詹江楊，何文林，楊 智，張 帆，余 睿

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

電流互感器（簡(jiǎn)稱流變）作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，是電網(wǎng)測(cè)控回路的重要組成部分，其主要功能是將一次系統(tǒng)中的大電流按比例變換成小電流，供給測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置使用，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行有效的測(cè)量和監(jiān)視，并提供可靠的保護(hù)。流變一旦出現(xiàn)故障，將可能引起電量測(cè)量不準(zhǔn)確、保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)、甚至是絕緣擊穿爆炸等后果，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

油浸正立式流變因其簡(jiǎn)單的制造和維修工藝在220 kV及以下電壓等級(jí)電力系統(tǒng)中被廣泛采用。油浸正立式流變一次繞組采用U型結(jié)構(gòu)，外面包裹油紙絕緣電容屏進(jìn)行均壓。這種絕緣結(jié)構(gòu)下電容屏繞制難度相對(duì)較小，可進(jìn)行機(jī)械全自動(dòng)繞制。但是正立式結(jié)構(gòu)流變的干燥工藝要求較高，干燥和注油過程獨(dú)立進(jìn)行，一旦干燥過程工藝控制不佳導(dǎo)致干燥不徹底或者注油前存放時(shí)間過長(zhǎng)均有可能使得主絕緣存在受潮缺陷。因主絕緣受潮而導(dǎo)致的流變故障也時(shí)有發(fā)生[1－6]。

針對(duì)一起220 kV油浸正立式流變絕緣受潮缺陷，開展了基于常規(guī)電氣試驗(yàn)、頻域介電譜測(cè)試、油中溶解氣體分析以及脫氣處理對(duì)比分析和故障解體檢查的綜合診斷分析與探討，以期為油浸正立式流變的運(yùn)維、試驗(yàn)以及故障缺陷診斷提供參考。

1 事件概況

2017－06－15 T 14∶05， 某供電公司 220 kV 3號(hào)主變壓器（簡(jiǎn)稱主變）高壓側(cè)A相流變發(fā)生膨脹器沖頂故障，如圖1所示。油色譜分析結(jié)果顯示該流變H2、總烴含量嚴(yán)重超標(biāo)，設(shè)備隨即緊急停運(yùn)。發(fā)生沖頂故障的流變?yōu)橛徒⑹浇Y(jié)構(gòu)，型號(hào)為L(zhǎng)B－220，2016年12月出廠，2017年3月投運(yùn)。故障前流變各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及跟蹤情況未見明顯異常。

圖1 故障環(huán)氧套管開裂

2 試驗(yàn)分析方法

從故障現(xiàn)場(chǎng)情況看，故障流變油紙絕緣內(nèi)部存在大量氣體，而大量氣體的形成可以有不同的途徑。內(nèi)部絕緣缺陷導(dǎo)致放電性故障、油紙絕緣受潮導(dǎo)致水分析出氣化進(jìn)而引起局部放電（簡(jiǎn)稱局放）等過程均有可能產(chǎn)生大量的氣體，最后引發(fā)膨脹器沖頂。

為查明沖頂故障的確切原因，除進(jìn)行絕緣電阻、常規(guī)介質(zhì)損耗（簡(jiǎn)稱介損）、耐壓試驗(yàn)、局放試驗(yàn)外，還針對(duì)故障流變開展了高電壓介損、頻域介電譜等項(xiàng)目測(cè)試。為進(jìn)一步分析驗(yàn)證故障原因，對(duì)該故障流變進(jìn)行了脫氣處理，在脫氣處理后再次開展了相關(guān)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。最后，對(duì)該流變進(jìn)行解體檢查和解體試驗(yàn)，解體試驗(yàn)過程中先將各層電容屏端部絕緣解開，并對(duì)各層電容屏的介損、絕緣電阻以及頻域介電譜進(jìn)行分別測(cè)試。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 流變解體試驗(yàn)流程

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 油樣測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1.1 脫氣處理前

A相故障流變和B，C兩相流變的原始狀態(tài)油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，發(fā)生沖頂故障的A相流變H2，CH4和總烴含量嚴(yán)重超標(biāo)， 其中 H2達(dá)到 3 2801 μL/L，CH4達(dá)到 2 727 μL/L，并含有微量乙炔。主要特征氣體為H2和CH4，且H2含量遠(yuǎn)高于CH4，表明缺陷類型可能為絕緣受潮狀態(tài)下的局部放電。大量H2的可能來源為H2O的水解反應(yīng)和烴類在局放作用下的脫氫反應(yīng)。

含氣量測(cè)試結(jié)果表明A相流變油中含氣量明顯超過B相、C相，除H2外，主要?dú)怏w成分為O2和N2，且O2與N2比例接近空氣中的比例，表明A相流變油中空氣含量較高。A相流變膨脹器沖頂后內(nèi)部壓力保持較好（取油樣后靜置數(shù)小時(shí)后析出大量氣體，說明內(nèi)部氣壓遠(yuǎn)大于大氣壓），器身檢查未見明顯滲漏油現(xiàn)象，且油中含水量未見明顯異常，由此判斷流變密封不良導(dǎo)致外部氣體進(jìn)入流變并使絕緣受潮的可能性較小。

