利用界面臨界壓力法處理特高壓變壓器夾件絕緣故障

李承振，郭加媛，趙廷志，張明興，張曉翠

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118）

0 引言

特高壓輸電技術具有輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少等優點，極大提升我國電網的輸送能力，促進電能的廣泛高效利用，改善了我國能源和負荷分布不均衡的現狀［1-4］。特高壓變壓器是輸電系統中的關鍵裝備，起到電力樞紐作用，其工作狀態決定了電網運行的質量。特高壓變壓器自身有著復雜和集中的電磁場分布，磁通密度在鐵芯柱和上、下鐵軛連接處達到最大，漏磁相對集中在夾件拉板的上下端部［5-6］，這些物理屬性決定了鐵芯、夾件等部位在長期運行過程中較其他部件更容易發生絕緣不良故障。因此有必要對電力變壓器夾件對地絕緣不良故障進行研究，總結出行之有效的故障處理方法。

針對變壓器類設備夾件對地絕緣不良故障已經有一些案例和分析研究。文獻［7-16］對夾件接地故障進行了原因分析，制定了拆檢流程，提出以現場排油和進人內檢為主的故障排查方法。主要工序為變壓器全排油、附件拆除、進人內檢、邊拆邊檢等。該方法非常傳統，涉及結構部件多，檢修目的性差、效率低，檢修成本高，同時也會增加檢修后設備運行安全隱患。文獻［17-18］針對夾件對地絕緣故障排查處理過程，提出了現場排出部分油后進行檢查的方法，但該方法會破壞變壓器內部真空狀態，需要對變壓器采取熱油循環等后續技術處理措施。目前變壓器夾件對地絕緣不良故障的處理方法大多以現場排油和進人內檢為主，少部分采取直接小排油檢查方法，但該方法也有其局限性，需要增加熱油循環等后續技術處理措施。此外，研究相關文獻，并沒有現場處理特高壓變壓器鐵芯、夾件絕緣故障方面的實例。

為此，結合一起特高壓變壓器夾件對地絕緣不良故障實例，梳理并優化針對此故障的特高壓變壓器現場排查流程，提出一種界面臨界壓力法來解決須破壞變壓器真空狀態才能對變壓器殼體頂部附件設備進行檢查和檢修的難題。運用該現場排查流程，準確地找到故障位置，結合界面臨界壓力法快速檢查并消除故障，省去放油、進人內檢、消缺處理、注油及熱油循環、試驗等工作環節，提高工作效率，節約大量的檢修經費，可為大容量變壓器類設備檢修提供借鑒。

1 界面臨界壓力法的提出

1.1 特高壓變壓器及其夾件系統

了解特高壓變壓器及其夾件系統結構對分析夾件對地絕緣故障原因，合理安排故障排查流程以及處理故障都有重要作用。特高壓變壓器由主體變壓器和調壓補償變壓器組成，故障僅涉及特高壓變壓器主體變壓器（后文統一稱主體變壓器），主體變壓器基本結構如圖1 所示，內部器身結構如圖2 所示。主體變壓器主要由繞組、鐵芯、夾件、絕緣材料和引線等構成，主體變壓器鐵芯采用單相三框四柱式結構，即兩芯柱兩旁柱。芯柱采用框間冷卻油道，保證鐵芯散熱的同時，控制鐵芯主磁通分布［19-20］。

圖1 特高壓變壓器基本結構

圖2 主體變壓器內部結構

故障類型為夾件對地絕緣不良，故應重點介紹下主體變壓器夾件結構。從圖3 主體變壓器夾件結構可以看出，夾件是由上夾件、下夾件、拉板、鋼拉帶等組成的框架式夾緊結構。從夾件所在位置分，又可分為高壓套管側夾件（簡稱高壓側夾件）和低壓套管側夾件（簡稱低壓側夾件）兩個部分組成。兩者合為一處由專用線引出一點接地。

圖3 主體變壓器夾件結構

按照設計要求，上夾件、下夾件、拉板、鋼拉帶相互之間以及高、低壓側夾件之間都是絕緣的，這些夾件部件均設有唯一的連接點，各連接點之間通過等電位線連接在一起，最終由單一引出線引出單點接地，如圖4所示。

圖4 高壓側、低壓側夾件及鐵芯接地引線

此外，主體變壓器內部器身通過夾件在油箱中定位，由于主體變壓器器身重量很大，運輸過程中為防止器身移動，在主體變壓器的上、下夾件中都設有定位裝置，定位裝置主要由定位釘、玻璃絲絕緣墊板、膠圈、定位裝置蓋板等組成，如圖5所示。

圖5 定位裝置及其模型

綜上分析可知，主體變壓器夾件由上夾件、下夾件、拉板、鋼拉帶、夾件定位裝置等組成，各部件通過等電位線連接。夾件及其定位裝置為對稱結構，分為高壓側夾件與低壓側夾件［21］。

