变压器套管在线监测接口适配器的研究

邹国平，何文林，孙 翔

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

套管是电力变压器的重要组成部分，主要承担变压器内部出线的对地绝缘、载流及支撑功能，其性能直接影响变压器的运行稳定性。变压器套管绝缘在线监测是目前变压器检测的盲点之一，根据研究，实施套管介损与电容量在线监测可将非停电检修策略的盲检率从目前的4.9%降低至3%[1]。

电容型套管由于电场分布均匀、耐受电压高，在110 kV及以上系统中得到广泛应用。为了保证套管的正常运行，电容型套管最外层的电容屏通过卷入一层铜带后经由绝缘小套管引出并接地。可通过电桥平衡法、相位差法与数字测量法[2]获得介损值与电容量。目前套管实现在线监测的最大难点在于套管末屏信号的取样问题，出于安全考虑，现有变压器套管在正常运行时，末屏基本上是在接地帽内部接地，在线监测中无法引出末屏测试信号。

因此，通过分析不同套管的末屏接地方式，研究相应的套管在线监测接口适配器（以下简称适配器）实现信号引出，对于消除变压器套管监测的盲点，提升电网运行可靠性具有重要的工程应用价值。

1 浙江电网变压器套管接地结构

据统计，浙江电网110 kV及以上电压等级变压器明确生产厂家的电容型套管共有9 498个。套管数量从高到低的生产厂家分别为传奇电气、上海MWB、南京智达、南京南瓷、ABB、西安西瓷、NGK电瓷等，占有比例分别是35.3%，16.3%，14.0%，9.3%，4.6%，1.2%，1.2%。套管厂家分布见图1所示[3]。

图1 电容型套管的厂家分布

根据研究，传奇套管包含3种不同的末屏接地结构，分别为普通抽头、K抽头与插销式结构。上海MWB套管包含1种末屏接地结构，且和传奇普通抽头结构相同。南京智达套管包含1种末屏接地结构。南瓷套管包含2种不同的末屏接地结构，分别为瓷绝缘与普通绝缘结构。ABB包含3种末屏接地结构，分别为ABB TOB/TOM，GOE与RTKF/RTKK结构。西瓷套管包含3种末屏接地结构，分别为插拔式、长接地帽、短接地帽结构。NKG套管包含1种末屏接地结构。

在套管正常运行时，末屏通过接地帽内部接地，为了实现套管在线监测，必须改变套管末屏接地方式，将信号引出到外部，在套管在线监测接口研究中需要解决信号引出、防水密封、开路保护等几个关键问题。

2 适配器研制的关键问题

2.1 末屏信号的有效引出

套管末屏信号引线柱可分为3种类型：一是光滑引线柱，如传奇/MWB普通抽头、ABB、西瓷、NGK等套管的末屏结构；二是螺纹引线柱，如传奇K抽头、南京智达、南瓷、天威瑞恒等套管的结构；三是特殊结构，如传奇插销式、泛美雷特等套管的结构。

对于光滑引线柱采用了如图2所示的弹簧抱紧结构，实际安装中光滑引线柱插入弹簧抱紧结构，并通过外部绝缘件实现紧固连接。螺纹引线柱设计了如图3所示的螺纹中转连接结构，结构首端采用内螺纹与末屏引线柱连接，末端设计为光滑导杆，方便停电试验时插拔。光滑导杆之后采用的仍是与第一种结构相同的弹簧抱紧结构。对于特殊结构须针对每种结构单独设计信号引出方式，因此不一一赘述。

为了验证信号引出结构的有效性，对连接结构做了疲劳度测试与绝缘电阻测试。疲劳度试验中分别测试导电杆连接结构插拔0次、50次、100次之后的直流接触电阻。测试结果如表1所示，直流电阻测试结果显示经过多次插拔，该结构的连接电阻仍小于20 mΩ，证明连接可靠。

图2 光滑引线柱的弹簧抱紧结构

图3 螺纹引线柱的中转连接结构

表1 适配器直流接触电阻测试值 mΩ

绝缘电阻试验中分别选择2 500 V、5 000 V电压等级兆表测试内部导电杆与保护外壳之间的绝缘电阻，测试结果如表2所示。按照DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程要求[4]，末屏绝缘电阻测试时选择2 500 V档位，电阻大于1 000 M即为合格，因此样品的绝缘电阻符合要求。

表2 适配器绝缘电阻测试值 GΩ

2.2 适配器的防水密封

为了保证适配器的密封性，在设计中考虑了多个密封结构，同时对样品做了压力为0.3 MPa、持续时间15 min的防水密封试验。现场测试布置如图4所示，测试过程中水中无气泡产生，适配器防水密封性符合要求。

图4 防水密封试验

2.3 末屏信号外引的防开路保护

套管加装适配器之后，末屏经由信号电缆后接地，如果信号电缆受外力破坏而断开，将导致末屏放电，严重影响套管的运行安全，因此必须具备信号电缆防开路保护装置。

目前在用的适配器大多没有防开路保护，部分采用如图5所示的2个反向并联的二极管作为接地保护，同时为了防止雷击和操作过电压，适配器内部还配置了放电间隙。由于二极管和放电间隙尺寸较大，保护元件无法内置在适配器中，一般采取外置方式。在停电试验中，需要拆除图中虚线范围内保护的接线。而经多次拆卸之后装置连接的有效性往往无法得到保证，存在试验完成后忘记恢复接线的隐患，安全性不高。

