高壓電流互感器內(nèi)部缺陷測(cè)量方法研究

沈陽(yáng)工程學(xué)院 鐘丹田 吳 迪 武宏宇 田金禾 黃怡瑾 曲俊東

高壓電流互感器是電力系統(tǒng)的重要聯(lián)絡(luò)設(shè)備之一，為了掌握高電壓等級(jí)的電流互感器運(yùn)行狀態(tài)，通常采用檢測(cè)互感器絕緣水平和紅外溫度監(jiān)測(cè)的方法，但是此類方法通常采用便攜式儀器人工測(cè)量，而互感器內(nèi)部缺陷很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。本文將以油浸正立式電流互感器為例，簡(jiǎn)要介紹該互感器在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的典型故障及常見(jiàn)的檢測(cè)方法，提出了一種適合高壓互感器的絕緣油壓力在線監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)內(nèi)部油壓力的變化判斷互感器的缺陷狀況，可以有效發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)部短路、劣化和局部放電等故障，保證互感器本體的安全。縮小事故的影響。

1 概述

變電站中電壓、電流互感器是重要的電力設(shè)備之一，其安全運(yùn)行直接影響電網(wǎng)的安全性和可靠性，因此對(duì)電壓、電流互感器的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是十分必要的。當(dāng)前在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定互感器內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)是通過(guò)加裝膨脹器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而，膨脹器的伸縮性是有一定局限性的，當(dāng)互感器內(nèi)部突然出現(xiàn)如短路故障時(shí)，膨脹器達(dá)到最大極限后，互感器本體受到壓力的影響而無(wú)處釋放，容易出現(xiàn)爆炸事故。目前，互感器在正常運(yùn)行時(shí)的檢測(cè)手段大都采用便攜式的帶電儀器，如采集互感器內(nèi)部油介質(zhì)的樣品，分析油中氣體含量，套管的介質(zhì)損耗和外部紅外測(cè)溫[1]。但是，上述方法不能實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的測(cè)量互感器內(nèi)部故障，只能在內(nèi)部故障形成一定時(shí)間后，從其他參數(shù)間接反映出問(wèn)題[1]。本文通過(guò)對(duì)油浸正立式電流互感器的常見(jiàn)故障的產(chǎn)生原因和檢測(cè)方法進(jìn)行分析，并提出一種基于無(wú)線通信方式，利用太陽(yáng)能供電，安裝在互感器頂部膨脹器的在線監(jiān)測(cè)裝置，感知互感器的內(nèi)部壓力變化，并在互感器內(nèi)部壓力達(dá)到一定壓力值時(shí)，主動(dòng)上送報(bào)警的在線監(jiān)測(cè)方法。

2 油浸式電力互感器的典型缺陷

2.1 介質(zhì)損耗回升

以500kV電流互感器為例，當(dāng)介質(zhì)損耗率超過(guò)0.6%時(shí)就要引起運(yùn)行人員注意；當(dāng)介質(zhì)損耗率超過(guò)0.8%，設(shè)備發(fā)生爆炸的概率就會(huì)大增，這時(shí)就要考慮將其退出運(yùn)行。

考慮造成介質(zhì)損耗率指標(biāo)回升的因素有：

工藝處理問(wèn)題。介質(zhì)損耗量反應(yīng)的是單位介質(zhì)有功損耗的情況，提高電流互感器器身干燥溫度，縮短處理時(shí)間，短時(shí)間內(nèi)介質(zhì)損耗量指標(biāo)可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但是長(zhǎng)時(shí)間后，內(nèi)部深處的水分會(huì)滲透出來(lái)。當(dāng)變電站發(fā)現(xiàn)大量油浸式電流互感器介質(zhì)損耗量回升現(xiàn)象，可能是器身干燥工藝控制上出現(xiàn)了問(wèn)題。

密封圈老化或密封面設(shè)計(jì)上有缺陷。互感器殼體、法蘭、套管及其他部件的密封面設(shè)計(jì)上不合理容易造成水分滲透，密封圈本身的老化也是密封出現(xiàn)問(wèn)題的因素。

