主變壓器中性點(diǎn)套管端部發(fā)熱分析

李惠明

(貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408)

0 引言

某水力發(fā)電廠總裝機(jī)3 000 MW，于2009 年投產(chǎn)發(fā)電。該電廠由5 臺(tái)600 MW 機(jī)組組成，每臺(tái)機(jī)組的主變壓器為三相組合式變壓器，由3 臺(tái)500 kV 單相223 000 kVA 強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器組成，中性點(diǎn)為直接接地方式，中性點(diǎn)套管為穿纜式油紙電容式變壓器套管。

1 事件經(jīng)過

2020 年7 月，該電廠進(jìn)入主汛期，主變壓器運(yùn)行處于滿負(fù)荷狀態(tài)。專業(yè)班組進(jìn)行日常紅外測(cè)溫巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)2 號(hào)主變壓器B 相中性點(diǎn)套管端部溫度比A，C 相偏高20 ℃左右，達(dá)到了75 ℃，雖未超過主變壓器廠家提示的90 ℃，但由于與其他同工況運(yùn)行的主變壓器，特別是與同一機(jī)組的A,C 相比較有較大的偏差，還是引起了電廠的高度重視。由于正值主汛期，機(jī)組處于滿發(fā)狀態(tài)，難以臨時(shí)停電檢查，只能加密跟蹤開展紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注溫度變化情況，以便擇機(jī)開展進(jìn)一步檢查和檢修處理。

2 初步分析

2.1 紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)

自從發(fā)現(xiàn)異常后，每天對(duì)2 號(hào)主變壓器B 相中性點(diǎn)套管進(jìn)行2 次紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)，特別是在大負(fù)荷時(shí)段。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，溫度最高處為中性點(diǎn)套管將軍帽導(dǎo)電桿部位，該處溫度基本隨負(fù)荷的增大而增大，且套管本體、套管油枕、升高座部位的溫度均呈現(xiàn)出離將軍帽導(dǎo)電桿越遠(yuǎn)溫度越低的現(xiàn)象。

2020-12-11，2 號(hào)主變壓器帶500 MW 負(fù)荷時(shí)，該處溫度一度異常升高到120 ℃，并出現(xiàn)了跳變，在采取臨時(shí)增加風(fēng)扇吹風(fēng)的措施后，溫度降到了85 ℃。

2.2 色譜分析

對(duì)2 號(hào)主變壓器絕緣油進(jìn)行色譜分析，結(jié)果顯示無(wú)異常。觀察2 號(hào)主變零序電流可知，在536 MW 時(shí)零序電流為0.038 A，與其他主變一致；結(jié)合之前的絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，直流電阻、回路電阻、絕緣、介質(zhì)損耗、電容值等均顯示正常；紅外監(jiān)測(cè)報(bào)告中溫度數(shù)據(jù)正常；套管油枕內(nèi)油位正常。

2.3 綜合分析

2 號(hào)主變壓器中性點(diǎn)套管為穿纜式油紙電容式變壓器套管，套管端部主要由將軍帽、抱箍(佛手)及電纜頭組成。將軍帽和抱箍為黃銅材質(zhì)，電纜頭為紫銅。電纜頭與電纜(主變繞組抽頭)之間通過磷銅焊條熔化澆注連接，電纜頭與將軍帽通過螺紋連接。安裝過程中，為便于將軍帽與電纜頭的連接，需將電纜頭用一銷子固定在套管中心管上。

結(jié)合對(duì)2 號(hào)主變壓器B 相中性點(diǎn)套管的紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，溫度與負(fù)荷存在一定的正向關(guān)系，但又不是完全的線性關(guān)系，特別是存在偶然跳變的現(xiàn)象，且零序電流接近為零，說明可能存在間隙性放電現(xiàn)象。特別是在增加了臨時(shí)風(fēng)扇吹風(fēng)的情況下溫度有大幅的下降，說明該致熱能量不大，但比較集中，正體現(xiàn)了局部放電的特點(diǎn)。此外，如有放電應(yīng)能在絕緣油的色譜分析中反映出氫氣、乙炔等成分。

