變壓器油紙絕緣套管受潮缺陷頻域介電譜特征

張毅濤，齊波，林元棣，沈殷和，吳益明

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

油紙絕緣套管是變壓器設備的重要組成部分，起絕緣、引流和支撐作用，其絕緣結構分內絕緣和外絕緣。內絕緣為圓柱形電容芯子，由油浸紙和鋁箔極板組成；外絕緣為瓷套[1]。因套管密封設計不合理或安裝維護不當導致套管密封失效進水受潮，進而造成套管絕緣故障甚至引起變壓器停運或著火[2]。根據中國電力科學研究院近二十年收集的事故統計，油紙絕緣套管一旦發生絕緣放電性故障，則導致變壓器火災事故的發生率高達83%[3]。可見套管故障會直接引發變壓器故障，造成巨大經濟損失。

套管受潮是油紙絕緣套管絕緣故障的主要形式之一，會對電力系統的安全可靠運行造成極大威脅[4—8]。如2015年9月2日某水電站輕重瓦斯保護動作，主變高低壓側斷路器跳閘，套管油紙絕緣存在明顯電弧放電痕跡。事后分析認為，套管密封不良造成絕緣受潮導致絕緣劣化，運行中產生局部放電并不斷發展至套管導桿與法蘭盤之間油紙絕緣擊穿[9—10]。2005年4月30日某換流站換流變保護動作，換流變壓力釋放閥冒油，套管儲油柜移位。套管解體發現電容屏間有嚴重電弧碳化通道，檢查發現套管頭部螺栓使用不當，有明顯進水通道，造成絕緣受潮，引發故障[11—13]。

目前國內外關于水分對變壓器油及絕緣紙板的影響研究較多，但針對套管油紙絕緣受潮特征的研究較少。現行《電力設備預防性試驗規程》[14]對套管絕緣狀況的判斷作出了規定，但符合試驗規程的套管仍有故障發生，因此有必要開展變壓器油紙絕緣套管受潮缺陷的特征研究。華北電力大學王偉等人研究了水分含量對油紙絕緣沿面爬電的影響[15]，認為水分濃度的升高會顯著降低沿面爬電的起始電壓。研究顯示頻域介電譜(frequency domain spectroscopy,FDS)對油紙絕緣中的水分較敏感，可以通過FDS特征診斷油紙絕緣受潮狀態[16—19]。已有研究將FDS方法應用于套管受潮狀態的判斷研究中[20—25]，但未明確給出受潮油紙絕緣套管的FDS特征。

為研究變壓器油紙絕緣套管因密封失效引起的受潮缺陷對套管FDS的影響，文中研制了電場等值的套管試驗模型，搭建了40.5 kV試驗平臺。對套管受潮不同靜置時間(24 h，48 h，72 h，96 h，120 h，144 h，168 h，192 h，216 h)下介損電壓特性和0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進行測試，分析其變化趨勢，并通過數據對比獲得受潮套管的診斷特征量。

1 研究平臺及試驗方法

1.1 試驗模型

為便于實驗室進行試驗研究，文中研究采用了電場等值的套管模型。試驗所用套管模型如圖1所示，套管外套采用透明有機玻璃，便于觀察試驗現象，套管電容芯子由0.125 mm厚的電纜絕緣紙和0.007 mm厚的鋁箔組成。套管模型的額定電壓為40.5 kV，最高工作相電壓為23.5 kV。套管徑向場強最大值為4.52 kV/mm，最小值為2.21 kV/mm；上軸向場強最大值為0.19 kV/mm，最小值為0.11 kV/mm；下軸向場強最大值為0.22 kV/mm，最小值為0.18 kV/mm。該模型由國內某套管廠家加工制作，生產和處理工藝和實際油紙絕緣套管一致，保證套管模型的電氣性能滿足GB/T 4109—2008《交流電壓高于1 000 V的絕緣套管》[26]的要求。

圖1 試驗套管模型Fig.1 Experimental bushing model

1.2 受潮模擬

為模擬套管頭部密封不良引起的潮氣入侵造成套管受潮缺陷，利用圖2(a)所示的超聲波空氣加濕器，從套管頭部注油口部位注入水汽，從泄壓閥部位排出水汽，對套管模型頭部加濕2 h，加濕結束后靜置。頭部加濕效果如圖2(b)所示，尾部沉積水水分布如圖2(c)所示。空氣加濕器的流量為200 mL/h，水汽顆粒約5 μm。該受潮模擬方法先使套管內變壓器油受潮，然后水分從油中向紙中遷移使絕緣紙受潮，與實際套管受潮過程相似。

圖2 套管模型加濕過程Fig.2 Process of moisture ingress of bushing model

1.3 試驗平臺

文中建立了一套40.5 kV套管絕緣缺陷工頻介損及FDS試驗平臺,如圖3(a)所示，所采用的試驗回路如圖3(b)所示。采用并聯回路的方法測試套管模型的局部放電脈沖電流信號，以保證試驗過程中測量設備的安全。采用相對比較法，測試套管模型的介質損耗正切值(tanδ)及電容量，以實現介損的在線監測。介損在線測量裝置主要由高精度穿心式電流傳感器和測量主機2個部分組成，介損的測量精度為±0.04%。FDS測試系統的輸出電壓峰值范圍為0～200 V，輸出電流峰值為0～50 mA，頻率范圍為0.1 mHz～10 kHz。

