徐宏碧

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局，廣東肇慶，526000）

1 套管結(jié)構(gòu)

220kV變壓器套管中最廣泛應(yīng)用的套管是油浸電容式套管，基于套管末屏接地的標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)⑵浞譃槌＝拥厥健?nèi)置式、外置式三種類(lèi)型，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，組成部件包括儲(chǔ)油柜、接線頭、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、電容芯子、末屏、上/下瓷套、中間接地法蘭等。額定電流在1250 A以下的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)為穿纜結(jié)構(gòu)，額定電流超過(guò)1250A的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)。

圖1 套管結(jié)構(gòu)圖

2 220kV變壓器套管常見(jiàn)缺陷及原因分析

本文就220kV變壓器套管中常見(jiàn)的缺陷及可能引發(fā)的原因進(jìn)行了解析，主要內(nèi)容如下。

2.1 接頭過(guò)熱

一般220kV變壓器中套管接頭中存在3個(gè)極易過(guò)熱部位，包括（1）將軍帽（導(dǎo)電頭）和接線板的連接位置；（2）外部引線接頭和接線板的連接位置；（3）將軍帽和變壓器內(nèi)部繞組引線接頭連接位置。

三個(gè)位置中最容易引發(fā)接頭過(guò)熱的是變壓器內(nèi)部繞線接頭和導(dǎo)電頭之間連熱位置，因?yàn)閮烧咧g的連接主要依靠引線扭力和螺紋，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全緊固，因此就存在發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)致220kV變壓器套管接頭過(guò)熱的原因可能有接觸螺紋長(zhǎng)度較短、兩部件接觸面積不夠或接觸面不平整、兩零部件緊固不足、導(dǎo)電膏硬化、加工尺寸偏差、安裝錯(cuò)位、定位螺母松脫以及螺紋配合不當(dāng)?shù)?。如果部件連接位置接觸不良可能引發(fā)套管接頭出現(xiàn)發(fā)熱的情況，另外接觸不良還會(huì)引起套管介損測(cè)試值超標(biāo)。若不能及時(shí)有效進(jìn)行處理，情況會(huì)進(jìn)一步惡化并引發(fā)惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致高點(diǎn)回路連接零部件毀壞、熔焊或燒毀。

2.2 末屏放電

220kV變壓器套管一般采用電容型的絕緣結(jié)構(gòu)，以保證軸向場(chǎng)強(qiáng)和徑向場(chǎng)強(qiáng)的均勻性。電容型絕緣結(jié)構(gòu)是同心圓柱體電容器，其以導(dǎo)電銅管作為中心位置，示意圖如圖2所示。其中c0表示零屏電容，而c1～cn表示絕緣結(jié)構(gòu)中的主電容，用C1表示絕緣結(jié)構(gòu)的總電容量，末屏對(duì)地電容量用C2表示。在末屏不接地情況下，末屏對(duì)地電壓可以利用下式進(jìn)行計(jì)算：

示意圖中能夠發(fā)現(xiàn)末屏與地間具有較小的絕緣距離，未達(dá)到U2時(shí)，懸浮放電已經(jīng)發(fā)生。

圖2 套管電容層示意圖

2.3 局部放電

220kV變壓器套管中常見(jiàn)的局部放電類(lèi)型包括電暈放電、懸浮放電以及尖端放電。

2.3.1 懸浮放電

導(dǎo)致220kV變壓器套管懸浮放電的主要原因是設(shè)計(jì)存在一定缺陷，在缺陷情況下均壓帽和導(dǎo)電桿之間的連接主要依靠定位銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)，如果因震動(dòng)等因素導(dǎo)致兩零部件之間出現(xiàn)接觸不良或未接觸的情況，就會(huì)導(dǎo)致兩者間存在電位差，發(fā)生放電。

2.3.2 尖端放電

在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體的尖銳部分會(huì)出現(xiàn)一定放電現(xiàn)象，統(tǒng)稱(chēng)尖端放電。尖端放電的誘因主要是金屬部件的質(zhì)量問(wèn)題，加工工藝不良引發(fā)高壓零屏鋁管表面的毛刺瑕疵，進(jìn)而導(dǎo)致電場(chǎng)畸變、電廠強(qiáng)度增加、絕緣面老化，最終引起沿面擊穿。