然而，通過對(duì)中性點(diǎn)套管的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)套管將軍帽端部(溫度最高點(diǎn))沒有排氣孔，在安裝后內(nèi)部有空氣，特別是電纜頭與將軍帽的螺紋連接處并沒有絕緣油，而該部位又是相對(duì)獨(dú)立、狹小且高位的空間，即使產(chǎn)生放電特征氣體也難以進(jìn)入到主變本體循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，因此難以通過絕緣油色譜分析發(fā)現(xiàn)該問題。

結(jié)合中性點(diǎn)套管端部結(jié)構(gòu)及以上分析，如該處有放電，主要考慮以下連接處松動(dòng)所致。

(1) 抱箍與將軍帽的連接處。該處由于在套管外部，未觀察到放電痕跡，連接螺栓處于擰緊狀態(tài)，且接觸面較大、圓滑，存在放電的可能性較小，但也不排除因接觸面上有雜質(zhì)、銹蝕或坑凹而造成輕微放電的可能。

(2) 電纜與電纜頭的磷銅澆注連接處。該處由于是磷銅澆注連接，工藝可靠性較高，且浸泡在絕緣油中，如有放電可在油色譜分析中有一定的反映，因此此處放電可能性較小。

(3) 電纜頭與將軍帽的螺紋連接處。該處位于套管內(nèi)部，無(wú)法直接觀察，而且由于不能排空氣，加上螺紋之間難免有較小的間隙，且具有較大的彎曲半徑，因此存在電暈放電的可能性極大。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過多起因該處放電而造成的事故案例。

以上3 種因連接松動(dòng)造成放電的可能，只有通過直流電阻測(cè)量、回路電阻測(cè)量或打開將軍帽檢查才能最終確定。如因絕緣缺陷造成放電，還需對(duì)套管的絕緣電阻、介質(zhì)損耗進(jìn)行試驗(yàn)才能確定。

3 檢修處理

由于電網(wǎng)負(fù)荷需要，近期很難具備停電作徹底檢查和處理的條件。因此，經(jīng)充分協(xié)調(diào)，為保證主設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)調(diào)度同意停電一個(gè)晚上(約5 h)進(jìn)行檢修處理。經(jīng)分析，認(rèn)為該停電檢修處理方案具有較大的靈活性，即使不能進(jìn)行徹底檢查和處理，也能排除或確認(rèn)部分可能的情況，特別是上述分析中最有可能的螺紋連接處放電問題，因此決定開展臨時(shí)性快速檢查性檢修。

3.1 檢修方案

因只有5 h 的檢修時(shí)間，故制定了比較靈活的檢查性檢修方案，如發(fā)現(xiàn)較重大的缺陷而不能及時(shí)處理，可進(jìn)一步申請(qǐng)較長(zhǎng)時(shí)間的檢修。主要包括以下檢查步驟。

(1) 主變壓器轉(zhuǎn)檢修態(tài)。

(2) 對(duì)主變A，B，C 三相進(jìn)行高壓繞組帶中性點(diǎn)套管的直流電阻測(cè)試，進(jìn)一步判斷三相繞組的直流電阻平衡性。

(3) 關(guān)閉主變壓器油枕與主變本體的2 個(gè)連通閥以及呼吸器與油枕的連通閥，防止油枕油與中性點(diǎn)套管之間的油位差造成大量油從拆除后的將軍帽處溢出。

