變壓器套管末屏適配器結構及其安全性研究

夏 健，左 杰

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310016；2.國網杭州市錢塘區供電公司，杭州 311225）

0 引言

變壓器套管是將變壓器內部高壓線引出的重要附件，它既有引出線對外殼絕緣的作用，又能緊固和支撐引線，應具有良好的絕緣和機械性能。據統計，套管事故占變壓器事故總數的9.9%，位居所有事故類型的第二位［1-4］；套管缺陷占全部變壓器缺陷的比例達18.9%，位居所有變壓器缺陷第二位。套管的安全對于變壓器乃至整個電網的安全穩定運行至關重要［5-8］。因此，應加強對套管的運維、管理，采取必要的檢測及監測手段，及早發現設備潛在缺陷，消除安全隱患。

國內絕大部分變壓器套管在線監測系統采用基于穿心式電流傳感器的在線監測方法［9-14］。該方法通過穿心TA（電流互感器）獲取套管的末屏接地電流信號，從與套管同母線的電壓互感器二次側獲取基準電壓信號，并計算二者的相位差值及幅度比值，得出套管的介質損耗因數和電容量。

變壓器套管正常運行時，其末屏多通過接地帽直接接地，無法直接引出末屏測試信號。為實現套管的在線監測，需針對不同的套管末屏結構設計相應的信號引出裝置，同時保證套管自身的安全運行和信號的準確采樣［15-16］。

然而，變壓器套管末屏結構種類繁多，快速、準確地設計相應套管末屏適配器，實現變壓器套管的狀態監測［17-18］，對提升電網運行可靠性具有重要意義。

1 變壓器套管應用現狀

據統計，某省電力公司110 kV 及以上電壓等級變壓器電容式套管的主要生產廠家有沈陽傳奇、上海MWB、南京電氣、ABB 公司、MICAFIL、南京智達等，套管廠家分布如圖1所示。

圖1 變壓器套管廠家分布

套管廠家常用的末屏接地結構主要有光滑導桿結構、螺紋導桿結構、自接地結構以及敞開式結構，各種末屏接地結構的應用情況如表1所示。

表1 變壓器套管末屏接地結構應用情況

2 變壓器套管末屏適配器設計

末屏適配器設計需考慮的問題主要包括：末屏信號引出的可靠性、末屏的防水密封型及耐久性、末屏防開路保護、預試拆裝的方便性和末屏適配器的兼容性。

2.1 末屏信號引出的可靠性

常用的套管末屏導桿可分為3種類型：光滑導桿、螺紋導桿和自接地結構。根據不同的變壓器套管末屏結構，可相應設計鎖緊環式、螺紋式以及頂推式3種結構的末屏適配器。其中，鎖緊環結構的適配器適用于末屏光滑導桿引出方式的末屏接地結構；螺紋式結構適配器適用于末屏螺紋導桿引出方式的末屏接地結構；頂推式結構適配器適用于利用導桿上推拔銅套與接地端子內部法蘭連接接地的末屏結構。

對于光滑導桿采用了如圖2 所示的鎖緊環結構。實際安裝中，光滑導桿插入引出銅芯前端的伸縮筒內（該伸縮筒根據末屏導桿的粗細定制，與末屏導桿緊密配合），調整好插入的長度后，用一字改錐將鎖緊環往里推頂即可使伸縮筒緊抱住末屏導桿，保證接觸的可靠性。

圖2 光滑導桿型的鎖緊環結構

對于螺紋導桿設計了如圖3所示的螺紋連接結構。引出銅芯的前端為根據末屏導桿的螺紋尺寸定制的螺紋筒，安裝時只需將引出銅芯擰到末屏導桿上即可。

圖3 螺紋導桿型的螺紋筒結構

對于傳奇套管的自接地結構設計了如圖4所示的頂推式結構。引出銅芯的前端為筒狀，筒內徑大小根據末屏導桿的直徑定制，與之緊密配合。安裝時通過后端安裝的絕緣端蓋對引出銅芯進行推頂，引出銅芯將末屏抽頭的自接地結構頂開，使原來的自接地結構開路并將末屏信號引出。

圖4 自接地型的頂推式結構

2.2 適配器的防水密封性及耐久性

為了保證適配器的密封性，在設計中考慮了多個密封結構，如圖5所示。其中密封1為末屏適配器底座與末屏抽頭座之間的密封，沿用原末屏接地蓋的密封方式，一般為密封墊或O 型密封圈結構；密封2為末屏引出銅芯與絕緣端蓋之間的密封，采用內外雙重密封結構，確保密封的可靠性；密封3為絕緣端蓋與末屏適配器底座間的密封，該密封為標準O型圈密封方式，方便且可靠。

