一起末屏表面潮氣對220 kV主變套管介質(zhì)損耗測量的影響案例分析

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)的安全運行狀態(tài)[1-2]。據(jù)我國電力監(jiān)管委員會關(guān)于全國變壓器運行事故的分析報告統(tǒng)計[3-7]，2008—2011年因套管故障導(dǎo)致的變壓器非計劃停運時長占總非計劃時長的58.6%；在2008—2009年，套管故障更是成為造成220/500 kV變壓器非計劃停運的首要原因?？梢?，套管故障已成為導(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、影響時間長。因此，對高壓套管進行周期性試驗以保障其處于良好運行狀態(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，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?，對潮氣侵入的研究勢在必行。眾多絕緣試驗中，電容量(C)與介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)測量是監(jiān)測高壓套管絕緣受潮、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)損耗測量受環(huán)境影響較大，試驗溫度、試驗電壓、設(shè)備儀器、電磁場等都將影響試驗結(jié)果，致使tanδ測量值出現(xiàn)不同程度的偏差。但在工程試驗中，tanδ測量值出現(xiàn)負值的情況較少，且目前缺少對套管介質(zhì)損耗測量出現(xiàn)負值的情況與潮氣對介質(zhì)損耗測量結(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結(jié)果，介紹其tanδ測量結(jié)果為負值的具體情況，針對試驗時發(fā)現(xiàn)的套管末屏表面潮氣對C與tanδ測量結(jié)果的影響進行深入討論及分析。

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]。運行時，末屏處于接地狀態(tài)，檢修時則作為試驗端子。

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)損耗測量及導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)負值的主要因素

西林電橋最早應(yīng)用在介質(zhì)損耗測量中，是我國電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于介質(zhì)損耗測量的高壓交流平衡電橋[17]。使用西林電橋測量套管介質(zhì)損耗時，有正接與反接兩種接線方式，如圖2所示。反接法因測量時加入了對地雜散電容，無法對套管本體絕緣進行完整考察，因此在工程中一般不作為試驗接線方案。但在正接測試后再進行反接測試，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)損耗測試已向全自動、高精度、良好抗干擾性能等方向發(fā)展。數(shù)字式全自動抗干擾介質(zhì)損耗測試儀因采用自動干擾跟蹤補償電路，結(jié)合矢量運算法與移相法，運用全數(shù)字波形處理技術(shù)，能有效降低客觀因素對介質(zhì)損耗測量的干擾，已成為我國電力系統(tǒng)中介質(zhì)損耗測量的主要手段之一[15]。

2 套管介質(zhì)損耗試驗異常結(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220 kV主變110 kV側(cè)A、B相套管介質(zhì)損耗測試結(jié)果存在異常，試驗結(jié)果如表1所示。試驗溫度為28℃，濕度為72%，皆在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。

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

由表1可知，本次試驗中A、B相套管的tanδ測量結(jié)果皆為負值；A、B相套管的電容量與額定電容量分別相差3.351%、2.440%；與上一次試驗測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》[18]與Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》[19]規(guī)定：①套管電容量與出廠值或上一次測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)測量值與出廠值對比無明顯增大。110 kV套管的介質(zhì)損耗因數(shù)不應(yīng)超過1%。③若進行末屏介質(zhì)損耗測量，則其測量值不應(yīng)超過1.5%。

實際試驗結(jié)果顯示，本次tanδ測量結(jié)果為負值，不符合規(guī)程要求。電容量變化雖然在規(guī)程范圍內(nèi)，但與平時試驗結(jié)果相比仍有所偏大。為進一步衡量套管絕緣性能優(yōu)劣，驗證正接線方式得到的試驗結(jié)果，利用反接線方式對3號主變110 kV側(cè)3只套管進行套管末屏介質(zhì)損耗測試，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 3號主變110 kV側(cè)套管末屏介質(zhì)損耗預(yù)防性試驗結(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)，但是嚴重偏大；電容量也存在一定偏差，最大偏差達到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)損耗測量出現(xiàn)異常的原因，對相關(guān)因素依次進行排查。

（1）基本干擾因素。首先，使用的試驗儀器是經(jīng)校驗合格的AI-6000F型自動介損測試儀，其使用變頻法進行介質(zhì)損耗測量，抗電磁干擾能力強；其次，停電變壓器周圍沒有在運設(shè)備，且進行主變220 kV套管測量時，測量結(jié)果并無異常。因此，電磁場干擾、電橋標準電容器受潮、儀器接地不良等因素可以排除。在套管測試現(xiàn)場，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。試驗人員在套管表面清潔前后都進行了介質(zhì)損耗試驗，測量結(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測量結(jié)果出現(xiàn)負值誤差的基本因素均可排除。

