套管诱发变压器突发性故障原因及建议

俞 华，段玮楠，申 平

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西大学，山西 太原 030001；3.华能国际电力股份有限公司井冈山电厂，江西 吉安 343009）

0 引言

套管是变压器最主要的组成部件,它不仅把变压器内部的高、低压引线引到油箱之外，实现与外部连接，同时还起着固定引线的作用[1]。

套管的事故率占全部变压器事故率的比例并不是很大，文献[2]指出，仅占6.3%，但它一旦出现放电等事故就会造成爆炸，极易引起变压器着火，严重威胁电网的安全运行，这也是需要对套管高度重视的主要原因。

1 变压器运行经过

2010年5月2 日0时11分，某500 kV站1号主变压器5011、5012、2001、3001开关掉闸，三相潮流落零，母线电压正常。1号主变压器“本体重瓦斯动作”、“本体压力释放”、“本体轻瓦斯动作”、“A保护柜差动动作”、“B保护柜差动动作”、“C保护柜分差动作”、“5011、5012、2001、3001断路器出口掉闸”等光字牌亮。

运行人员经现场检查，1号主变压器C相顶部220 kV套管与35 kV套管附近着火，迅速启动水喷淋系统，同时立刻报火警，约30 min后消防车到站将火熄灭。

1号变压器C相型号为ODFPS-250000/500，变压器本体和三侧套管分别于2003年3月、2003年1月出厂，同年8月26日投运，投运以来，运行情况良好。

2 变压器故障后现场检查

2.1 主变压器现场检查

故障后，经检查，C相主变压器本体油箱及散热器变形严重，上节油箱中部箱壁和横加强拱鼓起，且油箱接缝多处开裂，密封胶垫烧坏，变压器油流出，220 kV套管侧压力释放器与排油管道连接处崩裂。主变压器三侧及中性点套管瓷套碎裂。

2.2 主变压器保护检查

根据1号主变压器保护及录波图分析，故障发生前，1号主变压器各侧电流、电压没有突变，说明没有发生区外故障。变压器故障时，C相高压侧一次短路电流4.677 kA，中压侧一次短路电流12 kA，21.2 ms后1号主变压器差动保护和C相压力释放同时动作，判断故障源在变压器内部。60 ms后5011﹑5012断路器断开，67 ms后3001断路器断开，80 ms后2001断路器断开。110 ms时轻瓦斯告警，116 ms时重瓦斯动作。1号主变压器保护动作均正确。

2.3 变压器试验情况

对C相残油进行色谱分析，并与最近一次油色谱数据进行了对比，见表1。

主变压器C相高、中、低三侧对地绝缘电阻均为0，直阻、变比等试验无法进行。主变压器A、B相进行了绝缘电阻、变比、直流电阻、介损、直流泄漏、变形、油色谱、交流耐压、空载损耗、短路阻抗、局部放电试验，试验数据合格。表1中，各特征气体急剧增加，根据特征气体法，再结合高压试验，判断C相变压器内部发生了严重故障，A、B相变压器正常。

表1 变压器油色谱数据μL/L

2.4 主变压器套管拆除检查

2010年5月3 日，1号主变压器C相三侧套管拆除，经现场检查，发现220 kV套管尾部接线端子法兰盘处和连接套筒下部有明显放电点，500 kV和35 kV套管未见放电点。判定故障源很可能在变压器本体内部，放电部位在220 kV套管尾部接线端子法兰盘处和连接套筒下部。故障原因需返厂解体做进一步的分析。

图1 套管油中部分结构

3 故障变压器返厂解体

2010年5月2 0日，对1号主变压器C相进行了返厂解体分析。

3.1 变压器本体解体情况

本体解体检查发现大部分引线支架失去支撑，中压和高压引线坍塌；主柱、旁柱器身围屏不同程度烧毁；励磁分接开关及支架被烧黑；高、中、低压线圈及调压线圈表面绝缘碳化严重，但未有扭曲变形；铁芯夹件和夹件结构件未出现明显变形。

3.2 套管解体检查情况

高、低压套管及中性点套管瓷件均已破碎，电容屏、连接套筒、油枕、均压球等表面被烧黑，但未发现放电痕迹。中压套管上、下瓷件已破碎，表面被烧黑，套管空气部分未发现放电痕迹，油中部分发现大量放电痕迹。

中压套管油中部分整体如图1所示，在套管连接套筒下端密封圈外侧边沿有两处电弧烧蚀点，分别长约220 mm、325 mm，内侧端面有一处电弧烧蚀点。

套管尾部专用垫圈底板外边沿有多处电弧烧蚀点，其与瓷件连接密封圈内侧端面有2处电弧烧蚀点，内孔有3处电弧烧蚀点，油中接线端子外沿多处电弧烧蚀点。

导电管与专用垫圈底板配合处外表面有3处明显电弧烧蚀点，专用垫圈底板与油中接线端子之间使用胶皮垫，其等电位连接采用2个大头针实现。而2个大头针，仅1个大头针外露一边端头。

