一起干式互感器的局部放電缺陷分析

梁軍龍，徐肖偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

干式互感器主要由硅鋼片組成的鐵芯和漆包線繞制的線圈，并用環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，相較于油浸紙絕緣互感器和SF6互感器具有無(wú)油、無(wú)氣泄漏、維護(hù)工作量小，體積小、重量輕的特性[1-2]。隨著我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，干式互感器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。干式互感器干式半絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣裕度小，熱穩(wěn)定性較差，其缺陷及故障主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)工藝上的缺陷、設(shè)備本體絕緣、設(shè)計(jì)生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題、受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響等。

干式組合式互感器內(nèi)部絕緣在各種原因造成在一定的外部施加電壓下，器身內(nèi)部發(fā)生局部的和重復(fù)的擊穿和熄滅現(xiàn)象。一般這種局部放電發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)很小的空間內(nèi)，能量很小，并不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)降低絕緣強(qiáng)度，但是這種局部放電產(chǎn)生的不可恢復(fù)的絕緣損壞，隨著時(shí)間累積從而導(dǎo)致絕緣擊穿[3-6]。干式互感器局部放電試驗(yàn)是一種重要的出廠檢測(cè)、入網(wǎng)檢測(cè)項(xiàng)目，利用脈沖電流法可以簡(jiǎn)單有效檢測(cè)出干式互感器自身存在的局部放電缺陷，借助紫外成像技術(shù)可以觀測(cè)發(fā)生在表面的局部放電發(fā)生的位置。

1 脈沖電流法局放檢測(cè)原理

局部放電檢測(cè)的方法分為電測(cè)法和非電測(cè)法，脈沖電流法屬于常用的電測(cè)法，用于對(duì)局部放電進(jìn)行定量的檢測(cè)，也是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)方法[7]。局放儀一般由指示部分和放大部分組成。檢測(cè)阻抗上的脈沖電壓首先通過(guò)放大器放大，然后通過(guò)顯示界面進(jìn)行觀察和計(jì)量。顯示界面可以直接觀察波形、相位、極性，并能測(cè)量視在放電量的大小。

干式互感器局部放電試驗(yàn)由380 V交流電源供電，中間試驗(yàn)變壓器對(duì)試品加壓。將標(biāo)準(zhǔn)分壓器接入升壓系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生器進(jìn)行局放校準(zhǔn)，確認(rèn)試驗(yàn)裝置內(nèi)部的局放測(cè)量精度在合理的范圍內(nèi)，如圖1所示。校準(zhǔn)后，將試品互感器的低壓側(cè)短接并接地，高壓測(cè)短接，高壓側(cè)接到電容式交流分壓器的上節(jié)引出線上。具體試驗(yàn)接線圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置正常背景噪聲

圖2 干式互感器局部放電試驗(yàn)接線圖

2 紫外成像技術(shù)在局放查找中的應(yīng)用

紫外成像檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用雙光譜成像原理，將設(shè)備接收的變電設(shè)備放電產(chǎn)生的紫外線信號(hào)進(jìn)行處理生成紫外圖像，并將圖像和可見(jiàn)光生成的圖像進(jìn)行重疊，影像混合后呈現(xiàn)在檢測(cè)設(shè)備的顯示器上，因此檢測(cè)設(shè)備可以確定變電設(shè)備局放的部位和定性顯示局放的強(qiáng)度[8-12]。

在電力設(shè)備局部放電過(guò)程中，空氣中電離的電子持續(xù)的接收和釋放能量，在此過(guò)程中會(huì)釋放特定波長(zhǎng)的紫外線。紫外成像儀針對(duì)有效波長(zhǎng)的紫外線測(cè)試即可實(shí)現(xiàn)干式互感器表面電暈放電的有效探測(cè)，其中對(duì)戶內(nèi)電氣設(shè)備的外絕緣局部放電檢測(cè)靈敏度更高。使用紫外成像儀來(lái)探測(cè)局放位置的方法僅局限于設(shè)備外絕緣。圖3為紫外成像技術(shù)工作原理圖。

圖3 紫外成像技術(shù)工作原理

3 局部放電試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文用于試驗(yàn)測(cè)試的三臺(tái)干式組合互感器額定負(fù)荷15 VA，電流變比30/5 A、電壓變比10/0.01 kV。三臺(tái)試品設(shè)計(jì)的外觀和安裝工藝各有不同，其在設(shè)備的絕緣工藝和絕緣質(zhì)量上也各有差異。

3.1 局部放電試驗(yàn)結(jié)果

表1 三臺(tái)試品互感器的局放值

在其中③號(hào)試品在試驗(yàn)升壓至14 kV的目標(biāo)電壓過(guò)程中，當(dāng)升壓到11 kV時(shí)，試品出現(xiàn)了細(xì)微且可聽(tīng)到的噪聲。同時(shí)在電腦的顯示界面上出現(xiàn)了周期性的階躍信號(hào)，這是代表出現(xiàn)局部放電的典型現(xiàn)象，如圖4所示。當(dāng)局部放電量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，確定放電部位是很重要的，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及提高工藝制造水平均具有指導(dǎo)意義。通過(guò)紫外成像儀進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在試品銘牌位置出現(xiàn)了大量并且集中的光子，局放值達(dá)到2500 pC以上，如圖5所示。從而大致推斷在試品的銘牌處發(fā)生了局部放電。