圖5 末屏適配器的密封結構

為保證末屏適配器的耐久性，其底座選用不銹鋼或高強度鋁合金材料加工，兩種材料都具有較好的抗氧化和抗腐蝕能力。絕緣端蓋選用了聚四氟乙烯（特氟龍），該材料是由四氟乙烯經聚合而成的高分子化合物，具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。末屏引出銅芯選用了黃銅，黃銅具有良好的力學性能，易于加工且耐腐蝕。密封圈選用進口耐油O 型圈，具有耐磨耐高低溫的特性。

2.3 末屏防開路保護

套管加裝適配器之后，末屏經由信號電纜接地，如果信號電纜受外力破壞而斷開，將導致末屏放電，嚴重影響套管的運行安全。因此，必須考慮設計信號電纜防開路保護裝置。

末屏防開路保護裝置采用2個反向并聯的二極管作為接地保護，同時為了防止雷擊和操作過電壓，適配器內部還配置了放電間隙。由于二極管和放電間隙尺寸較大，保護元件無法內置在適配器中，一般采取外置方式。

2.4 適配器的方便性及兼容性

預試時需要拆接適配器引線，否則其連接的電纜及保護器件會影響測試結果，而且高壓套管的末屏抽頭通常朝向外側，如果拆接線不便，會增加現場操作難度。再者，試驗人員能否準確無誤地恢復接線，也是值得考慮的問題，國內所發生的幾起末屏開路故障，大多是由該原因造成的，應特別注意。該設計預試（包括局部放電測試）時均不需把適配器整體拆下，僅需拆除末屏引出銅桿上的電纜線和防開路保護器的接地端，即可開展套管的絕緣性能測試。

設計的末屏適配器主要由三部分組成：適配器底座、絕緣端蓋及末屏引出銅芯。根據對目前國內所應用套管的調查統計，末屏導桿的結構僅光滑導桿和螺紋導桿兩種，只是接地方式不同而已。針對這一特點，只需根據末屏導桿的結構尺寸改變末屏引出銅芯的前端結構，根據末屏接地帽與末屏抽頭的連接結構改變末屏安裝底座的前端結構即可，而絕緣端蓋、引出銅芯后端的連接部分、末屏安裝底座的后端均已加工成標準部件。一般來說，對于未知結構的套管末屏，可按圖6所示加工出一套半成品，待變壓器停電后，只需測量末屏導桿尺寸及原末屏接地帽螺紋的尺寸，將末屏引出銅芯的前端及末屏適配器底座前端加工完成即可，可節省大量的時間。

圖6 末屏適配器的兼容性

3 變壓器套管末屏適配器研制

3.1 鎖緊環結構

圖7 所示為針對傳奇/MWB 套管設計的適配器結構，其套管末屏采用光滑導桿引出，末屏信號的引出主要靠引出銅芯來實現，引出銅芯前端設計為伸縮筒狀，筒的內徑大小根據末屏導桿的直徑進行定制。安裝時，將末屏導桿插入引出銅芯的伸縮筒內，再將鎖緊環往里頂即可將伸縮筒緊抱在末屏導桿上。絕緣端蓋及適配器底座的作用是對引出銅芯進行絕緣支撐，適配器底座上設計了2～4 個接地螺絲，由于適配器底座通過螺紋與末屏抽頭連接，已經可靠接地，因此防開路保護器及電纜的接地可通過適配器底座上的螺絲可靠接地。末屏適配器與信號電纜的連接通過常用的M8銅螺母壓接，方便、可靠。為了防止信號引出線開路對套管造成危害，在引出銅芯與末屏底座之間設有防開路保護裝置。傳奇/MWB 普通抽頭結構的適配器已經在某110 kV和220 kV變電站主變壓器上安裝成功，實際安裝位置如圖8所示。

圖7 典型鎖緊環結構末屏適配器結構

圖8 典型鎖緊環結構末屏適配器的安裝

3.2 螺紋式結構

螺紋式結構適配器與鎖緊環結構相比，適配器主體結構一致，所不同的是引出銅芯的前端由伸縮筒變成了螺紋筒。螺紋筒的螺紋尺寸根據末屏導桿上的螺紋尺寸配合定制。安裝時，只需將螺紋筒擰到末屏導桿上，旋入約5 mm，再將適配器底座及絕緣端蓋安裝上即可，由于引出銅芯與末屏導桿直接通過螺紋連接，其接觸可靠。圖9所示為針對南電套管瓷絕緣結構設計的適配器結構，實際安裝情況如圖10所示。

