油浸纸套管电容芯子浸渍不良缺陷的放电过程及其特征

戴佺民;齐波;卓然;李成榕;傅明利

【摘 要】In order to study the degradation mechanism of the poor impregnated defect in oil-impregnated paper bushing(OIP),an OIP model is made by transparent sheath.A poor impregnated defect is designed by the non-vacuum oil injection after its linking oil.The parameter of changes of partial discharge,tan δ and capacitance are measured by the step by step raising voltage method,while the discharge phenomenon are observed.And also observing the position of bio-gas,gas-producing phenomenon,combined with trial anatomy,analysis of carbonization oil impregnated paper electrical tree channel.The result shows that PD detection is more sensitive for poor impregnated defect than tan δ and capacitance.The partial position is located at the edge of coil and electrical tree creepage would produce along the surface of oil-impregnated paper and produce continuous bubbles.The diffusion of Phase-resolved partial discharge is symmetrical about the 180° phase of applied votage.The φ-q spectrogram of partial discharge has a typical characteristic of the wing shape which may be used to diagnose the discharge type and severity of poor-impregnated defect in OIP.%为了研究油浸纸套管浸渍不良缺陷的劣化机理,研制了透明的套管模型,利用良好套管模型漏油后补油不抽真空的方法,模拟浸渍不良缺陷;利用阶梯升压法,研究浸渍不良套管缺陷模型的局部放电参数、介质损耗正切值和电容量的变化情况,同时观测了放电过程中的产气部位和产气现象,并结合试验后解剖,分析油浸纸电树枝碳化通道.研究结果表明,对于油浸纸套管浸渍不良缺

陷劣化过程,局部放电检测比较灵敏、特征显著,而介质损耗正切值、电容量检测不灵敏.放电位于芯子末屏极板边缘,沿极板边缘纸层表面发生电树枝沿面爬电并产生连续的气泡.放电相位呈现明显的对称分布,放电相位与放电量的φ-q散点图呈现\"翼状\"分布特点,可作为诊断和识别油浸纸套管电容芯浸渍不良缺陷放电严重程度的特征谱图.

【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2017(032)007 【总页数】9页(P181-189)

【关键词】浸渍不良缺陷;油浸纸套管;电容芯子;局部放电;沿面爬电;故障诊断 【作 者】戴佺民;齐波;卓然;李成榕;傅明利

【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206;南方电网科学研究院有限责任公司 广州 510080;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206;南方电网科学研究院有限责任公司 广州 510080

【正文语种】中 文 【中图分类】TM855

油浸纸套管(Oil-Impregnated Paper bushing，OIP)是电力变压器的关键部件之一，起着将绕组与外界电网联络的桥梁作用，具有绝缘、支撑和引流的功能[1]。

在110 kV及以上的电力系统中，油浸纸套管为高压套管的主要形式，使用比例达93%[2]，但故障率居高不下。根据德国汉诺威大学统计[3]，套管导致的变压器事故次数占变压器重大故障次数的45%。我国电力可靠中心统计，2008年～2010年，全国因套管导致220 kV、500 kV变压器非计划停运次数占总非计划停运次数的23.7%；非计划停运时间占总非计划停运时间的56.5%[4-6]。套管故障是造成变压器非计划停运的主要原因之一，具有故障突发率高、故障影响时间长的特点[7]。

浸渍不良缺陷是导致油浸纸套管故障的直接原因之一[8-11]。在油纸绝缘套管制造中虽然采取了真空干燥浸渍工艺，但不可避免地存在浸渍不良缺陷隐患。2005年10月，杨公桥变电站220 kV变压器套管出现漏油[10]，在进行换油过程中，未对套管进行真空注油处理。投运后5天，套管爆炸。2006年6月，某抽水蓄能变电站500 kV变压器套管故障，故障的直接原因是套管电容芯子浸渍不充分、不均匀，致使绝缘产生放电[11]，严重的放电引发整个套管绝缘击穿。由此可见，浸渍不良缺陷对套管及电力变压器的正常运行构成严重威胁。目前油浸纸套管故障机理的研究仍仅为对套管故障的简单分析，缺乏放电机理及关键特征量的试验研究。 目前国内外针对油纸绝缘放电机理的研究大多针对抽象的物理模型。重庆大学陈伟根等采用恒压法参照CMII电极系统结构制作了气隙缺陷模型，研究了变压器油纸绝缘气隙放电模型局部放电特性，认为油纸气隙放电随时间的增长，最大放电量幅值有较大的增长[12-14]。清华大学高文胜等研究了气隙尺寸对固体绝缘的局部放电过程影响，认为更大的视在放电量意味着更大的气隙缺陷[15]。针对套管的研究主要针对绝缘优化、在线监测及油纸绝缘的老化评估[16-18]。彭宗仁、张施令等[16，17]改进了高压干式套管等裕度设计方法，提出了芯子优化设计流程。张冠军等[18，19]研究了基于FDS对套管受潮与老化状态评估方法，提出了基于活化能变化对固体绝缘老化程度诊断的简单判据。周湶、廖瑞金等[20]利用云推理和关

