500kV主變低壓側(cè)大電流電容型套管國產(chǎn)化改造研究與應(yīng)用

李偉銘

摘要：某電廠進(jìn)口主變低壓側(cè)電容型套管在運(yùn)行年限增加后，缺陷數(shù)量明顯上升，存在絕緣介損異常增大、套管漏膠、滲油等共性問題。通過調(diào)研，提出采用新型大電流純瓷套管進(jìn)行技術(shù)改造的思路。根據(jù)主變壓器低壓側(cè)大電流套管的原始參數(shù)進(jìn)行改型，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況，確定新型純瓷套管相關(guān)技術(shù)要求，并通過仿真計(jì)算和相關(guān)型式試驗(yàn)驗(yàn)證其滿足主變運(yùn)行要求。新型純瓷套管投入運(yùn)行后，運(yùn)行溫度降低，總體運(yùn)行情況良好，同時(shí)簡化了檢修工藝工序，達(dá)到了改造目的。新型純瓷套管節(jié)約單次檢修費(fèi)用約50萬元，采購周期由原來6個(gè)月縮短到1個(gè)月。應(yīng)用新型純瓷套管取得相應(yīng)的社會經(jīng)濟(jì)效益，為解決該廠其余兩臺主變的低壓側(cè)大電流套管存在的問題提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電容型套管;純瓷套管;技術(shù)改造;應(yīng)用

中圖分類號：TM402

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492 （ 2022）02-0173-04

0引言

某電廠主變壓器采用三相一體結(jié)構(gòu)、額定容量為716 MVA、額定電壓變比為19/525 kV、有載調(diào)壓，調(diào)壓范圍為+10%、接線組別為Ynd-1l。3臺500 kV主變壓器低壓側(cè)采用英國傳奇公司30HC216型油/空氣電容套管，低壓側(cè)電容套管額定電壓為36 kV，額定電流為16 000 A。自1996年投入商業(yè)運(yùn)行以來，主變運(yùn)行時(shí)間已達(dá)25年。近年來，由于設(shè)備運(yùn)行年限長，在機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)電容型套管普遍存在電容值變大、套管絕緣介損異常增大、套管漏膠和滲油的問題。如#1主變在2012年、2013年及2015年檢修期間均發(fā)現(xiàn)低壓電容型套管滲油、漏膠的情況，只能采購原型號進(jìn)口新套管進(jìn)行更換。在其余兩臺主變上，低壓電容型套管也存在類似的缺陷情況。

采購原型號進(jìn)口套管費(fèi)用高昂，采購周期長，且生產(chǎn)廠家在國外，對電廠需求反應(yīng)遲鈍，交流不暢。為解決主變原型套管日益增多的缺陷，需尋求新型國產(chǎn)套管進(jìn)行代替，減小檢修費(fèi)用，縮短采購周期，建立穩(wěn)定的供應(yīng)渠道和技術(shù)服務(wù)渠道，提高主變運(yùn)行安全性和可靠性。

本文著重介紹國產(chǎn)新型純瓷套管選型過程，按照現(xiàn)場實(shí)際確定純瓷套管的技術(shù)參數(shù)，通過仿真試驗(yàn)確認(rèn)新型純瓷套管設(shè)計(jì)滿足運(yùn)行要求，新套管順利通過型式試驗(yàn)并在現(xiàn)場安全投運(yùn)。國內(nèi)500 kV主變低壓側(cè)大電流套管改造實(shí)例較少，本次改造為解決500 kV主變低壓側(cè)大電流電容型套管缺陷積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒和推廣[1-6]。

1 存在問題及原因分析

1.1 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題

在近幾年檢修中，主變低壓側(cè)大電流套管呈現(xiàn)共性缺陷。從2010年開始統(tǒng)計(jì)，有多達(dá)15只主變低壓側(cè)電容型套管發(fā)生過漏膠、滲油、介損增加、電容值變化大等缺陷。如2016年10月25日，1號主變A級檢修進(jìn)行低壓側(cè)6支油/空氣電容套管電氣試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有4支套管絕緣介損較上一次檢修（2013年度）出現(xiàn)明顯增大;CI套管電容值較銘牌值變化超過警戒值（5%），試驗(yàn)結(jié)果如表1所示[7-8]。

1.2 原因分析

電容型套管為控制套管局部放電水平，主絕緣采用電容式，有油紙和膠浸紙兩種。油紙?zhí)坠苁窃趯?dǎo)電體外包油紙絕緣層，散熱差。由于用油量很少，在運(yùn)行時(shí)溫度較高，內(nèi)部壓力大，經(jīng)常出現(xiàn)漏油甚至導(dǎo)致瓷套脹裂。而膠浸紙?zhí)坠軐?dǎo)體外覆蓋環(huán)氧，只能靠兩頭散熱，散熱條件差，所以溫升高、體積大、成本高。另外，在長期高溫下，環(huán)氧本身也易老化，如果在環(huán)氧浸漬時(shí)有微小的缺陷，無法自恢復(fù)，長期局部放電會導(dǎo)致故障點(diǎn)擴(kuò)大，影響其使用壽命。

