取消主變壓器高壓套管絕緣在線監測裝置

鄭利娜 黃平兒

（海南核電有限公司 海南海口）

一、概述

目前電容式套管最廣泛的應用于變壓器高壓套管，其絕緣特性好壞是影響電力變壓器安全可靠運行的主要因素之一。電容量和介質損耗因數（以下簡稱介損）是高壓套管絕緣狀態的主要參數，能宏觀地評價絕緣基本狀態，因此測量電容量和介損具有重大意義。考慮到核電特殊性和安全性，及電容式設備高概率故障特點，結合當前在線監測裝置的發展以及世界和運行者協會WANO SORE 2011-1重大運行經驗報告對大功率變壓器要求（WANO SORE 2011-1），海南昌江核電在設備采購時技術規格書中要求設置主變壓器高壓套管絕緣在線監測裝置，用以進行實時測量與預警套管絕緣性能。

然而，電容式套管因結構與制造工藝特點，易發生末屏接地故障，一旦裝設在線監測系統將加劇問題的凸顯，如套管結構與制造工藝不足、在線測量技術、末屏接地不良等問題。為此，本文就裝設在線監測裝置的必要性和可行性進行了深入分析，特別是通過絕緣離線監測與在線監測裝置的對比分析，經過與設計院和制造廠共同分析和比較，認為在滿足技術規格書總體性能要求前提下，取消主變壓器高壓套管絕緣在線監測裝置是必要的。最終海南昌江核電主變壓器高壓套管采用離線檢測方法，并結合制造廠實際情況提出了相對合理的優化方案。筆者就海南昌江核電主變壓器高壓套管結構與工藝特點，及電容式套管絕緣監測裝置，分為幾個方面進行了分析比較。

二、海南昌江核電主變壓器高壓套管結構與工藝特點

海南昌江核電主變壓器高壓套管采用的油-SF6干式電容式套管是ABB RTKG245-1050/2000真空樹脂澆注紙絕緣油-SF6電容式套管（以下簡稱電容式套管）。該套管下部在變壓器油箱內部的變壓器油中，上部處于SF6氣體（GIL）中，使主變壓器通過GIL管道與SF6全封閉組合電器（GIS）連接。該電容式套管電容包由瓷套、電容芯、中心銅管、安裝法蘭、均壓球等組成，主結構是1個電容（圖1），即在導電桿上包許多絕緣層，其間根據場強分布特點夾有許多鋁箔，組成一串同心圓柱形電容器，最外面一層鋁箔為套管末屏。通過末屏可以測量套管的電容量和介損，判斷其絕緣狀況。因其電容包含導電桿（主絕緣）對末屏的電容C1和末屏對法蘭的電容C2兩部分，所以在變壓器運行且無加裝絕緣在線監測裝置時，因接地彈簧與末屏銅柱接觸連接，末屏通過接地彈簧引線直接接地，運行時電壓全部作用于套管電容C1，末屏對地電容C2不承受電壓。

由于電容式套管結構特點和工藝問題，易出現芯子紙板間隙過大、密封不良間隙進水受潮等問題，導致末屏絕緣問題、接地不良等故障造成局部放電，甚至引起變壓器爆炸。因此，測量導電桿對末屏的電容 C1和介損 tanδ1、末屏對法蘭的電容C2和介損tanδ2對有效防止套管運行中發生爆炸事故，以便及時做預防或處理方案。

圖1 套管電容結構

三、電容式套管絕緣監測裝置的功能與用途

1.電容式套管電容量C和tanδ測量原理

在交流電壓作用下套管絕緣的等值電路和向量如圖2，由圖可見，流過介質的電流I由電容電流分量IC和電阻電流分量IR兩部分組成，IR就是因介質損耗而產生的，IR使流過介質的電流偏離電容型電流IC的角度 δ。 通常IC＞＞IR，介損角 δ甚小。則介質的功率損耗P=UIR=UICtanδ=U2ωCxtanδ，tanδ為介損，Cx為電容量，能反映因套管絕緣進水、進氣受潮和電容屏放電、燒傷等因素引起的介質結構變化等。

圖2 套管絕緣的等值電路和向量

目前，無論電容式套管絕緣離線（停電）檢測還是在線（帶電）檢測，均是測量電容 C、介損tanδ等反映介電特性的參數，其不同的是檢測結果反映設備的不同階段狀態，且測量儀器差別較大。