（2）變壓器剩磁干擾。對變壓器三側(cè)分別進行短路接地，并對三側(cè)繞組進行充分注流消磁后，再次進行介質(zhì)損耗測量，測量結(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。測量人員將套管末屏蓋板取下后，用酒精對套管末屏進行擦拭，隨后利用風(fēng)機吹干其表面。再次進行介質(zhì)損耗測量，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。對套管本體絕緣油進行采集及油化試驗，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)損耗測量的客觀因素后，測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測量結(jié)果異常。因此，對A、B相套管末屏表面進行潮氣隔絕的對比試驗。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)對兩相套管進行多次介質(zhì)損耗測量，測量期間C和tanδ的變化曲線如圖3～4所示。

表3 3號主變110 kV側(cè)套管氣相色譜試驗結(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，在試驗1.5 h后減小速率明顯減緩。從圖4可以看出，隨著潮氣隔絕時間的增加，B相套管的C和tanδ則呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢。隨后，對A相套管進行3 h的潮氣隔絕，測量結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著潮氣隔絕時間的增加，A相套管的C和tanδ也呈現(xiàn)出增大的趨勢。

圖5 A相套管隔絕潮氣后C及tanδ隨時間變化情況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，A、B相套管C和tanδ的最終結(jié)果如表4所示。

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

對比表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。為進一步加強試驗結(jié)果的對比性，對A、B相套管進行末屏介質(zhì)損耗測量，結(jié)果如表5所示。對比表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)損耗測量還是套管末屏介質(zhì)損耗測量，在潮氣隔絕一段時間后，其C和tanδ都會有一定的恢復(fù)。說明套管電容量與介質(zhì)損耗測量對末屏小套管材料表面潮氣具有較強的敏感性，而且介質(zhì)損耗受潮氣的影響遠大于電容量。

表5 3號主變110 kV側(cè)套管末屏介質(zhì)損耗預(yù)防性試驗結(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 末屏表面潮氣對介損試驗結(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理特性兩方面，對末屏表面潮氣對介損試驗結(jié)果的影響原因進行分析。

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

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

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

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

綜上可知，西林電橋的實測介質(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，考慮末屏對地阻抗后，西林電橋?qū)崪y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)損耗與末屏對地電容C0有關(guān)。正常情況下，因C0?C4，C0對介質(zhì)損耗測量的影響可以忽略。但當(dāng)末屏小套管受潮氣影響時，C0增加，表面泄漏電流增大，會對tanδ測量值產(chǎn)生影響，使測量到的介質(zhì)損耗除套管本體損耗外還存在末屏小套管損耗。此時，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測量值為負值。而對末屏進行介質(zhì)損耗測量時，則因表面泄漏電導(dǎo)與被試品并聯(lián)，從而增大了測量誤差。

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，致使其電導(dǎo)損耗與極化損耗劇烈增加?？梢娝肿訉τ诃h(huán)氧樹脂的介電特性確實具有較大的影響。因此可以推測，本研究案例中隨著A相套管暴露在空氣中的時間增加，其C和tanδ呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢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]對環(huán)氧樹脂的吸濕特性進行研究，結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂材料存在由濃度差導(dǎo)致的水分子擴散吸濕與環(huán)氧親水基團結(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散吸濕造成，而此種吸濕方式對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)生了裂紋且裂紋進行了生長擴散，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，但本研究中試驗處于正常大氣環(huán)境，溫度與空氣濕度均不高，可以認為潮氣影響對材料不構(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，為驗證環(huán)氧樹脂材料結(jié)構(gòu)的末屏介質(zhì)損耗測量確實受客觀因素影響明顯，在相同溫度、濕度環(huán)境下，將相同電壓等級的瓷制末屏引出結(jié)構(gòu)的主變套管暴露在空氣中，進行介質(zhì)損耗測量，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)的套管介損測量極易受環(huán)境因素影響，從而導(dǎo)致介損試驗出現(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行介質(zhì)損耗測量時對潮氣敏感性強，空氣中的潮氣會導(dǎo)致介質(zhì)損耗測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，從而出現(xiàn)誤判。建議在天氣較悶熱、相對濕度超過70%的惡劣濕熱環(huán)境下不要進行介質(zhì)損耗和電容量測量試驗，或者在進行末屏擦拭與干燥操作時，對小套管一并處理后再進行測量。