一起1 000 kV特高壓并聯(lián)電抗器內(nèi)部故障分析

束 暢，章 茜，高 燃，黃道均，馬 凱

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司,安徽 合肥 230009)

特高壓并聯(lián)電抗器(簡稱高抗)是連接在特高壓輸電線路的始、末端和大地之間的電氣設備，其主要任務是補償無功功率。除此之外，它可以減小輕載線路中電容效應所引起的電壓抬升和操作過電壓，改善沿線無功功率和電壓分布，提高線路功率因數(shù)，加速潛供電流的熄滅，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送電力能力[1]。

2 250/1 100；油箱結(jié)構：鐘罩式。

1 油中溶解氣體分析

1.1 原理

當油浸式電抗器內(nèi)部發(fā)生油紙老化、發(fā)熱甚至局部放電等缺陷時，設備內(nèi)部會產(chǎn)生多種氣體(如氫氣、一氧化碳、二氧化碳、烴類等)，產(chǎn)生氣體較少時，這些氣體會溶解在變壓器油中，氣體種類和含量不同可以反映不同的故障類型，通過儀器將變壓器油和氣體分離，對氣體成分、含量檢測，通過“三比值”法則判斷故障類型，從而診斷電抗器內(nèi)部絕緣狀況[2]。

1.2 實例分析

高抗自投運以來，油中含氣量變化見表1。油化試驗中的油色譜乙炔指標未見異常。2014年12月有激增現(xiàn)象，12月15日凌晨油樣中乙炔含量由1.4 μL/L突然增長至3.9 μL/L； 12月15日8：00增長至5.3 μL/L；12月15日18：00為4.52 μL/L；12月18日18:00為4.13 μL/L；總烴由22.5 μL/L增至181.6 μL/L；一氧化碳和二氧化碳基本無變化。

表1 2014年油中含氣量變化 μL/L

相對產(chǎn)氣率是指某時間段內(nèi)氣體含量增加至原有值的平均數(shù)，通過對不同時刻所取油樣進行氣體分析。12月14日20:00至12月15日00:00 5 h總烴的相對產(chǎn)氣速率計算得：

(1)

12月15日00:00至12月15日02:00 2 h總烴的相對產(chǎn)氣速率計算：

(2)

式中：r1、r2為對應時間段相對產(chǎn)氣率；C1、C2表示對應某時刻的氣體含量；Δt1、Δt2表示對應時間段的時間差。

綜合分析，15日凌晨2 h的產(chǎn)氣率為14日5 h產(chǎn)氣率的3.47倍，呈明顯上升趨勢，且乙炔含量自14—15日又大幅度上升，根據(jù)規(guī)程總烴的相對產(chǎn)氣率大于10%時，應進行進一步診斷，且氣體中有乙炔產(chǎn)生，初步判斷有放電現(xiàn)象。但尚不能確定放電點位置，需通過其他檢測手段準確定位[3]。

2 帶電檢測的應用

2.1 超聲波局部放電檢測

局部放電是指在運行電氣設備在強電場作用下，部分區(qū)域或位置發(fā)生微小放電，而沒有形成貫穿性施加電壓，即主絕緣尚未被擊穿，局部放電時放電點會產(chǎn)生不同頻率的超聲波信號[4]。超聲波局部放電檢測是對這些信號進行采集、處理和分析，并根據(jù)結(jié)果診斷設備狀態(tài)的一種檢測手段。

當設備內(nèi)部存在局部放電時，隨著放電的進行會發(fā)生向四周發(fā)散傳播爆裂狀的聲波，在設備外沿面上安裝超聲波傳感器來接收聲波信號，并將聲波轉(zhuǎn)換成電信號，分析電信號的異常及變化規(guī)律，就能對高抗內(nèi)部局部放電水平進行判斷，根據(jù)測得電信號強弱預判局部放電點的位置，即為超聲波局部放電檢測法[5]。

超聲波具有很強的穿透介質(zhì)能力，并且在通過不同介質(zhì)時波形會發(fā)生畸變，主要表現(xiàn)為幅值衰減，超聲波在電力設備常見介質(zhì)中的傳播速度和衰減率見表2。