联分析法挖掘套管评估指标权重，为套管绝缘状态评估提供了一种新的方法。杨丽君等[21]研究油纸绝缘套管热老化特性，建立了油纸绝缘套管热老化寿命模型。林春耀等[22]研究了不同水分对电容性套管绝缘介电特性的影响，建立了包含老化和受潮信息的介损特征区间积分模型。

目前尚无油浸纸套管浸渍不良缺陷的放电机理研究。国内外对油浸纸套管浸渍不良缺陷与其介电特征、放电特征关系研究仍然不明。油纸绝缘套管浸渍不良缺陷模型与其多层细长同轴圆柱电容串联结构密切相关，要建立更为完善准确的油浸纸套管绝缘状态诊断方法，须深入研究电容芯子结构浸渍不良缺陷放电机理及特征。 传统宏观的试验方法并不能揭示套管电容芯子缺陷的内部放电现象和放电特征，本文研制了透明的油浸纸套管试验模型，利用良好套管模型漏油后补油不抽真空的方法，模拟了浸渍不良缺陷；利用阶梯升压法，测量了浸渍不良套管缺陷模型的局部放电参数、介质损耗正切值和电容量的变化情况，同时观测了放电过程中的产气部位和产气现象，并结合试验后解剖，观测分析了油浸纸电树枝碳化通道。为油浸纸套管绝缘劣化程度评估和浸渍不良放电故障分析以及建立有效的油浸纸套管故障检测及预警机制提供了重要的理论基础及定量数据。 1.1 试验模型

试验所用油纸电容式套管模型包括电容芯子和透明外套两部分，其中模型的电容芯子如图1所示。该模型的额定电压为26 kV，工作相电压15 kV，其绝缘结构为：套管主绝缘设置四层均压铝箔极板，其中零序极板半径R0和长度L0分别为16.5 mm和250 mm。利用传统套管电容芯子设计计算方法，对内部极板长度和台阶长度进行优化设计。该模型的电容芯子均匀部分的径向电场强度Ea最大值为4.49 kV/mm，上轴向电场强度Er最大值为0.1 kV/mm，下轴向电场强度最大值为0.43 kV/mm。该模型的电容芯子由芯子卷绕机绕制而成，其卷制紧度与实际油纸绝缘套管电容芯子完全一致。该模型电容芯子的干燥工艺、真空浸油工艺参照厂家

的40.5 kV油纸绝缘套管电容芯子的工艺标准，保证其电气性能满足GB/T4109—2008的要求[23]。

1.2 试验平台构成

本文建立了一套120 kV套管绝缘缺陷放电发展的试验平台，主要由120 kV交流加压装置、套管模型、局部放电监测在线装置、介损在线监测装置和DV摄像机五部分组成，如图2所示。其中常规脉冲电流信号采用德国DOBLE 公司LDS-6型局部放电检测仪进行检测，监测频带为40～80 kHz，采用并联测试回路以保证试验过程中测量设备的安全，通过实际测试，最小可检测的放电量为1 pC。介损在线测量装置采用济南泛华仪器公司的AI6000R型介损仪，主要由高精度穿心式电流传感器和测量主机两部分组成，介损测量精度为±0.04%。

2.1 浸渍不良缺陷模型

浸渍不良缺陷在实际套管产品上的表现形式比较多，可能出现在套管电容芯子内部不同的部位。为模拟实际套管浸渍不良缺陷，本文首先制作了浸油良好的套管模型，该模型在40 kV电压下局部放电量小于10 pC。然后将浸渍良好模型中的25号变压器油倒出，密封静置后，在不抽真空情况下注入等量、同品号的新油。在电容芯子末屏边缘形成气隙，构成一种比较危险的浸渍不良缺陷形式，其气隙结构如图3所示。原因在于电容芯子浸油工艺对真空度要求严格，浸油良好芯子在油渗漏后静置，芯子外层油隙的油渗出，外层容易形成气隙，若未及时注油并真空处理，注油后，油很难完全浸透电容芯子，气隙将残存在芯子内部。 2.2 试验方法

