主絕緣包扎工藝不良引發油浸式電流互感器內部異常產氫的原因分析

陳 浩，郭 鐵，劉黎洋，高 森

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽 110006)

油浸式電流互感器是電力系統中重要的一次設備，主要安裝于戶外變電站，因其長期運行在大電流、高場強的惡劣復雜環境下，易出現因過電壓、諧波、受潮和絕緣劣化等原因而引發的局部放電、過熱情況[1]，進而導致電流互感器內的絕緣油裂解產生氫氣等故障氣體，通過對油中溶解氣體含量分析可以發現此類故障[2]。油浸式電流互感器(TA)內部過量產氫的問題已有研究人員開展過一些研究，得出的結論主要有：因TA內部的金屬件存在焊接，在鎳的催化作用下促進有機物分解產氫[3]；水或絕緣油在高溫及電場作用下分解產氫[4]；也有案例顯示在未帶電運行的TA中發現了過量產氫現象，但介損和絕緣電阻等常規試驗未見異常，TA脫氫后投運正常，因此提出過量產氫和內部絕緣問題并無直接聯系的觀點[5]。本文針對遼寧電網近年來發生的多起不同工況下過量產氫的TA進行試驗和解體分析，查找出多起過量產氫問題的共性：油紙絕緣系統中紙絕緣存在大量“褶皺”引起局部場強不均導致故障產氫，對“褶皺”產生的原因進行分析并對TA的制造和運行提出建議。

1 油浸式電流互感器過量產氫現象

遼寧電網近年來出現多起TA過量產氫的現象，其共同特征為油中溶解氣體分析發現氫氣含量超標(超過標準規定的150 μL/L)，甲烷和總烴含量增大，但一般不產生或者產生痕量乙炔。過量產氫會導致TA內部壓力增大，嚴重時會將膨脹器異常頂起，造成設備變形，甚至引起本體炸裂。過量產氫表明設備內部可能存在絕緣缺陷。

2 典型案例分析

本文對遼寧電網近年多起TA過量產氫案例進行綜合分析, 以220 kV電壓等級設備為例，共收集了13臺過量產氫TA的數據，其中有3起氫氣含量接近104μL /L；7起達1000 μL /L；3起大于100 μL /L不超過1000 μL /L。這些異常的TA，有的投運超過了15年，有的僅僅投運1～2年，從數據上看，產氫的含量多少與年份并無直接關聯。本文選取2起比較典型的TA過量產氫案例，并對故障TA進行試驗及解體分析。

2.1 案例1

變電站巡視人員發現某220 kV電壓等級運行中TA金屬膨脹器異常頂起上蓋。帶電取油樣進行油中溶解氣體分析，發現氫氣、甲烷和總烴氣體含量均遠高于標準要求的注意值(220 kV 電流互感器：氫氣含量≤150 μL/L，總烴含量≤100 μL/L)。試驗數據見表1。

表 1 油中溶解氣體分析數據 單位：μL /L

由油中溶解氣體分析數據判斷，該設備內部存在低能量放電，為進一步確認故障及分析原因，對該臺設備返廠解體。

2.1.1 解體前的電氣試驗

該故障設備為2000年出廠產品，為LCWB7油浸式正立型產品。因懷疑該設備內部可能存在絕緣缺陷，耐壓試驗可能會對其造成二次損傷而影響對其原始故障原因的分析，因此，對故障設備進行如下試驗：①絕緣電阻測試；②電氣試驗前后介電損耗因數及電容量測試；③局部放電試驗；④電氣試驗前后油中溶解氣體分析；⑤油耐壓、微水及油介損試驗[6]。

a.絕緣電阻測試。一次繞組對二次繞組及地為2500 MΩ；一次繞組段間為2500 MΩ；二次繞組之間及地為2500 MΩ；末屏對二次及地為2500 MΩ。

b.介電損耗因數及電容量測試。電氣試驗前后分別測量了試品的介電損耗因數(以下簡稱“介損”)和電容量，測量結果見表2。

表2 介損及電容量試驗數據

表3 局部放電試驗數據

d.電氣試驗前后油中溶解氣體分析。試驗數據見表4。

表4 油中溶解氣體分析數據 單位：μL /L

2.1.2 解體檢查

對故障TA進行放油、拆除膨脹器、外瓷套及吊芯檢查。解體檢查TA的油箱及二次繞組，油箱無變形，油箱壁無明顯放電；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實，繞組及各接頭未發現明顯放電痕跡，如圖1所示。

圖1 220 kV油浸式電流互感器

對TA的一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內進行拆解，發現從靠近末屏的第4層主電容屏開始，在絕緣紙上發現大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置主要位于“U”型彎的內外側，越向內拆解絕緣電纜紙“褶皺”越明顯，直至拆解到第7層主電容屏后，絕緣紙恢復平整。絕緣紙的橫向“褶皺”見圖2。

圖2 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2 案例2

國家電網有限公司《十八項電網重大反事故措施》中要求，新投運的110(66) kV及以上電壓等級電流互感器投運后1～2年內應取油樣進行油中溶解氣體組分分析。試驗人員對已投運8個月的某220 kV電壓等級運行中TA開展油中溶解氣體分析，發現氫氣、甲烷和總烴氣體含量均遠高于標準要求的注意值。試驗數據見表5。