图5 二极管防开路保护装置

经研究，适配器最终采用的是如图6的保护结构，末屏信号除了经电缆连接接地外，在适配器内部设有保护电阻。当信号电缆正常时，电缆接地电阻Rg远小于R，因此电阻R上可以认为没有电流分流；当信号电缆开路时，由于套管电容阻抗Zc远大于R，末屏经由保护电阻R接地。同时考虑到停电试验时的接线方便，将适配器划分为2部分，第一部分为转接口，用于连接末屏法兰；第二部分为主体结构，保护电阻、信号电缆都连在其中。2部分的连接位置如图中虚线部分所示，两者通过活结螺母连接，在停电试验时拆下主体结构，末屏对地开路；正常运行时，旋紧活结螺母以实现两部分结构的连接与密封。

图6 电阻防开路保护装置

3 各种结构适配器的研制

3.1 插拔式结构

插拔式结构的适配器适用于末屏光滑引线柱引出方式的末屏接地结构，主要应用于传奇/MWB套管普通抽头结构、ABB套管TOB/TOM与GOE结构、西瓷套管、NGK套管等的末屏接地结构的信号引出。

图7是针对传奇/MWB普通抽头套管设计的适配器结构图。该类套管末屏采用光滑引线柱的引出方式，可以通过弹簧抱紧结构实现信号引出。插拔式结构适配器密封在一个金属外壳中，末屏引线柱通过整体式弹簧片夹紧，经由导电杆末端电缆线穿过防水接头引出外接（图中电缆未画出），弹簧片、导电杆与金属外壳保持绝缘。为了防止信号引出线开路对套管造成危害，在导电杆与转接头之间设有接地保护电阻。传奇/MWB普通抽头结构的适配器已经在某110 kV和220 kV变电站主变压器上安装成功，实际安装位置如图8所示。

3.2 螺纹式结构

螺纹式结构适配器适用于末屏螺纹引线柱引出方式的末屏接地结构，主要包括传奇K抽头结构套管、南京智达套管、南瓷套管、天威瑞恒等套管的末屏接地结构。

螺纹引线柱适配器与普通引线柱相比，适配器主体结构一致，所不同的是增加了转换顶针。图9是针对南瓷套管瓷绝缘结构设计的适配器结构图。适配器中的转换顶针将螺纹结构导电杆转接为光滑导电杆，同时延长了转换顶针外转接头长度。

图7 传奇/MWB普通抽头结构适配器

图8 传奇/MWB普通抽头结构适配器的连接

图9 南瓷瓷绝缘结构适配器

3.3 特殊式结构

特殊式结构末屏适配器应用于末屏接地结构较为特殊，既不是光滑导杆也不是螺纹导杆的末屏引线柱结构。主要包括传奇套管的插销式结构、ABB RTKF/RTKK套管结构、泛美雷特套管结构，此类结构须针对每种结构单独设计相应的信号引出方式。

传奇插销式结构是2007年之前采用的末屏接地结构，在新套管中已不再应用，但是在已运行变压器中仍有很多此类套管，插销式结构末屏适配器结构如图10所示。

图10 传奇插销式结构适配器

泛美雷特套管是新型的干式套管，电容芯子采用玻璃纤维浸渍环氧树脂构成绝缘层，并与半导体材料制成的电容屏一起高温固化，其伞裙由硅橡胶材料制成。泛美雷特套管接地结构是另一种特殊的接地结构，末屏引线柱是内部空心且包含有横向弹性结构的柱装金属导体，接地帽上有一与引线柱接口相匹配的顶针，正常运行时接地帽顶针插入引线柱接口实现接地。泛美雷特套管末屏接口适配器结构相对简单，只需设计与顶针相同尺寸的导电杆即可实现信号有效引出，其结构如图11所示。

图11 泛美雷特套管适配器

3.4 套管在线监测的应用

变压器套管接口适配器将套管末屏内部接地改为外部接地，实现了套管末屏信号的外引，为套管在线监测提供了信号源，上述几种结构的末屏适配器均已有安装实例。图12是某主变压器套管安装在线监测装置之后测得的3相泄漏电流和电容量。通过安装在线监测装置，可以实时监控套管的泄漏电流、电容量、介损等数据，掌握套管的健康状态，提高变压器运行可靠性。

图12 套管在线监测数据

4 结语

对浙江电网已投运的主要变压器套管厂家及其接地方式做了统计，针对3类不同的末屏引线柱引出方式的接地结构研制了相应的接口适配器。解决了套管末屏适配器信号引出、防水密封、防开路保护等3个关键问题，并在部份主变压器上开展了管套末屏适配器试点安装工作，研制的适配器应用范围可覆盖浙江电网已投运变压器套管的98%左右，将为套管的在线监测提供有力的技术支撑。

[1]孙翔，何文林，胡文堂，等.变压器状态量的优化分析[J].浙江电力，2012，31（1）：6-9.

[2]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]邹国平，何文林，孙翔.浙江电网在运变压器套管末屏接地结构分析[J].浙江电力，2013，32（6）：5-9.

[4]DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].北京：中国电力出版社，1997.