某電廠主變低壓側(cè)電容型套管為油紙?zhí)坠?。由于主變低壓?cè)升高座內(nèi)電流大（13 000 A）、運(yùn)行溫度高，使得該區(qū)域低壓套管電容芯絕緣老化加速，部分套管電容屏發(fā)生擊穿故障，導(dǎo)致其電容值變大。同時(shí)，套管電容芯絕緣老化也導(dǎo)致套管絕緣介損異常增大。由于長期在較高溫度下運(yùn)行，電容型套管漏膠、滲油問題突出，主要表現(xiàn)在套管瓷絕緣套與上導(dǎo)體連接端密封因運(yùn)行溫度高容易老化而出現(xiàn)密封失效故障，出現(xiàn)漏膠、滲油現(xiàn)象。存在上述問題的同時(shí)，電容型套管還存在采購周期長、成本奇高等問題，也給主變的安全運(yùn)行帶來不利的影響[9-10]。為此，急需尋求一種新型的安全可靠、經(jīng)濟(jì)方便的套管來替換原有的油/空氣電容型套管。

2 技術(shù)改造方案與實(shí)施

2.1 技術(shù)改造方案確定

針對該電廠主變低壓側(cè)大電流套管存在的問題和對目前國內(nèi)低壓大電流套管生產(chǎn)制造情況，經(jīng)反復(fù)論證，決定采用新型純瓷套管替換電容型套管，以求有效消除電容型套管絕緣老化和漏膠問題[11-13]。

新型純瓷套管的結(jié)構(gòu)與電容型套管結(jié)構(gòu)不同。純瓷套管內(nèi)部油腔體積大，與變壓器本體油路聯(lián)通良好，具有散熱好、溫升低、內(nèi)壓恒定、密封可靠等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，同時(shí)采用變壓器油作為絕緣介質(zhì)，不易擊穿，運(yùn)行可免維護(hù)。通過完善套管內(nèi)部的屏蔽設(shè)計(jì)，以變壓器油作為絕緣介質(zhì)，可以使純瓷套管在工頻耐壓下局放量小于5 pC。屏蔽電極常規(guī)結(jié)構(gòu)直接接地，也可設(shè)計(jì)試驗(yàn)抽頭，滿足從抽頭處取測量信號的需要。新型純瓷套管為組合結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可以在現(xiàn)場開展維修，更換密封件。在生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期上，新型純瓷套管較電容型套管也有很大優(yōu)勢。

依據(jù)該電廠主變壓器低壓側(cè)大電流套管的原始參數(shù)進(jìn)行改型，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況，確定新型純瓷套管需滿足以下技術(shù)要求。

（1）采用純瓷大電流套管替換該電廠原用電容型套管，新設(shè)計(jì)套管長度、油/氣側(cè)連接端子板位置和尺寸、套管安裝法蘭螺栓孔位按原套管參數(shù)設(shè)計(jì)，方便現(xiàn)場安裝。

（2）考慮安裝法蘭的強(qiáng)度，新型號套管可按原法蘭厚度（20 mm）加筋板方式，也可按30 mm厚度并在螺栓孔位采用沉孔的方式。

（3）純瓷套管按額定電壓40.5 kV、額定電流16 000 A、絕緣水平按雷電沖擊耐受電壓（BII） 200 kV、工頻干耐受電壓（AC） 95 kV、局部放電（PD）不大于10 pC、爬電距離不小于1170 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，爬電距離優(yōu)于原設(shè)計(jì)值（900 mm），設(shè)計(jì)參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（4）套管內(nèi)絕緣油隙距離不小于20 mm，瓷套壁厚約25 mm，滿足安全運(yùn)行要求。

（5）純瓷套管需采用內(nèi)部屏蔽設(shè)計(jì)，降低套管運(yùn)行的局部放電量。瓷套分別按氣側(cè)和油側(cè)瓷套設(shè)計(jì)。

（6）純瓷套管采用變壓器油作為絕緣介質(zhì)，冷卻效果比電容型套管好，因而溫升低。導(dǎo)體采用與原套管導(dǎo)體材質(zhì)相同的1060牌號鋁棒。套管額定電流不大于20 000 A，導(dǎo)體回路結(jié)構(gòu)可采用單根整體式結(jié)構(gòu)。

（7）純瓷套管法蘭密封結(jié)構(gòu)采用氟橡膠材質(zhì)密封圈，在上法蘭處設(shè)計(jì)排氣孔用于排凈套管內(nèi)腔室絕緣油氣體;中間安裝法蘭設(shè)置排氣槽，以便套管安裝法蘭與下瓷套區(qū)域內(nèi)絕緣油中氣體自行進(jìn)入套管內(nèi)腔并通過上法蘭排氣孔排出，保障了套管投運(yùn)前能充分排凈套管內(nèi)、外部絕緣油中的氣體。