2.3.3 電暈放電

作為220kV變壓器套管外部中最常見(jiàn)的放電類(lèi)型，引發(fā)電暈放電的最主要原因是表面電壓分布不均勻。

2.4 滲漏油

在220kV變壓器套管的導(dǎo)電頭、油位鏡、套管末屏、放油螺栓以及金屬法蘭和套管瓷件的連接位置等均會(huì)發(fā)生滲漏油情況。一般在220kV變壓器套管金屬法蘭和瓷件之間的灌注密封主要采用硅油填充物，這種方式下灌注往往密實(shí)性較差，而且由于引線拉力的作用，在中部法蘭和瓷套下部的水泥燒結(jié)處會(huì)出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而出現(xiàn)滲漏油的情況。如果不能及時(shí)處理可能導(dǎo)致220kV變壓器套管油位下降，220kV變壓器套管的絕緣性受到極大威脅。

2.5 進(jìn)水受潮

220kV變壓器套管中的導(dǎo)電頭、注油孔等密封部位均極易進(jìn)水受潮。導(dǎo)電頭的密封中如果不使用十字槽螺栓或者是密封橡膠墊，其密封效果就會(huì)較差。注油孔的油枕上端是注油螺栓，若注油螺栓缺失或者墊圈發(fā)生老化，密封性大大減弱，并且水分會(huì)因此進(jìn)入到套管本體當(dāng)中。另外，若套管的防雨罩底座和出線端接柱之間沒(méi)有緊固鎖定裝置，防雨罩的防水作用會(huì)因此喪失，水分進(jìn)入套管引發(fā)內(nèi)部受潮。

2.6 雨閃

在220kV變壓器套管缺陷故障統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，雨閃事故在污閃事故中的占比達(dá)到了25%，必須受到重視，其主要和降雨有關(guān)，需要做好防水防雨工作。

2.7 介損超標(biāo)

220kV變壓器套管絕緣狀況的有效判別手段包括電容量測(cè)量和介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量等。220kV變壓器套管體積相對(duì)較小，且電容量也較小，通過(guò)介質(zhì)損耗的測(cè)量，能夠極其靈眠的發(fā)現(xiàn)套管的局部缺陷和劣化受潮情況。尤其是對(duì)于套管內(nèi)部的嚴(yán)重漏油、電容芯層擊穿、接觸不良、小套管斷線等缺陷和故障，能夠及時(shí)、有效、靈敏的發(fā)現(xiàn)。

3 220kV變壓器套管缺陷常用檢測(cè)方法

3.1 基于紅外圖像識(shí)別的缺陷檢測(cè)方法

在研究中，提出了基于紅外圖像識(shí)別的220kV變壓器套管缺陷檢測(cè)方法，并且該技術(shù)的新技術(shù)流程和步驟詳細(xì)明確。首先，需要借助紅外圖像識(shí)別技術(shù)以獲得220kV變壓器套管的紅外圖像；然后，結(jié)合多模板匹配技術(shù)對(duì)獲得的紅外圖像進(jìn)一步分析，得到變壓器套管的詳細(xì)圖像；接下來(lái)，利用圖像形態(tài)學(xué)技術(shù)、三級(jí)金字塔濾波技術(shù)對(duì)220kV變壓器套管具體圖像位置進(jìn)行分析，并進(jìn)行具體定位。最后，在220kV變壓器套管的具體對(duì)象和定位圖中引入圖像灰度值分析方法，建立其和色溫表的對(duì)應(yīng)函數(shù)映像關(guān)系，分析比對(duì)得到220kV變壓器套管不同位置的具體溫度，以此分析判斷發(fā)熱套管中可能存在的缺陷。

3.2 變壓器局部放電試驗(yàn)中套管缺陷的檢測(cè)

國(guó)標(biāo)GBl 094.3-85中對(duì)變壓器局部放電試驗(yàn)進(jìn)行了明確界定，其本質(zhì)是220kV等變壓器在感應(yīng)耐壓下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最終的電壓測(cè)試值必須保證滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，能承受220kV變壓器正常運(yùn)行的電壓值，也能夠承受暫時(shí)過(guò)電壓。局部放電試驗(yàn)多端子測(cè)量校準(zhǔn)在該標(biāo)準(zhǔn)中也進(jìn)行了明確要求，需要準(zhǔn)確校準(zhǔn)線圈端子和地之間，以此模擬套管局部放電。

3.3 基于數(shù)據(jù)分析的變壓器套管新型在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警

大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為220kV變壓器套管的監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供了重要的技術(shù)支持。某省在220kV變壓器套管缺陷分析中對(duì)歷年來(lái)的介損值歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建了在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)間歇性、短時(shí)性異常數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)將這些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，進(jìn)一步優(yōu)化了預(yù)警策略，提升了在線監(jiān)測(cè)和缺陷監(jiān)測(cè)預(yù)警水平。

