220 kV電流互感器油中溶解氣體異常故障分析

李雙雙，張曉明，李家琪

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.河北華電沽源風(fēng)電有限公司，河北 張家口 075000)

作為電力系統(tǒng)必不可少的一次設(shè)備，電流互感器不僅起著電流測量作用，而且還有重要的保護(hù)和錄波作用[1-3]。電流互感器的運行可靠性直接影響著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[4-5]。

電流互感器在運行過程中，由于制造工藝缺陷、運行環(huán)境惡劣及檢修水平較低等原因會出現(xiàn)不同類型的故障，輕則造成電網(wǎng)參數(shù)波動，重則引起火災(zāi)造成停電事故[6]。因此，定期對電流互感器進(jìn)行狀態(tài)檢修必不可少，一旦發(fā)現(xiàn)問題要及時查明原因并進(jìn)行維修和更換。對電流互感器故障進(jìn)行深入分析，完善電流互感器故障信息庫，便于快速準(zhǔn)確查找故障原因，并確定缺陷處理方案。本文重點對220 kV電流互感器油中溶解氣體異常故障進(jìn)行分析。

1 油浸正立式電流互感器

以絕緣類型劃分，電流互感器主要有油浸式、干式和澆注式等類型。在220 kV電力系統(tǒng)中，電流互感器大多設(shè)于戶外，以油浸式為主。干式電流互感器運行經(jīng)驗不足，相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，澆注式電流互感器主要用于35 kV及以下系統(tǒng)，而油浸式電流互感器由于性價比高、性能穩(wěn)定、便于維修等優(yōu)勢應(yīng)用更為廣泛[7-8]。

以結(jié)構(gòu)形式劃分，電流互感器分為正立式和倒立式[9-10]。正立式電流互感器重心在下部，一次繞組承擔(dān)主絕緣，而下部放置二次繞組；倒立式電流互感器重心在上部，上部的二次繞組承擔(dān)主絕緣。正立式電流互感器耗材較多，但生產(chǎn)技術(shù)和工藝要求較低，價格也更為低廉。相比于倒立式，正立式電流互感器重心位于下部，更為穩(wěn)定。在220 kV電力系統(tǒng)中油浸正立式電流互感器被廣泛使用。

油浸正立式電流互感器以瓷套作為外絕緣，主絕緣為電容型[11]，電容型絕緣電流互感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在U型一次繞組上最里層零屏連接一次繞組，最外層末屏接地，主絕緣以等絕緣厚度的電屏層間設(shè)計。絕緣包扎使用鋁箔、絕緣皺紋紙、玻璃絲布帶、收縮帶，在每張鋁箔上均勻打孔以便于真空干燥和浸漬處理。在對U型繞組進(jìn)行絕緣包扎時，在U型底部變形處易造成外弧絕緣減弱，一般用電容器紙在紙帶稀疏處多層包扎。絕緣包扎后的U型繞組，每隔一段距離用收縮帶進(jìn)行多層綁扎，以增強器身對沖擊短路電動力的耐受能力。在綁扎過程中在綁扎帶之間加墊絕緣木塊以防止器身扭轉(zhuǎn)。

2 故障情況

2018年9月，在對一臺220 kV電流互感器進(jìn)行例行試驗時，A相和C相試驗結(jié)果正常，B相油中溶解氣體數(shù)據(jù)顯示異常，氫氣、乙炔、總烴含量均超過規(guī)程規(guī)定注意值(220 kV電流互感器油中溶解氣體注意值為乙炔≤1 μL/L，氫氣≤150 μL/L，總烴≤100 μL/L)[12]。試驗人員對該電流互感器進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，再次采油進(jìn)行油中溶解氣體分析，結(jié)果顯示試驗數(shù)據(jù)與上次比較無明顯變化，仍然超標(biāo)，最終對電流互感器采取更換處理。

電流互感器型號為LB10-220W3，出廠日期為2009年7月。

B相電流互感器油中溶解氣體試驗數(shù)據(jù)如表1所示，溶解氣體譜圖如圖2所示。

表1 B相電流互感器油中溶解氣體試驗數(shù)據(jù)