2.電容式套管絕緣離線檢測裝置

目前離線測量介損與電容量的常用儀器有西林電橋、不平衡電橋和數字式自動介損測試儀。進行套管絕緣測試時常用試驗接線方法有正接法和反接法。由于《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》未明確規定該項試驗的現場接線方法，實際上往往參考出廠采用的接線方式，進行數據收集及對比分析安裝前后套管質量變化。以海南昌江核電1#機組A相為例，測量不同階段的套管絕緣試驗結果均在誤差范圍內（表1，注：參照GB 50150-2006電氣設備交接試驗標準、電力設備預防性試驗規程）。由表1可看出，僅測量了套管安裝前導電桿對末屏之間的電容C1和介損tanδ1，及安裝后繞組連同套管的電容和介損，其雖驗證了套管出廠及交付現場后絕緣情況，但未進行安裝前末屏對地、安裝后導電桿對末屏與末屏對地的電容和介損測量。因此，就不能反映整個套管絕緣情況。在海南昌江核電不僅主變壓器高壓套管如此，主變壓器高壓中性點套管、低壓套管，及輔變高壓套管和中性點套管均存在此種情況。

3.電容式套管絕緣在線監測裝置

海南昌江核電擬裝設的IMM2000型電容式設備絕緣在線監測系統，由電壓采集單元、泄漏電流采集單元、各電源電流傳感器等組成，其測試原理及套管等值電路見圖3。

該裝置將通過穿心式電流傳感器串接在高壓套管Cx末屏接地上，以及安裝在GIS室母線PT二次端子上的信號取樣單元，分別獲取高壓套管Cx的末屏接地電流信號Ix和PT二次電壓信號，電壓信號經過精度電阻轉化為電流信號In，兩路電流經過濾波、放大、采樣等數字處理，利用諧波分析法提取基波分量，并計算出其相位差和幅度比，從而獲得套管的介損tanδ和電容Cx。

表1 測量不同階段的套管絕緣試驗結果

圖3 套管在線絕緣監測原理及等值電路圖

由于變壓器在運行中末屏直接接地，運行電壓全部加在C1上，C2則因末屏和法蘭均可靠接地而被短接，不承受電壓。因此，絕緣在線監測裝置測量的是套管電容C1、介損tanδ1及Ix，無法同時在線檢測末屏對地電容和介損。

四、取消主變壓器高壓套管絕緣在線監測裝置原因分析

1.高壓套管末屏與絕緣在線監測裝置結構不匹配

若采用該結構，在安裝時，絕緣在線監測裝置iIMM202利用絕緣件頂開接地彈簧與末屏，只能用內徑為4 mm卡套鎖緊末屏并引出通過電流傳感器接地，且外徑要求小于10.5mm（ 圖 4） 。

圖4 末屏與卡套配合圖

因該套管末屏引線柱外徑僅為4 mm，而絕緣在線監測裝置iIMM2020的卡套裝置最小直徑為16 mm（圖5），無法鎖緊末屏4 mm引線柱，也無法彈開接地彈簧的絕緣件，導致無法匹配安裝，而其又無法同時測量導電桿對末屏及末屏對地電容、介損，所以在此討論套管加裝絕緣在線監測裝置或電氣連接完整性就顯得無意義。

2.增加帶浪涌保護裝置的適配器改變電氣設備完整性

為解決絕緣在線監測裝置iIMM2020卡套不能既鎖緊4 mm末屏銅柱，又能絕緣開接地彈簧片的問題，而增加帶浪涌保護裝置的適配器，可將接地彈簧片與末屏銅柱分離，并分別通過適配器引出，再通過串聯在線絕緣監測裝置的電流傳感器接地。此方法理論上可行，但出現以下問題。

（1）在一定程度上改變一次電氣設備完整性， 而《Q/GDW 534-2010變電設備在線監測系統技術導則》要求在線監測系統接入不應改變一次電氣設備的完整性和正常運行。

（2）增加末屏銅柱與引出線之間不可靠連接的概率，一旦運行將造成末屏接地不良，使末屏對地形成一個電容，按照電容串聯原理，將在末屏與地之間形成很高的懸浮電壓，導致末屏對地放電，甚至套管爆炸。

圖5 iIMM2020在線監測裝置與末屏的配合結構

3.兩種監測方案的對比（表2）

表2 兩種監測方案的對比

目前暫不討論絕緣在線監測裝置是否能測量整個套管電容和介損，以及核電運行業績等，但就套管末屏與在線監測裝置接口不匹配，或增加適配器改變一次電氣設備完整性等對變壓器運行安全帶來的隱患。況且，絕緣在線監測裝置采購、校驗及維護成本相對高。而且海南昌江核電除了主變壓器高壓套管外，還有主變壓器低壓、高壓中性點套管，輔助變高壓和中性點套管等均為電容式設備也無法減少介損測試儀的采購成本。因此，無論從技術上還是投資上而言，主變壓器高壓套管以取消絕緣在線監測裝置，采用絕緣離線檢測設備為宜。

