斷路器并聯電容介質損耗超標分析

沈曼盛，周路遙，詹江楊，楊 智，劉浩軍，廖玉龍

（1.中國中鐵武漢電氣化局集團，武漢 430000；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310008）

0 引言

斷路器并聯電容（均壓電容）能夠改善斷口間的電壓分布，提高斷路器整體耐壓水平，同時降低斷路器分合閘弧隙恢復電壓陡度，提高斷路器開斷能力，對高壓斷路器的安全穩定運行起著關鍵作用[1]。

目前，現場主要通過10 kV試驗電壓下的介質損耗（以下簡稱“介損”）數值來判斷并聯電容是否存在絕緣受潮、油或浸漬物臟污、劣化變質等缺陷。某變電站500 kV敞開式斷路器在預防性試驗時出現斷口間并聯電容（膜紙復合絕緣）介損超標問題，即該電容介損值超出了Q/GDW 1168-2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》中所規定的值0.25%[2]。產生此類現象的原因可能是膜紙絕緣并聯電容存在Garton效應，即較低試驗電壓下的介損值為額定電壓下的若干倍。若常規10 kV試驗電壓下的介損測得值超過注意值時，為防止誤判，有必要進行高電壓介損診斷試驗，并測量tanδ-U介損特性曲線以作參考。

本文將結合并聯電容介損超標的故障診斷判據，并通過高壓介損試驗對并聯電容介損超標問題進行綜合分析，提出試驗中Garton效應判定及處理方法，最后提出減小Garton效應影響的相關改進對策，以期為斷路器并聯電容介損超標問題的判別提供參考。

1 故障診斷判據

電介質在外界電場作用下會產生能量損耗，即介質損耗。介損主要包括電導損耗和極化損耗：電導損耗主要來源于電壓作用下產生的泄漏電流；極化損耗主要來源于電介質中帶電質點在電場作用下作往復位移和重新排列而產生相互磨擦。介損將電能大部分轉換為熱能，使絕緣介質中熱量積聚，溫度升高，導致絕緣老化甚至燒焦[3]。

常規10 kV介損試驗電壓遠低于斷路器并聯電容額定運行電壓，不能完全真實地檢測出電容器實際運行時的絕緣缺陷，有必要進行額定電壓下的介損測量，并采用均勻分段加壓及降壓方式得到完整的tanδ-U介損特性曲線，根據其變化規律對設備絕緣缺陷類型進行綜合判斷，其典型圖譜如圖1所示[4-6]：

（1）曲線1對應良好絕緣的情形，tanδ-U曲線呈水平直線，當試驗電壓超過某一極限時tanδ值才略微增加。

（2）曲線2對應絕緣老化的情形，低電壓下的tanδ值比良好絕緣時要小，但過了起始游離點后則迅速升高，且起始游離電壓比良好絕緣時低。

（3）曲線3對應絕緣缺陷的情形，低電壓下tanδ值比良好絕緣時要大，tanδ會較早出現向上彎曲，且電壓上升曲線與下降曲線不重合。當試驗電壓超過局部放電起始電壓時，tanδ值急劇增大，后逐步降低試驗電壓，tanδ值將高于各個對應電壓下的值，直至局部放電熄滅，曲線呈閉合環狀。

圖1 不同絕緣情況下的tanδ-U特性曲線

（4）曲線4對應嚴重受潮的情形，低電壓下tanδ值較大，而隨著試驗電壓升高，tanδ值不斷增大，再逐步降低試驗電壓時，由于介損的增大已使介質溫度升高，此時tanδ值無法降至各個對應電壓下的值，tanδ-U的上升和下降曲線不相重合。

（5）曲線5對應絕緣中存在Garton效應的情形，tanδ值隨電壓升高出現明顯的下降趨勢，較低電壓下的tanδ值比高電壓下的tanδ值高出1～10倍。

2 高壓介損試驗

某變電站出現介損超標問題的500 kV斷路器為雙斷口敞開式，每個斷口間并聯一個膜紙復合絕緣均壓電容，其電容量為1 600 pF，額定運行電壓為170 kV，對并聯電容進行現場外觀檢查時未發現漏油等異常現象。

2.1 試驗數據

為實現高壓介損的精確測量，選取2只存在介損超標問題的并聯電容，將其從斷路器中拆卸下并在實驗室內進行工頻試驗變壓器升壓。此外，采用西林電橋進行介損測試，外接高壓標準電容，并采用正接法進行測量。其中，精密介損電橋型號為AI-6000F，高壓標準電容器型號為YL300-50，工頻電壓發生器型號為YDTCW-500/2×250。