(4) 拆下將軍帽抱箍，檢查將軍帽導(dǎo)電桿與抱箍之間的接觸面是否有放電，是否平整。

(5) 拆下將軍帽，檢查將軍帽與電纜頭之間的螺紋連接是否緊固，是否有放電現(xiàn)象。

(6) 將電纜頭從套管中心管內(nèi)提起，檢查電纜與電纜頭的連接處是否有松動(dòng)及放電現(xiàn)象。

(7) 如發(fā)現(xiàn)有放電現(xiàn)象，需對(duì)放電處進(jìn)行清理，適當(dāng)打磨平整后進(jìn)行恢復(fù)。

(8) 恢復(fù)時(shí)需更換將軍帽與套管間的密封圈(耐油丁腈橡膠)。

(9) 恢復(fù)將軍帽后，打開主變壓器油枕與主變本體的連通閥以及呼吸器與油枕的連通閥，觀察將軍帽與套管間是否有滲油現(xiàn)象。

(10) 測(cè)試B 相套管連同繞組的直流電阻、套管的絕緣電阻、套管的介質(zhì)損耗、套管末屏的絕緣電阻是否合格。

(11) 將主變壓器由檢修轉(zhuǎn)運(yùn)行，帶負(fù)荷試驗(yàn)觀察中性點(diǎn)套管端部溫度變化。

該方案之所以靈活，是因?yàn)橐坏┲髯儔浩鰾相中性點(diǎn)套管將軍帽恢復(fù)，且直流電阻測(cè)試合格，如時(shí)間不充裕可不進(jìn)行套管的絕緣電阻、介質(zhì)損耗、末屏絕緣電阻試驗(yàn)，且不影響檢修后及時(shí)恢復(fù)。

3.2 檢修風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

(1) 中性點(diǎn)套管電纜頭在脫離將軍帽與套管中心管之間的固定銷后，在自身重量和電纜牽引下極易滑入主變壓器內(nèi)部而難以取出。因此，應(yīng)加工一個(gè)防止電纜頭滑入主變壓器內(nèi)部的擋塊，可有多種形式，只要擋塊寬度大于中性點(diǎn)套管中心管管徑，并能通過螺紋與電纜頭連接。

(2) 主變壓器油枕與主變本體之間的連通閥不能關(guān)閉嚴(yán)密，使中性點(diǎn)套管將軍帽拆卸時(shí)有大量絕緣油冒出，從而使主變壓器的油位降至安全運(yùn)行油位以下。因此，在拆卸中性點(diǎn)套管將軍帽時(shí)，一定要緩慢，要觀察滲油壓力、滲油量是否正常，如壓力和滲油量較大，需立即恢復(fù)密封，檢查主變壓器油枕與主變本體之間的連通閥是否關(guān)閉嚴(yán)密。

(3) 在拆卸中性點(diǎn)套管將軍帽或電纜頭與中性點(diǎn)套管中心管的固定銷時(shí)，發(fā)生卡死現(xiàn)象，造成拆不下又裝不回的情況。因此，在拆裝過程中需高度小心，不可用力過猛，要試探性地拆裝，發(fā)現(xiàn)異常需仔細(xì)檢查或調(diào)整。

(4) 在檢修過程中可能發(fā)生工器具或零部件滑落砸傷中性點(diǎn)套管瓷瓶。因此，在檢修前應(yīng)使用棉布、塑料膜等對(duì)中性點(diǎn)套管瓷瓶進(jìn)行防護(hù)。

3.3 發(fā)現(xiàn)的問題

檢修開始后，按照方案先檢測(cè)了2 號(hào)主變壓器A，B，C 三相高壓測(cè)繞組帶中性點(diǎn)套管的直流電阻，與之前測(cè)量的數(shù)據(jù)相比較，均符合規(guī)程要求，無(wú)異常變化，進(jìn)一步排除了三相不平衡的問題。

拆下將軍帽后，發(fā)現(xiàn)以下問題。

(1) 電纜頭與將軍帽的連接螺紋上有明顯放電痕跡。

(2) 電纜頭上沒有均壓環(huán)。

(3) 電纜頭固定銷與原裝不銹鋼固定銷差別較大，檢查發(fā)現(xiàn)該固定銷是具有導(dǎo)磁性的普通鋼而非無(wú)導(dǎo)磁性的不銹鋼，且銷子兩端有明顯放電痕跡。

(4) 帽內(nèi)與導(dǎo)電桿的連接螺紋有多處放電痕跡。

(5) 因主變壓器引線長(zhǎng)度余量不夠，電纜頭提起高度無(wú)法觀察到電纜頭與電纜的澆注連接部位。

3.4 問題處理

對(duì)電纜頭上的放電痕跡進(jìn)行了清理，并加裝了應(yīng)有的均壓環(huán)，更換了新的將軍帽、將軍帽密封圈、原裝不銹鋼銷子。

將軍帽恢復(fù)后，打開主變壓器油枕與主變壓器本體之間的連通閥及呼吸器與主變壓器油枕之間的連通閥，觀察將軍帽密封無(wú)滲油現(xiàn)象；對(duì)2 號(hào)主變B 相中性點(diǎn)套管進(jìn)行了直流電阻、絕緣電阻、介質(zhì)損耗、末屏絕緣電阻等試驗(yàn)，結(jié)果均合格。

