电力变压器高压进出线套管多发事故原因浅析

James

        针对电力变压器油浸纸绝缘电容式套管多发事故的现象，分析了套管的绝缘结构，并对绝缘油中气泡和油浸纸的气隙产生局部放电的机理进行了探讨。指出油中存有气泡和油浸纸中存有气隙会局部放电，而局部放电会导致绝缘被击穿，最终导致套管爆炸。最后提出了一些防范措施。

关键词　电力变压器　套管　局部放电　绝缘

　　国产电力变压器110 kV及以上进出线套管多数采用油浸纸绝缘电容式套管。这类套管往往由于结构或制造工艺不良，漏油渗水，或者运行中维护不当，使电气绝缘性能下降，造成电力变压器烧毁或停运，危及电力系统的安全。例如1993年湖南零陵电业局杨梓塘变电站SFZ7-31500/110型电力变压器由于B相套管将军帽密封不良渗水，变压器油未脱气处理，引起局部放电产生气体，导致变压器停运维修；1994年8月邯郸电业局1台SFL-31500/110型电力变压器由于110 kV侧A相套管绝缘事故爆炸，导致变压器烧毁；1995年潮州电力局1台SFPS-120000/220型电力变压器刚投运不久由于套管制造工艺不良发生爆炸，使变压器停运18 d，严重影响粤东电网运行；1995年茂名热电厂1台SFPS-120000/220型电力变压器由于套管漏油，维护不良，检修后投入运行1周后发生套管爆炸，导致变压器烧毁，损失400多万元。种种事故表明，出线套管是变压器绝缘的薄弱环节，一旦套管发生事故，就会严重影响整个变压器运行。

1　油浸纸绝缘电容式套管的绝缘结构
　　油浸纸绝缘电容式套管是由油枕、上瓷套、下瓷套、电容芯子、导电杆、法兰和均压球等组成的。电容芯子在套管的中心导电杆外绕铝箔作为极板，油浸电容纸中间按设计要求同心安置许多带有半导体镶边的铝箔作为均压极板，电容器的零屏与中心导电杆连接，末屏由连接套管的测量端子引出。在串联电容器的作用下，使套管的径向和轴向电场分布均匀。
　　油浸纸绝缘是套管的主绝缘，即用包缠或迭合而成的密集纸层，经过真空浸油，利用油屏障原理，形成一个接一个的屏障。绝缘层以导电杆中心线为轴心，内部同心放置铝箔，铝箔的边缘镶有半导体层，改善铝箔的这种均压电极边缘的尖端电场。由于电容纸的纤维在油中起屏障作用，而且经过真空处理，油又填充了纸中的气隙，所以这种绝缘电气强度高，特别是短时电气强度可达到100 kV/mm以上，其结构如图1。（暂无图）

2　套管产生有害局部放电及事故分析
　　当套管由于工艺不良造成绝缘缺陷或运行中维护不良时，就会发生绝缘事故。下面以1995年底茂名热电厂发生220 kV电容式套管爆炸造成电力变压器烧毁的事故来分析油浸纸电容式套管产生有害的局部放电现象。

2.1　事故发生过程
　　1995年10月底，茂名热电厂4号主变压器计划检修，对220 kV出线套管进行预试过程中，发现A相套管介质损耗因数tan δ达到1.3%，与历年试验数据相比增长速度过快。对A相套管进行了全面检查，发现该套管漏油，于是对A相套管进行换油及密封处理。在换油过程中，没有对套管进行真空注油处理，而且油没有经过脱气处理。换油后对套管进行介质损耗因数测量，试验数据如表1。

表1　A相套管换油前后介质损耗因数

顺　序 绝缘电阻/mΩ 介质损耗因数/% R3/Ω 电容量/pF
换油前 4 700 1.3 382.8 415.9
换油后 5 500 1.2 383.4 415.3

　　同时对原套管油及新油进行色谱分析和微水测试，数据如表2。
表2　A相套管色谱分析和微水测试数据　μL/L

类别 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 总烃 CO CO2 微水
旧油 1 136 8.7 18.4 13 1 41.1 974 1 653 18.1
新油 4 0 0 0 0 0 13 47 12.7

　　根据测试数据分析，套管的介质损耗率偏大，接近于规程规定的上限1.5%(旧规程)，而且含氢量超标，并含有C2H2，说明该套管可能有绝缘缺陷。换油后虽经油色谱分析和微水测试合格，但套管介质损耗率仍很大，已达到1.2%，投运前没有进行局放试验。
　　该套管投运5d后，发生爆炸并导致整台变压器烧毁。事故原因就是套管绝缘存在缺陷，发现时处理方法不当，造成油中气泡或油浸纸层中有气隙，产生严重的局部放电引发整个绝缘结构贯穿性击穿。事故后查明，套管近中间法兰处，绝缘层烧成一个小洞，末屏引线烧断，产生的大量的气体使套管过压爆炸。
2.2　绝缘击穿分析
　　套管中的电容芯子是油浸纸绝缘结构，油纸中有气隙和油中气泡，电场不均匀，都可能产生局部放电。但电场不均匀程度在制造中改善电场分布是可以避免局部放电的产生的，实际运行中主要是由于气隙、气泡的场强达到起始放电场强时产生局部放电，长期的局部放电发展引起介质劣化，绝缘击穿。

