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高压套管末屏接地装置故障研究

2-13 11:32| 发布者: 电力科技在线| 查看: 2346| 评论: 0|原作者: 文/周乐豪

摘要: 详细分析了油纸电容型高压套管末屏接地装置出现接地不良或不接地故障时的故障现象以及该故障的发展过程。旨在帮助有关人员掌握高压套管的基本结构和工作原理,正确认知该类故障的潜在危害,防止高压套管炸裂甚至爆炸 ...
高压套管是变压器的重要附件,变压器绕组引线是通过高压套管引出箱外与电网联接的,其主要作用是固定引线、确保引线对变压器外壳的绝缘以及承担输送电流。高压套管是变压器易发生故障的附件,而高压套管末屏接地不良甚至末屏接地线断开,在高压套管发生的故障中较为常见。正确认知该类故障的潜在危害,对于防止高压套管炸裂甚至爆炸引起变压器火灾等恶性事故发生具有重要作用。

油纸电容型高压套管的结构和工作原理

油纸电容型套管的基本结构

按绝缘结构来分类,油纸电容型套管可分为内绝缘和外绝缘两部分。内绝缘的核心部件是套管的电容芯子,由绝缘纸和铝箔交替转制在导电铜管上,形成以导电铜管为轴线的并列的一系列圆柱体电容器,铝箔作为电容器极板,而绝缘纸则作为极板间的绝缘介质,最外一层铝箔(电容极板)称为电容末屏或地屏。整个电容芯子经真空干燥处理,以除去其内部的空气和水分,再用变压器油浸渍成为电气性能极其优良的油纸组合绝缘体(图1)。外绝缘由油枕、上下瓷套和法兰组成。瓷套作为套管的盛油容器,同时也起套管外部绝缘作用,保护内部绝缘不受外界大气的浸蚀。套管的装配与密封借助顶部弹簧压力构成可拆缷式机械紧固,依靠弹簧弹性来调节各部件由于温度变化而引起的相对位移。油枕则采用全密封结构,以防大气的侵蚀和水分的进入,油枕上部留有一定容积的空间(投运前为常温常压空气),其主要作用是,当温度变化时,缓冲其内部的油的膨胀和收缩。


油纸电容型套管工作原理

油纸电容型套管的核心部件是电容芯子,作为主绝缘的电容芯子是按电容的分压原理工作。从上述电容芯子的组成结构可知,包绕在中心铜管的铝箔作为电容首层,而最外层铝箔为最末层,正常运行时,末层接地,此时,电容芯子首层和末屏接地层间承受工作电压Ue(图2),即UAa=Ue.设首层极板(铝箔)与第二层极板(铝箔)间的电容量为C1(首屏电容),第二层极板与第三层极板间电容量为C2…,末屏与其相邻屏间的电容量为Cn,任意相邻极板间的电容量为Ci,
电容芯子总电容C由下式确定
1/C=1/C1+1/C2+┉+1/Ci     (i=1~n)    (1)
当末屏接地时,任何相邻极板间电压为ΔUi,则
ΔUi=CU/Ci                   (i=1~n)     (2)


理想情况下,电容芯子设计按轴向和径向电场分布均匀且等裕度。但实际情况是,完全理想化的设计目的不能或不易实现。通常采用比较接近理想化设计目标的所谓“等电容、等极板台阶”的电容芯子设计原则。此时,
C1=C2=…=Cn
ΔU1=ΔU2=…=ΔUn
即各极板所组成的电容相等且各极板间电压差亦相等。

油纸电容型高压套管末屏接地装置故障现象

油纸电容型高压套管末屏接地方式及其优缺点

油纸电容型套管接地方式有三种:

外接式:末屏通过外部铜片或铜线与套管底座连接,用铜螺丝紧固在套管底座上,套管底座接地。外接式可以清楚地看到末屏外部的接地情况,试验需解除末屏接地时也只需解开接地点也不必动末屏接地装置。但这种接地方式下,内部接地线断开以及末屏接地线焊接处断开均有可能使末屏接地不良或不接地。

内接式:末屏接地通过接地帽接地,而接地帽通过其螺纹与接地底座固定连接,末屏接地是通过末屏接地杆与接地帽内部压紧而接地的。这种接地方式下,接地杆位移以及接地面锈蚀皆有可能使末屏接地不良或不接地。

