500kV變壓器圍屏樹枝狀放電故障分析

羅 虎 史 義

（南陽供電公司，河南 安陽 473000）

1 引言

由于電壓等級(jí)的提高、輸電距離的增長(zhǎng)以及輸電線波阻抗和傳播常數(shù)的變化、變電容量的加大，使500kV變電站的運(yùn)行較之于330kV及以下變電站的運(yùn)行在技術(shù)難度上有顯著的增加，由于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，潛在著較大的安全隱患。同時(shí)，作為地區(qū)的樞紐變電站，500kV變電站承擔(dān)著保證地區(qū)電網(wǎng)安全的重要任務(wù)，其安全性至關(guān)重要。本文主要對(duì) 500kV變壓器常見的圍屏樹枝狀放電故障進(jìn)行了研究。

2 變壓器故障分類

變壓器存在的故障，無論是熱性的或是電性的，也無論是內(nèi)部的還是外部的，都是引發(fā)變壓器事故的隱患，變壓器故障的種類很多，一般來說，常見的故障主要可按不同標(biāo)準(zhǔn)分類，如圖1所示。

圖1 變壓器故障分類

（1）磁路中的故障。即在鐵心及夾件中的故障，其中最多的是鐵心多點(diǎn)接地故障。

（2）繞組故障。包括線段、縱絕緣和引線中的故障，如絕緣擊穿、斷線和繞組匝、層間短路及繞組變形等。

（3）絕緣系統(tǒng)中的故障。即在絕緣油和主絕緣中的故障，如絕緣油異常、絕緣系統(tǒng)受潮、相間短路、圍屏樹枝放電等。

（4）結(jié)構(gòu)件和組件故障。如內(nèi)部裝配金具和分接開關(guān)、套管、冷卻器等組件引起的故障。

變壓器外部故障主要是變壓器油箱及其附近焊接不良、密封不良，造成滲漏油故障，冷卻系統(tǒng)包括油泵、風(fēng)扇、控制設(shè)備等的故障；分接開關(guān)傳動(dòng)裝置及其控制設(shè)備的故障；其他附件如套管、儲(chǔ)油柜、測(cè)溫元件、凈油器、吸濕器等的故障。外部故障如果不及時(shí)處理，很容易發(fā)展成為變壓器內(nèi)部故障。

3 500kV變壓器圍屏樹枝狀放電故障

3.1 故障形成的基本過程

變壓器絕緣是介電系數(shù)不同的絕緣油、絕緣紙和紙板串聯(lián)的組合絕緣。按照絕緣設(shè)計(jì)，必須把這些絕緣材料的厚度分配得合理，否則它們將遭受到極大的電應(yīng)力。在工作電壓下，通常是絕緣油承受較大場(chǎng)強(qiáng)。因?yàn)榻^緣紙板及絕緣油的介電系數(shù)分別約為5.1和2.2，施于這兩種串聯(lián)絕緣材料上的總電壓按同樣厚度的每種材料所承擔(dān)的電壓是與各自的介電系數(shù)成反比例分配的，即絕緣油中場(chǎng)強(qiáng)是絕緣紙的 2.5倍。由于絕緣油電氣強(qiáng)度通常只有油浸紙絕緣的1/3-1/4，所以在油紙組合絕緣中總是首先在油隙中發(fā)生局部放電；若絕緣受潮或含有氣泡，則這種局部放電的起始電壓將更低。

由于線段間的長(zhǎng)墊塊和撐條等絕緣結(jié)構(gòu)存在棱角，使絕緣棱角處電場(chǎng)畸變，加之圍屏與繞組內(nèi)側(cè)存在突出部分，S彎換位和線匝凹凸不平以及紙板變形的彎曲部分等原因，使局部油道變窄，這樣既可能導(dǎo)致局部過熱，亦可以加劇電場(chǎng)畸變，場(chǎng)強(qiáng)升高。因此，將會(huì)引起在導(dǎo)線棱角處絕緣表面的油隙首先發(fā)生放電，接著發(fā)展到圍屏紙板上，或引起第二個(gè)油隙相繼放電。當(dāng)夾層不潔，內(nèi)部滑閃放電就更容易發(fā)生，最終在其放電通道上形成樹枝狀的炭化溝道。

3.2 故障形成的內(nèi)部原因

（1）絕緣受潮。干燥的油隙和紙板圍屏絕緣結(jié)構(gòu)的抗電強(qiáng)度是很高的，油浸絕緣紙板受潮后，其抗電強(qiáng)度大為降低。變壓器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，在變壓器油泵和導(dǎo)管以及各結(jié)合面密封均良好的情況下，只有C相側(cè)的安全氣道和吸濕器是潮氣入侵的主要途徑。當(dāng)潮氣從這一途徑進(jìn)入油箱內(nèi)部后，在溫度降低時(shí)，油中的濕氣會(huì)凝成游離水，從而沉積于箱底。這也就是在安全氣道對(duì)應(yīng)的油箱底部常常可見到較多銹跡的緣由。

