一起交流特高壓電抗器套管的油中溶解氣體異常分析

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

套管是一種將帶電導體引入電氣設備或穿過墻壁的絕緣裝置。特高壓套管是變壓器（電抗器）的重要組成部分，其作用是把特高壓變壓器或電抗器的引線引到油箱外部，起到引線對地絕緣和固定引線的作用[2]。特高壓套管結構復雜，一般情況下，總長超過13 m，總重接近7 000 kg，法蘭外徑1 200 mm 左右，具有“重、長、粗”的特點，有著良好的熱穩定性、較高的機械性能和可靠的密封性能[3]，是特高壓變電站中的關鍵性絕緣支撐設備，運維難度和運維壓力很大。近年來，由各類各電壓等級的變壓器套管故障引起的電力事故頻發，變壓器套管一旦出現故障，將造成變壓器停運，嚴重時甚至引發火災爆炸。據統計，套管導致的變壓器故障占變壓器重大故障總數的45%[4-5]。特高壓變壓器（電抗器）經濟成本更高、運行重要性更高、事故定級更高，因此，對交流特高壓電抗器套管運行狀態的評價以及異常缺陷的分析工作，具有更加重要的實際意義。

交流特高壓電抗器套管主絕緣一般采取油紙電容型結構，大量套管解體分析結果表明，這一類套管異常的主要原因為絕緣油紙受潮、過熱以及局部放電，這些都與套管加工工藝及密封性能密切相關。特高壓套管運行環境復雜，在長期電場、機械、溫度等應力作用下，初期微小缺陷就有可能發展為重大事故。目前，套管的狀態評價仍以定期的例行試驗為主，需要在停電狀態下對套管進行介損、局部放電和油中溶解氣體分析等檢測[6-9]。傳統例行試驗方法測試周期長，難以發現套管早期隱患，還容易造成套管隱性損害[10]。油浸式套管在故障早期油中會產出少量氣體，這作為判斷套管故障的重要征兆，通常可通過油色譜來進行多組分氣體分析診斷。需要注意的是，套管屬于少油設備，頻繁取油不僅可能造成套管油位過低，也可能破壞套管整體密封性。因此，套管生產廠家一般均不建議客戶取油樣，以減少由于操作不當給套管帶來的危險。

本文結合一起交流特高壓電抗器套管油中溶解氣體異常事件，分析其原因并給出相應的運維建議。

1 缺陷套管整體情況

該交流特高壓電抗器套管主絕緣為油浸紙電容芯子，外絕緣為瓷質材料結構[11]。最高工作電壓為1 100 kV，額定電流2 500 A，絕緣水平（Ur/AC/SIL/BIL）：1 100/1 200/1 950/2 400 kV，電容量689 pF；套管用絕緣油采用DDB（十二烷基苯）人工合成絕緣油。

套管頂部接線端子由帶法蘭的接線端子、過渡法蘭連接件、表帶觸指組成，下部接線端子通過表帶觸指與套管的載流導管相連接。在套管安裝法蘭位置附近設計有2 個油枕，通過不銹鋼軟管連接至套管本體，使整體油路相通。油枕內部配置密閉可伸縮的金屬腔體，用于補償套管內部絕緣油溫度變化時產生的壓力。結構如圖1 所示。

圖1 套管結構示意

2 缺陷套管檢測分析

2.1 油中溶解氣體檢測結果

缺陷套管為華東某特高壓交流變電站高壓電抗器（以下簡稱“高抗”）的高壓套管，投運日期為2013 年9 月。該套管投運后無明顯異常，共進行8 次停電例行試驗，電容量、介損等相關狀態量無明顯變化。2020 年5 月，高抗停電檢修時，對高抗三相套管油中溶解氣體進行了離線檢測，異常相套管油色譜數據及另外兩相數據見表1。

表1 套管離線油色譜檢測數據 μL/L

從表1 可以看到，缺陷相（A 相）套管氫氣（90.24 μL/L）、甲烷（45.29 μL/L）、乙烷（204.87 μL/L）等特征氣體含量接近或超出注意值[14]，且明顯高于對比相（B 相、C 相）套管。對比相套管如B 相的氫氣（26.23 μL/L）、甲烷（15.21 μL/L）、乙烷（69.08 μL/L）含量僅為缺陷相的三分之一。由標準可知，缺陷套管特征氣體比值（C2H6/C2H4）大于1，三比值法計算結果為（0，0，0），對應于低溫過熱（低于150 ℃）故障，套管中可能存在油中導體過熱缺陷。