为了研究油浸纸套管电容芯子浸渍不良模型的局部放电参数特征和介电参数特征，采用阶梯升压法，局部放电起始前，升压步长为1 kV/min，测试局部放电起始电

压；局部放电起始后，升压步长5 kV/5 min，同时在线测量局部放电、介质损耗角正切值和电容量的变化过程。阶梯升压示意图如图4所示。 3.1 局部放电参数

首先根据IEC 60270对局部放电起始电压定义如下[17]：在1 min之内，出现局部放电并超过35pC时的外施电压。浸渍良好套管模型，在试验电压40 kV下局电放电小于10 pC。浸渍不良缺陷的套管模型在试验电压升到5.2 kV时，出现局部放电现象，并且1 min 最大放电量为101 pC。1 min统计特征φ-q散点图如图5所示，放电相位呈现对称分布，集中在10°～60°和200°～240°。 利用阶梯升压法，将电压从5.2 kV逐级升高到24.9 kV，分别以第五分钟的1 min统计特征进行分析，φ-q散点图如图6所示。由图6可看出，电压升到9.9 kV时，1 min最大放电量为242 pC，放电相位主要分布在20°～125°和200°～280°之间；电压升到14.9 kV时，1 min最大放电量为454 pC，放电相位主要分布在5°～125°和185°～305°之间；电压升到20.1 kV时，1 min最大放电量为494 pC，放电相位主要分布在5°～155°和185°～335°之间；电压升到24.9 kV时，1 min最大放电量为580 pC，放电相位主要分布在25°～175°和185°～335°之间。

四个电压等级下，随着电压的升高，1 min最大放电量幅值均有所增加，相位分布逐级两边拓宽，并呈现以180°为中心的对称分布。

利用阶梯升压法，将电压从24.9 kV逐级抬高到30 kV，1 min的φ-q散点图如图7所示。电压升到30 kV 时，1 min最大放电量为689 pC，放电相位分布在5°～175°和185°～355°区间，并呈现以180°为中心的对称分布，同时观测到套管芯子底部产气现象。 3.2 介质损耗正切值

浸渍不良模型的介质损耗正切值tanδ随试验电压的阶梯上升基本保持不变，如图

8所示。

根据DL/T596—2005[24]，110 kV及以下套管tanδ应小于1%，试验电压由10 kV升到时Δtanδ增量应小于±0.3%。该浸渍不良套管模型中，试验电压由10 kV升到时Δtanδ增量为0.01%；相同试验电压下浸渍良好与浸渍不良模型Δtanδ增量最大为0.05%，均未超标。 3.3 电容量变化过程

浸渍不良模型的电容量随试验电压的阶梯上升基本不变，如图9所示。根据DL/T596—2005[24]，电容型套管的电容值与出厂值差别应小于±5%。相同试验电压下，浸渍不良套管模型与浸渍良好套管模型中，ΔC增量最大为0.3%，未超标。 3.4 产气现象

试验电压升到30 kV时，在电容芯子末屏下部附近，利用摄像机观测到大量的连续气泡，如图10所示。气泡从电容芯子末屏下端纸层间的油隙中产生，持续向油中冒出，并向外扩散。气泡的产生说明油浸纸层遭到了破坏[25]。气泡在油中逐渐上升套管头部，并使得套管内部压力增大。气泡的产生不仅加速沿面爬电，同时也是导致套管爆炸的主要原因。 3.5 爬电通道

试验后解剖套管模型，在电容芯子内部发现一处油浸电缆纸层表面的电树枝碳化通道。碳化通道位于电容芯子末屏下端电缆纸表面，未出现通透性的碳化通道，如图11所示。被碳化的电缆纸碳化通道沿着轴向电场向下端发展，并出现通道分支。随着碳化通道面积不断扩大，由于有效绝缘距离的减小，施加在剩余绝缘层上的电场增强，经历一段时间之后，绝缘击穿[26]。 4.1 浸渍不良缺陷放电机理

结合产气部位和爬电通道特征，油浸纸电容芯子浸渍不良模型的气隙位于末屏极板

下边缘，其沿着极板油隙轴向分布，结构如图12a所示，其中末屏极板边缘气隙的厚度为d，末屏极板边缘油隙轴向高度为h，层间绝缘厚度为d1，末屏极板边缘油隙厚度为d2，保护层厚度为d3。

油纸绝缘套管浸渍不良缺陷模型与气隙缺陷类似，在电场环境中可以等效为RC模型[23]，边缘气隙缺陷等效电路如图12b所示。其中，Rc、Cc分别为气隙的等效电阻和电容，Rb、Cb分别为与气泡串联部分纸板的电阻和电容，Ca为对应的油浸纸电容芯子的主电容，Cd为其余油浸纸电容芯子的电容。

电容芯子极板边缘电压在电路中形成的电流是连续的，其电压的分布情况为 式中，Uc、Ub分别为气隙c和油纸轴向b的电压；Yc、Yb为导纳；εrc、εrb分别为气隙、油浸纸层介电常数；γc、γb为电导率。