2 號(hào)主變壓器在檢修轉(zhuǎn)運(yùn)行后進(jìn)行了帶負(fù)荷試驗(yàn)。負(fù)荷由150 MW 逐步加載至600 MW，每增加50 MW 停留30 min 后測(cè)量中性點(diǎn)套管端部溫度（見表1）。各負(fù)荷下B 相中性點(diǎn)套管端部溫度比處理前有明顯的改善，甚至比A，C 相還略低，機(jī)組在600 MW 負(fù)荷段時(shí)測(cè)量2 號(hào)主變A，C 相溫度分別為33.5 ℃，35.0 ℃。因此，通過本次檢修解決了根本問題，取得了預(yù)期效果。

表1 各負(fù)荷下2 號(hào)主變B 相中性點(diǎn)套管端部溫度

4 深入分析

結(jié)合檢修發(fā)現(xiàn)的問題及檢修前的溫度監(jiān)測(cè)情況深入分析，得出造成2 號(hào)主變壓器B 相中性點(diǎn)套管端部發(fā)熱的根本原因如下。

(1) 未使用原裝不銹鋼銷子。主變壓器安裝時(shí)未使用原裝不銹鋼銷子，而使用了導(dǎo)磁性較強(qiáng)的普通鋼銷子來(lái)固定導(dǎo)電桿與套管中心管，運(yùn)行中因銷子在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而導(dǎo)致銷子對(duì)周圍的空氣間隙及非緊密接觸的套管中心管放電。

(2) 未裝均壓環(huán)。因未裝均壓環(huán)造成導(dǎo)電桿與將軍帽間的連接螺紋、固定銷子等處的電場(chǎng)極不均勻，且將軍帽因未設(shè)排氣孔，內(nèi)部含大量空氣，造成不均勻電場(chǎng)下多處放電現(xiàn)象，而多處放電不斷發(fā)展導(dǎo)致中性點(diǎn)套管端部異常發(fā)熱。

該類缺陷類似于慢性病，有一個(gè)逐漸發(fā)展的過程，由最初的輕微放電逐步造成放電部位的金屬受電弧腐蝕作用而表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如間隙加大、表面粗糙度增加、金屬粉塵堆積等，這些因素又反過來(lái)促進(jìn)了放電的加劇，如此惡性循環(huán)，最終在運(yùn)行11 年后達(dá)到了中性點(diǎn)套管端部明顯發(fā)熱的程度，威脅到了主變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

正因?yàn)樵擃惾毕菪枰L(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展才會(huì)暴露出來(lái)，因此極易被人忽視，導(dǎo)致不論是主變廠家還是安裝單位和業(yè)主，都不太重視該類問題，也不能充分認(rèn)識(shí)其危害性，造成安裝時(shí)忽略了對(duì)該類問題的認(rèn)知和檢查。

5 防范措施

(1) 主變壓器套管臨時(shí)性檢修時(shí)，要嚴(yán)防大量跑油及油質(zhì)污染。

(2) 主變壓器套管臨時(shí)性檢修時(shí)，要采取防止電纜頭滑入主變壓器內(nèi)部的有效措施，如使用臨時(shí)性擋塊等。

(3) 不可隨意使用普通材料代替設(shè)計(jì)要求采用的無(wú)磁性材料，特別是導(dǎo)電部位、強(qiáng)電磁場(chǎng)部位等。

(4) 不可輕視均壓環(huán)等小零部件的作用，不可隨意取消、拆除。

(5) 運(yùn)行過程中，要嚴(yán)格按規(guī)程要求開展紅外測(cè)溫工作，并對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)異常要高度重視并及時(shí)處理。

(6) 應(yīng)加大對(duì)主變壓器的在線監(jiān)測(cè)手段，如在線紅外測(cè)溫、在線色譜分析等，提高設(shè)備巡檢的效率及質(zhì)量。