在強(qiáng)油循環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)荷大，油泵和冷卻器全部投入時(shí)，AB相間和BC相間將各自進(jìn)行油循環(huán)。由于對(duì)應(yīng)于安全氣道的C相進(jìn)潮，所以BC相間是濕油循環(huán)，加速了該循環(huán)途徑上的墊塊和圍屏紙板的受潮。因此，在 BC相間，油和紙板的抗電性能降低是顯而易見的。這就是樹枝狀放電多發(fā)生在BC相間的主要原因。

（2）絕緣含氣。氣體將使放電起始場(chǎng)強(qiáng)大大降低，特別是當(dāng)變壓器含氣量高，且有潮氣侵入時(shí)，因?yàn)閲良埌灞砻娓街瑵駳馀荩蛘呒埌鍔A層鼓包、分層而存在含濕空穴時(shí)，將更易導(dǎo)致形成樹枝狀放電現(xiàn)象。

3.3 故障形成的外部原因

（1）相間絕緣薄弱且布局欠合理。在變壓器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，相間和相對(duì)地的平均工作場(chǎng)強(qiáng)是有一定差異的，通常相間平均工作場(chǎng)強(qiáng)高于相對(duì)地的。在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，若把相間與相對(duì)地的絕緣取相同水平，則從結(jié)構(gòu)上相間絕緣水平就較低。在運(yùn)行中，若有一相遭受過電壓作用，則相間結(jié)構(gòu)的絕緣水平就更低，這顯然是不合理的。

（2）繞組首端支出的長(zhǎng)墊塊位置和形狀不合理。在發(fā)生圍屏樹枝狀放電故障的變壓器中，在繞組首端和上、下分接斷口處，采用矩形墊塊來支撐圍屏紙板。該長(zhǎng)墊塊前沿的兩個(gè)尖角頂住圍屏紙板的兩點(diǎn)，受圍屏緊固時(shí)的機(jī)械損傷和高電場(chǎng)的作用而導(dǎo)致接觸處易燒傷，而且往往在長(zhǎng)墊塊的表面或夾層內(nèi)形成樹枝狀放電痕跡。

4 案例分析

4.1 故障現(xiàn)象

對(duì)有載分接開關(guān)滲油進(jìn)行檢修，修剪前 DGA檢測(cè)C2H2為1.2UL/L，修后當(dāng)施加1.3倍額定電壓測(cè)量中壓側(cè)局部放電時(shí)，加壓4min，內(nèi)部有由小變大的絲絲聲，試驗(yàn)用發(fā)電機(jī)電流劇增。A相繞組的介質(zhì)損耗比其他兩相增大1倍以上。

4.2 故障檢查實(shí)況

吊罩發(fā)現(xiàn)高壓繞組上端部在低壓出線左側(cè)紙板和撐條上有樹枝放電炭道。吊出高壓繞組發(fā)現(xiàn)其內(nèi)側(cè)1-47段間導(dǎo)線上有11個(gè)擊穿點(diǎn)；對(duì)應(yīng)其故障點(diǎn)的 3mm紙板都有不同程度的擊穿點(diǎn)和樹枝放電炭道；紙板繃帶多處有放電點(diǎn)，9根油道撐條亦有放電痕跡。中壓繞組第5段墊塊邊緣有一擊穿點(diǎn)。

4.3 故障原因分析

制造工藝不良，撐條邊沿毛糙，未倒圓角，絕緣件上和角環(huán)內(nèi)有金屬粉末和雜質(zhì)。損壞嚴(yán)重的3mm紙板含水量為1.98%。導(dǎo)致故障的主要原因?yàn)楣に嚧植凇⒔^緣不潔和受潮以及油中氣泡等，使紙板發(fā)生樹枝狀放電，并引發(fā)由高壓繞組端部區(qū)域向中壓發(fā)展。

4.4 故障處理

高壓繞組經(jīng)國(guó)內(nèi)制造廠仔細(xì)修補(bǔ)，繼續(xù)使用，更換全部高、中壓間紙板，器身整體進(jìn)行了熱油沖洗和渦流真空干燥。檢修后經(jīng)升壓和局部放電試驗(yàn)合格后投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

圍屏樹枝狀放電故障是500kV變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)頻率較高的故障之一，其具有影響范圍廣、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)。因此，在500kV變壓器運(yùn)行中，值班人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)指標(biāo)的變化，熟悉故障處理流程，以保證500kV變壓器的可靠運(yùn)行。

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