1.2 界面臨界壓力法

所謂界面臨界壓力法，是指通過一定的技術措施，使得油浸式設備檢修工作面與外部大氣壓力相同，可以在不破壞油浸式設備內部真空環境下，以達到快速檢查、檢修設備的目的。

具體操作方法如圖6（a）所示，首先關閉儲油柜下部與氣體繼電器之間的閥門，在主體變壓器箱體頂部安裝油壓表，在主體變壓器上部取油閥門處安裝油位輔助判斷油管，隨后慢慢排出少量本體油，當箱蓋上安裝的油壓表顯示為零時，停止排油。同時檢查油位輔助判斷油管中油位應與主體變壓器箱體頂部齊平，通過油管中油位實際位置再次確認定位裝置達到臨界壓力狀態。

定位裝置進行受力分析，定位裝置同時到兩個作用力，即外界大氣壓力F1和變壓器油壓力F2，如圖6（b）所示。通過上述操作使得定位裝置達到臨界壓力狀態，此時外界大氣壓力F1和變壓器油壓力F2大小相等，方向相反。

圖6 界面臨界壓力法應用模型及力學分析

臨界壓力狀態下，變壓器箱體頂部油壓為一個大氣壓，所有套管升高座為局部真空狀態。故打開定位裝置蓋板和夾件引出套管，不會有變壓器油流出，可快速、方便對主體變壓器箱體頂部設備附近進行檢查檢修。

2 故障案例描述

2021 年初，某1 000 kV 特高壓變電站4 號主變壓器B 相進行交接驗收工作，高壓試驗人員測量鐵芯及夾件絕緣電阻，使用兆歐表2 500 V 檔位進行測量，持續時間1 min，現場交接試驗結果如表1 所示，出廠試驗結果如表2所示。

表1 4號主變壓器B相鐵芯及夾件絕緣電阻（交接值）

表2 4號主變壓器B相鐵芯及夾件絕緣電阻（出廠值）

現場交接試驗結果表明，夾件對地絕緣電阻值遠低于出廠值，不符合GB/T 50832—2013《1 000 kV系統電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》。

根據鐵芯、夾件絕緣測量結果，即4 號主變壓器B 相鐵芯對夾件絕緣及鐵芯對地絕緣均合格，而夾件對地絕緣電阻不合格，結合變壓器內部夾件布線情況，初步判斷此故障為一起特高壓變壓器夾件對地絕緣不良故障，可能是由于夾件引出處瓷套管絕緣不良或者變壓器內部夾件引線定位與箱體發生絕緣損失或碰觸引起。

夾件對地絕緣不良會導致夾件系統多點接地，在磁場作用下產生環流，引起夾件局部過熱。環流較大時會使得夾件接頭或者接地片熔斷，產生懸浮電位，發生放電現象，對變壓器安全穩定運行危害極大［22］。因此，1 000 kV 特高壓4 號主變壓器B 相不滿足投運條件，需要對故障進行排查處理。

3 故障排查處理

3.1 優化故障點的排查流程

變壓器夾件對地絕緣不良故障的常規排查流程基本都以現場排油和進人內檢為主，只有少數采取直接小排油檢查方法。直接小排油檢查方法是排出部分變壓器油，使油位低于變壓器箱體頂部一定距離，打開檢修蓋板進行檢查檢修。該方法破壞了油浸式設備內部真空狀態，使得油浸式設備暴露在空氣中，需要增加熱油循環、試驗等后續技術處理措施。因此，需要對故障點排查流程進行優化。

為不影響送電計劃，提高工作效率，節約檢修成本，故障點排查按照“先易后難、先外后內、經濟快捷”的原則進行優化。先進行外部檢查，在現場利用界面臨界壓力法進行夾件引出線、引出套管拆封檢查和主體變壓器器身頂部定位裝置開蓋等外部檢查。若未發現故障點，則繼續進行排油后內部檢查。檢修現場具體排查流程分為以下幾個步驟。

1）首先開展外部檢查，主要檢查定位裝置和夾件引出線及套管有無異常。

2）利用界面臨界壓力法對主體變壓器進行少量排油，使之達到臨界壓力狀態（油壓表顯示為零）。

3）檢查夾件接地引出套管的連接是否正確，引出線絕緣層是否有破損等異常情況。

4）逐個打開變壓器箱體頂部定位裝置蓋板，檢查定位釘處玻璃絲絕緣件是否有破裂和損傷等異常情況。

5）若上述檢查未發現問題則進入內部檢查，即將主體變壓器全部排油，由檢修人員或廠家人員進入主體變壓器內部進行檢查。

6）排油后，斷開夾件引出線，并將高、低壓側夾件之間的等電位連接線斷開，分別測量高壓側夾件和低壓側夾件對地的絕緣電阻，確定故障點在高壓側夾件還是在低壓側夾件。

7）判斷故障點位于高壓側夾件或者低壓側夾件之后，斷開該側上、下夾件的等電位連接線，分別測量該側上夾件和下夾件對地絕緣情況，以確定故障點是在上夾件或者下夾件。

8）確定故障點在上夾件或者下夾件后，檢查該夾件拉螺桿和夾件絕緣是否有損壞、移位或脫落現象，以確定故障點位置。

3.2 故障排查及處理過程

按照優化后的故障排查流程，首先利用界面臨界壓力法使故障主體變壓器箱體頂部達到檢修需要的臨界壓力，油壓表顯示為零，油位輔助判斷油管中油位應與主體變壓器箱體頂部齊平。

