絕緣油試驗(yàn)判定充油電氣設(shè)備故障原因的方法分析

摘要：介紹了充油設(shè)備中絕緣油造成設(shè)備故障的常見情況。通過對兩起典型真實(shí)事故案例的對比，分析了不同情況下，不合格絕緣油引發(fā)設(shè)備故障的基本過程，總結(jié)出絕緣油試驗(yàn)在判定類似故障原因時的流程和標(biāo)準(zhǔn)，為今后更加科學(xué)快速地分析同類故障提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：絕緣油;擊穿電壓;放電;微水

中圖分類號：TM930 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0064-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.016

0 引言

隨著電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相關(guān)電氣設(shè)備更新?lián)Q代的速度也不斷加快。如何有效、準(zhǔn)確地對電氣設(shè)備進(jìn)行診斷已經(jīng)成為電氣設(shè)備維護(hù)的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的定期檢修模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的要求，由此帶電狀態(tài)檢修機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生。相比于傳統(tǒng)的停電試驗(yàn)，帶電檢測具有延長電力設(shè)備的使用壽命、診斷結(jié)果更加具有適用性和可信度等優(yōu)點(diǎn)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，帶電檢測技術(shù)由于其特有的優(yōu)勢，逐漸成為對設(shè)備進(jìn)行缺陷排查、保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要手段，其在超前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、降低事故損失、提高工作效率、降低供電風(fēng)險等方面具有重要意義[1]。

在低電壓等級領(lǐng)域，為降低成本和危險性，許多固體絕緣電氣設(shè)備已經(jīng)逐步取代充油電氣設(shè)備。但是，充油電氣設(shè)備由于其良好的絕緣性能，依然占據(jù)著高電壓等級電氣設(shè)備的主導(dǎo)地位。絕緣油不合格會妨礙電氣設(shè)備正常工作，嚴(yán)重時將導(dǎo)致設(shè)備故障，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。所以，定期對設(shè)備的絕緣油進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)是一種重要的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)帶電檢測手段，當(dāng)充油設(shè)備發(fā)生故障時，絕緣油的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果也能幫助判斷設(shè)備的故障類型。絕緣油不合格導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)生故障的情況主要分為兩種：絕緣油劣化和絕緣油受潮[2]。

1 絕緣油劣化

1.1 對電氣設(shè)備的影響

絕緣油隨著放置時間（惡劣環(huán)境）的增加其本身的絕緣性能會逐步下降，這種絕緣性能下降導(dǎo)致的結(jié)果就是絕緣油的劣化。

絕緣油劣化到一定程度后，將無法滿足電氣設(shè)備原有的絕緣性能需求，此時，還在運(yùn)行中的電氣設(shè)備內(nèi)部就會在絕緣薄弱部位發(fā)生放電，從而演變成電氣故障。

1.2 實(shí)際案例

2017年8月，某110 kV變電站發(fā)出CT異常報(bào)警信號。檢修人員趕往現(xiàn)場，觀察流變外觀無明顯異常;利用紅外測溫，發(fā)現(xiàn)流變A相溫度異常，需要停電進(jìn)行相關(guān)檢查。

停電后對流變?nèi)噙M(jìn)行油樣采集，對三相油樣外觀觀察發(fā)現(xiàn)三相油樣顏色正常，無法通過外觀判斷油樣情況。隨后對所有油樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.3 故障原因分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，A相油樣的色譜試驗(yàn)，總烴明顯超標(biāo)。同時，其擊穿電壓相較于B、C兩相也偏低，不符合合格標(biāo)準(zhǔn)，但是微水值正常，排除油樣受潮的可能。初步推斷故障原因?yàn)锳相油樣劣化，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度不足，流變A相在運(yùn)行過程中發(fā)生內(nèi)部持續(xù)放電現(xiàn)象，破壞了線圈繞組，導(dǎo)致流變A相不能正常工作，從而觸發(fā)報(bào)警信號[3]。

2 絕緣油受潮

2.1 對電氣設(shè)備的影響

絕緣油在運(yùn)行過程中由于某種原因混入了非油物質(zhì)，從而影響其絕緣性能，其中最常見的情況是水混入絕緣油造成絕緣油受潮[4]。礦物絕緣油中，水的存在形式主要為3種形態(tài)：游離態(tài)、分散態(tài)、溶解態(tài)[5]。

2.1.1 游離態(tài)

游離態(tài)的水與絕緣油有較為明顯的界線（圖1），可以清晰地觀察到油、水分層現(xiàn)象。當(dāng)水分較少時，水分會沉積在底部，電氣設(shè)備內(nèi)部的相關(guān)部件依然浸沒在絕緣油中，這樣的存在形式對設(shè)備的影響較小[6]。

2.1.2 分散態(tài)

分散態(tài)的水會以較小的水珠懸浮在絕緣油中的各部位（圖2），由于水分子為極性分子且各水珠的體積較小，在設(shè)備運(yùn)行過程中極易受到內(nèi)部電場的影響聚集形成水橋，從而形成放電通道。所以，分散態(tài)的水對于設(shè)備的絕緣性能危害很大。

2.1.3 溶解態(tài)

溶解態(tài)的水會與油均勻地分布在一起（圖3），這樣的絕緣油也被稱為乳化油。此時，油與水不會有明顯的分層，水分子反而不易在電場的作用下形成水橋，這種狀態(tài)的油水混合物絕緣性能反而要比分散態(tài)的油水混合物高，但仍然對于電氣設(shè)備危害較大。

2.2 實(shí)際案例

2020年3月30日，某220 kV變電站發(fā)PT斷線告警信號，運(yùn)行現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)220 kV副母線壓變A、C相電壓正常，B相電壓偏低（3 V左右），B相壓變異響，電磁單元輕微銹蝕。該設(shè)備上次停電修試日期為2019年11月22日，上次紅外檢測日期為2019年8月，檢測結(jié)果無異常。

