核電廠廠用變壓器長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓帶局部放電試驗(yàn)裝置的優(yōu)化

黃勝茂

(臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，浙江 臺(tái)山 529200)

1 廠用變壓器外部閃絡(luò)情況描述

初步分析認(rèn)為，A、B相套管外SF6氣室存在雜質(zhì)，隨后回收SF6并對(duì)SF6氣室進(jìn)行拆卸觀察。

2 故障查找及分析

2.1 全封閉組合電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

全封閉組合電器(GIS)氣室是全部采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，并將所有的高壓電器元件密封在接地金屬筒中的一種金屬封閉開關(guān)設(shè)備。它是由斷路器、母線、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器及套管組合而成的高壓配電裝置，此次試驗(yàn)的變壓器采用油-氣(SF6)高壓套管，套管頂部與外部GIS設(shè)備采用直連方式對(duì)接，試驗(yàn)前將套管與GIS連接直連段拆除，安裝試驗(yàn)用的臨時(shí)均壓罩，并對(duì)氣室充入合格SF6氣體，氣體壓力及微水均合格。

吊開GIS氣室，對(duì)試驗(yàn)變壓器的高壓套管表面和GIS氣室內(nèi)壁進(jìn)行外觀檢查，套管表面未見明顯放電灼黑痕跡，但在GIS氣室內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)放電痕跡即黑色點(diǎn)跡。

經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，放電點(diǎn)與均壓罩距GIS氣室法蘭面的距離相等，因此初步判斷是均壓罩對(duì)GIS筒壁發(fā)生放電。

2.2 成因分析

為進(jìn)一步確定是否是試驗(yàn)均壓罩對(duì)GIS氣室內(nèi)壁放電，可從以下兩方面進(jìn)行分析。

2.2.1 試驗(yàn)均壓罩處的場(chǎng)強(qiáng)分布情況

GIS氣室內(nèi)壁是電場(chǎng)最小的位置，場(chǎng)強(qiáng)最大的位置是油氣套管頂部、柱狀均壓罩表面，如圖1所示。

圖1 柱狀均壓罩結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)試驗(yàn)罩處可看成一個(gè)同軸帶電體，其表面場(chǎng)強(qiáng)分布可通過高斯定理模型來進(jìn)行分析：

(1)安裝了GIS的柱狀均壓罩，其可近似等效為均勻帶電無限長(zhǎng)圓柱面的電場(chǎng)。假設(shè)沿軸線方向單位長(zhǎng)度帶電量(電荷的線密度)為τ，軸體的半徑為r(r取200 mm)。圓周率為π，介電常數(shù)為ε0，E1為電場(chǎng)強(qiáng)度，S是為圓柱體截面積，l為柱體高，則穿過圓柱面的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E的通量為：

(1)

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)定義，單位場(chǎng)強(qiáng)等于單位帶電量與單位距離的比值，此時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)E1為：

E1=τ/(2πε0r)

(2)

(2)安裝了半球型的均壓罩，其可近似等效為均勻帶電球體的電場(chǎng)，此時(shí)電通量為：

(3)

因電荷量∑qi=q即E24πr2=q/ε0，則此時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)E2為：

E2=q/(4πε0r2)

(4)

所以，只需通過比較二者的場(chǎng)強(qiáng)大小就可判斷是否GIS試驗(yàn)罩更容易放電，即只需比較λ與q的大小。對(duì)于均勻帶電圓柱面的電場(chǎng)，近似認(rèn)為圓柱體高h(yuǎn)=2r，帶電量密度為ρ，則其帶電量λ=πr2hρ=2πr3ρ，而均勻帶電半球體的電場(chǎng)其帶電量q=2/3·πr3ρ，則E1/E2=6r>1 (r為0.2 m)，即E1>E2，則可得出均勻帶電無限長(zhǎng)圓柱面的電場(chǎng)是大于均勻帶電球體電場(chǎng)。因此，現(xiàn)場(chǎng)GIS的柱狀均壓罩要比油氣套管的半球型均壓罩的場(chǎng)強(qiáng)大(E1>E2)，更容易發(fā)生擊穿和放電。因此，油氣套管頂部、試驗(yàn)屏蔽罩表面對(duì)GIS氣室發(fā)生放電是可能的。

