基于頻域介電譜法的套管受潮狀態現場評估

徐肖偉，孫兆臣，劉光祺

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 前言

電容型油紙絕緣套管作為應用于高壓電網主變套管的最主要型式，在運行過程中長期經受電、熱、水分、機械振動等多重因素的考驗。近年來，由于套管主絕緣受潮引起的變壓器安全事故屢有發生，甚至出現了500kV批次性的家族性受潮缺陷，極大影響了電網安全穩定。因此，對電容型油紙絕緣套管受潮狀態進行準確評估具有重要意義。

1 電容型油紙絕緣套管典型結構

電容型油紙絕緣套管主絕緣為電容芯子與絕緣油共同浸漬而成，是套管絕緣性能最為重要的部分。如圖1所示，油浸式套管的電容芯子由絕緣紙和多層鋁箔圍繞導電銅管卷制而成的圓柱形。其內部繞制的多層鋁箔極板，起到電容屏的作用，以控制套管電容芯子內部和表面的電場均勻化[1]。

電容型油紙絕緣套管外絕緣為瓷套，其作用是作為內絕緣的容器，使其不受外界潮氣、塵土、風雨雪等影響，上瓷套有傘裙，以提高外絕緣抵抗大氣條件如雨、霧、露、潮濕、臟污等能力，下瓷套在變壓器油中工作。套管外絕緣往往需要有一定的高度，以保證其表面不發生閃絡放電[1]。

圖1 電容芯子內部結構圖

2 套管受潮狀態無損評估方法

理化參數測量法是油浸式套管主絕緣受潮狀態診斷的一種間接方法，對溫度達到平衡狀態的套管進行取油操作，測試油中水分，根據油紙絕緣系統的水分平衡關系對其整體受潮狀態進行評估。由于油紙絕緣中絕大多數水分集中在紙中，且水分的平衡受溫度的變化影響很大，因此測試結果往往會有較大偏差。

目前，應用于現場的套管受潮狀態診斷的主要方法為工頻介質損耗tanδ測試[3]。在長期應用中發現，工頻介損對水分的敏感性較差，往往套管主絕緣含水量已發生較大變化，其工頻介損仍處于較低水平。

頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy,FDS）自上世紀90年代起逐漸引起越來越多的學者關注[2]。頻域介電譜法以電介質響應原理為基礎，可對試樣施加頻率范圍在10-4～104Hz的測試電場，根據輸入電壓和輸出電流的幅值、相位關系對試樣不同頻率下的介損tanδ、復介電常數ε*進行計算。頻域介電譜法因為具有測試頻段寬、試驗電壓低、測試過程對套管無損、攜帶絕緣信息豐富等特點而被廣泛應用于對油紙絕緣型電氣設備的絕緣狀態診斷。因此，頻域介質譜法應用于套管受潮狀態的現場評估的優勢就比較明顯[4-8]。

3 FDS測試及結果分析

本文用于實驗測試的套管試樣為云網110kV、220kV、500kV運行的主變高壓側三相套管，測試接線圖如圖2。實驗用于FDS測試的儀器通過外加升壓設備可輸出有效值為1400V，頻率范圍1mHz～103Hz的測試電壓。電容型油紙絕緣套管進行FDS測試時，高壓端加在套管引線連接端，測試端接在套管測試端子，實驗儀器與套管外殼良好共地。

圖2 FDS測試接線圖

3.1 FDS試驗測試結果

圖3為500kV主變套管的測試結果曲線，其中編號0182套管評估結果為紙中含水量是2.4%，按照500kV的含水量標準，該套管為受潮狀態，同時，對比測試了該套管的工頻介損值，FDS顯示的工頻介損值為0.658%與常規電橋測試的0.63%結果一致，其出廠試驗值0.37%，縱向對比可看出，套管有受潮的跡象。

圖3 500kV主變高壓側兩相套管FDS測試曲線

為進一步對測試結果進行驗證，對該套管進行了解體取紙樣，該套管共有25個主屏，每間隔一個主屏取一組紙試樣，共取13組試樣，在實驗室采用卡爾費休滴定法，測試結果如表1所示。