CVT電氣原理圖如圖4所示，C11、C12和C2組成的電容分壓器疊裝在電磁單元油箱上。電磁單元的絕緣油與電容分壓器的絕緣油相互獨(dú)立。

設(shè)備停運(yùn)前進(jìn)行紅外精確測溫，發(fā)現(xiàn)B相電磁單元溫度同比異常（測試儀器Testo 890，輻射系數(shù)0.90，測試距離5 m，環(huán)境參照體溫度5 ℃，表面溫度32.5 ℃，正常相溫度7.7 ℃，溫差24.8 K，天氣為小雨，環(huán)溫5 ℃，濕度90%，風(fēng)速0.5 m/s）。

停電后，對三相壓變均取油樣，取油樣過程中A、C兩相由于內(nèi)部壓力較低，絕緣油無法正常流出，需要打開壓變的排氣閥才能正常取油，而B相無須打開排氣閥就能取到油樣，其中B、C兩相的油樣外觀對比結(jié)果如圖5所示。

A相油樣與C相油樣的外觀無明顯差異，而由圖5中可以明顯看出，B相油樣渾濁。對A、B、C三相油樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.3 故障原因分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于油樣的色譜試驗(yàn)，A、C兩相油樣較為正常，B相油樣總烴明顯超標(biāo)。微水檢測中，A、C兩相正常，B相油樣的微水測量結(jié)果高達(dá)126.6 μg/g，由此可以判定B相油樣受潮。擊穿電壓的結(jié)果顯示，B相略微低于A、C兩相的擊穿電壓值，但仍處于合格范圍內(nèi)。從圖5可以看出，B相油樣渾濁，呈現(xiàn)明顯的乳化現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場檢查以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對故障過程進(jìn)行如下分析：

電壓互感器長時間運(yùn)行導(dǎo)致密封不良，故障發(fā)生時天氣為暴雨，由于壓變運(yùn)行過程中環(huán)境溫度變化較大，油箱內(nèi)外壓差增大，設(shè)備表面的雨水在內(nèi)外壓差的作用下得以進(jìn)入油箱內(nèi)部。此時油中的水處于分散態(tài)，由于水分子是極性分子，在內(nèi)部線圈產(chǎn)生的電場作用下會有序排列形成導(dǎo)電水橋，大幅度降低了內(nèi)部絕緣性能，造成二次繞組放電[3]。

雨水中的硫化物和絕緣油在放電過程中發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生了乳化劑的主要成分（十二烷基硫酸鈉等），進(jìn)而導(dǎo)致油水乳化，水分子在油中變?yōu)槿芙鈶B(tài)，從而在電場作用下不易形成導(dǎo)電水橋，油的擊穿電壓反而變高了。由于水分子和油分子只是通過乳化劑相互形成穩(wěn)定的分子連接，水分子依然存在，所以微水試驗(yàn)依舊能檢測出水分。

3 故障分析總結(jié)

充油類電氣設(shè)備發(fā)生故障時，可以通過絕緣油試驗(yàn)幫助判斷故障類型。如果絕緣油存在問題，則需要區(qū)分絕緣油劣化和絕緣油受潮兩種情況。分辨兩種情況最為直接的試驗(yàn)為油擊穿電壓和微水試驗(yàn)。絕緣油劣化后油擊穿電壓會明顯降低，而且多次擊穿的電壓值呈現(xiàn)遞減狀態(tài);而絕緣油受潮的狀態(tài)下，設(shè)備內(nèi)部極有可能放電，水分子大概率以溶解態(tài)的形式存在，僅從擊穿電壓判斷無法確定絕緣油的好壞，而微水試驗(yàn)最能檢測出絕緣油是否受潮。絕緣油劣化和絕緣油受潮均能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部絕緣不足而放電，從而使絕緣油分解出色譜檢測的烴類物質(zhì)，所以色譜試驗(yàn)無法作為絕緣油故障的判定依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過對絕緣油劣化和絕緣油受潮兩種情況的討論，結(jié)合相關(guān)案例進(jìn)行分析，總結(jié)出了兩種情況下絕緣油試驗(yàn)結(jié)果特征，確定了絕緣油故障情況下，用于判斷故障類型的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，為以后相關(guān)的故障處理提供了參考依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 解陽陽，劉四平，武藝寧，等.絕緣油在介電擊穿試驗(yàn)中耐壓強(qiáng)度的影響分析[J].環(huán)境技術(shù)，2023，41（5）：70-76.

[2] 吳治誠，周俊杰，張喬根，等.油紙絕緣水分遷移特性研究綜述[J].高電壓技術(shù)，2023，49（2）：781-792.

[3] 萬達(dá)，伍志榮，孟玉嬋，等.簡析涉及變壓器類設(shè)備紙絕緣放電的油氣相色譜特征[J].變壓器，2023，60（2）：10-21.

[4] 藺鑫，王韌，李如芬，等.一起35 kV主變壓器絕緣油中水分反復(fù)超標(biāo)異常分析及處理[J].電氣開關(guān)，2023，61（6）：103-105.

[5] 王飛風(fēng)，郭金明，田樹軍，等.微水含量及老化狀態(tài)對絕緣硅油介電特性的影響[J].中國電力，2022，55（3）：48-56.

[6] 豆朋，成祥茂，楊剛，等.油紙絕緣套管受潮的試驗(yàn)分析方法研究[J].變壓器，2022，59（12）：54-58.

收稿日期：2024-05-14

作者簡介：錢雨峰（1992—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，工程師，主要從事一次變電修試專業(yè)工作。