表2 超聲波在介質(zhì)中傳播速度和衰減率

變電站有很多電磁信號干擾源，為使局放測量更加精確，需要屏蔽或繞開干擾頻率[6]。一般情況下，局部放電產(chǎn)生的聲波在氣體中傳播頻率約為0～10 kHz，在變壓器油及油箱外殼中傳播頻率約為30～550 kHz。由于運行中電抗器鐵芯的振動噪聲大多在20 kHz以下，但頻率越高，在傳送過程中的衰減程度越大[7]。因此，超聲波局部放電檢測頻率一般在10～600 kHz，本次測試用儀器頻帶寬為40～300 kHz。

在高抗4個側(cè)面，每個面分別選取上、中、下各3個點進行超聲波局部放電測試，分別對其編號①—，測試結(jié)果見表3。

表3 高抗12個位置的局部放電值 pC

結(jié)果表明，放電量大于1 000 pC位置有一處(測試點④)。經(jīng)過使用不同信號的局部放電測試儀對比可知，確定測試點④的放電量相對固定，穩(wěn)定在1 000 pC附近，測試點④的局部放電圖譜如圖1所示，測試點⑥超聲波檢測圖相位幅度頻譜如圖2所示，測試點⑥頻域圖譜如圖3所示。

由于超聲波局部放電反映的是聲波信號，因此檢測數(shù)據(jù)的大小可能高抗內(nèi)部發(fā)生局部放電而接受到的聲波信號，也可能是由于高抗自身振動引起的鐵芯夾件振動而接收到的聲波信號，但無論如何均可以根據(jù)測試結(jié)果的大小，確定高壓電抗器內(nèi)部的聲源或者是放電部位，本次測量數(shù)據(jù)較大的部位均在高抗的西側(cè)面上部附近[8]。

圖1 位置④的局部放電圖譜

圖2 高抗超聲波檢測相位-幅度圖譜

圖3 高抗超聲波檢測頻域圖譜

2.2 特高頻局部放電測試

特高頻局部放電測試法(UHF法)是電氣設備局部放電檢測的一種新方法。局部放電通常會伴有正、負電荷的產(chǎn)生、中和，變壓器油分解等物理和化學變化。在放電路徑中會產(chǎn)生時間極短、幅值很大的脈沖電流，當電流脈沖的陡度較大時，電磁波信號的特高頻分量十分明顯，利用設備測量這個特高頻分量可以判斷放電情況[9]。

變壓器油中放電脈沖的上升沿很陡，能量很大，通常在1 ns以內(nèi)，所以局部放電能夠激發(fā)出高頻率的電磁波，其數(shù)量級可達GHz[10]。通過在變壓器上方安裝傳感器可接收輻射產(chǎn)生的UHF電磁波，進而實現(xiàn)UHF法局部放電檢測。

采用PD71型特高頻局部放電測試儀對高抗進行局部放電檢測，將外置式傳感器貼于高抗表面，并使用耦合劑處理，傳感器放置在西面上部(即位置④)、西面下部(即位置⑥)，儀器顯示能檢測到異常信號。

通過圖4、圖5所示的局部放電相位統(tǒng)計譜圖(簡稱PRPD)、脈沖序列分布譜圖(簡稱PRPS)中可以看出，確有異常信號分散在通道1和通道2，但通道3不明顯，故不能完全確定放電大小及位置。目前，特高頻法局部放電測試的實用性也面臨著一些問題，其測量機理是對局放脈沖電流的電磁波測量，而電磁波的強弱和放電量的數(shù)量關系不能確定，因此無法進行視在放電量的標定。通常情況下,外置式傳感器靈敏度明顯低于內(nèi)置式，如果安裝內(nèi)置式傳感器，就務必將設備內(nèi)部結(jié)構上進行一些改動，對高壓設備來說，電磁環(huán)境、內(nèi)部場強都需要進行調(diào)整，所以給變壓器設計增加了不可預知的因素。目前，一般是在設備外壁預埋傳感器開孔或利用注、放油閥或者在線監(jiān)測接口將特高頻傳感器伸進變壓器箱體。這種檢測方法的實際應用中還存在一定缺陷[11]。

