主变500kV环氧树脂浸纸套管介损异常原因研究
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第 3 4卷第 l期 2 0 0 6年 1月 鲁 繁 电力 E a s t 0 h i n a E l e c t r i c P o w e r Vo 1 3 4 No 1 J a n 2 0 0 6 丰变 5 0 0 k V环氧树脂浸纸套管 介损异常原因研究 张嘉昱,齐振生,顾承昱(华东电力试验研究院,上海2 0 0 4 3 7)摘要:2 0 0 1 年至今,国内有多家电厂 t 变5 0 0 k V的 1 2具环氧树脂浸纸套管发现介损异常,其中3具已r 以 更换。通过理论分析、现场实测,以及实验窜研究,揭示 r环氧树脂浸纸主变高压套管介损异常的原因主要是 由于两种不同介质的界面极化所致,建议只要采取额定运行电n 三卜 持续运行段时 的方法,即可使萁介损 恢复正常。对于该型套管的介质异常应。I叫时监测介损异常套管的电容量,以作出正确的判断。关键词:主变;高压套管;环氧树脂浸纸;介损;檄化 获奖情况:2 0 0 5年度嘲家电网公司科学技术进步 一 等奖;2 0 0 5年度 卜 海市科学技术进步j等奖 作者简介:张嘉曼(1 9 6 9 ),男,高级上程师 主要从事电力系统过电压的研究。中图分类号:T M 2 1 6 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 1-9 5 2 9(2 0 0 6)O 1 4 3 0 1 2-0 4 Ab n o r ma l d i e l e c t r i c l o s s o f h i g h v o l t a g e e p o x y b u s h i n g s f o r ma i n t r a n s f o r me r s Z H A NC J i a m i n,Q I Z h e n s h e n g,G U C h e n g-y u (E a s t C h i n a E l e c t r i c P o w e r T e s t R e s e a r c h I n s t h u t e,S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7,C h i n a)Ab s t r a c t:I t i s r e c o r d e d t h a t,3 i n e e t h e y e a r o t 2 0 0 1。1 2 h i g h v o l t a g e e p o x y b u s h i n g s o f ma i n t r a n s f o mmr s i n C h i n a w e r e fi mn d t o h a v e a b n o r ma l d i e l e c t r i c l o s s,a n d 3 o f t h e m we r e r e p l a c e d J h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s,f i e l d me a s t l r e me n t a n d l a b s t u d y,i t i s fi)u n d o u t t h a t t h e a h n o r ma l d i e l e c t r i c l o s s i s c a u s e d b y i n t e r f a c e p o l a r i z a t i o n o f t w o d i f f e r e n t d i e l e c t r i c s T I l e me a s u r e f o r r e s u mi n g t h e n o r r lml d i e l e c t r i c l o s s o t t h e b u s h i n g s i s p u t for w a r d:r a i s e t h e ma i n t r a n s-f o r me r v o h a g e t o i t s n o r n l a l v a l u e f r o m z e r o,k e e p t b e t r a n s f o r me r o p e r