（8）純瓷套管安裝、維修用吊耳安裝在中間法蘭盤上，方便起吊安裝。

（9）為提高檢修便利性及降低檢修成本，新型純瓷套管密封件可現(xiàn)場更換。

（10）純瓷套管型式試驗(yàn)按《GBT 4109-2008交流電壓高于1000 V的絕緣套管》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，包括雷電沖擊試驗(yàn)、工頻干耐壓試驗(yàn)、局放試驗(yàn)、工頻濕試驗(yàn)、懸臂負(fù)荷耐受試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、復(fù)測局放、溫升試驗(yàn)、尺寸檢查、熱短時(shí)電流耐受試驗(yàn)。

（11）純瓷套管需經(jīng)過仿真計(jì)算，驗(yàn)算其電壓分布和場強(qiáng)分布符合安全運(yùn)行要求。

2.2 設(shè)計(jì)方案仿真模擬情況

按照該廠純瓷套管的設(shè)計(jì)要求，聯(lián)系某套管廠家繪制純瓷套管圖紙，并對純瓷套管進(jìn)行電壓分布及電場強(qiáng)度分布仿真計(jì)算。

從電壓分布仿真圖（圖1）來看，套管上下法蘭電壓分布較平滑均勻，無明顯畸變。

在套管場強(qiáng)分布仿真圖（圖2）中可以看出，套管整體場強(qiáng)分布較為均勻，場強(qiáng)最大位置在屏蔽環(huán)上下兩端弧形結(jié)構(gòu)處。從屏蔽環(huán)場強(qiáng)分部局部放大圖（圖3-4）看，屏蔽環(huán)下端電場強(qiáng)度較上端略高，最高值約3.118 kV/mm，遠(yuǎn)小于運(yùn)行中變壓器絕緣油絕緣強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足運(yùn)行要求。

仿真計(jì)算結(jié)果表明屏蔽環(huán)的設(shè)計(jì)改善了套管內(nèi)部場強(qiáng)分布，平滑了中心導(dǎo)體與安裝法蘭之間的電位梯度，新套管電壓分布和場強(qiáng)分布合理，達(dá)到了預(yù)期目的，符合安全運(yùn)行要求。

2.3 新型純瓷套管型式試驗(yàn)情況

新型套管通過仿真計(jì)算之后，委托某套管生產(chǎn)廠家按照圖紙生產(chǎn)大電流純瓷套管（圖5）。

新套管送沈陽變壓器研究院股份有限公司變壓器實(shí)驗(yàn)室（國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）做型式試驗(yàn)。如表2所示，從型式試驗(yàn)結(jié)果來看，新設(shè)計(jì)的純瓷套管完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在2019年年初2號機(jī)組A級檢修期間，使用新型純瓷套管更換了2號主變低壓側(cè)6支油/氣電容型套管。新設(shè)計(jì)套管長度、油/氣側(cè)連接端子板位置和尺寸、螺栓孔位按原套管參數(shù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場安裝不需要做改動?，F(xiàn)場安裝完畢新型純瓷套管后，連同主變低壓繞組一起進(jìn)行交流耐壓和局放試驗(yàn)。試驗(yàn)順利通過。

安裝新型純瓷套管后，主變投入運(yùn)行正常。由于純瓷套管沒有電容芯子，因此套管的發(fā)熱量大大下降，同時(shí)散熱較原電容型套管好。在主變運(yùn)行時(shí)的紅外檢測中，未發(fā)現(xiàn)低壓套管升高座有溫度異常情況。低壓套管升高座整體發(fā)熱情況較之前也有所降低。

2020年12月機(jī)組停機(jī)檢修期間，檢查運(yùn)行近兩年的6只新型純瓷套管無任何滲油情況，各連接面無異常發(fā)熱。從安裝時(shí)貼在套管各部位的熱敏紙記錄來看，運(yùn)行中最高溫度約100℃，較以往最高溫度下降約15℃，說明新型純瓷套管運(yùn)行溫度較原套管有大幅下降。同時(shí)，檢修期間純瓷套管無需再開展末屏對地絕緣、對地末屏tan8與電容量等測量試驗(yàn)，簡化了檢修工藝工序。

3 結(jié)束語

新型純瓷套管具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行溫度較低，密封可靠，運(yùn)行維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采購成本約為同等級進(jìn)口電容型套管采購價(jià)格的1/4，按每次檢修更換3只套管計(jì)算，一次檢修即可節(jié)約檢修材料費(fèi)用約50萬元人民幣。新型純瓷套管采購周期僅為1個(gè)月，而原進(jìn)口套管采購周期需至少6個(gè)月時(shí)間，采購周期大大縮短。套管生產(chǎn)廠家為國內(nèi)廠家，對電廠需求反應(yīng)迅速，能快速提供安裝指導(dǎo)、檢修培訓(xùn)等相關(guān)服務(wù)。

目前，國內(nèi)500 kV主變進(jìn)口大電流電容型套管改造實(shí)例較少。新型純瓷套管的使用為解決該廠其余兩臺主變的低壓側(cè)大電流套管存在的問題提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得在電力行業(yè)的同類設(shè)備中推廣應(yīng)用。通過對主變壓器低壓側(cè)高壓大電流套管的技術(shù)改造，大大提高了主變壓器的安全、可靠運(yùn)行，極大保障了機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行，為東莞和深圳區(qū)域的保供電提供了連續(xù)可靠的電力保障，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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