推拔常接式:末屏通过弹簧直接将外铜套压紧在接地的套管底座内壁。这种接地方式下,弹簧卡涩以及铜套接触面接触不良皆有可能导致末屏接地不良或不接地。

油纸电容式套管末屏接地不良故障现象及分析

如图2所示,Cb为末屏与接地法兰间电容,正常运行时,末屏接地(图中a点接地),法兰接地(图中b点接地);UAa=Ue,Ua=0,Ub=0;Cb被短接,(Ua为末屏对地电压)
运行电压Ue全部加在电容芯子上。当末屏不接地时,此时,UAb=Ue。由电容串联分压原理可知:

Ua=Uab=C/(C+Cb) *Ue

对于已安装的套管,Ua的大小取决于C/(C+Cb)的大小,而C大于或远大于Cb。理论上讲,套管末屏接地引线完全断开时,Ua会很大(甚至接近Ua)。从上面分析可知,Ua只有在末屏接地不良或完全失地运行时才会产生。在高电压技术这门学科中,我们用“悬浮电压”这个很形象的名词来描述这种由于某种原因使正常接地运行的设备失地运行后所产生的对地高电位。高压套管在这种非正常运行情况下产生的“悬浮电压”会引起末屏对地放电。这种放电会使套管内变压器油裂解,产生油裂解的特征气体如H2、C2H2、CH4、CO等,放电也会影响附近绝缘材料和密封材料,会使绝缘材料和密封材料老化,引起套管漏油。如果是末屏接地不良,那么,故障的发展会有一个较漫长过程。

套管末屏接地不良或失地运行时的故障现象。上面提到,套管从其末屏接地不良或失地运行发展到套管事故会有一个过程.这类故障运行的套管主要有如下两个特点:故障初期的红外热像表征为故障套管末屏接地装置温度偏高.这里要特别指出的是,应按电压致热型设备缺陷诊断判据来判断,这种由电压致热导致的温度升高,其故障部位比非故障部位正常运行时高几度,可采用对比法,根据三相套管末屏接地装置处以及同类设备对应部位温差进行比较分析,并与该设备正常状态热像图进行比较,综合分析判断设备是否正常。故障末期可能会出现套管渗漏油,特别是末屏接地装置处出现渗漏油。

油纸电容套管末屏接地装置故障发展过程

密封良好的套管末屏接地不良时潜在危害

套管正常运行内部气体状态方程。套管电容芯子全部浸在变压器油中,套管顶部的油枕内密封一定量的自然空气。温度变化引起油的体积膨胀和收缩,将由油枕上部的空气来调节。具体计算时,我们通常可以近似认为该封闭气体为理想气体。设气体的压力为P,体积为V,温度为T。由理想气体的状态方程可知:

PV/T=K (常数)      亦即
P1V1/T1=P2V2/T2
P2=P1*V1/V2*T2/T1
P1:初始值,即1个大气压或0.1MPa
V1:初始值,即油枕内密封的自然空气的体积,为设计值
T1:初始值,一般取20℃即293K
V2:套管可能的最高温度运行时其内部变压器油体积膨胀量。可由套管内变压器油的质量、温升(T2-T1)及变压器油膨胀系数计算出套管内变压器油在此温升时的体积膨胀量ΔV,V2=V1-ΔV

T2:套管允许的最高运行温度,按油纸绝缘材料最高允许温度极限105℃即378K考虑。

P2:套管最高允许运行压力值。按照GB/T4109高压套管技术条件,套管出厂密封试验项目,以充气0.2MPa压力维持1小时不出现任何渗漏为合格。因此,按上式计算出的P2≯0.2MPa为合格,如按上式计算出的P2大于0.2MPa时,应适当降低套管油枕油位,增大油枕上部空气腔体积。

当套管末屏接地不良或失地运行时,上述正常运行时的套管内部气体平衡被打破,油中放电产生的气体会使套管内部压力越来越大。通常情况是,套管内部压力的不断升高,套管密封薄弱处首先渗漏以释放压力。这是套管末屏接地不良时出现的一般故障特征。由于套管使用的变压器油量少,油枕内密闭的空气体积也小,套管并不设防爆阀门。密封良好的套管最终因内部压力过大而炸裂是可能的。