a t i n g a t i t s n o r ma l v o h a g e for S O me t i me,a n d t h e n l o w e r i t a g a i n Ke y wo r d s:ma i n t r a n s fi)r mm;h i g h wd t a g e b u s h i n g;e p o x y r e s i n i mp r e g n a t e d p a p e r;d i e l e c t r i c;p o l a r i z a l i o n 目前国内某 电厂5 0 0 k V系统采用 G I S 接 线方式,主变高压套管采用环氧树脂浸纸套管。国内某电厂 5 0 0 k V环 氧树 脂浸纸主变高压 套管2 0 0 1 年至 2 0 0 4 年,每年都出现介损异常增 大的计 6具高压 套 管(其 中 3具套 管 的介 损值 超过 r D IMT 5 9 61 9 9 6 电力设备预防性试验 规程 以及制造厂规定的 0 7 0 的要求,其他 3 具也接近 了规定 值,与 出 J 试验结 果相 比明显 增大),介损 大的是 6号 主变 B相高 套 管,达到了 1 3 5 ,比 出厂 试验 值增 大 了 1 2 5 ,3 号主变 A相套管介损也达 到了 0 8 3 ,相对增 大了 8 4 4。2 0 0 1年至今,国内已有多家 电厂 的 1 2具环 氧树脂浸纸主变高压套管(进口原装产品)发生 介损异常,其中有 3具 已予 以更换,被史换下的套 管送往制造J检测,发现其介损均正常,即套管不 存在异常为此,对套管介损异常的情 况进行 lr相 关研究。研究 表明,该型套管的介损异常是 由于 复合介质的极化所致。表 1 环 氧树 脂浸纸主变高压套管介损测试结果”t堂 编号,相别 2 B 3 A 3 C 4 B 5 B 6 B 铭牌值0 5 l 0 4 5 0 5 7 0 4 8 ()5 5 0 6 0 2 0 0 1年(3O5 639)O,4 0()3 8 0 3 6()3 6 2 0 0 2午 5月 一(O8 4 843)()4 8 O 41 0 3 8 O 5 5 2 0 0 2年 1 2月 一 ()5 1(2O8 731)0 4 2 0 5 4(713 043)2 0 0 3年 一 (】4 8(0l 2 642)(O3 5 645)0 3 7 0 6 O 2 0 0 4 4 t o 4 6 f)_ 5 5 0 4 6()(1甍 注:I)2 B食管于2 0 0 1 年更换;3 A套管于2 0 0 2年更换;2)表中 括 内数值 为相 时铭牌值增 火的 r f 分 比值 维普资讯 http:/ 张嘉晏。等主变5 0 0 k V环氧树脂浸纸套管介损异常原因研究 1 3(总 1 3)1 介损异常套管的相关研究 1 1 介损异常套管末屏的试验 对介损异常的套管末屏的测试结果列于表 2,3号主变高压套管末屏绝缘 电阻都超过 3 0 c n,3号、6号主变高压套管末屏介损小于1 0 ,表明套管末屏的绝缘状况良好,套管主绝缘受潮 或老化的可能性不大。表 2 介损异常的套管末屏 2 k V下的介损和电容量 1 2 异常套管介损和测试 电压的关 系 查阅高压套管介损 出厂试验情况,发现 随测 试电压的上升,其介损和电容量基本不变,见图 1;而对部分异常套管的介损和测试电压的关系进 行试验后发现,情况并非如此,随着测试 电压的升 高套管介损呈下降的趋势,电容值基本不变;当试 验电压到达 3 7 5 k V时,套管介损与 出厂值基本 相同,具体试验结果见表3和图 1。表 3。部分异常套管介损和测试电压的关系 注:1)测试仪器采用瑞 士 T e t t e x公 司2 8 0 1电桥和美 国 D o b l e公司 的M 4(X)0绝缘介损测试仪。O 芒 0 芝o 、0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 测试 电压 k V (a)m厂试验 0 1 0 2 0 3 0 4 0 测试 电压 k v(b)预防填试验 1 3 号主变 c牛 j 高压套管测试电压与介损的关系 1 3 主变冲击合 闸和分闸对套管介损的影响 为研究环氧树脂浸纸主变高压套管介损测试 结果异常的原因,对 3号主变进行冲击合 闸和分 闸试验,测量其套管的介损,试验结果见表4。