三相流變的油介損、油耐壓等其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)未見明顯異常。

3.1.2 脫氣處理后

對(duì)該流變進(jìn)行108 h的完全脫氣處理后，各氣體組分含量下降至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如表1所示。表明經(jīng)過108 h的脫氣處理可有效去除過量的油中溶解氣體。

3.1.3 長(zhǎng)時(shí)局放后

經(jīng)過1 h的252 kV長(zhǎng)時(shí)局放試驗(yàn)后，H2和CH4等氣體含量在長(zhǎng)時(shí)局放試驗(yàn)后有輕微增加，與局放引起的色譜異常特征類似。

3.2 高電壓介損試驗(yàn)

高電壓介損對(duì)于變電設(shè)備絕緣的受潮、氣泡或?qū)щ娦噪s質(zhì)等缺陷具有良好的診斷效果，被廣泛應(yīng)用于變壓器、流變等電力設(shè)備的絕緣缺陷診斷中[7－10]。三相被試流變的高電壓介損測(cè)試結(jié)果如圖3所示。可以看出，在進(jìn)行脫氣處理前，A相故障流變介損值明顯超標(biāo)，且隨電壓增長(zhǎng)存在顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在上升階段和下降階段的介損數(shù)據(jù)并不重合，這與主絕緣受潮狀態(tài)下的高壓介損特性類似。在進(jìn)行完全脫氣處理后，介損隨電壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)有所降低，但增長(zhǎng)率仍高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且10 kV介損值未見明顯降低，表明經(jīng)脫氣處理后A相流變絕緣狀態(tài)有所提高，但缺陷仍然存在。

圖3 高電壓介損測(cè)試結(jié)果

B相、C相高電壓介損在測(cè)試電壓下均小于0.005，且在高電壓下未見明顯增長(zhǎng)。

3.3 頻域介電譜試驗(yàn)

頻域介電譜是基于電介質(zhì)極化理論而形成的一種新型檢測(cè)技術(shù)，其測(cè)試方法是在較大的頻率范圍（例如1 mHz～1 kHz）內(nèi)對(duì)被試品絕緣的介質(zhì)損耗及電容量進(jìn)行測(cè)試。在不同頻率下，絕緣介質(zhì)內(nèi)部各種極化機(jī)制貢獻(xiàn)不同，分析介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷在電的作用下的電極化過程，可揭示介質(zhì)宏觀介電性質(zhì)的微觀機(jī)制[11－13]。而水分作為一種強(qiáng)極性材料，其含量對(duì)于電介質(zhì)材料在低頻下的極化過程有影響。通過頻域介電譜測(cè)試，結(jié)合相關(guān)的物理模型以及數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)分析可以對(duì)被測(cè)絕緣介質(zhì)中的水分含量進(jìn)行定量評(píng)估[14－15]。文中應(yīng)用該技術(shù)對(duì)被試流變的絕緣含水量進(jìn)行評(píng)估。

三相被試流變的頻域介電譜測(cè)試結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示A相流變的介損值曲線相對(duì)偏高，尤其在0.01～100 Hz頻率段介損值基本呈對(duì)數(shù)線性增長(zhǎng)。水分評(píng)估結(jié)果顯示脫氣處理前主絕緣含水量為3.8%；B相、C相含水量為1.7%；A相流變進(jìn)行脫氣處理后測(cè)試曲線未見明顯變化，水分含量評(píng)估結(jié)果為3.9%，基本保持不變。測(cè)試結(jié)果表明，A相流變主絕緣存在受潮現(xiàn)象，且經(jīng)過脫氣處理后未見明顯變化。

分析認(rèn)為，頻域介電譜主要反應(yīng)的是油紙絕緣中水分等極性分子在電場(chǎng)中的極化損耗，而O2，N2，H2等非極性分子在電場(chǎng)中不存在極化損耗，對(duì)介質(zhì)損耗影響極小。因此即便在脫氣處理后流變主絕緣中的含氣量大幅降低，只要受潮程度沒有明顯改善，其頻域介電譜也不會(huì)出現(xiàn)明顯變化?？梢哉J(rèn)為，脫氣處理對(duì)于降低油中含氣量具有一定作用，但對(duì)于紙絕緣受潮缺陷作用有限。

3.4 局放試驗(yàn)

表1 油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 頻域介電譜測(cè)試結(jié)果

3.4.1 脫氣處理前

對(duì)三相流變開展的局放試驗(yàn)結(jié)果表明，脫氣處理前A相故障流變局放量明顯超標(biāo)，存在典型的放電性缺陷。試驗(yàn)過程中局放量隨電壓升高而增大，重復(fù)加壓局放量未見明顯變化。局放起始電壓65 kV，熄滅電壓45 kV。表明A相流變內(nèi)部主絕緣疑似存在多孔氣隙、沿面放電缺陷。脫氣處理前A相局放試驗(yàn)過程中的局放量變化如圖5所示。