在交流电压作用下，γc、γb可以忽略不计，气隙和油浸纸中的电场分布按照介电常数呈反比分布，即

由于气隙介电常数εrc小于油浸纸层介电常数εrb，因此Ec>Eb，气隙放电需要的电场强度低于油浸纸层，因而局部放电首先发生在电场集中的极板边缘附近的气隙上。尤其是极板边缘不规整区域，极板边缘电场突变，形成局部强场区，引发极板边缘气隙放电。同时局部放电侵蚀油浸电缆纸层表面，接着放电沿着电缆纸层间的间隙发展，产生沿面爬电的碳化通道。

随着外施交流电压的变化，极板边缘附近气隙内的电场也随着变化。在外施电压为50 Hz正弦交流电压作用下，当电压瞬时值上升使得气隙上的电场强度达到击穿电场强度时，气隙发生放电。由于放电时间短，气隙上的电压由于放电而在瞬间下降ΔUc，从而气隙上的电场强度低于气隙击穿电场强度，放电暂停，此时相当于图13 中的a点。此后，气隙上的电压又随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压回升并使得气隙电场强度达到击穿电场强度时，放电再次发生，再次瞬间气隙上的电压又下降ΔUc，放电又暂停，此时相当于图13 中的b点。外施电压

在周期变化过程中，局部放电不断重复上述过程。气隙在一个周期电压作用下的过程如图13所示[27]。

通过上述分析发现，交流电压作用下油纸绝缘电容芯子气隙放电有如下特征：①交流电压作用下，局部放电总是出现在外施电压的一定相位上；②局部放电在正、负半周都有出现，并且放电的相位分布关于180°呈对称分布；③一个周期内出现多次放电，每次放电有一定的间隔时间。上述交流电压作用下气隙放电的理论分析与油浸纸套管电容芯子气隙放电的试验结果相符，理论结果变化趋势与试验结果趋势非常相似。 4.2 关键特征量

油浸纸套管漏油后注油，真空度不足或不抽真空情况下产生的缺陷，局部放电特征显著，而介质损耗正切值和电容量特征变化不明显。原因在于不抽真空情况注入新油，对于细长的电容芯子内层绝缘影响不大，而在电容芯子纸层边缘局部产生浸渍不良缺陷。该缺陷类型短时间内不影响整体电容芯子绝缘状况，因而介质损耗正切值、电容量特征不明显；但其在纸层极板边缘容易产生具有危害、重复的局部放电，引起油浸纸层破坏，并引发电树枝放电，逐渐发展到严重事故。

在浸渍不良缺陷放电发展阶段，视在放电量和放电相位分布特征明显。图14为视在放电量Q的时间发展趋势，统计特征为放电阶段1 min数据。放电相位呈现明显的对称分布，放电相位与放电量的φ-q散点图呈现“翼状”分布特点。

因此，对于制造或运行过程中，油浸纸套管漏油情况下的注油工艺及缺陷检测须引起足够的重视。对于已经出现漏油的套管，建议：①离线试验中，严格进行真空注油处理，并进行局部放电试验检测；②在线监测或带电检测局部放电，根据φ-q 散点图的相位分布及放电量增长趋势，判断套管主绝缘状态，以便及早发现缺陷套管。

根据油浸纸套管电容芯子浸渍不良缺陷放电特性、介电特性及出现气泡现象、电缆纸碳化通道特征，结合气隙放电机理，得出以下结论：

1)对于油浸纸套管浸渍不良缺陷劣化过程，局部放电检测比较灵敏、特征显著，而介质损耗正切值、电容量检测特征变化不明显。

2)局部放电位于芯子末屏极板边缘，沿极板边缘纸层表面发生电树枝沿面爬电并产生连续的气泡，破坏绝缘。随着时间的发展，放电相位呈现明显的对称分布，放电相位逐渐变宽、1 min最大放电量逐渐增大。放电相位与放电量的φ-q 散点图呈现“翼状”分布特点，可以作为诊断和识别油浸纸套管电容芯子浸渍不良缺陷放电严重程度的特征谱图。

3)建议在油浸纸套管实际运行维护中，对于已经出现漏油的套管，严格进行真空注油处理，并进行局部放电试验检测；加强套管局部放电的在线监测或带电检测，根据φ-q 散点图的形貌及放电量增长趋势，判断套管主绝缘状态，以便及早发现缺陷套管。

戴佺民 男，1990年生，博士研究生，研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断。

E-mail：*************(通信作者)

齐 波 男，1980年生，副教授，研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断。 E-mail：************* 【相关文献】

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