由表 4试验结果可知,在 冲击试验 前 3号主 变 C相套管的介损为 0 7 4 ,超过标准的规定;进行第 1 次冲击合闸再分闸后,A相和 B相套管 介损有一些增大,而 C相套管介损则有明显的增 大,达到 2 5 8 ,相对增大 2 4 8 ,分 闸时 C相的 分闸相角恰逢+9 0。,并且随着测试电压的升高 c 相套管介损明显下降;在第 2次冲击合闸再分闸 时 C相的分闸相角恰逢 一 9 0。分闸,A相和 B相套 管介损与第 1次冲击后相 比没有变化,C相套管 介损则有明显的减小,但仍达到了 1 1 3 ,比第 1 次冲击试验前相对增大5 5;2次冲击试验后套 管电容量没有明显的变化。表 4 3号主变冲击试验前后的介损试验结果 冲击试验表明,合闸和分闸冲击等有非周 期分量存在的暂态过程能引起套管介损异常变 化。1 4 套管介损 由异常恢复正常的试验 对介损异常的主变高压套管由发电机零起升 压至额定电压,持续运行 3 0 m in,再降压后分闸,然后,在每次零起升压前后测量了套管介损,试验 结果见表 5。由试验结果可知,异常套管经零起升压后的 介损有 明显减小,一般能恢复正常,达到小于标准 规定值,并且,额定电电压运行时间越长,效果越 明显。1 5实验室研究 为了进一步明确 冲击过程对环氧树脂浸纸高 压套管介损的影响,对被更换下的 1 具套管在实 维普资讯 http:/ 要氧电力 验室中进行了试验,试验结果 见表 6。表 5 用发 电机带变压器零起升压再 降 压后 1 0 k V下的介损 表 6 介损异常套管的实验室试验结果 由表 6可以看 出,在 试验前,套管介损正 常,没有超标,套管经 2 0次 一 2 5 0 k V标准操作波冲 击后,介损增加了 1 4 左右;当套 管再经过 2 0次 一3 0 0 k V标准操作波冲击后,介损与试验前相比 增加了 3 6 左右,达到 0,7 6 ,超过 了标准规定,并 且随着试验 电压 的身高而下降。冲击试验结束后,在套管施加 2 0 0 k V工频电 压 1 h 后,套管介损值已恢复到试验前的值,电容 量仍与试验前的数值相同。2 高压套管介损异常原因分析 主变 5 0 0 k V环氧树脂浸纸套管足以干 态皱 纹纸绕制套管电容芯绝缘结构,在层问按照设计 要求的位置夹有铝箔(均压极板),整体在环 氧树 脂 L J 浸渍、同化,经过 后续车削成、涂釉后装配 法兰等工序,保证其气密性等符合要求 环氧树脂和纸 同属 r极性 介质,套管 的绝缘 由多层介质组成,属于不均匀结构介质。(1)环氧树脂浸渍纸套管存在极化现象 环氧树脂等极性介质材料的分子是 由共价键 2 0 0 6,3 4(1)结合而成,共价键指 电负性 相等或 相差不大 的 2 个或多个原子(同一元素的原子 问或 f:同元素的 原子问),通过共有电子对 而结合起来 的化学键,在无外电场作用下时,极性绝缘材料分子 的正负 电荷重心不相重合,相当于一个电偶极子,即分子 具有 为零的电偶极矩,该 电偶极矩被称为分 子 的固有偶极矩,分子结构不对称。无论哪一种电介质,在外电场作用下,正负束 缚 电倚朝相反方 向均匀地相对位 移(或沿外电场 方 向取 向),这时电介质 内部仍处于维持 电中性,但在 直于电场的表 面 卜出现过剩 电茼 的集 垒,电介质两个表面上m现的过剩束缚电荷的极性和 各 自相邻电极上的卒间电荷的极性相反,称为电 介质的极化,在外电场作用下能够极化是电介质 的基本特性。环氧树脂浸纸主变 苛压套管采用的绝缘材 料属 于极性 电介质,并且 是多层介质结 构形 式,高压套管 绝 缘 材料 的极 化包 含 了电 子位 移 极 化、偶檄子弛豫极化以及央层介质界面极化等 3 种形式。当外 电场刚加 二 时,各层介质 中的电场 E和 成 反比,即各层介质 中的电位按 介电系数分布(电容分布)外电场作用斗 4 J 当长时问后,就会 在介质 而(夹层)卜积聚了 自由电荷,使这种分 布变为稳态 的电场 分布,即按 电导 系数 分布(电 阻分布)这一班象称为夹层介质界面极化。这种 极化的过程特别缓慢,且伴有能量损耗。运行中主变高 套管的绝缘介质材料一直处 于稳定的交流电场中,特别当断路器分合闸过程 中,系统会产生含非周期 分量 的暂态过程,n 1 j 存暂 态过程作用下的绝缘 介质材料将会产生极化(土 要是偶极子 弛豫 极化 以及灾层介质 界面极 化),并产生能最损耗 环氧树脂浸渍纸套管中的绝缘 介质材料在电压作用 下有能量损牦,一种是电导 损耗,另一种是 由极化引起 的损耗。