìn)行了放油吊芯，并仔細(xì)檢查了磁屏蔽、鐵心、夾件、器身，各部件表面均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。然后，器身進(jìn)入烘爐干燥，拔出上鐵軛，對(duì)所懷疑部位進(jìn)行了重點(diǎn)檢查。各相線(xiàn)圈的上部無(wú)雜質(zhì)異物，引線(xiàn)表面整潔無(wú)異常。吊出A相線(xiàn)圈的上部壓板，然后依次拔出調(diào)壓線(xiàn)圈、高壓線(xiàn)圈，檢查調(diào)壓線(xiàn)圈的內(nèi)外表面和端圈，高壓線(xiàn)圈的內(nèi)外表面、靜電屏、角環(huán)墊塊、紙筒及撐條，引線(xiàn)包紙絕緣，均未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。因壓板和調(diào)壓線(xiàn)圈的端圈絕緣相對(duì)較厚，存在刷膠不均勻、夾雜異物的可能性。因而，裁剪出定位指向區(qū)域的壓板，并把樣品送至專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行X光掃描和金屬成分分析，結(jié)果顯示壓板內(nèi)部材質(zhì)均勻，未見(jiàn)異物，也未發(fā)現(xiàn)空腔。壓板也進(jìn)行了解剖，解剖結(jié)果顯示壓板層間粘接均勻，無(wú)明顯分層現(xiàn)象。

圖6 端圈解剖局部表面光滑

對(duì)于A相端圈的定位指向區(qū)域，也進(jìn)行了逐層解剖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩層紙板間的部分區(qū)域比較光滑，這部分紙板被送到專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明兩側(cè)紙板均含有膠質(zhì)。據(jù)供應(yīng)商反饋端圈層間都進(jìn)行了刷膠，所以用蛋白質(zhì)的氨基特征峰進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，可疑區(qū)域的氨基特征峰與正常含膠區(qū)域類(lèi)似，且有區(qū)別于端圈最外部無(wú)膠區(qū)域，因此判定該可疑區(qū)域含有膠質(zhì)，即紙板層間存在膠水。深入調(diào)查該調(diào)壓端圈的生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此只端圈制造過(guò)程未完全符合工藝要求。因本批次多臺(tái)變壓器的端圈相同，供應(yīng)商收到訂單后，未按臺(tái)份生產(chǎn)，而是將相同規(guī)格的端圈一起制作。操作工完成這批次多只端圈的涂膠后，再開(kāi)始擠壓工藝過(guò)程，但多只端圈涂膠總耗時(shí)已超過(guò)允許時(shí)間，即部分涂覆的膠水載擠壓工程開(kāi)始之前已經(jīng)固化，端圈在此局部位置粘結(jié)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致端圈在后續(xù)的干燥過(guò)程中局部開(kāi)裂，形成了局部空腔。

綜合上述分析，本次局部放電超標(biāo)的原因?yàn)槎巳ν磕z時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，兩面固化的膠質(zhì)內(nèi)藏有局部空腔，導(dǎo)致浸油過(guò)程中該區(qū)域油沒(méi)有充分浸漬。

4 故障處理

（1）絕緣材料供應(yīng)商重新生產(chǎn)端圈

根據(jù)要求，絕緣材料供應(yīng)商已嚴(yán)格落實(shí)生產(chǎn)工藝，嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)［12］，從開(kāi)始涂膠到上壓時(shí)間必須控制在允許的時(shí)間內(nèi)。涂覆完每一相端圈立即上模，以縮短涂膠與綁扎的時(shí)間間隔。并且供應(yīng)商已修改制作端圈的工藝記錄卡，需記錄調(diào)膠時(shí)間、涂膠時(shí)間、綁扎結(jié)束時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）更換局部放電定位指向區(qū)域的絕緣材料

局部放電定位指向區(qū)域的絕緣材料，包括壓板和公共端圈，高壓和調(diào)壓之間的部分絕緣件，調(diào)壓線(xiàn)圈及其相關(guān)絕緣件，然后按變壓器的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行器身裝配，器身干燥，部件裝配、主體抽真空、注油，靜放，修復(fù)后的變壓器順利通過(guò)了例行試驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

變壓器絕緣缺陷導(dǎo)致變壓器局部放電故障是常見(jiàn)現(xiàn)象，及早地發(fā)現(xiàn)缺陷，可避免在運(yùn)行中造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。借助電氣智能化和數(shù)字化技術(shù)，變壓器局部放電檢測(cè)方法和定位技術(shù)手段更加成熟和快捷。然而，局部放電所呈現(xiàn)的物理和化學(xué)現(xiàn)象隨著絕緣件用料、加工工藝過(guò)程的不同而異，在實(shí)際的故障排查過(guò)程中應(yīng)根據(jù)變壓器的電氣連線(xiàn)和絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合分析，可在不同擋位進(jìn)行放電量的檢測(cè)對(duì)比，然后綜合運(yùn)用電氣診斷、超聲波分析、光譜檢測(cè)等技術(shù)，進(jìn)行故障處理。本文為變壓器制造廠和運(yùn)行單位快速解決類(lèi)似問(wèn)題提供了新思路，而且為絕緣材料制造商改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程、制定絕緣件出廠檢測(cè)規(guī)程提供參考。