圖3 40.5 kV套管試驗研究平臺Fig.3 Experiment platform of 40.5 kV bushing

1.4 試驗方法

(1) 利用介損測試儀對40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時間下的介損電壓特性分別進行測試。文中采用階梯升壓法，試驗電壓由10 kV逐級升至30 kV，升壓步長為5 kV/5 min。階梯升壓示意如圖4所示。

圖4 階梯升壓示意Fig.4 Schematic diagram of ladder booster

(2) 利用介電響應測試儀對受潮前、受潮后不同靜置時間下0.001 Hz～1 kHz的介損頻率特性分別進行測試。FDS測試電壓峰值為200 V。

2 結果及分析

2.1 介質損耗正切值變化過程

40.5 kV套管在受潮前、受潮后不同靜置時間下介損電壓特性曲線如圖5所示。

圖5 介損變化趨勢Fig.5 Change trend of dielectric loss

由圖5可以看出，潮氣入侵40.5 kV套管后，在受潮初期0—48 h，相同試驗電壓下介損隨時間的變化呈現微弱增長趨勢，但并不明顯；相同時間下，不同試驗電壓下介損有所增長。在受潮中期靜置48—120 h階段，介損隨時間的變化呈現明顯增長趨勢，并在120 h時介損達到峰值，此時階梯升壓下介損增量達到峰值，介損增量+0.22%。在受潮末期靜置120—216 h階段，介損隨著時間的增加呈現下降趨勢。介損最大值及介損增量均未超過DL/T 596—1996[14]及南網Q/CSG 114002—2011[27]規程的規定值。

受潮缺陷套管的特征量變化規律與時間有較強的相關性，利用傳統的介損檢測方法需要把握最佳時機。現有規程DL/T 596—1996及南網Q/CSG 114002—2011規定的介損增量0.3%偏大，建議介損增量應小于0.2%。利用高電壓介損法，可在受潮初期及時發現缺陷套管。

2.2 FDS變化過程

將受潮后不同靜置時間的40.5 kV套管FDS繪制成圖，見圖6。在FDS的低頻段0.001～0.01 Hz區間范圍內可明顯區分受潮套管與不受潮套管，1 mHz介損特征尤其明顯。受潮后0—216 h內，FDS低頻段特征區間逐漸上升，而50 Hz介損變化特征不明顯。建議出廠及運行增加FDS低頻段測試，利用FDS低頻段特征進行套管絕緣診斷。

圖6 FDS特征變化趨勢Fig.6 Change trend of FDS characteristic

2.3 工頻介損和低頻介損對比

為了比較高電壓下工頻介損與FDS低頻介損對受潮程度的靈敏性，選取相同時間下10 kV工頻介損與1 mHz低頻介損進行比較，如圖7所示。隨著靜置時間的增加，10 kV工頻介損變化并不明顯，而1 mHz低頻介損呈現明顯的增長趨勢。1 mHz低頻介損最大值為12.68%，其增量最大值為8.02%。而現有規程DL/T 596—1996及南網Q/CSG 114002—2011規定的介損值應低于1%，介損增量應低于0.3%。1 mHz低頻介損值無論在增量還是數值方面，均比工頻介損靈敏。

圖7 10 kV工頻與1 mHz低頻的tan δ比較Fig.7 Comparison of tan δ for 10 kV power frequency and 1 mHz low frequency

分析認為低頻介損更靈敏的原因是，受潮情況下，套管芯子受潮與干燥區域的等效電阻、等效電容不相匹配。在超低頻電場作用下，受潮層與干燥層間的界面極化增強，界面存在電荷的積累，弛豫效應明顯。

3 現場應用

為更好地驗證實驗室獲得的套管受潮FDS特征規律，對實際500 kV疑似受潮套管A、正常套管C、新出廠套管Z在室溫下分別進行FDS測試，3支套管測試工況如圖8所示。

圖8 500 kV套管FDS現場測試Fig.8 FDS field test of 500 kV bushings

由圖9可見，A套管1～10 mHz介損明顯高于C套管，0.001 Hz介損值超過10%。A套管在低頻范圍(1 mHz ～0.1 Hz)段FDS曲線明顯高于C套管和Z套管，說明A套管介電特性已發生改變。而C套管的FDS曲線與新套管的FDS曲線基本重合，該套管在1 mHz～1 kHz頻段介損值始終低于0.5%。測試完成后，對異常A套管進行解體并取紙樣進行紙中含水量測試。采用卡爾費休滴定法實測套管紙樣的平均含水量約為1.1%，而DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》規定，運行中變壓器紙板500 kV電壓等級變壓器紙板含水量一般不大于1%，因此確定A套管為受潮套管，FDS低頻介損特征明顯。

圖9 500 kV套管的FDS特征Fig.9 FDS characteristic of 500 kV bushings

4 結語

受潮缺陷套管的特征量變化規律與時間有較強的相關性，利用傳統的介損檢測方法需要把握最佳時機。現有規程規定的介損增量0.3%偏大，建議規程介損增量應小于0.2%。FDS對受潮缺陷檢測靈敏，建議利用FDS特征量診斷套管受潮缺陷。發現潮氣入侵套管后，FDS的1 mHz低頻介損是關鍵特征量，1 mHz低頻介損值無論是增量還是數值均比工頻介損靈敏。在潮氣侵入后0—216 h中，FDS的低頻介損隨靜置時間增長而增大，其最大增量為8.02%。建議出廠及運行增加FDS低頻段(1 mHz～0.1 Hz)測試，利用FDS低頻段特征進行套管絕緣診斷，建議1 mHz介損增量應小于5%。