變壓器套管在線監測接口適配器的研究

鄒國平，何文林，孫 翔

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

套管是電力變壓器的重要組成部分，主要承擔變壓器內部出線的對地絕緣、載流及支撐功能，其性能直接影響變壓器的運行穩定性。變壓器套管絕緣在線監測是目前變壓器檢測的盲點之一，根據研究，實施套管介損與電容量在線監測可將非停電檢修策略的盲檢率從目前的4.9%降低至3%[1]。

電容型套管由于電場分布均勻、耐受電壓高，在110 kV及以上系統中得到廣泛應用。為了保證套管的正常運行，電容型套管最外層的電容屏通過卷入一層銅帶后經由絕緣小套管引出并接地。可通過電橋平衡法、相位差法與數字測量法[2]獲得介損值與電容量。目前套管實現在線監測的最大難點在于套管末屏信號的取樣問題，出于安全考慮，現有變壓器套管在正常運行時，末屏基本上是在接地帽內部接地，在線監測中無法引出末屏測試信號。

因此，通過分析不同套管的末屏接地方式，研究相應的套管在線監測接口適配器（以下簡稱適配器）實現信號引出，對于消除變壓器套管監測的盲點，提升電網運行可靠性具有重要的工程應用價值。

1 浙江電網變壓器套管接地結構

據統計，浙江電網110 kV及以上電壓等級變壓器明確生產廠家的電容型套管共有9 498個。套管數量從高到低的生產廠家分別為傳奇電氣、上海MWB、南京智達、南京南瓷、ABB、西安西瓷、NGK電瓷等，占有比例分別是35.3%，16.3%，14.0%，9.3%，4.6%，1.2%，1.2%。套管廠家分布見圖1所示[3]。

圖1 電容型套管的廠家分布

根據研究，傳奇套管包含3種不同的末屏接地結構，分別為普通抽頭、K抽頭與插銷式結構。上海MWB套管包含1種末屏接地結構，且和傳奇普通抽頭結構相同。南京智達套管包含1種末屏接地結構。南瓷套管包含2種不同的末屏接地結構，分別為瓷絕緣與普通絕緣結構。ABB包含3種末屏接地結構，分別為ABB TOB/TOM，GOE與RTKF/RTKK結構。西瓷套管包含3種末屏接地結構，分別為插拔式、長接地帽、短接地帽結構。NKG套管包含1種末屏接地結構。

在套管正常運行時，末屏通過接地帽內部接地，為了實現套管在線監測，必須改變套管末屏接地方式，將信號引出到外部，在套管在線監測接口研究中需要解決信號引出、防水密封、開路保護等幾個關鍵問題。

2 適配器研制的關鍵問題

2.1 末屏信號的有效引出

套管末屏信號引線柱可分為3種類型：一是光滑引線柱，如傳奇/MWB普通抽頭、ABB、西瓷、NGK等套管的末屏結構；二是螺紋引線柱，如傳奇K抽頭、南京智達、南瓷、天威瑞恒等套管的結構；三是特殊結構，如傳奇插銷式、泛美雷特等套管的結構。

對于光滑引線柱采用了如圖2所示的彈簧抱緊結構，實際安裝中光滑引線柱插入彈簧抱緊結構，并通過外部絕緣件實現緊固連接。螺紋引線柱設計了如圖3所示的螺紋中轉連接結構，結構首端采用內螺紋與末屏引線柱連接，末端設計為光滑導桿，方便停電試驗時插拔。光滑導桿之后采用的仍是與第一種結構相同的彈簧抱緊結構。對于特殊結構須針對每種結構單獨設計信號引出方式，因此不一一贅述。

為了驗證信號引出結構的有效性，對連接結構做了疲勞度測試與絕緣電阻測試。疲勞度試驗中分別測試導電桿連接結構插拔0次、50次、100次之后的直流接觸電阻。測試結果如表1所示，直流電阻測試結果顯示經過多次插拔，該結構的連接電阻仍小于20 mΩ，證明連接可靠。

圖2 光滑引線柱的彈簧抱緊結構

圖3 螺紋引線柱的中轉連接結構

表1 適配器直流接觸電阻測試值 mΩ

絕緣電阻試驗中分別選擇2 500 V、5 000 V電壓等級兆表測試內部導電桿與保護外殼之間的絕緣電阻，測試結果如表2所示。按照DL/T 596-1996電力設備預防性試驗規程要求[4]，末屏絕緣電阻測試時選擇2 500 V檔位，電阻大于1 000 M即為合格，因此樣品的絕緣電阻符合要求。

表2 適配器絕緣電阻測試值 GΩ

2.2 適配器的防水密封

為了保證適配器的密封性，在設計中考慮了多個密封結構，同時對樣品做了壓力為0.3 MPa、持續時間15 min的防水密封試驗。現場測試布置如圖4所示，測試過程中水中無氣泡產生，適配器防水密封性符合要求。

圖4 防水密封試驗

2.3 末屏信號外引的防開路保護

套管加裝適配器之后，末屏經由信號電纜后接地，如果信號電纜受外力破壞而斷開，將導致末屏放電，嚴重影響套管的運行安全，因此必須具備信號電纜防開路保護裝置。

目前在用的適配器大多沒有防開路保護，部分采用如圖5所示的2個反向并聯的二極管作為接地保護，同時為了防止雷擊和操作過電壓，適配器內部還配置了放電間隙。由于二極管和放電間隙尺寸較大，保護元件無法內置在適配器中，一般采取外置方式。在停電試驗中，需要拆除圖中虛線范圍內保護的接線。而經多次拆卸之后裝置連接的有效性往往無法得到保證，存在試驗完成后忘記恢復接線的隱患，安全性不高。