目前絕緣在線監測技術發展是提高電站未來自動化監測水平的方向，通過實施主變壓器套管帶電測試技術檢測設備運行狀況，可減少主變預防性試驗停電的時間和次數，且在變電站已逐漸向更廣泛領域應用邁進，但要在核電站得以應用至少應在下列任意問題上取得新的突破。

（1）通過增加適配器來解決末屏與在線監測裝置接口匹配問題，不僅改變原有電氣接線方式，還受限于末屏接地方式。目前市場套管生產廠家多，導致套管末屏結構和接地方式較多，這就需要研究單位與供應商在套管末屏接口開發與套管在線監測/帶電檢測技術方面充分考慮，采用更加合理的末屏結構和接地方式。

（2）進行該類電容式套管末屏直接接地故障概率與增加絕緣在線監測后可能發生的故障概率統計，以便定性分析是否需要增加在線監測，也利于使用單位根據各自需求做出選擇。

五、絕緣離線測量改進方法

在實際中，海南核電主變壓器高壓套管僅測量安裝前主絕緣及安裝后變壓器繞組電容介損，不能全面地反映套管質量狀態。為驗證套管及變壓器安全運行是否在限度之內，建議采用新的方法并增加安裝前末屏對地、安裝后導電桿對末屏與末屏對地，及運行后例行試驗或檢修后導電桿對末屏、末屏對地等電容與介損，具體如下：套管安裝前，采用正接法將高壓套管末屏引線接至電橋Cx端，套管端部接至電橋高壓端，測量導電桿對末屏的電容C1和介損tanδ1（圖6）。再采用反接法將套管末屏引線接至電橋的電橋Cx端，套管的端部短路接至電橋的屏蔽端，測量末屏對法蘭的電容C2和介損tanδ2（圖6）。

圖6 測試套管正/反接法

套管安裝后，通過從變壓器吊出來單獨測量將會增大末屏接觸不良概率，例行試驗應大部分情況下在套管安裝變壓器后進行，其電容結構變化（圖7）。

圖7 套管安裝后電容結構

安裝后，因變壓器繞組電容、套管電容C1以及套管電容C2為連接在一起無法分離，直接采用正接法和反接法只能測量繞組連同套管介損和電容，要測量安裝后套管電容和介損，需采用方法如下。

（1）采用圖7正接法測量套管導電桿至末屏之間的介損tanδ1和電容 C1。

（2）采用帶屏蔽的反接法測量套管末屏對地電容C2和介損tanδ2，由于C2的一極為套管法蘭，此法蘭與變壓器油箱無法分離，所以將介損測試儀的高壓輸出端接到套管測量端子，屏蔽端接到套管線端（圖8）。因屏蔽線與高壓輸出線基本為同一電位，所以電容C1上無電流，而變壓器繞組電容上流過的電流直接由屏蔽線提供，沒有進入測量用的采樣電阻中。

圖8 反接法原理圖

按照此方法測量，不僅全面驗證套管各個階段的絕緣情況，而且為例行測量套管電容和介損提供方法，及為后期套管常規維護、檢修提供比對基準。

六、結語

經過分析論證，絕緣在線監測技術雖然是提高核電站未來自動化監測水平的方向，但目前尚無數據統計和經驗反饋，也無實驗室量化計算。要在核電站應用至少應解決其關鍵問題后再逐步得以實施。海南昌江核電取消主變壓器高壓套管絕緣在線監測裝置，而采用離線監測裝置，降低了套管末屏對地擊穿等引起套管甚至變壓器故障的概率，根據要求還可隨時進行校驗，同時其檢測數據比較全面，尤其是套管出廠、安裝前后、電廠例行與檢修后試驗等應用比較多。

總之，海南昌江核電工程采用技術上更為可靠而且應用業績較多的離線監測裝置在技術上是合理的，而且可降低設備采購成本也可降低運行費用。由于在項目執行過程或現場安裝調試中均會出現很多類似問題，這就不僅需要項目管理人員具有較強的項目管理能力，而且也對項目管理人員專業問題發現、提出及解決的能力及專業水平提出更高要求，同時通過本文論述也為電容式套管帶電檢測接口的研究提供參考。