表1 500kV套管的紙樣含水量

從上表中看出，實驗室的取樣測試結果顯示：該套管有不同程度的受潮跡象，其中，最內屏的受潮最為嚴重，含水量達到2.86%，驗證了FDS測試方法的準確性。

圖4為220kV主變高壓側的三相套管FDS測試曲線，三相套管的FDS測試曲線隨著頻率下降略有上升，而A相、B相、C相套管的FDS曲線在各個頻段并為展現較大差異。

現有研究表明，隨著水分含量的增加，套管主絕緣引入更多雜質離子，單位體積內參與極化的帶點粒子增多，而油紙絕緣中的親水粒子和基團更容易離開平衡位置與水分子結合，這些分子積聚在油紙界面間，使界面極化更容易建立，而且隨著外加電場頻率的降低，外部電場變化的周期更長，油紙絕緣內部的極化也更容易建立[4,5,6]。具體表現為：復介電常數實部ε′、復介電常數實部ε′′、介質損耗tanδ隨著頻率上升均有不同程度的下降。而三相套管的FDS曲線在各個頻段的差異較小則說明投運時間和運行工況相同的三只套管含水量橫向比較基本無較大差異，評估結果顯示該主變高壓側A、B、C三相套管水分含量分別為0.5%、0.4%、0.4%，屬于干燥狀態。

圖4 220kV高壓側套管FDS測試曲線

圖5為110kV主變套管的測試曲線，在該圖中，該相套管測試曲線和干燥套管的測試曲線相接近，水份分析的結果為含水量0.9%，套管內絕緣為干燥狀態。在FDS譜圖中折算的工頻介損值為0.35%，與常規介損電橋測試的0.38%結果一致，從FDS和介損值來看，該套管為干燥狀態。

圖5 110kV主變中性點套管FDS測試曲線

3.2 FDS現場測試的干擾因素分析

現有研究對實驗室條件下的套管FDS測試已有大量成果。而實際現場條件下，電磁環境復雜，且檢修期間周圍電力設備開關動作頻繁，進行套管FDS測試時必須要對現場干擾的影響單獨研究。

圖6 不同工況下的220kV主變A相套管FDS測試曲線

圖6為對主變高壓側A套管不同條件下的介質損耗tanδ曲線，在測試時分別對另外兩相引線進行不同的處理。實驗結果發現，變電站現場的干擾主要來自于中頻部分。B相、C相套管引線未拆除時，工頻干擾對FDS測試結果的影響十分明顯。在50Hz處，A相套管的介損曲線產時生明顯跳變，并使得介損曲線整體規律性下降。此時介質損耗值為0.61%(50Hz，24℃)，與現場運維人員測試值0.311%(50Hz，24℃)有較大差別。在應用FDS法評估套管絕緣狀態時必須要盡量消除周圍工頻干擾源。

圖6中，在對B相、C相套管進行拆除引線處理后，工頻的頻點處干擾下降，此時工頻介損為0.312%。而干擾頻率點向高頻方向偏移，在100Hz附近影響較為明顯。因此可認定，在使用FDS法在現場對套管含水量進行評估時，消除工頻干擾后，100Hz附近的干擾源為最主要干擾，可考慮外加帶阻濾波設備濾除該頻率下的干擾以提高測試結果可靠性。

4 結束語

本文基于頻域介電譜法對500kV、220kV、110kV主變套管進行現場測試，通過測試結果與工頻介損值，初步評估了套管受潮狀態，對于現場運行的三組套管的介電譜測試評估結果，得出了一組500kV套管受潮的結論，并將解剖套管后取的紙樣在實驗室進行結果比對，驗證了FDS方法在現場測試數據及評估的準確性。對FDS現場測試的干擾因素進行了試驗研究，通過不同的工況（拆除套管端頭引流線與否），得出了拆除套管引流線可以有效減少空間雜散電容的耦合干擾的結論，基于FDS法的套管絕緣狀態現場測試，需要考慮使用外加帶阻濾波器消除中頻段（50Hz～100Hz）產生的干擾。