在此狀態下，首先拆除夾件接地引出套管，檢查套管未發現破損、漏油等現象，檢查夾件引出線絕緣層未發現破損等異常情況。拆除夾件接地引出套管后，從夾件引出線處測量夾件對地絕緣電阻，選擇2 500 V 電壓檔位，測量現場僅能加壓到153 V，此時測得夾件對地絕緣電阻值為33 kΩ。由此判定，故障點不在夾件引出線及其接地引出套管。

繼續進行檢查，逐個打開主體變壓器箱體頂部定位裝置蓋板，檢查定位釘處玻璃絲絕緣件是否有破裂和損傷等異常情況。當檢查到高壓側右端第一個定位裝置時（圖7 中紅圈位置），發現該定位裝置內部玻璃絲絕緣墊板開裂損壞，如圖8 中紅圈位置所示。此時，在斷開該處夾件定位釘與箱蓋的狀態下，測量夾件對地的絕緣電阻，絕緣電阻值由交接時的55 kΩ 上升至10.4 GΩ。由此判定，該處定位裝置內部玻璃絲絕緣墊板開裂損壞，導致了夾件定位釘與箱蓋定位封板導通。

圖7 主體變壓器箱體頂部定位裝置及其分布

圖8 玻璃絲絕緣墊板開裂損壞

為徹底消除故障，繼續打開剩余主體變壓器箱體頂部定位裝置蓋板，檢查剩余定位釘處玻璃絲絕緣墊板未發現破裂和損傷等現象。

針對開裂損壞的玻璃絲絕緣墊板，檢修現場采取更換新的玻璃絲墊板及膠圈的措施，對新的玻璃絲墊板進行長時間高溫加熱除濕，在無塵干燥環境下更換新的玻璃絲墊板及膠圈。在緊固定位裝置蓋板時，按照對角依次緊固的順序，先用較小的預緊力，再用最終力緊固，避免絕緣墊板受力不均。更換完成后，再次進行夾件對地絕緣電阻測量，絕緣電阻值為11.5 GΩ，進一步確定了故障點，并驗證了消缺效果。

最后恢復夾件引出線與夾件接地引出套管連接，安裝夾件接地引出套管，對整個夾件系統進行對地絕緣電阻測量，測得絕緣電阻值為13.1 GΩ。測試結果表明，主體變壓器夾件對地絕緣已完全恢復。

此次故障，利用界面臨界壓力法和優化后的故障排查流程，快速找到并消除故障，主體變壓器內部始終為真空狀態，省去熱油循環、試驗等環節。與常規故障排查流程相比，檢修工期從20天縮減到2天，節約檢修費用約150萬元，確保能夠按照計劃送電。

4 故障原因分析

根據故障排查情況，主體變壓器箱體頂部定位裝置內玻璃絲絕緣墊板開裂損壞，導致了夾件定位釘與定位蓋板之間導通，是引發夾件對地絕緣不良故障的直接原因。

仔細檢查損壞的玻璃絲絕緣墊板，發現玻璃絲絕緣墊板與定位釘接觸表面存在明顯的局部壓痕（圖9（a）中紅圈位置），玻璃絲絕緣墊板與定位裝置蓋板接觸表面存在明顯的局部開裂現象（圖9（b）中紅圈位置），而其他定位裝置并未發現異常。由此判定，裝配定位裝置蓋板過程中，在初始階段（未達到最后力矩）緊固螺栓時不同位置螺栓存在受力不均現象，玻璃絲墊板與定位釘的棱邊接觸，在該臺主體變壓器的運輸或安裝就位過程中，玻璃絲墊板局部受到較大外力沖擊后開裂，導致定位釘與定位蓋板間絕緣性能降低呈現導通的現象，最終導致變壓器夾件對地絕緣電阻不合格。由此可知，主體變壓器在制造過程中，定位裝置受力不均，裝配質量不達標，裝配過程不受控是引發夾件對地絕緣不良故障的根本原因。

圖9 放大后玻璃絲絕緣墊板損壞情況

5 結語

梳理并優化針對變壓器夾件對地絕緣不良故障的現場排查流程，據此準確找到故障點，發現定位裝置內部玻璃絲絕緣墊板開裂損壞，引發了夾件對地絕緣不良故障。在檢修過程中，利用界面臨界壓力法，極大提高工作效率，節約大量的檢修經費。

實例及故障處理效果充分證明了優化后的故障排查流程和提出的界面臨界壓力法是一種行之有效的夾件類故障排查處理方法，可為今后大容量變壓器類設備的檢修維護及處理類似故障提供借鑒。