2.2.2 試驗(yàn)均壓罩的結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的柱狀均壓罩表面存在棱邊和圓弧，加之制造工藝的偏差，試驗(yàn)罩表面不可能完全光滑，導(dǎo)致這個(gè)棱角面的場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，從而造成對(duì)GIS內(nèi)壁的放電。因此，可初步判斷是由于均壓罩選型錯(cuò)誤造成此次局部放電試驗(yàn)過程中發(fā)生對(duì)GIS氣室內(nèi)壁的放電。

為此，要求變壓器廠家提供一個(gè)半球型試驗(yàn)均壓罩，如圖2所示。從而改變?cè)囼?yàn)罩表面處的場(chǎng)強(qiáng)，避免均壓罩對(duì)GIS氣室內(nèi)壁放電。

圖2 優(yōu)化后的半球型均壓罩外形圖

3 優(yōu)化試驗(yàn)裝置試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述假設(shè)，通過更換為半球型均壓罩，再次試驗(yàn)。試驗(yàn)前，對(duì)GIS氣室和試驗(yàn)裝置進(jìn)行充分清潔，同時(shí)對(duì)變壓器本體進(jìn)行絕緣特性試驗(yàn)，測(cè)量介質(zhì)損耗(簡(jiǎn)稱“介損”)和電容量，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與局部放電前的數(shù)據(jù)作對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可以看出：(1)絕緣電阻在換算至同一溫度時(shí)不低于出廠值的70%；(2)繞組介損與出廠值相比不大于30%；在室溫不低于10 ℃時(shí)，套管介損不大于0.5%，電容量變化不超過出廠值的±5%；(3)繞組的絕緣電阻、介損和電容量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

因此，可確定第一次局部放電試驗(yàn)后變壓器的絕緣特性未受影響。同時(shí)對(duì)SF6氣體進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 變壓器本體絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 第二次局部放電試驗(yàn)前SF6氣體試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 高壓繞組局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可知，A、B、C三相的局部放電量均滿足交接試驗(yàn)協(xié)議要求(≤100 pC)[1]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。

按照相同的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)接線，在1號(hào)廠用變壓器上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓和局部放電試驗(yàn)，試驗(yàn)順利通過，表明現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)裝置是正確可行的。

4 結(jié)論

(1)原試驗(yàn)裝置在發(fā)生閃絡(luò)后，分析方向不明確，且無有效手段處理，處理周期長(zhǎng)，且反復(fù)試驗(yàn)存在損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，另外多次請(qǐng)專業(yè)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)需要較高費(fèi)用；新試驗(yàn)裝置一次試驗(yàn)成功，節(jié)約大量工期(約20多天)，因此也節(jié)約了成本。

(2)優(yōu)化后的試驗(yàn)裝置已經(jīng)在某核電廠項(xiàng)目1、2號(hào)機(jī)組輸變電系統(tǒng)(GEV)共計(jì)12臺(tái)500 kV變壓器上成功實(shí)施，未發(fā)生一起外部閃絡(luò)現(xiàn)象，局部放電試驗(yàn)均一次順利完成，加快了安裝進(jìn)度；變壓器的局部放電量均控制在100 pC以內(nèi)。

(3)該試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單實(shí)用，質(zhì)量工藝易于控制，安全系數(shù)高，保證了500 kV變壓器局部放電試驗(yàn)工作的順利完成；同時(shí)，為某核電廠500 kV倒送電創(chuàng)造了條件，也為1號(hào)機(jī)組后續(xù)重要里程碑奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)效益可觀，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。