絕緣等級(jí)與絕緣介質(zhì)的厚度。電壓等級(jí)越高，主絕緣介質(zhì)的厚度就越厚，干燥處理需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，工藝也就越復(fù)雜。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的不可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件限制，使用的儀器設(shè)備及干擾、測(cè)量方法等因素，獲得的介質(zhì)損耗率測(cè)量不確定度較大，可能導(dǎo)致判斷上的失誤。

檢修緣故。對(duì)油浸式電流互感器絕緣油性能的檢測(cè)與分析是評(píng)估設(shè)備狀態(tài)的有效方法。每次油性能檢測(cè)要抽取一定數(shù)量的油樣，再進(jìn)行補(bǔ)油，混油可能會(huì)造成凝固顆粒、水分或其他物質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)品，降低絕緣油性能。

其中干燥問(wèn)題是在實(shí)際工藝中最重要的部分，互感器是一個(gè)全密封的設(shè)備，一旦內(nèi)部出現(xiàn)受潮會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)身都造成影響。

2.2 主絕緣損壞

器身設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)部的局部場(chǎng)強(qiáng)集中處易損壞；由于電容屏移位導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻；二次繞組處電場(chǎng)分布不均勻；主絕緣因局部放電擴(kuò)散而擊穿；內(nèi)部元件微小裂縫隨發(fā)展產(chǎn)生局放并發(fā)展至擊穿；器身內(nèi)異物掉落，使電場(chǎng)分布不均，產(chǎn)生的局放造成擊穿。

2.3 油中溶解氣體總烴超標(biāo)

油中溶解氣體異常的主要特征為單值H2含量高；單值CH4含量高；H2伴隨CH4含量高；單值微量C2H2。

2.3.1 H2的來(lái)源

變壓器油中的水分由于電解產(chǎn)生H2。油中水分子也可與互感器油箱的鐵外殼產(chǎn)生H2。

變壓器油中烷烴的裂化反應(yīng)產(chǎn)生了H2。烴在高溫作用下，將產(chǎn)生裂化（熱解）。裂化過(guò)程中大部分烷烴產(chǎn)生小分子烷烴、不飽和烴及H2。只有在互感器故障時(shí)，才會(huì)引起過(guò)熱或者高溫，導(dǎo)致油裂化。我們可以通過(guò)油的氣相色譜分析得知產(chǎn)生的氣體。

變壓器油中的環(huán)己烷的脫氫反應(yīng)產(chǎn)生H2。金屬膨脹器中的Ni作為催化劑，為產(chǎn)生H2提供了條件。

油箱熱鍍鋅造成非電氣原因產(chǎn)生H2。

CH4的來(lái)源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)返回的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，甲烷氣體的主要來(lái)源是一種橡膠墊和絕緣漆。

H2伴隨CH4含量高。一般有兩種情況，一種是兩種氣體同時(shí)產(chǎn)生，且不會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)值穩(wěn)定不變，可能是由于采用的材料或者制造工藝引起的。另一種是互感器中氣體含量持續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)H2超過(guò)500μL/L以上時(shí)，設(shè)備應(yīng)立即退出運(yùn)行。

單值微量C2H2。當(dāng)絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的局部放電時(shí)，可檢測(cè)到C2H2的含量較大。

3 油浸式電力互感器監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 紅外測(cè)溫法

紅外測(cè)溫法是油浸式電流互感器的一種常見(jiàn)監(jiān)測(cè)手段，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，油中溫度升高，設(shè)備溫度的異常情況可在紅外測(cè)溫圖中反映出來(lái)，根據(jù)溫度異常程度判斷設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在缺陷未嚴(yán)重發(fā)展之前，發(fā)出告警。在夏季，紅外測(cè)溫法還可觀察設(shè)備外表面由于日照所帶來(lái)的溫升效應(yīng)。其缺點(diǎn)是不能及時(shí)的反應(yīng)互感器內(nèi)部的缺陷。如圖1所示為戶外高壓互感器測(cè)溫圖。