圖4 局部放電波形

圖5 銘牌處局部放電

3.2 局部放電缺陷分析

干式互感器引起的局部放電的原因一般有兩個(gè)：一是干式互感器中存在局部電場(chǎng)強(qiáng)度的集中，從而引發(fā)干式互感器中環(huán)氧樹(shù)脂的放電；二是絕緣材料或澆注的環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部存在氣體，氣體在超過(guò)其允許承受的電場(chǎng)強(qiáng)度從而產(chǎn)生局部放電。通過(guò)這兩種可能對(duì)三臺(tái)試品進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)缺陷的③號(hào)試品銘牌安裝的位置有較大的失誤。銘牌貼在了靠近一次繞組的外絕緣件上且底部連接到接地支架，這種安裝方式縮短了絕緣距離，極易導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻并形成局部放電，嚴(yán)重時(shí)造成對(duì)地放電。對(duì)比與①號(hào)、②號(hào)試品，它們的銘牌安裝的位置遠(yuǎn)離一次繞組，或安裝在二次繞組的端蓋外側(cè)，或者安裝在接地的底座上面。

3.3 COMSOL仿真分析

在對(duì)干式組合式互感器無(wú)局部放電的設(shè)計(jì)和工藝制造過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)控制各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)。本文對(duì)干式互感器在Comsol Multiphysics軟件進(jìn)行二維建模，通過(guò)對(duì)比內(nèi)部高壓繞組附近有、無(wú)銘牌兩種情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，來(lái)驗(yàn)證對(duì)于本次檢測(cè)結(jié)果原因歸納的合理性。仿真中建立電壓互感器銘牌和高壓繞組同時(shí)組在的一個(gè)截面，將檢測(cè)試驗(yàn)的電壓設(shè)為輸入值，將外圍空氣設(shè)為無(wú)限元域，銘牌與底座相連接并將其電壓設(shè)為0 V，其中外圍的空氣域和無(wú)限元域已經(jīng)隱藏，基本模塊如圖6所示。本建模組主要為比較有、無(wú)銘牌前后的電場(chǎng)強(qiáng)度差別，所以對(duì)二維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在網(wǎng)格劃分上，繞組、銘牌和外圍的環(huán)氧樹(shù)脂做超細(xì)化網(wǎng)格，其他域采用較細(xì)化網(wǎng)格。

圖6 干式電壓互感器仿真建模

如圖7、8所示，有銘牌時(shí)繞組和銘牌間的電場(chǎng)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的扭曲，電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)數(shù)十倍。在仿真結(jié)果上差別最大的區(qū)域，即銘牌的頂部和一次側(cè)線圈外側(cè)的最底部間的區(qū)域，可以顯示兩條二維截線上的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。選取差別最大的二維截線2進(jìn)行比較。從圖9和圖10中可得，在其他條件相同的情況下，有銘牌時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度最高處超過(guò)了15 kV/mm，無(wú)銘牌時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)0.7 kV/mm。所以銘牌安裝不當(dāng)，造成了局部電場(chǎng)集中，從而引發(fā)局部放電的現(xiàn)象。

圖7 有銘牌時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度

圖8 無(wú)銘牌時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度

圖9 二維截線2（有銘牌）

圖10 二維截線2（無(wú)銘牌）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于干式互感器局放檢測(cè)試驗(yàn)和紫外線檢測(cè)的方法，對(duì)三臺(tái)受檢的干式互感器進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)出一臺(tái)試品存在設(shè)計(jì)缺陷，避免了不良設(shè)備流入電網(wǎng)。同時(shí)通過(guò)對(duì)比另外兩臺(tái)試品，歸納總結(jié)出互感器銘牌安裝不當(dāng)是造成試品出現(xiàn)局部放電的主要原因，并通過(guò)仿真軟件佐證了猜想的正確性。在干式互感器的設(shè)計(jì)和加工制造的過(guò)程中銘牌的位置應(yīng)該遠(yuǎn)離一次繞組和高低壓接線接口的位置，以防止互感器內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)的分布不均勻，產(chǎn)生局部放電。配電網(wǎng)中干式互感器出現(xiàn)故障較多，為了預(yù)防運(yùn)行出現(xiàn)局部放電累積導(dǎo)致絕緣被破壞，生產(chǎn)廠家應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守國(guó)標(biāo)及技術(shù)指導(dǎo)書(shū)工藝要求，控制各部分電場(chǎng)強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)，保證入網(wǎng)設(shè)備本體絕緣和電氣質(zhì)量。