特高壓變電站變壓器升高座套管表面損傷原因分析

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

2019 年4 月，某特高壓變電站主變壓器（以下簡稱“主變”）年檢過程中發現A 相1 000 kV 高壓套管油色譜乙炔含量達到89.49 mg/L，三比值法結果分析為低能放電。類似故障在低電壓等級的變電器中也時常發生[1-2]。2019 年7 月，在重慶變壓器廠完成了該主變A 相1 000 kV 高壓套管的解體檢查。從故障套管中拔出定位油密封管、定位補償管，其中定位補償管同心安裝在定位油密封管外側。經檢查，發現定位油密封管外表面以及定位補償管內表面存在多處疑似放電燒蝕、過熱痕跡及表面凹坑。為準確分析定位油密封管和定位補償管表面損傷痕跡的形成原因，需要對樣品做進一步分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

首先對定位油密封管和定位補償管共計10根樣品（分別編號為定位油密封管1，3，5，7，9 號以及定位補償管1，3，5，7，9 號）進行宏觀檢查，其典型宏觀形貌如圖1 所示。從圖中可以看出，10 根套管樣品均為圓柱形，材質為鋁合金，具體牌號未知。定位油密封管直徑約為60 mm，管材壁厚6 mm；定位補償管直徑約為68 mm，管材壁厚4 mm。它們整體呈銀白色，金屬光澤較強，不存在整體腐蝕情況。定位油密封管樣品的外表面均存在一些損傷痕跡，有點狀的、條狀的、斑塊狀的以及圓環狀的，且部分表面損傷位置已經發黑（如圖2 所示）。由于定位油密封管安裝在定位補償管的內部，因而定位補償管樣品的表面損傷均位于其內表面上。定位補償管內表面損傷痕跡與定位油密封管外表面損傷痕跡的對應情況見圖3，特征與定位油密封管外表面的損傷高度相似。

1.2 體視顯微鏡分析

圖1 定位油密封管和定位補償管的宏觀形貌

圖2 定位油密封管的外表面損傷痕跡

從10 根套管樣品中選取了7 個具有典型特征的損傷點，經超聲清洗后在體視顯微鏡下檢查它們的宏觀特征，如圖4、圖5 所示。1 號樣品切自定位油密封管1；2，3 號樣品切自定位油密封管5；4 號樣品切自定位油密封管3；5，6 號樣品取自定位油密封管7；7 號樣品取自定位油密封管3。從圖中可以看出，1 號樣品表面有一塊呈魚鱗狀的三角形區域，表面較為粗糙。2 號樣品中部區域存在大量灰色斑點，這些斑點已經失去金屬光澤，并且在斑點周圍還存在一圈黃褐色痕跡。3 號樣品中部也存在一塊失去金屬光澤的灰色斑點，在其周圍也存在一些條狀褐色痕跡。4號樣品表面原本存在2 個黑色的小點，經清洗后在表面上只留下2 個凹坑。5 號樣品表面存在一個黑色的圓形坑洞，坑洞具備一定的深度。6 號樣品的情況與5 號樣品類似，有2 個深度較淺的圓形坑洞位于表面，并且顏色也較淺。7 號樣品表面存在兩塊面積較大、形狀不規則的黑色區域，發黑區域內無明顯凹坑。

圖4 套管典型表面損傷樣品1-4 號

1.3 金相分析

圖5 套管表面損傷的體視鏡形貌

將套管未見明顯缺陷的部分切割制樣，打磨拋光，經氫氟酸腐蝕后置于Zeiss Axiovert 200 型光學顯微鏡下，對其金相組織進行研究，如圖6所示。套管的晶粒為長條形，尺寸細小，為典型的變形鋁合金的金相組織。金相組織整體上未見明顯異常。

圖6 套管的光學顯微組織

1.4 SEM 及EDS 分析

將從套管上取下的1—7 號樣品置于Zeiss EVO 18 型SEM（掃描電子顯微鏡）中，觀察到其表面的微觀形貌如圖7—圖13 所示。比較不同圖片可以得出，1 號樣品表面存在大面積的金屬波紋狀形貌，這類形貌一般多在金屬發生較大規模熔融而后凝固形成。2 號及3 號樣品的微觀表面特征較為相似，都存在大量的環形坑，坑內呈顆粒狀多孔結構；顆粒呈柱狀，顆粒間存在明顯的空隙。4 號樣品表面存在數道長條形的凹痕，凹痕的兩側邊緣呈平行關系，這類形貌一般是由表面刮擦形成。5 號樣品表面存在一個面積較大的環形凹坑，凹坑內部部分區域的金屬已缺失，并存在一些金屬熔融痕跡；凹坑周邊同樣存在大量與3 號樣品表面高度相似的顆粒狀多孔結構。6 號樣品表面的兩個凹坑表面形貌類似，鋁管表面的部分金屬已缺失，剩下的塊狀金屬物發生塊狀堆疊。7 號樣品表面黑色區域也呈環形坑形貌，深度較淺；坑內表面較為平滑，部分區域有不規則塊狀物覆蓋。