圖1 高壓互感器測(cè)溫圖

3.2 超聲波局放檢測(cè)法

超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)在用于檢測(cè)互感器的局部放電缺陷時(shí)，具有較為顯著的作用，可通過(guò)波形圖判斷設(shè)備的健康狀態(tài)。該測(cè)量法和紅外線測(cè)溫法都是無(wú)需人工接觸的在線監(jiān)測(cè)方法，可保證操作人員在足夠的安全范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，因而在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)將接收到的聲信號(hào)傳導(dǎo)到后臺(tái)或手持設(shè)備中與正常波形進(jìn)行比較后，進(jìn)而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該監(jiān)測(cè)方法的主要缺點(diǎn)是無(wú)法根據(jù)波形圖判斷故障的具體位置，只能判斷設(shè)備是否存在缺陷。圖2為有無(wú)局放的波形對(duì)比圖。

圖2 局放波形對(duì)比圖

4 油浸式電力互感器內(nèi)部壓力測(cè)量技術(shù)

4.1 互感器內(nèi)部壓力測(cè)量方法和原理

互感器正常運(yùn)行狀態(tài)下，其內(nèi)壓力由兩部分組成，一部分為器身內(nèi)部正常運(yùn)行的壓力P0，另一部分為當(dāng)內(nèi)部存在缺陷時(shí)而產(chǎn)生的壓力增量，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，壓力增量為0，可用以下公式表示：

P=P0+ΔP

在正常狀態(tài)下，取T=20℃時(shí)的大氣壓強(qiáng)，其壓力P=P0,ΔP與許多因素有關(guān)，ΔP可用放電量Q和短路電流I表達(dá)為函數(shù)形式，即ΔP=f（Q,I）。在正常狀態(tài)下，ΔP=0。

互感器的絕緣介質(zhì)存在缺陷時(shí)，表現(xiàn)為放電量增大，有功損耗增加。這部分能力將會(huì)使變壓器油裂解，產(chǎn)氣率增大，內(nèi)部壓力增大，如圖3所示。

圖3 P-Q關(guān)系圖

N點(diǎn)稱拐點(diǎn)，即臨界點(diǎn)。N點(diǎn)以前是正常態(tài)，N點(diǎn)過(guò)后，內(nèi)部壓力增大，屬于故障狀態(tài)。當(dāng)互感器內(nèi)部存在缺陷時(shí)，溫度升高，但由于油的散熱性較差，所以溫度的變化是較為緩慢的，而溫度所影響的壓力變化是更為明顯的，該過(guò)程如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力變化超過(guò)膨脹器的壓力調(diào)節(jié)范圍，就會(huì)發(fā)生器身爆炸。當(dāng)絕緣介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)，互感器內(nèi)部從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)，內(nèi)部的壓力也一定隨之變化，這種壓力的沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瓷套的承受強(qiáng)度，而壓力變化完全在膨脹器上反應(yīng)處理,如果膨脹器可以承受突然的壓力變化，則可以避免故障的發(fā)生，所以壓力傳感器的可以設(shè)計(jì)在膨脹器上,實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)壓力變化。

4.2 互感器內(nèi)部壓力監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

本文利用壓力傳感器對(duì)互感器內(nèi)部的壓力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)壓力變化反映出互感器內(nèi)部的運(yùn)行狀況。電信號(hào)是由壓力傳感器所采集到的壓力信號(hào)，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換而成。壓阻式壓力傳感器的基本原理是單晶硅的壓阻效應(yīng)。單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。在膨脹器的封口板上焊接上與傳感器相配套的油密封裝置的螺紋座，并將壓力傳感器通過(guò)螺紋連接在膨脹器上，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成正比的變化，再由橋式電路獲相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)[2]。66kV互感器的壓力監(jiān)測(cè)范圍在0-0.15MPa之間，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，控制在單片機(jī)可接收的范圍內(nèi)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式把測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)終端，裝置原理圖如圖4。

圖4 壓力傳感裝置原理圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文以油浸式電力互感器為例，通過(guò)對(duì)此類設(shè)備在實(shí)際工事中常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段，提出了一種基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)部壓力在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)部缺陷的問(wèn)題，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。