套管末屏接地不良或失地运行故障发展过程

套管末屏接地不良或失地运行时,油中放电产生的气体会使套管内部压力大增而可能引起套管炸裂。实际上,由于这个原因引起套管炸裂的案例并不多。当油中发生放电时,套管内部压力的不断升高会使套管密封面薄弱处首先渗漏释放压力,另一方面,末屏放电处往往就在接地接触不良处或地线断线处(也就是末屏接地引出装置处),放电会使其周围的绝缘物和密封垫老化而损坏,促使套管漏油。因此,套管漏油特别是末屏接地引线装置处的漏油应引起我们的高度重视,如不及时处理,漏油会引发重大设备事故。以下是由套管漏油故障引发设备重大事故的发展过程。

套管漏油引起其内部油位下降,套管内瓷壁和电容芯子将裸露在空气中,由于空气的电气性能远比变压器油差,套管内瓷壁和电容芯子表面首先发生沿面放电,沿面放电的不断发展,放电电流的持续增大会引发热游离的产生,沿面放电会发展成滑闪放电,当滑闪放电贯穿两极时,电容芯子会发生沿纸层或芯子表面的沿面的轴向闪烙。另一方面,套管漏油会使空气进入套管内,空气在油中上升到套管顶部油枕空气腔的过程中,会形成一系列的小气泡。在交流电路中,同一电压下组合绝缘体的场强分布按不同介质的介电常数成反比分配.而变压器油的介电常数是空气介电常数2倍以上,所以,气泡中的场强是变压器油场强2倍以上,而气泡的耐电场强度要比变压器油低得多,因此,气泡特别容易发生局部放电。气泡越多,变压器油的绝缘性能降低得越多。同样道理,电容芯子裸露在空气中时,电容芯子间的气隙亦会首先发生局部放电,这种持续放电会使电容芯子层间绝缘击穿.由(1)式可知,当击穿一屏电容时,总电容C增大,由(2)式可知,此时其它完好电容上的压差增大。击穿的屏数越多,余下完好的电容承受的电压越高,电容越易击穿。最终导致电容芯子贯穿性径向击穿而接地。油纸电容套管广泛应用于110KV及以上电压等级系统,这种中性点直接接地的大电流接地系统,其单相接地电流很大,巨大的接地电流产生的热量使套管内余下的变压器油大量气化。套管会因其内部压力骤增而炸裂,也可能由混合气体引燃而爆炸。

混合气体引爆可能性评估

变压器油中放电产生的气体种类有CH4、H2、C2H2及CO等,这些都是易燃易爆气体。那么,油中放电产生的这些易燃易爆气体会引燃爆炸吗?单种易燃易爆气体或多种易燃易爆气体组成的混合气体的引爆是有条件的。首先,单种易燃易爆气体或多种易燃易爆组成的混合气体与空气(或氧气)的混合浓度必须在其爆炸极限范围内;其次,必须提供能使其在爆炸极限范围内的混合气体引燃的最小能量,即提供最小点火能。故障初期,油中放电产生的易燃易爆气体溶解于油中或积聚于油枕上部的空气腔内.这个过程不会发生气体爆炸。故障发展至套管漏油时,裸露的电容芯子中不断有层间放电(或其它部位包括油中的放电闪烙),此时,若空腔内混合气体浓度在其爆炸范围内,放电闪烙是有可能引燃混合气体的。而当故障发展至电容芯子的径向绝缘击穿而对地短路时,巨大的接地短路电流产生的热量会使混合气体(包括高温使套管内油气化产生的油气)的温度骤然上升,压力骤然增大,其结果会大大展宽混合气体的爆炸极限,降低最小点火能。混合气体爆炸是必然的。

小结
高压套管是变压器重要附件,高电压等级的变压器广泛使用油纸电容型高压套管。油纸电容型高压套管的核心部件是电容芯子,电容芯子末屏接地是保证其安全运行的重要技术措施。而一旦末屏接地装置故障造成末屏接地不良或不接地,那么,末屏与地之间产生较高的“悬浮电压”会使末屏对地放电。油中放电产生的气体会使套管内部压力增大.理论上讲,套管内部压力不断增大会引起套管炸裂。如果放电引起套管漏油,那么,故障发展的最终结果是套管爆炸。这是毋庸置疑的。


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