受潮對變壓器套管的影響分析

王仁文

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

變壓器具有電壓變換及安全隔離的作用，是電力系統的重要設備之一，其運行狀況也與電力系統的可靠運行息息相關。套管作為變壓器內部與外部的連接部件，在制造、安裝、運行過程中均可能會產生缺陷，同時套管所處的高電壓、高場強環境會使這些缺陷加劇，進而造成套管過熱及局部放電等故障[1]。在造成變壓器故障中，受潮較為常見。套管受潮后，水分會降低套管的絕緣強度，引起局部放電現象，嚴重時甚至會出現絕緣擊穿等問題[2]。基于此，本文分析了變壓器套管的受潮缺陷形成機理，并對套管受潮影響進行了仿真計算。

1 套管缺陷劃分

變壓器套管所處環境較為惡劣，高電壓、高場強的特殊環境會加劇套管運行的危險性[3]。

按照發生缺陷的部位不同進行劃分，可將套管缺陷分為如圖1所示的7個部分[4]。從圖1中可以看出，套管的電容芯子、末屏接地小套管的缺陷占比最高，是變壓器套管運行中需要重點關注的部分。

圖1 套管各故障部位統計圖

2 套管受潮缺陷的劣化機理

套管在長期運行過程中，油紙絕緣材料會逐漸發生老化，分解出水分，造成套管的受潮。除此之外，套管在雨水等濕度較大的環境下，一部分水分會通過套管頂部侵入內部，造成套管的受潮。當套管受潮后，其油紙絕緣性能會隨之下降，如果不采取措施加以防護，變壓器的高電壓、高場強環境會使受潮情況加劇，產生局部放電等現象。如果受潮情況過于嚴重，甚至會使套管絕緣擊穿[5]。

油紙絕緣遇水后，會使其機械性能老化，這是發生絕緣降低的主要原因。同時，受潮還會使套管產生泄漏電流，泄漏電流產生的損耗會使套管絕緣出現局部發熱等隱患。水分會加劇極化形成，因此當套管受潮后，其相對介電常數會隨之增大。同時，水分的增加會加大電導損耗，因此介質損耗因數也會增加。由此可知，介損是套管受潮的重要表征[6]。

3 算例分析

3.1 500 kV套管仿真分析

3.1.1 均勻受潮的500 kV套管模型

當套管受潮時，會使油紙絕緣的芯子的徑向場強發生變化，首先計算20 ℃時，套管均勻受潮與沒有受潮兩種情況下的電場強度分布，計算結果如圖2所示。

圖2 20 ℃沒有受潮與均勻受潮對比

觀察圖2可知，20℃下，當套管受潮后，1—35層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現了增長趨勢，如芯子層數為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.5 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.25 kV/mm。

對80 ℃時套管均勻受潮時的電場分布進行仿真計算，然后將均勻受潮結果與沒有受潮的結果進行對比分析，對比結果如圖3所示。

圖3 80 ℃沒有受潮與均勻受潮對比

觀察圖3可知，當溫度上升后，均勻受潮后的徑向場強有所增加，如20 ℃時，芯子層數為1的徑向場強為4.9 kV/mm，當溫度升高至80 ℃時，芯子層數為1的徑向場強增加至5.2 kV/mm。同時，與20 ℃時的變化趨勢一致，當套管受潮后，1—35層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現了增長趨勢，如芯子層數為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.53 kV/mm。而在36層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.35 kV/mm。

3.1.2 非均勻受潮的500 kV套管模型

接下來計算套管受到非均勻受潮時的電場分布變化，首先計算20 ℃時，套管非均勻受潮與沒有受潮兩種情況下的電場強度分布，計算結果如圖4所示。

圖4 20 ℃沒有受潮與非均勻受潮對比

觀察圖4可知，20 ℃下，當套管受潮后，1—40層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時有所增加，如芯子層數為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.28 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場強有所減少，如當芯子層數為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.35 kV/mm。

對80 ℃時套管非均勻受潮時的電場分布進行仿真計算，然后將非均勻受潮結果與干燥良好結果進行對比分析，對比結果如圖5所示。

圖5 80 ℃沒有受潮與非均勻受潮對比

觀察圖5可知，與20 ℃時的變化趨勢一致，當套管受潮后，1—40層芯子的徑向場強分布比起沒有受潮時出現了增長趨勢，如芯子層數為1時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時增加了0.53 kV/mm。而在41層之后，受潮后的徑向場強又有了下降趨勢，如當芯子層數為60時，受潮后的徑向場強比沒有受潮時減小了0.45 kV/mm。

3.2 72.5 kV套管仿真分析

3.2.1 均勻受潮的72.5 kV套管模型

下面以72.5 kV套管為例，計算均勻受潮48 h下套管的介質損耗特性，計算結果如圖6所示。

圖6 套管均勻受潮介質損耗變化

觀察圖6可知，套管的介質損耗正切值與體積介質損耗密度的變化規律一致，呈現增大—減小—再增大的趨勢，在13 h附近存在一個峰值，隨后快速趨于平穩。

再對不同頻率下，套管均勻受潮后的介質損耗角正切值進行仿真計算，計算結果如圖7所示。

圖7 套管均勻受潮介質損耗正切值變化

觀察圖7可知，隨著頻率的增大，套管受潮后的介質損耗角正切值隨之減小，在低頻區，套管受潮后的介質損耗角正切值較大，因此在低頻區進行介質損耗角正切值的測量更易追蹤到套管的受潮情況。

3.2.2 非均勻受潮的72.5 kV套管模型

同樣，計算非均勻受潮48 h下套管的介質損耗密度，計算結果如圖8所示。

圖8 套管非均勻受潮介質損耗密度變化

觀察圖8可知，與均勻受潮時的變化趨勢一致，非均勻受潮情況下，套管的介質損耗密度同樣呈現增大—減小—再增大的趨勢。

接下來繼續計算不同頻率下，套管非均勻受潮后的介質損耗角正切值，計算結果如圖9所示。

圖9 套管非均勻受潮介質損耗正切值變化

對比圖7、9可知，與均勻受潮的變化趨勢一致，非均勻受潮下套管的介質損耗角正切值隨著頻率的增大而減小。

將均勻受潮與非均勻受潮時套管的介質損耗角正切值對比分析可知（見圖10），比起均勻受潮，非均勻受潮時套管的介質損耗角正切值有所減小。但同樣，低頻區的介質損耗角正切值仍然遠大于高頻區，因此，對于套管的非均勻受潮，依然能采用低頻區測量介質損耗角正切值的方法發現套管的受潮情況。

圖10 套管均勻受潮與非均勻受潮介質損耗正切值曲線對比

4 結 論

受潮是變壓器套管的主要缺陷之一，為保證變壓器套管的安全穩定運行，本文分析了變壓器套管的受潮機理，并對不同電壓等級、不同受潮情況下的電場分布及介質損耗進行了計算，結果表明，低頻區測量介質損耗角正切值的方法可發現套管的受潮情況。