試驗過程中采用均勻分段加壓方式，將試驗電壓從10 kV升至170 kV，每隔10 kV測量1次；然后降至10 kV，仍每隔10 kV測量1次，以此分別得到并聯電容A與并聯電容B 2只試品的tanδ-U介損特性曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 并聯電容A的高壓介損tanδ-U特性曲線

圖3 并聯電容B的高壓介損tanδ-U特性曲線

由圖2、圖3可知，2只并聯電容試品的試驗數據均具有以下特征：隨著試驗電壓的升高，介損值逐漸降低；當試驗電壓達到50 kV后，其介損值基本達到穩定，高電壓下測得的介損值均未超過0.25%；額定電壓下介損值僅為常規10 kV試驗電壓下介損值的1/5；tanδ-U特性曲線的電壓下降部分為電壓上升部分的逆過程，2條曲線并未完全重合，但介損試驗值的整體變化趨勢基本保持一致。

2.2 原因分析

由上述試驗數據可知，高壓介損試驗結果所表現的tanδ-U介損變化規律與絕緣介質的Garton效應特征相符：介損值隨電壓升高出現明顯的下降趨勢，且較低試驗電壓下的介損值為較高試驗電壓下介損值的若干倍。

絕緣介質的Garton效應是由于介質中帶電雜質粒子分布改變而引起的一種外在表象，普遍存在于含有紙的絕緣介質（包括油紙復合絕緣及膜紙復合絕緣）中[7]。由于含有紙質絕緣層的油介質中會有一定數量的帶電粒子存在[8]，在較低電壓下，帶電粒子容易析出，但顆粒較大，容易受到紙纖維層的阻攔，故而會有一定數量的粒子游離于介質空間中，造成一定的極化損耗，所以總體介損值較大；當電壓升高后，帶電粒子極化作用進一步加強，在偶極矩作用下這些帶電粒子會逐漸穿越紙纖維層，集中于電極兩端，故而介質中的帶電粒子數量逐漸減少，從而極化損耗降低，總體介損值明顯減小；此時若繼續升高電壓，游離的帶電粒子已經基本集中于電極兩端，故介質損耗不會再有明顯變化[9-10]。

研究表明，膜紙復合絕緣電容器（多為進口并聯電容）的油介質為有機合成絕緣油，含有較多的膠體型帶電粒子；而油紙復合絕緣電容器（多為國產并聯電容）的油介質為礦物質油，其中多為離子型帶電粒子，故紙質絕緣層無法起到阻擋作用，Garton效應影響不明顯[11]。

2.3 Garton效應判定方法

膜紙復合絕緣并聯電容在進行常規10 kV試驗電壓下的介損試驗時，若出現介損值超標現象，不宜輕易判定不合格。可通過開展高電壓介損試驗進一步判斷，若在較高試驗電壓下的介損值明顯下降，且隨試驗電壓升高到一定時介損值維持在某個低于標準要求值時，可認為發生了Garton效應；也可通過先對被試品施加高電壓（如耐壓試驗），然后再進行常規10 kV試驗電壓下的介損試驗，如果此時介損值低于標準要求值，也可說明發生了Garton效應[12]。

3 對策

根據Garton效應的產生機理及以往現場運行經驗，發生Garton效應的并聯電容在重新投運后均保持正常運行[13]。為避免盲目更換設備導致人力、物力的極大浪費，提高電網運行可靠性，應盡量減小Garton效應對電容設備絕緣故障診斷的影響，對此可以采取以下措施：

（1）從源頭上降低Garton效應發生的可能性。由于造成Garton效應的本質原因是雜質粒子的極化損耗，對此應注意防范電容因生產工藝問題而帶來的缺陷，減少裝配過程中混入膜紙復合絕緣介質中的微小雜質含量[14]。

（2）研究表明，由于RTV（室溫硫化硅橡膠）防污閃涂料具有良好的憎水性和憎水遷移性，能夠切斷電容外瓷套表面的泄漏電流通道，減少電容器的有功損耗[15]。因此，對于防污等級較高的場合可以實施RTV防污閃涂料的噴涂工作。

（3）縮短電容在無電情況下的靜置時間。高壓條件下會使得絕緣介質中的帶電雜質粒子集中于電極兩端，減小Garton效應的影響。因此，在安排例行性試驗時，可以在停電后優先進行介損試驗[16]。

4 結語

高壓介損試驗可以更真實地反映電容（容性設備）絕緣內部潛在缺陷類型及發展情況，有助于對設備絕緣狀況作出精準判別和處理。根據Garton效應的產生機理及以往現場運行經驗，發生Garton效應的并聯電容可以作為合格產品繼續投運。為確保設備和電網的運行安全，可加強對設備的日常監視，縮短例行試驗周期。