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2.2 診斷性試驗結果

為準確評估缺陷套管狀態和運行風險，對該交流特高壓電抗器套管開展了系列診斷性試驗，主要試驗項目有FDS（頻域介電譜）、局部放電、高壓介損、雷電沖擊等。具體流程如圖2 所示。

圖2 套管診斷性試驗流程

套管熱穩定試驗時，升溫和降溫過程中分別在30 ℃，45 ℃，60 ℃和90 ℃進行頻域介電譜測試、紅外測溫以及套管壓力檢測；升溫至45 ℃，60 ℃和90 ℃時進行油色譜分析；90 ℃時每隔1 h進行1 次高電壓介損試驗，共測試6 次，過程中持續加壓667 kV。除熱穩定試驗周期外，每次絕緣試驗24 h 后抽取油樣進行油色譜檢測分析。

套管診斷性試驗結果：試驗前套管油中溶解氣體測試結果與現場測試結果一致，熱穩定試驗后，總烴（205.2 μL/L）超過標準注意值（100 μL/L），氫氣（81.0 μL/L）、甲烷（40.8 μL/L）、乙烷（162.9 μL/L）等氣體含量偏高。套管雷電沖擊試驗前后的高電壓介損無明顯差異，667 kV 處的介損值為0.310%，953 kV 處的介損值為0.339%，滿足介損值不大于0.4%及667 kV 升壓到953 kV 介損增量不大于0.1%的要求。熱穩定試驗后的高電壓介損值略微降低（667 kV 處0.275%，953 kV 處0.322%），推測因環境溫、濕度發生變化導致。套管共進行了3 輪局部放電試驗，雷電沖擊前套管升壓至953 kV 時放電量為2.6 pC，雷電沖擊后升壓至953 kV 時放電量為1.8 pC，熱穩定試驗后升壓至953 kV 時放電量為7.68 pC，滿足局部放電量不大于10 pC 的要求。

初步分析認為，該套管絕緣無異常，其氫高、總烴高異常現象可能是過熱、有異物等其他原因所導致，需進行解體分析，檢查套管的內部結構、材質以及平整度、潔凈度情況等。

2.3 解體檢查分析結果

為進一步分析套管異常原因，對套管進行解體檢查。根據該套管的結構特點，解體檢查按套管空氣側、油中側、中間法蘭和末屏、電容芯體、載流管的順序實施。

檢查中發現（圖3），套管空氣側（頭部接線端子、過渡法蘭連接件、上瓷套等）各部件表面完好，密封圈無破損，未見密封不良、進水受潮、生銹、放電等現象。套管油中側（尾端接線端子、下瓷套等）各部件表面完好，無受損現象。

圖3 套管空氣側和油中側檢查

檢查套管中間法蘭處發現，鋸開套管兩側油枕的連接不銹鋼軟管，其內壁靠套管側存在深色氧化痕跡，如圖4 所示。

套管電容芯體整體外觀無異常，表面無閃絡痕跡、黑點、深色區域或其他不規則現象。逐層檢查128 層鋁箔，整體情況良好，每層鋁箔邊沿間距連續，梯度布置均勻。鋁箔未見斷開和放電痕跡，未見X 蠟。局部區域存在輕微褶皺現象，個別層鋁箔存在直徑2～8 mm 的孔洞；4 處絕緣紙存在直徑1～5 mm 異物（圖5）。上述對應部位均無放電或過熱痕跡。電容芯檢查結果驗證了該套管絕緣試驗無異常的情況；不銹鋼軟管的應用可能是造成氫高的原因；油中總烴含量異常可能并不是套管過熱引起。