圖7 1 號樣品的SEM 形貌

圖8 2 號樣品的SEM 形貌

圖9 3 號樣品的SEM 形貌

圖10 4 號樣品的SEM 形貌

圖11 5 號樣品的SEM 形貌

圖12 6 號樣品的SEM 形貌

圖13 7 號樣品的SEM 形貌

與此同時，通過EDS（能譜分析儀）對表面部分區域進行了成分分析，分析位置及分析結果如圖14—圖19 及表1—表6 所示。元素分析的結果顯示，套管的基體金屬應為Al-Si 合金，Si 元素的含量應該不高。1 號樣品表面含有套管基體金屬所不含有的Mg，Mn，Fe 三種金屬元素，這與其發生過金屬熔融并凝固，從而帶入其他金屬元素的過程相符。2 號樣品與3 號樣品凹坑內的元素分析結果與基體金屬一致，只含有C，Al，O 三種元素，但其O 元素含量高達78.33%，說明凹坑內的多孔狀顆粒物為鋁的氧化物，導電性較差，因而在電鏡視野內呈白色。鋁的氧化產物一般通過腐蝕過程而產生。4 號樣品凹坑內的成分分析結果與基體材料一致，說明表面刮擦不會引入其他金屬元素，也不會引起化學反應。5 號樣品凹坑內含有C，O，Al，Si，Mn 五種元素，除Mn 元素以外與鋁管基體元素一致，Mn 元素考慮為外界帶入。6 號樣品凹坑內也只含C，O，Al 三種元素，其余元素含量太低，未檢出。放電電擊后會使鋁管表面的金屬部分缺失，部分金屬重新堆疊，從而形成一定放射狀的微觀形貌。放電現象會瞬間產生高溫，使電擊區域不可避免地發生碳化。1 號、5 號及6 號樣品的C 元素含量分別為2.27%，1.28%，1.26%，明顯高于其他未放電區域C 元素約為0.7%的含量水平。因此從成分角度來看，1 號、5 號及6 號樣品符合電擊的特征。

圖14 樣品1 表面的EDS 分析位置1

表1 樣品1 表面的EDS 分析結果1

圖15 樣品1 表面的EDS 分析位置2

圖16 樣品2 表面的EDS 分析位置

表3 樣品2 表面的EDS 分析結果

圖17 樣品3 表面的EDS 分析位置

表4 樣品3 表面的EDS 分析結果

圖18 樣品5 表面的EDS 分析位置

表5 樣品5 表面的EDS 分析結果

圖19 樣品6 表面的EDS 分析位置

表6 樣品6 表面的EDS 分析結果

2 分析與討論

變壓器是變電站最為核心的設備之一，其安全穩定性直接影響到整個變電站的正常運行。各類針對變壓器的檢測技術都在不斷發展中[3-5]。變壓器升高座套管是一種便于現場安裝的油浸電容式高壓套管，連接變壓器繞組出線的套管底部接線端子通過套管內部的拉桿系統與套管載流底板和載流導電管連接，連接變壓器空氣端高壓引線的套管頂部接線端子通過套管內部軟導流排與載流導電管連接。從相關研究來看，變壓器產生的漏磁場和渦流損耗易使變壓器金屬部件產生發熱現象或局部放電，嚴重影響變壓器正常運行[6-7]，并且變壓器套管在運維過程中出現的問題也不在少數[8-9]。

綜合上述試驗結果，可以看出定位油密封管和定位補償管表面損傷的種類較多，構成較為復雜。1 號樣品表面的大面積金屬波紋狀痕跡符合金屬熔融而后凝固形成的特征[10]，考慮到套管為變壓器的重要組成部件，可推測該痕跡由于定位油密封管和定位補償管互相放電引起。2 號及3號樣品表面凹坑內的多孔顆粒狀鋁的氧化產物，判斷為鋁管在變壓器油環境中的腐蝕行為導致，應為腐蝕痕跡，但其具體腐蝕機制及腐蝕過程有待進一步明確。4 號樣品表面溝壑狀凹坑的邊緣平行，凹坑內成分與基體材料成分相符，未經歷化學反應過程，符合刮擦傷痕的特征，可以判斷為撞擊或刮擦導致。5 號以及6 號樣品表面的圓形凹坑十分明顯，微觀形貌顯示其表面的金屬物質發生了部分缺失，部分重新堆疊，存在一些熔融痕跡，并且明顯經歷了碳化過程，C 元素較高，因此也可以判斷為電擊坑，屬放電痕跡。

3 結語

此次特高壓變電站主變升高座套管多處表面損傷形成的原因較為復雜，并非單一原因導致。從分析結果來看，套管表面的微觀形貌存在金屬熔融物、多孔狀金屬氧化物和溝壑狀凹坑，證明損傷痕跡中同時存在放電痕跡、腐蝕痕跡以及刮擦痕跡。