2.2.1　绝缘油中气泡产生的局部放电
　　由于套管检修后注油没有采用真空注油和油没有采取脱气措施，油中带有气泡，而且油浸到油纸中，填充油纸中的气隙挤压出气泡。套管运行后，在交流电压场强的作用下，气泡与油形成串联介质，其等值电路见图2。（暂无图）

　　电场强度的分布与各介质的相对介电常数有关。油的相对介电常数εro=2.2，而气隙的相对介电常数εrg=1，电压分配按电容分配，气隙上的电压为Ug=U［C′o/(Cg+C′o)］。由于Cg较小，故气隙上的电压较大，而场强是油的2.2倍，用式子表达为：
　 Eg=2.2Eo

　　气体的击穿场强比油纸大得多，所以气泡将首先产生局部放电，这又使气泡温度升高，气泡体积膨胀，局部放电将进一步加剧。而局部放电将油分解产生更多的气体，一方面局部放电的电子电流加热使油分解气体，另一方面局部放电过程中电子的碰撞使油的分子解离出气体。另外，油中的一些微小杂质或水分的相对介电常数都很大，在电场的作用下，很容易沿电场方向极化定向，有利于与气泡形成“小桥”型的放电通道，使油介质击穿，就是液体介质的“小桥放电理论”。

2.2.2　油浸纸的气隙产生局部放电
　　油浸纸属于组合绝缘的一种，当电容或套管放油进行密封处理后，没有采取抽真空注油，油纸层与层之间及纸中必然存在气隙，在交流电压作用下，气隙所承受的电压大，分到气隙的场强比纸层高，但气隙的击穿场强比纸层低得多，于是在气隙那里产生局部放电。其结构可近似于串联介质，等值回路如图3。（暂无图）

　　图中，δ为气隙的厚度，d为油浸纸纸层的厚度，若气隙的电容量为C1，当外放交流电压U时，C1分到的电压：

式中εrg、εrs——气隙和油纸绝缘的相对介电常数。由于气隙的相对介电常数εrg=1，而油浸纸的相对介电常数εrs比εrg大几倍，一般来说气隙上分得的电压U1比油浸纸高。当局部放电的气隙越大，即δ越大，电压U1就越高。当气隙上的电压U1达到其放电电压时，气隙先发生放电。
　　由于没有抽真空处理，油纸浸渍不良，当气隙很大，δ接近于一层纸的厚度d时，引起油浸纸的放电压降低，起始放电场强很低。在长期工作电压下，油浸纸气隙很容易产生局部放电，放电后C1上的电压U1急剧下降。同时C2通过C1被充电，当U1降到低于起始电离电压Umin时，放电火花熄灭，但由于外施电压还在上升，C1上的电压又被充至Umin，便又开始第二次放电。这样，由于C1的充放电而使局部放电重复进行，就在回路中产生脉冲电流。
　　在交流电压半周期内发生的放电次数称为放电发生的重复率，放电重复率越高，放电产生的热量及对油浸纸绝缘损伤越大。对于油浸纸而言，纸的密度越大，相对介电常数εrs亦增大，使整个结构的局部放电电压降低，而且纸纤维的tanδ大，损耗大，重复局部放电的电流和火花使油分解，更使油浸纸烧伤炭化。

2.3　局部放电造成了事故
　　当油中的气泡产生局部放电和油浸纸中气隙产生的局部放电使绝缘劣化烧损时，整个绝缘严重破坏，降低电容芯的长期击穿电压。在正常的运行电压下，重复的局部放电导致整体绝缘被击穿，击穿相当于对末屏电极放电，形成导电杆对地短路，短路电流大，烧穿整个绝缘层，形成一个小洞，而且烧断接地线。短路时产生巨大热量，令油迅速气化，使瓷套内压力变得很大，当承受不了压力时，便产生爆炸，另外，局部放电，油的分解，温度上升，也使瓷套内的气压增大。
　　在油浸纸电容芯子及油中的局部放电的热、电、化学综合作用下，最终导致套管爆炸，烧毁电力变压器。

3　防止电容式套管绝缘事故发生的有效措施
　　正确认识油浸纸电容芯子的局部放电机理，防止局部放电的发生，才能真正杜绝事故的发生。防止局部放电，应采用以下有效措施：正确选取套管绝缘的工作场强设计套管，保证长期工作电压下不应发生有害的局部放电；选用介电常数小，介质损耗小的新型绝缘纸；选用介电常数较大的浸渍剂，降低浸渍剂或气隙中的电场强度，提高浸渍剂的吸气性能；采用硅油，提高局部放电熄灭场强；改善套管的密封性能，防止套管渗水漏油。同时，可以运用在线监测，及时发现绝缘缺陷，或采用红外线热像监测。
　　只有正确维护，确保套管的安全运行，才能保证电力变压器的安全性能，使电网正常运行。