3.4 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的變壓器套管缺陷監(jiān)測(cè)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，這些新型技術(shù)在220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測(cè)中得到良好應(yīng)用。研究者在研究中提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測(cè)技術(shù)，在技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展配備了相應(yīng)的軟件（MATLAB、ASP.NET等）和硬件，構(gòu)建220kV變壓器套管缺陷監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合遠(yuǎn)程攝像機(jī)獲取220kV變壓器套管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)圖像，利用信息傳輸技術(shù)將獲得的圖像和數(shù)據(jù)傳輸回服務(wù)器深入分析，并進(jìn)行識(shí)別和判斷，如果發(fā)現(xiàn)異常或者缺陷，及時(shí)通知工作人員進(jìn)行核準(zhǔn)和處理。

4 220kV變壓器套管缺陷交流阻抗檢測(cè)與定位方法研究

4.1 電流分布

圖3顯示了金屬套管電流分布情況，其中L為金屬套管的長(zhǎng)度，套管回流環(huán)和內(nèi)壁注入電流環(huán)之間的距離定義為l，用I表示注入電流。在趨膚效應(yīng)的作用下，電流會(huì)趨向于套管的內(nèi)壁表面以及外壁表面。電流分為I0和I1兩部分，I0會(huì)沿著套管的內(nèi)部進(jìn)入到回流環(huán)中，而I1會(huì)以此經(jīng)過(guò)套管內(nèi)壁、套管端面、套管外壁，最終流回套管內(nèi)壁回流環(huán)。

圖3 金屬套管電流分布

4.2 等效電路

根據(jù)220kV變壓器套管的情況構(gòu)建了如圖4所示的等效電路圖，其中Z0為回流環(huán)和電流環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗；Z1為套管上頂端和電流環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗，其也應(yīng)用于代表下頂端和接地環(huán)之間的內(nèi)壁等效阻抗；Z2為套管頂端的等效阻抗；Z3為套管外壁的等效阻抗。

圖4 金屬套管等效電路

基于電路定律，正弦穩(wěn)態(tài)下的電流滿(mǎn)足如下條件：

圖3中電流分布若確定了距離l以及套管長(zhǎng)度L之后，阻抗即為Z0( 2Z1+ 2Z2+ Z3)，可推導(dǎo)出如下關(guān)系：

4.3 套管缺陷測(cè)試方法

本文提出的220kV變壓器套管缺陷交流阻抗檢測(cè)與定位方法基礎(chǔ)是基于220kV變壓器套管阻抗值大小判別和趨膚效應(yīng)分析實(shí)現(xiàn)的。金屬套管(良導(dǎo)體) 具有高的電導(dǎo)率和大的傳導(dǎo)電流。由于歐姆損耗是連續(xù)存在的，電磁波所攜帶的能量會(huì)隨著波在金屬套管中傳播而不斷衰減。金屬導(dǎo)體材料中，損耗角正切σ/(ωε>1，電磁波的傳播常數(shù)為：

我們首次通過(guò)前瞻性病例對(duì)照研究觀察急性期重癥腦梗死患者入院后7d經(jīng)肌電生物反饋治療對(duì)下肢肌肉容積減少的影響，針對(duì)急性期腦梗死患者肌肉容積減少提供了一個(gè)有效和可行的治療策略。之前的研究顯示，進(jìn)入監(jiān)護(hù)病房可能導(dǎo)致1型和2型肌肉纖維橫截面積下降，每天分別為3%和4%[10]。本研究入院第1天常規(guī)康復(fù)組與肌電生物反饋組大腿周徑及小腿周徑的基線資料差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。入院后第7天肌電生物反饋組大腿周徑減少值明顯小于常規(guī)康復(fù)組。大腿肌肉變化較小腿明顯可能是由于肌電生物反饋使用的電極放置的位置影響。因此，我們的數(shù)據(jù)表明肌電生物反饋治療是切實(shí)可行的作為防治急性期腦梗死患者肌肉容積減少的對(duì)策。

式中傳導(dǎo)電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度隨著透入導(dǎo)體深度的增加而呈指數(shù)衰減，該現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)是影響過(guò)套管電磁測(cè)井的主要因素之一。在z=1/α=1/β處衰減到e-1=0.368倍，令δ=1/α表示這個(gè)距離，稱(chēng)為趨膚深度。趨膚深度是描述電磁波在導(dǎo)體傳播的一個(gè)重要參數(shù)。趨膚深度的大小與電磁波的頻率、導(dǎo)體電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率有關(guān)。當(dāng)z方向距離為3δ時(shí)，電場(chǎng)(電流密度)衰減到e-3≈0.05倍，此時(shí)工程上可近似認(rèn)為電磁波全部衰減。