(2)套管介损异常的原 因 当套管绝缘介质材料在分合闸等有非怙 J 期分 鼙存在的暂态过程中发牛极化时,介质表面出现 束缚电荷,_卡 H 应地便在 导杆和铝箔(均压电极)上 另外吸住了部分 电荷 所 以使 导杆和铝箔【:的 电荷增多。施J J u l O k V测试电压时,电介质极化损耗 f i 产牛的有功电流在总的电介质有功电流中占有 维普资讯 http:/ 张嘉昱。等主变5 0 0 k V环氧树脂浸纸套管介损异常原因研究 的比例较大,电介质的总有功电流与无功电流之 比也较大,因此介损偏大;随着测试 电压的提高(直至额定电压),电介质 电导 电流成 比例增 大,而介质极化损耗产生的有功电流却没有明显地成 比例增大,因此介质极化损耗而产生的有功电流 在总的电介质有功 电流 中占有的比例显著减小,电介质总有功电流与无功电流之比也相应减小,所以介损也降低了。根据前述用发电机零起升压至额定电压持 续运行一段 时间再降压 的方法 可以使套管介损 恢复正常,极化理论分析认为交流运行电压有 驻极化和去极化的功效,能消除套管介质的极 化。3 结论和建议(1)根据理论分析和现场实测,以及实验室 试验结果可以定性地认为极化可以使环氧树脂浸 纸主变高压套管介损在低电压测量时产生异常增 大,即极化是造成套管介损测 试结果异常(1 0 k V 测试电压下)的主要原因。(2)今后若在预试 中发现环氧树脂浸纸主变 高压套管的介损异常增大,超过标准规定(测试 电压为 1 0 k V),则可进行提高测试 电压的试验,观察随着测试电压的上升、套管介损的变化规律,如果套管介损随着测试电压的上升而下降,则建 议采用发电机带主变零起升压至额定电压运行一 段时问再降压的方法,使介损恢复正常,以满足介 损符合规程的要求,若此种方法无法使介损降低 到规程规定值,或套管介损随着测试电压的上升 而增大,则必须引起重视,必要 时建议主变停运,查明原冈,采取相应措施、消除缺陷确保变压器的 安全运行。(3)对介损异常的套管还应该注意其电容量 的变化,若经过几年的运行,电容量与出厂值相比 有一定的增加,则应引起重视,加强在线监测,以 防止可能出现的由于套管电容层绝缘击穿而引发 的事故。收稿 日期:2 0 0 6-0 1 4 平壬 1 年仁 壬代*乍#平=年牛号妊平代 早佑年 广 告串亡平圣。早半牛 中年 *年 平牛 _ 辱 牛 环氧树脂浸纸主变高压套管介损和电容量异常原因研究课题简介 目前国内有一些电厂5 0 0 k V系统采用主变 G I S 接线方式,主变高压套管采用环氧树脂浸纸套管。从2 0 0 1 年起至今国内有多家电厂的近2 O根环氧树脂浸纸主变高压套管发生介损或电容最异常的情况,占全部高 压套管的6 1 左右,其中5 根予以更换,2 0 0 4 年云南大朝“I 水电厂 3 号主变 c相高压套管发生爆炸,波及到主变和 G I S 系统,造成停电,严重影响了电厂的安全运行。目前国内还没有对此种情况做过专门的研究,幽外电厂 虽有主变 G I S接线方式,但并 f 每年对主变奁管做类似我国 的预试丁作,并且解剖发生故障的环氧树脂浸纸套管也未能找到具体故障点以及发生故障的原因,与此相关的文献报道 也很少。对大量出现的该类 主变高压套管介损和电容 l 异常情况,华东电力试验研究院从试验方法、试验仪器、电介质 极化等几方面的凶素对套管介损的影响着手,通过对主变冲击加压试验、零起升压试验、局放试验、极化特性等多方面的 试验研究。同时基于电介质极化理论的研究,首次用“空间电荷、界面极化”等理论解释了该类型套管介损异常的原因 并试验验证了极化是造成套管介损异常的原因之一。其次对电容量异常增大的故障套管进行了逐层仔细解剖,并成功地找到故障层击穿点,通过对车削屙被暴露故障层 面的观察,横断面切片,电镜扫描检测以及套管内部的电场强度的计算,最终发现 r环氧树脂浸纸套管电容量异常的原 因。同时全面分析 r电容量异常对介损的影响,从而揭示了环氧树脂浸纸主变高 套管特有的极化物理特性和制造工 艺中值得关注的技术问题,并提出了对策。本课题总结了环氧树脂浸纸主变高压套管存在的问题,发生事故前兆的现象特征,以及套管绝缘劣化过程的般规 律,对今后国内使用环氧树脂浸纸套管的单位在套管绝缘状况监测和绝缘预防性试验结果的分析方面有着积极的指导 意义。本课题是目前国内外首次系统地对运行中环氧树脂浸纸主变高压套管的介损和电容量异常问题进行的研究 研究 成果已在国内一些电厂推广使用。本刊讯 维普资讯 http:/
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