表5 油中溶解氣體分析數據 單位：μL /L

由油中溶解氣體分析數據判斷，該設備內部存在低能量放電，為進一步確認故障及分析原因，對該臺設備返廠解體。

2.2.1 解體前的電氣試驗

該故障設備為2019年出廠產品，為LCWB7油浸式正立型產品。對故障產品開展以下試驗：①絕緣電阻測試；②電氣試驗前后介電損耗因數及電容量測試；③工頻耐壓試驗；④局部放電試驗；⑤電氣試驗前后油色譜分析；⑥油耐壓、微水及油介損試驗。

a.絕緣電阻測試。一次繞組對二次繞組及地為2500 MΩ；一次繞組段間為2500 MΩ；二次繞組之間及地為2500 MΩ；末屏對二次及地為2500 MΩ。

b.介損及電容量測試。電氣試驗前后分別測量了試品的介損和電容量，測量的結果見表6。

表6 介損及電容量試驗數據

c.工頻耐壓試驗。二次繞組間及對地：3 kV，1 min；末屏對地：5 kV，1 min；一次繞組：368 kV，1 min。

表7 局部放電試驗數據

e.電氣試驗前后油中溶解氣體分析。試驗數據見表8。

表8 油中溶解氣體分析數據 單位：μL /L

f.油耐壓、微水及油介損試驗。油耐壓值56 kV；油微水為8.3 mg/L；90 ℃下油介損為0.22 %。絕緣電阻試驗顯示，該TA一、二次絕緣正常；由表6 測試結果判斷，設備不存在內部絕緣材料老化、受潮和主電容屏擊穿的問題；由工頻耐壓試驗結果可知，設備內部不存在絕緣擊穿；由表7局放測試結果判斷，設備內部可能存在低能量的放電，但值得注意的是，本次試驗在加壓2 min內，TA的局放量均未超過20 pC，而在2～5 min的過程中局放值上升37 pC；由表8可知，試驗前后試品油中溶解氣體中氫氣含量略有增長，可判斷設備內部仍存在低能量放電；對絕緣油進行油耐壓、微水及油介損試驗，試驗結果無異常，表明絕緣油沒有進水受潮和污染劣化現象。

2.2.2 解體檢查

對故障TA進行放油、拆除膨脹器、外瓷套及吊芯檢查。解體檢查TA的油箱及二次繞組，油箱無變形或開裂，油箱壁無放電痕跡；二次繞組排列整齊，絕緣包扎緊實，繞組及各接頭未發現明顯放電痕跡。

拆開TA末屏，對一次繞組主電容屏及紙絕緣由外到內進行拆解，發現靠近末屏的絕緣紙間存在大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置主要位于“U”型彎的內外側，逐漸向內拆解至第3層主電容屏后，“褶皺”恢復平整，絕緣紙橫向“褶皺”見圖3。

圖3 絕緣紙的橫向“褶皺”

2.2.3 試驗及解體結果對比

對比2臺故障TA的試驗結果和解體現象發現，共同的異常特征是局部放電試驗局放量超標、試驗前后油中溶解氣體氫氣含量略有增加；對一次繞組電容屏及紙絕緣拆解，發現絕緣紙間存在大量較寬的橫向“褶皺”，“褶皺”位置均位于“U”型彎的內外側。不同的是案例1中的TA為2000年產品，運行將近20年檢測出故障，“U”型彎處“褶皺”位于第4～7層主電容屏之間的絕緣紙上；案例2中的TA為2019年產品，運行僅8個月時間檢測出故障，“U”型彎處“褶皺”位于緊靠末屏第1～3層主電容屏之間的絕緣紙上。

用同樣的試驗和解體方法對遼寧電網近年來的多臺過量產氫TA開展研究，得到了相似的試驗結果和解體現象。

3 結論

通過對比研究多臺過量產氫的TA，分析認為：纏繞在TA一次繞組“U”型彎的主電容屏之間絕緣紙上的大量“褶皺”，是引起過量產氫的主要原因。“褶皺”的存在，使絕緣紙之間形成大量“空腔”，造成場強變得不均勻，在長期的運行電壓下局部過熱產生過熱特征氣體甲烷等，氣體大量積累引發氣泡放電產生放電特征氣體氫氣，因“褶皺”存在部位不同，有的位于中間層的電容屏之間，TA絕緣包扎相對緊實且絕緣油流動緩慢，氣體通道貫通慢，不易擴展，油中溶解氣體檢測出故障也需要較長時間；而有的“褶皺”部位靠近末屏，位置距離取油閥處較近，若溶解氣體檢測及時，過熱、放電產生的特征氣體則比較容易發現。

一次繞組主絕緣包扎纏繞是否緊實平整無“褶皺”，與絕緣紙的質量、工人操作工藝、設備自動化水平等因素有關。同時，若TA在真空干燥環節，出現真空度或者干燥溫度不夠、抽真空時間不足等問題，也會加劇氣體的產生。針對此類問題，對設備制造商和運行單位提出以下建議。

a.設備制造商應加強一次繞組絕緣包扎纏繞工藝環節的技術監督，尤其注意“U”型彎處的包扎工藝，確保纏繞緊實。

b.設備制造商在絕緣紙的選擇上要嚴把質量關，選用達標、優質的原材料；對于過于老舊、性能受影響的絕緣紙纏繞機要進行更換。

c.要特別注意TA真空干燥環節真空度、真空時間、罐內溫度的控制，杜絕因趕工期而降低該關節工藝標準和要求。

d.在對故障TA開展局部放電試驗時發現，多臺試品在加壓2 min后，出現局放量超標。因此在開展該項試驗時，建議參照國家電網有限公司《十八項電網重大反事故措施》要求，110(66)～750 kV油浸式電流互感器在出廠試驗時，局部放電試驗的測量時間延至5 min。

e.根據油浸式TA的結構特性，設備運行單位應嚴格按照規程開展油中溶解氣體含量分析，對于油中溶解氣體含量未超過注意值，但已明顯高于同間隔的其他相、或較上次測試值有明顯增長趨勢時，應及時復測，并縮短檢測周期。