圖9 典型螺紋式結構末屏適配器結構

圖10 典型螺紋式結構末屏適配器的安裝

3.3 頂推式結構

頂推式結構適配器的主體結構與前兩種適配器一致，所不同的是引出銅芯的前端為直筒。筒內徑根據末屏導桿尺寸配合定制。該結構與末屏導桿間為雙重接觸，一個是直筒內壁與末屏導桿之間的配合接觸，另一個是直筒頂在推拔銅套上，而推拔銅套與末屏導桿是可靠連接的，故該結構的接觸可靠性應有保證。安裝時，需將適配器底座及絕緣端蓋先組裝好，在引出銅芯上安裝好密封圈后，通過安裝適配器底座往里頂的力將引出銅芯頂到推拔銅套上，使得推拔銅套與末屏抽頭內部法蘭分開。圖11、圖12所示是針對雷諾爾套管設計的適配器結構。

圖11 典型頂推式結構末屏適配器結構

圖12 典型頂推式結構末屏適配器的安裝

4 變壓器套管末屏適配器可靠性研究

變壓器套管加裝末屏適配器后，需保證系統的安全性，本文主要對鎖緊環結構末屏適配器安全性能進行研究。

4.1 防水防塵試驗

防水試驗采用內徑為12.5 mm 噴嘴，從距離試品外殼2.6 m處，在所有可能方向對試品外殼進行淋水，水流量為100 L/min，如圖13 所示。淋水3min 后，檢查試品內部未發現進水痕跡，其外殼達到IPX6 的防護等級要求。防水性能測試后，適配器高壓端和接地端的絕緣電阻值為19 990 MΩ，滿足絕緣要求。

圖13 末屏適配器防水試驗

將試品放在試驗箱內后，開啟設備將粉塵試驗箱內溫度提升到40 ℃，使其箱內相對濕度小于25%，試驗持續8 h后停止。打開試樣外殼，觀察發現殼內無明顯灰塵沉積，如圖14 所示，其外殼達到第一位特征數字為5的防護等級要求。防塵性能測試后，適配器高壓端和接地端的絕緣電阻值為19 990 MΩ，滿足絕緣要求［19］。

圖14 末屏適配器防塵試驗

4.2 抗振動試驗

將套管末屏適配器按照工作狀態接線，然后將試品通過工裝剛性緊固安裝在機械振動實驗臺上，對試品分別進行軸向和徑向機械振動測試1 h，如圖15、圖16所示。試驗參數如表2所示。

圖16 末屏適配器軸向機械振動測試

表2 末屏適配器機械振動測試參數

圖15 末屏適配器徑向機械振動測試

機械振動試驗前，試品完好，螺釘緊固；機械振動試驗后，試品螺釘無松動，試品狀態正常，適配器高壓端和接地端的絕緣電阻值為19 990 MΩ，滿足絕緣要求。試驗結果表明適配器機械抗振性能滿足要求［20］。

4.3 末屏防開路裝置實驗

4.3.1 工頻電壓下保護器特性實驗

實驗回路如圖17 所示，搭建套管絕緣在線監測平臺，利用3 m 長同軸兩路電纜，模擬套管末屏接地電流測量引出線，并在套管導桿端向試品施加有效值63.5 kV的工頻電壓。利用示波器測量末屏可靠接地（開關S 閉合）和末屏失地（開關S 打開）兩種工況下保護器A、B 兩端的電壓，保護器兩端電壓分別如圖18、圖19所示。

圖17 工頻下適配器斷線保護特性實驗平臺

圖18 末屏接地良好保護器兩端電壓

實驗研究表明，當末屏可靠接地時，末屏接地電流從電流監測單元正常流過，此時保護器兩端的電壓極低，只有毫伏量級，保護器不導通相當于開路。當套管末屏失地時，末屏接地電流測量電纜無電流通過，保護器承受瞬間高壓而動作導通，此時末屏電流通過保護器中的二極管接地，導通后二極管產生穩定正向壓降約0.5 V，即等于保護器兩端的電壓，該電壓與套管導桿側施加電壓幅值無關，可以有效起保護作用。