圖5 二極管防開路保護裝置

經研究，適配器最終采用的是如圖6的保護結構，末屏信號除了經電纜連接接地外，在適配器內部設有保護電阻。當信號電纜正常時，電纜接地電阻Rg遠小于R，因此電阻R上可以認為沒有電流分流；當信號電纜開路時，由于套管電容阻抗Zc遠大于R，末屏經由保護電阻R接地。同時考慮到停電試驗時的接線方便，將適配器劃分為2部分，第一部分為轉接口，用于連接末屏法蘭；第二部分為主體結構，保護電阻、信號電纜都連在其中。2部分的連接位置如圖中虛線部分所示，兩者通過活結螺母連接，在停電試驗時拆下主體結構，末屏對地開路；正常運行時，旋緊活結螺母以實現兩部分結構的連接與密封。

圖6 電阻防開路保護裝置

3 各種結構適配器的研制

3.1 插拔式結構

插拔式結構的適配器適用于末屏光滑引線柱引出方式的末屏接地結構，主要應用于傳奇/MWB套管普通抽頭結構、ABB套管TOB/TOM與GOE結構、西瓷套管、NGK套管等的末屏接地結構的信號引出。

圖7是針對傳奇/MWB普通抽頭套管設計的適配器結構圖。該類套管末屏采用光滑引線柱的引出方式，可以通過彈簧抱緊結構實現信號引出。插拔式結構適配器密封在一個金屬外殼中，末屏引線柱通過整體式彈簧片夾緊，經由導電桿末端電纜線穿過防水接頭引出外接（圖中電纜未畫出），彈簧片、導電桿與金屬外殼保持絕緣。為了防止信號引出線開路對套管造成危害，在導電桿與轉接頭之間設有接地保護電阻。傳奇/MWB普通抽頭結構的適配器已經在某110 kV和220 kV變電站主變壓器上安裝成功，實際安裝位置如圖8所示。

3.2 螺紋式結構

螺紋式結構適配器適用于末屏螺紋引線柱引出方式的末屏接地結構，主要包括傳奇K抽頭結構套管、南京智達套管、南瓷套管、天威瑞恒等套管的末屏接地結構。

螺紋引線柱適配器與普通引線柱相比，適配器主體結構一致，所不同的是增加了轉換頂針。圖9是針對南瓷套管瓷絕緣結構設計的適配器結構圖。適配器中的轉換頂針將螺紋結構導電桿轉接為光滑導電桿，同時延長了轉換頂針外轉接頭長度。

圖7 傳奇/MWB普通抽頭結構適配器

圖8 傳奇/MWB普通抽頭結構適配器的連接

圖9 南瓷瓷絕緣結構適配器

3.3 特殊式結構

特殊式結構末屏適配器應用于末屏接地結構較為特殊，既不是光滑導桿也不是螺紋導桿的末屏引線柱結構。主要包括傳奇套管的插銷式結構、ABB RTKF/RTKK套管結構、泛美雷特套管結構，此類結構須針對每種結構單獨設計相應的信號引出方式。

傳奇插銷式結構是2007年之前采用的末屏接地結構，在新套管中已不再應用，但是在已運行變壓器中仍有很多此類套管，插銷式結構末屏適配器結構如圖10所示。

圖10 傳奇插銷式結構適配器

泛美雷特套管是新型的干式套管，電容芯子采用玻璃纖維浸漬環氧樹脂構成絕緣層，并與半導體材料制成的電容屏一起高溫固化，其傘裙由硅橡膠材料制成。泛美雷特套管接地結構是另一種特殊的接地結構，末屏引線柱是內部空心且包含有橫向彈性結構的柱裝金屬導體，接地帽上有一與引線柱接口相匹配的頂針，正常運行時接地帽頂針插入引線柱接口實現接地。泛美雷特套管末屏接口適配器結構相對簡單，只需設計與頂針相同尺寸的導電桿即可實現信號有效引出，其結構如圖11所示。

圖11 泛美雷特套管適配器

3.4 套管在線監測的應用

變壓器套管接口適配器將套管末屏內部接地改為外部接地，實現了套管末屏信號的外引，為套管在線監測提供了信號源，上述幾種結構的末屏適配器均已有安裝實例。圖12是某主變壓器套管安裝在線監測裝置之后測得的3相泄漏電流和電容量。通過安裝在線監測裝置，可以實時監控套管的泄漏電流、電容量、介損等數據，掌握套管的健康狀態，提高變壓器運行可靠性。

圖12 套管在線監測數據

4 結語

對浙江電網已投運的主要變壓器套管廠家及其接地方式做了統計，針對3類不同的末屏引線柱引出方式的接地結構研制了相應的接口適配器。解決了套管末屏適配器信號引出、防水密封、防開路保護等3個關鍵問題，并在部份主變壓器上開展了管套末屏適配器試點安裝工作，研制的適配器應用范圍可覆蓋浙江電網已投運變壓器套管的98%左右，將為套管的在線監測提供有力的技術支撐。

[1]孫翔，何文林，胡文堂，等.變壓器狀態量的優化分析[J].浙江電力，2012，31（1）：6-9.

[2]王昌長，李福祺，高勝友.電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]鄒國平，何文林，孫翔.浙江電網在運變壓器套管末屏接地結構分析[J].浙江電力，2013，32（6）：5-9.

[4]DL/T 596-1996電力設備預防性試驗規程[S].北京：中國電力出版社，1997.