3 試驗分析

按照高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修要求，對電流互感器進(jìn)行了絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ及電容量測試試驗。

3.1 絕緣電阻試驗

采用2 500 V兆歐表對電流互感器進(jìn)行絕緣檢測，測得主絕緣電阻值為5 000 MΩ，末屏絕緣電阻值為10 000 MΩ，試驗結(jié)果顯示電流互感器絕緣電阻值在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)(110 kV及以上電流互感器一次繞組絕緣電阻應(yīng)大于3 000 MΩ，末屏對地大于1 000 MΩ)。

3.2 介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ及電容量Cx試驗

220 kV電流互感器tgδ及Cx試驗采用10 kV試驗電壓，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量試驗結(jié)果

介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量符合規(guī)程的規(guī)定≤0.01，電容量初值差不超過±5%。

3.3 油中溶解氣體分析

對電流互感器B相油中溶解氣體試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行三比值分析[13-14]，三比值編碼為“210”，根據(jù)改良三比值法判斷其內(nèi)部可能存在低能放電故障。

根據(jù)無編碼比值法，計算：

兩種分析方法均表明電流互感器內(nèi)部可能存在低能放電。

4 解體分析

為驗證試驗結(jié)果，并進(jìn)一步明確故障原因，對電流互感器進(jìn)行解體分析。放油之后依次取下油箱和瓷套，進(jìn)行吊芯。經(jīng)檢查油箱完好，二次繞組排列整齊，無變形和破損，一次繞組外觀良好，表面無明顯放電痕跡，如圖3所示。

對一次繞組進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)在兩片U型繞組中部縱向在一處絕緣層有明顯凹陷，此處多層聚四氯乙烯薄膜褶皺，并有帶狀碳黑沉積，如圖4所示。

通過進(jìn)一步解剖發(fā)現(xiàn)在電容屏上有明顯的斷裂，如圖5所示。電容屏錫箔紙上多處存在明顯的蠟狀物質(zhì)，如圖6所示。

5 故障原因

(1)制造工藝不良，繞組加工過程中真空處理不徹底，繞包工藝不精，導(dǎo)致絕緣包扎不緊實，因此出現(xiàn)了絕緣紙多處褶皺和電容屏斷裂情況。

(2)褶皺和斷裂處絕緣薄弱，在運行過程中絕緣薄弱處易發(fā)生局部放電并伴有發(fā)熱，加劇絕緣油劣化。存在局部放電時，在絕緣油分子裂解過程中會釋放氫氣和甲烷，在高溫作用下，絕緣油會釋放產(chǎn)生甲烷、乙烷、乙烯等烴類氣體，這也導(dǎo)致電容屏周圍絕緣油蠟化，析出大量X蠟。電容屏蠟化進(jìn)一步降低了整體的絕緣性能，加劇局部放電，并使溫度升高，這導(dǎo)致絕緣油進(jìn)一步劣化，如此惡性循環(huán)，最終造成停機。

(3)由于褶皺和斷裂點為多點分布式，局部放電為多次分散發(fā)生，油中溶解氣體逐漸累積，超出注意值，但沒有形成貫穿性絕緣故障，因此電流互感器整體絕緣電阻和介質(zhì)損耗仍然在正常范圍之內(nèi)。

(4)絕緣薄弱處電場相對集中，存在放電現(xiàn)象，產(chǎn)生油隙擊穿，在結(jié)緣層上產(chǎn)生了積碳，但放電范圍小，低能放電，因此只出現(xiàn)了少量積碳，沒有形成大范圍的灼燒。

6 結(jié)語

該電流互感器故障為絕緣層多處局部放電，具有放電量小、中度發(fā)熱、故障分散等特點，導(dǎo)致此類故障在例行電氣試驗中難以發(fā)現(xiàn)。

局部放電的根本原因是電流互感器制造工藝不良，應(yīng)改善并加強電氣設(shè)備生產(chǎn)工藝流程，嚴(yán)格把控出廠試驗，避免類似質(zhì)量問題引起設(shè)備故障。

有色譜分析能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的早期潛伏性故障，具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。應(yīng)嚴(yán)格按照《規(guī)程》定期對充油設(shè)備進(jìn)行油中溶解氣體分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的缺陷和故障。