圖4 三通道PRPD圖譜

圖5 三通道PRPS圖譜

3 吊罩前試驗及檢查

3.1 吊罩前試驗

放油吊罩前對三相高抗進行直流電阻測試，折算到20 ℃下，與出廠試驗數(shù)據(jù)趨勢一致，利用縱橫比法分析，與出廠試驗數(shù)據(jù)相符，排除了繞組電流回路故障。隨后進行鐵芯與夾件的絕緣電阻測量，結(jié)果見表4。

表4 吊罩前絕緣電阻試驗

3.2 吊罩檢查

從油箱下部人孔進箱開始檢查，排查故障點。在散熱器側(cè)，夾件A柱下部磁分路的絕緣紙板與絕緣端圈之間發(fā)現(xiàn)一斷裂的屏蔽帽，取出屏蔽帽后，發(fā)現(xiàn)磁分路絕緣紙板和絕緣端圈有2處明顯的燒蝕痕跡，其中磁分路絕緣紙板處為5 mm×6 mm的橢圓形，深度約1 mm，絕緣端圈處為寬度2 mm的三角形，深度約1 mm，另外一處是黑點，如圖6與圖7所示。同時，在對應的A柱上部磁分路的屏蔽管處發(fā)現(xiàn)斷裂的屏蔽帽殘痕，具體故障點如圖8所示。

隨后進一步對所有接地螺栓和緊固件進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)其他任何異常情況，并對磁分路區(qū)域進行重點排查，未發(fā)現(xiàn)異常。隨后開始消除清理故障點，對絕緣端圈的燒蝕部位及絕緣紙板的碳化痕跡進行清除，對斷裂的屏蔽帽進行更換。對高抗油箱內(nèi)部進行全面清理和檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

圖6 掉落的屏蔽帽

圖7 掉落的屏蔽帽以及放電點

圖8 失去屏蔽帽的螺栓

4 結(jié)果分析

本文從高抗油色譜乙炔數(shù)據(jù)異常入手，通過含氣量計算，超聲波局部放電測量及特高頻局部放電測量，對高抗內(nèi)部疑似放電情況分析，最終通過吊罩內(nèi)檢查出故障點，并進行處理。

屏蔽帽斷裂脫落是此次故障發(fā)生的原因，掉落過程經(jīng)過高電場區(qū)域，最終所產(chǎn)生的放電和過熱引起油色譜的異常。 上述燒蝕和碳化痕跡與運行中出現(xiàn)的油色譜特征氣體含量基本吻合，也與運行中檢測到明顯的高頻和超聲局部放電信號相一致， 該故障發(fā)生的機理是：掉落在磁分路絕緣紙板上的磁性屏蔽帽處于低電位，而相鄰絕緣端圈受 A 柱下端1 000 kV 電壓作用有一定的高電位，因此在磁性屏蔽帽與絕緣端圈的接觸處有2處燒蝕痕跡，屬于一定能量的局部放電燒損。由于該磁性屏蔽帽所處的位置主要由磁分路絕緣紙板支撐， 一旦與絕緣端圈的燒蝕痕跡達到一定深度以后，局部放電可能會進一步降低甚至消失。 磁性屏蔽帽在高磁場區(qū)域發(fā)熱形成局部過熱也是形成該區(qū)域碳化的原因。電抗器的振動對該磁性屏蔽帽與絕緣端圈的電熱燒蝕也起到一定程度的作用。

5 結(jié)束語

加強對大型變壓器類設備在線監(jiān)測裝置跟蹤力度，發(fā)現(xiàn)異常及時采用多種方法進行診斷，并綜合對比分析，從而得出可靠的結(jié)論。對變壓器部件進行駐廠、竣工、交接環(huán)節(jié)驗收，嚴控設備質(zhì)量關，敦促變壓器廠商加大對其零配件供應商提供配件的檢測力度，提高缺陷部件的檢出率，加大金屬技術監(jiān)督力度，防止不良設備流入電網(wǎng)。