圖5 A相流變脫氣處理前局放試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2 脫氣處理后

經(jīng)過108 h的脫氣處理后，A相流變的局放量明顯降低，在240 kV電壓下局放起始，放電量約為40 pC，252 kV下放電量小于100 pC，175 kV的測(cè)量電壓下局放量不大于背景值。

隨后對(duì)該流變進(jìn)行了252 kV下的1 h長(zhǎng)時(shí)局放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯址帕侩S著加壓時(shí)間的增加有輕微增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明流變?nèi)毕菰诰址诺淖饔孟麓嬖诰徛l(fā)展的趨勢(shì)。另外，252 kV下的典型局放譜圖也表明，該流變主要表征為多孔氣泡類型的放電缺陷。

圖6 A相流變脫氣處理后252 kV長(zhǎng)時(shí)局放試驗(yàn)結(jié)果

3.5 其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)

被試三相流變的其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)未見明顯異常。

4 解體試驗(yàn)情況

4.1 解體檢查情況

器身外觀未見明顯異常，流變主絕緣、一次導(dǎo)電桿、器身托架等部件拆解后均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。對(duì)流變主絕緣電容屏進(jìn)行拆解檢查，未見明顯放電或過熱性缺陷。

4.2 解體試驗(yàn)情況

4.2.1 分屏介損及電容量測(cè)試

為判斷A相流變主絕緣整體及各層電容屏的相對(duì)受潮情況，依次對(duì)故障流變各層主屏之間的電容量、介損值和絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，介損測(cè)試時(shí)測(cè)試電壓為3 kV，采用正接法接線。

圖7 分屏絕緣電阻、介損及電容量測(cè)試結(jié)果

該流變各主屏間介損差異較大，中間屏的介損明顯高于內(nèi)外兩側(cè)邊的電容屏，其中第2—7主屏間的各電容屏間介損均超過0.8%，如第3—4主屏屏間介損達(dá)到4.93%。各屏間絕緣電阻與介損變化規(guī)律一致，介損越大的電容屏絕緣電阻越小。試驗(yàn)結(jié)果表明，該流變中間電容屏絕緣受潮的情況更為嚴(yán)重。

4.2.2 頻域介電譜含水量測(cè)試

為了對(duì)該流變內(nèi)部受潮程度進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，選取了該流變介損值對(duì)比最大的2組電容屏（第0—1屏、第3—4屏）進(jìn)行了基于頻域介電譜測(cè)試的水分含量評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，該流變第0—1屏間的含水量為0.5%，絕緣干燥情況良好；第3—4屏間的含水量為5.5%，屬于絕緣極度潮濕狀態(tài)。頻域介電普測(cè)試結(jié)果與分屏介損測(cè)試結(jié)果相符，表明該流變中間屏絕緣存在嚴(yán)重受潮缺陷。

5 原因分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，被試A相流變運(yùn)行過程中油中含氣量嚴(yán)重超過正常水平，局放量明顯超標(biāo)，油色譜、介損等多項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格，結(jié)合解體試驗(yàn)分析可確認(rèn)位于主絕緣中間部位的部分電容屏存在嚴(yán)重受潮情況。結(jié)合A相流變膨脹器沖頂后內(nèi)部壓力保持較好、器身檢查未見明顯滲漏油且油中含水量未見明顯異常等現(xiàn)象，表明該流變因密封不良導(dǎo)致外部氣體進(jìn)入流變并使絕緣受潮的可能性較小。

結(jié)合廠家在該流變生產(chǎn)制造過程中絕緣繞制、干燥、注油等工藝檢查后分析認(rèn)為，造成A相流變部分中間屏絕緣嚴(yán)重受潮的原因?yàn)椋涸撓嗔髯冊(cè)谏a(chǎn)制造階段干燥工藝控制不良導(dǎo)致主絕緣中間部分電容屏干燥不徹底，含水量嚴(yán)重偏大，在運(yùn)行電壓作用下主絕緣中的氣體和水分析出，在電容屏間形成微小氣泡，在正常運(yùn)行電壓下產(chǎn)生局放，導(dǎo)致水分分解和烴類氣體裂解形成大量氣泡，這一過程又進(jìn)一步促進(jìn)局放的發(fā)展，最終引起流變內(nèi)部氣壓升高并導(dǎo)致膨脹器沖頂。

綜上所述，該流變制造過程中的部分中間電容屏間紙絕緣干燥不徹底、含水量過高是引起該流變各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)、故障沖頂?shù)闹苯釉?。廠家干燥工藝控制不良是故障發(fā)生的根本原因。

6 結(jié)語

針對(duì)一起220 kV油浸正立式流變絕緣受潮缺陷，開展了基于常規(guī)電氣試驗(yàn)、頻域介電譜測(cè)試、油中溶解氣體分析、脫氣處理前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析以及故障解體檢查的綜合診斷分析與探討。結(jié)果表明，綜合高電壓介損、頻域介電譜、局部放電以及油色譜分析試驗(yàn)可對(duì)高壓流變的絕緣受潮缺陷進(jìn)行有效診斷。

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