4.3.2 雷電電壓下保護器特性實驗

實驗回路與工頻下實驗回路一致，利用3 m長同軸兩路電纜模擬套管末屏接地電流測量引出線，并在套管導桿端向試品施加200 kV 標準雷電沖擊電壓。利用電橋實測得電纜線電感值為1.77 μH，電阻值極小可忽略。在末屏可靠接地（開關S閉合）和末屏失地（開關S打開）兩種工況下，利用示波器測量保護器A、B兩端電壓；利用羅氏線圈分別測量流過保護器、末屏接地導線的電流，試驗結果如圖20—22所示。

圖20 末屏接地200 kV雷電沖擊電壓下保護器兩端電壓和流過保護器電流波形

實驗結果表明，峰值200 kV 的標準雷電沖擊電壓下保護器兩端電壓峰值達到20 V，流過保護器電流幅值升高，峰值約30 A，套管承受200 kV標準雷電沖擊電壓瞬間保護器動作，而流過末屏接地導線電流峰值約10 A，說明套管承受沖擊電壓瞬間保護器和末屏接地導線均有電流流過，呈一定分流關系，電流主要從保護器回路流過。

圖21 末屏接地200 kV雷電沖擊電壓下保護器兩端電壓和流過末屏接地電流波形

圖22 末屏失地200 kV雷電沖擊電壓下保護器兩端電壓和流過保護器電流波形

實驗結果表明，末屏失地時，峰值200 kV 的標準雷電沖擊電壓下保護器兩端電壓峰值達到40 V，流過保護器電流幅值升高，峰值約40 A，說明斷線故障下套管承受雷電沖擊電壓瞬間保護器也可靠動作。

5 變壓器套管在線監測的應用

本文采用的變壓器套管在線監測方法為穿心CT 法，主要監測變壓器套管的電容量與介質損耗。變壓器套管在線監測系統主要由電流監測單元、電壓監測單元和中央處理單元三部分組成，如圖23 所示。其中電流監測單元測量套管末屏接地電流信號；電壓監測單元測量套管母線電壓信號。根據母線電壓和末屏接地電流的幅值之比可得出套管電容值；根據母線電壓和末屏接地電流的相位關系可得出套管介損值。

圖23 變壓器套管在線監測系統

變壓器套管絕緣監測裝置通常由傳感器、現場監測單元、監測主機及其屏柜，以及相關連接線纜等組成。采用分層分布式現場總線結構，包括信號采集單元SIM3-LC、數據處理單元SIM3-SC這兩部分組成，其中信號采集單元均安裝在變電站一次設備附近，數據處理單元則作為站內監測主機一般布置在主控室內，如圖24所示。

圖24 某變電站主變套管在線監測裝置

變壓器套管末屏適配器為套管在線監測或帶電測試提供了信號接口，實現了套管介損實時監測，為套管運行狀況判斷提供可靠的依據。本文鎖緊環型末屏適配器均已有現場安裝應用實例，現場運行情況表明，該末屏適配器完全滿足現場應用的要求，介損在線測量結果與離線試驗結果基本一致且預試拆線簡單方便、安全可靠。

6 結語

本文主要討論了變壓器套管末屏適配器研制的關鍵技術、各種結構的末屏適配器研制及其電氣機械安全性等內容，總結如下：

1）統計分析某省電力公司110 kV 及以上電壓等級變壓器套管生產廠家及末屏接地結構，套管廠家常用的末屏接地結構主要有光滑導桿結構、螺紋導桿結構、自接地結構、敞開式結構。

2）研究了末屏適配器研制的關鍵技術，包括末屏信號引出的可靠性、末屏適配器的防水密封性及耐久性、末屏信號外引的防開路保護措施、變壓器預防性試驗時末屏適配器的拆裝方便性及末屏適配器針對不同套管的兼容性。

3）針對主要的幾類套管末屏接地結構分別研制了相應的末屏適配器，包括鎖緊環結構、螺紋式結構及頂推式結構。

4）末屏適配器防水防塵等級達到IP56，其機械抗振性能滿足GB/T 2423要求。

5）在63.5 kV工頻電壓下，當末屏引下線正常時，末屏防開路保護裝置不動作，當末屏引下線斷開時，末屏防開路裝置動作，確保末屏可靠接地；在200 kV 標準雷電沖擊波下，無論末屏引下線是否斷開，末屏防開路裝置都能動作，且沖擊電流主要從末屏防開路保護器中流過。