圖4 套管油枕檢查

圖5 逐層絕緣紙和鋁箔檢查

2.4 絕緣紙檢測

將絕緣紙完好區域及黑色特征點經噴金處理后置于SEM（掃描電子顯微鏡）中以觀察其表面的微觀形貌，并對特征區域的元素成分進行能譜分析。絕緣紙顯微形貌如圖6 所示。

從圖6 可以看出，絕緣紙由條狀纖維編織而成，完好區域絕緣紙的微觀形貌中纖維條狀輪廓清晰，脈絡清楚。絕緣紙黑色特征點表面仍然有明顯的條狀纖維，但是纖維之間已經開始發生粘連，纖維的輪廓和脈絡開始變得模糊。

圖6 絕緣紙顯微形貌

絕緣紙能譜分析結果如圖7 和表2 所示。絕緣紙主要成分纖維素由C，H 和O 元素組成。除H 元素因質量太輕無法通過能譜檢測分析外，其余2 種元素含量基本一致。黑點區域除了C 和O元素外，還含有少量的Mg 和Si 元素。

取電容芯體第0，7，36，62 屏鋁箔的絕緣紙進行聚合度測試，聚合度分別為1279，1092，1093，1090；取第126 屏2 處絕緣紙，一處為靠近鋁箔，一處為遠離鋁箔，聚合度分別為1180和1226。結果表明套管芯體絕緣紙狀態均良好，無老化現象。該套管于2013 年投運，至今運行7年，也遠未達到設計使用壽命。

3 異常原因分析

該套管電容芯體無放電、老化情況。鋁箔褶皺、破損和絕緣紙黑點異常應為卷制過程中環境質量、工藝質量把控不嚴導致，與套管油色譜異常無明顯關聯。

圖7 絕緣紙能譜分析

表2 能譜分析結果 wt·%

套管采用的DDB 人工合成絕緣油，屬于弱極性材料，具有粘度低、介質損耗低、擊穿場強高的混合物等特點[12]。DDB 油既有單環芳烴的良好的吸氣性，也具有烷烴的較差的熱穩定性和氧化安定性，在溫度70～80 ℃時就會裂解，從而產生甲烷、乙烷等特征氣體[13]，普通變壓器絕緣油裂解溫度為105 ℃左右，因此在A 相套管運行溫度雖未超過注意值，但相對溫度較高的情況下會造成總烴含量異常。

套管油枕的連接不銹鋼軟管焊接過程中使用了不銹鋼焊條，其主要成分為鉻和鎳，其中鎳的催化活性較高。鎳在工業上常用作不飽和烴加氫的催化劑，具有降低活化能的特性，因此亦是飽和烴脫氫的良好催化劑。鎳的催化活性主要取決于不銹鋼表面鎳構成的平面密堆層所占總表面積的大小；表面缺陷產生的鎳原子數量；鎳原子團簇在絕緣油中的濃度。由于催化中心濃度具有很強的隨機性，與不銹鋼表面狀態有關，又因為不同器件加工及使用狀態不同，因此不同套管內氫氣含量存在較大的個體差異。

正常運行中，不銹鋼材質在油中不應產生表面氧化等異常現象。該套管油枕連接不銹鋼軟管內壁的深色氧化痕跡表明了套管油枕存在焊接脫氫處理等工藝控制不到位問題，從而導致該套管油中氫氣含量高的異常情況[15－17]。

4 結語

缺陷套管油中溶解氣體分析結果中的氫氣含量異常是由于不銹鋼材料對絕緣油的催化作用引起，油枕的不銹鋼連接軟管焊接脫氫處理不到位，表面的鎳作為催化劑導致油中氫氣的析出。甲烷和乙烷氣體異常是套管使用了DDB 人工合成絕緣油引起，在低于常規注意溫度的狀態下裂解，導致油中該類特征氣體的析出。

油中氣體的異常增長，積聚到一定程度后，最終也會引起局部放電等絕緣問題，從而引發設備故障。針對交流特高壓電抗器套管，一方面，需要明確在運正常套管運維管控措施及異常處置標準，加強套管油色譜分析及紅外測溫工作，進一步分析普通礦物油和DDB 人工合成油中溶解氣體的取樣要求和判斷標準差異。另一方面，針對存在異常的同批次套管，需要加快推進油壓、氫氣、相對介損等套管運行狀態在線監測技術研究及應用，提升狀態管控及故障預警能力。