圖3中就電流分布情況進(jìn)行了分析，220kV變壓器套管I目標(biāo)段電流環(huán)電流向套管內(nèi)壁流入，并且繼續(xù)沿著套管流回到回流環(huán)中。對(duì)于目標(biāo)段中的某段距離內(nèi)的電壓和阻抗值進(jìn)行判斷和檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別220kV變壓器套管的被檢測(cè)段是否存在問(wèn)題和缺陷。對(duì)于同一檢測(cè)位置和同一檢測(cè)目標(biāo)段，對(duì)注入電流頻率進(jìn)行調(diào)整和改變，結(jié)合電壓值和阻抗值判斷220kV變壓器套管在徑向（厚度方向）是否會(huì)存在缺陷，其基本流程如下所示：

（1）根據(jù)220kV變壓器套管的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ等待測(cè)參數(shù)去計(jì)算趨膚深度δ和激勵(lì)頻率之間的關(guān)系，并且以此來(lái)確定220kV變壓器套管的厚度3δ；

（2）結(jié)合220kV變壓器套管的厚度3δ和其厚度Δa之間的關(guān)系，計(jì)算注入電流的頻率 f 值；

（3）對(duì)于井口套管等無(wú)缺陷的220kV變壓器套管在不同頻率下的阻抗值進(jìn)行檢測(cè)和分析；

（4）對(duì)于220kV變壓器套管中的目標(biāo)段按照信號(hào)頻率從低到高的順序進(jìn)行阻抗檢測(cè)；

（5）對(duì)于（3）和（4）中的阻抗值進(jìn)行對(duì)比和分析，如果無(wú)缺陷套管阻抗值和目標(biāo)檢測(cè)段的阻抗值相同，則可以判定被測(cè)目標(biāo)段的220kV變壓器套管內(nèi)壁3δ 范圍內(nèi)不存在缺陷，否則則表明220kV變壓器套管內(nèi)壁3δ 范圍內(nèi)存在一定缺陷。

4.4 應(yīng)用效果分析

（1）220kV變壓器套管的交流阻抗值會(huì)受到趨膚效應(yīng)的影響，這種情況下不能和正常無(wú)缺陷的套管進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于缺陷套管不同頻率條件下阻抗值將會(huì)發(fā)生變化。

（2）如果220kV變壓器套管內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕的情況，在電流頻率增大的情況下，220kV變壓器套管內(nèi)壁的缺陷部分交流阻抗值的變化率會(huì)呈現(xiàn)趨于常量的趨勢(shì)。220kV變壓器套管內(nèi)壁缺陷部分的阻抗值均會(huì)小于正常內(nèi)部部分的阻抗值（超低頻率除外），通過(guò)對(duì)220kV變壓器套管內(nèi)壁阻抗值的監(jiān)測(cè)和阻抗值分析能夠判別其是否存在缺陷問(wèn)題。

（3）如果220kV變壓器套管外部出現(xiàn)腐蝕等情況，那么220kV變壓器套管缺陷部分的交流阻抗相對(duì)變化率會(huì)隨著電流頻率的增大而趨于0；檢測(cè)段的阻抗值和正常部分的阻抗值相等（較高頻率下）。通過(guò)對(duì)220kV變壓器套管外壁阻抗值的監(jiān)測(cè)能夠判斷是否存在缺陷，同時(shí)結(jié)合趨膚深度還能夠定位缺陷的具體位置。

（4）直流(或超低頻)阻抗法能檢測(cè)出被測(cè)段是否存在缺陷，但是缺陷在套管外壁還是在內(nèi)壁難以確定，而交流阻抗法可進(jìn)一步判斷出缺陷的徑向位置。

5 結(jié)論

220kV變壓器套管應(yīng)用過(guò)程中不可避免存在缺陷問(wèn)題，缺陷問(wèn)題可能引發(fā)電網(wǎng)安全事故，因此必須要加強(qiáng)對(duì)其缺陷的監(jiān)測(cè)和定位。只有通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷所在，才能對(duì)缺陷進(jìn)行處理。目前常用的方法包括紅外監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、視覺(jué)成像分析等眾多技術(shù)，本文提出的交流阻抗監(jiān)測(cè)方法具有較好的應(yīng)用性，希望能夠?yàn)?20kV變壓器套管缺陷監(jiān)測(cè)和定位提供指導(dǎo)。