均压球表面外裹绝缘纸浆，绝缘纸浆外部表面有局部碳化、外形完整。均压球上圆弧内侧有个别小的电弧烧蚀点，3个安装孔上部有磕碰痕迹，其中1安装孔直径较大（设计值12 mm，实测为14 mm），螺钉头可以穿过。

均压球压板边沿有1处明显有电弧烧蚀痕迹，1孔豁开，1个螺钉头磨损严重。

油中瓷件检查。油中瓷件已完全破碎，如手掌大小。瓷件内外表面均有大面积的电弧烧伤痕迹，表面釉层已严重脱落。经试验，无吸虹现象，油中瓷件质量试验符合要求。

4 变压器故障原因

4.1 放电部位和放电路径分析

通过故障录波图、保护动作及解体分析，故障源在变压器本体内部。经对变压器本体及其附件解体检查，在中压套管尾部发现大量放电痕迹，其他部分未发现放电痕迹，因此中压套管尾部放电是造成变压器损坏的诱因。

处于高电位的尾部金具（油中端子、专用垫圈底板、均压球等）有放电痕迹，处于地电位的连接套筒下端边沿及端面有放电烧蚀痕迹，连接高、地电位的中间瓷绝缘内、外表面有电弧烧蚀痕迹。经分析放电通道为：专用垫圈底板沿油中瓷件内、外表面对连接套筒下端放电。

4.2 变压器套管放电原因分析

4.2.1 均压球松动和变位造成套管尾部电场畸变

为了改善套管尾部电场分布，降低表面场强，套管尾部设有均压球，并对油中接线端子与专用垫圈底板等金具起屏蔽作用。

220 kV套管尾部均压球固定方式采用螺钉弹簧卡紧式结构，均压球设计安装固定腰形孔4个，设计宽度尺寸为12 mm，但实测其中1个孔尺寸14 mm，尺寸超差，导致均压球1个安装螺钉从安装孔中脱出；加之该连接方式没有设计防松动锁紧装置，经变压器电磁振动力的作用，均压球不断变位发生倾斜，油中接线端子与专用垫圈底板露出，均压球失去了屏蔽保护，从而使套管尾部电场发生畸变，造成专用垫圈底板与连接套筒之间击穿电压大大降低，使之沿油中瓷件表面对连接套筒下端发生闪络，引起变压器烧毁事故。

4.2.2 专用垫圈底板悬浮放电引起套管下瓷套闪络放电

专用垫圈底板除外边沿电弧烧蚀痕迹外，其端面和油中端子表面之间、其孔内侧与导电管配合处也有电弧烧蚀痕迹。胶皮中有2个大头针，仅在端头外露1个大头针。

变压器套管在运行中，在电动力等作用下，专用垫圈底板等电位连接似连非连，致使其对油中接线端子、导电管产生悬浮放电，除了是局部电场发生畸变外，还使油发生分解产生气体，从而大大降低了套管的耐受场强。

总之，C相220 kV套管尾部均压球连接未设计防松锁紧机构，专用垫圈底板的等电位连接结构不可靠，是主变压器发生事故的根本原因。

5 变压器套管改进措施

5.1 改进均压球安装结构

均压球利用安装在底座上的4个安装螺栓组（螺栓、弹簧、定位套），通过均压球安装板上的腰型孔将均压球安装到底座上，为避免均压球松动、螺栓头从腰型孔中脱落，在腰型孔的小孔末端设计螺栓腰型孔定位槽，将均压球锁死。

5.2 改进套管尾部连接方式

取消专用垫圈底板，采用单底座，通过螺纹与导电管连接，提高零部件间等电位连接的可靠性。

对C相套管采用改进的结构后，再对A、B相进行了改进，自2010年11月运行以来，通过套管油色谱分析、红外检测等手段观察运行情况良好。

6 关于套管局部放电引发突发性事故的建议

套管中的电容屏是油浸纸绝缘结构，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。套管在工频电压下的爆炸事故，是由套管内部先发生局部放电引起的。机理是套管内部先发生破坏性局部放电，然后激发贯穿性击穿，最后形成电弧放电。当电弧释放巨大的能量时，烧损电容屏的油纸绝缘和铝箔，产生大量气体，使套管内部压力骤增，引起套管爆炸[3，4]。

套管电容屏屏蔽层间的绝缘，在工频电压下的绝缘强度大于20 kV/mm，在正常工作电压下承受的电场强度一般不到3 kV/mm。进行长时感应耐压试验时，试验电压为时，放电量一般为几个pC。由此可见，如果不发生局部放电，不产生电弧，套管就不可能爆炸。

现行的预防性试验保证不了套管不发生突发性绝缘事故，建议对其使用在线检测的方法，包括局部放电在线检测、油色谱等。这里重点提局部放电在线检测，变压器在运行中如果出现破坏性局部放电，及时跳闸，是可以避免发生贯穿性击穿的。曾有变压器制造厂家作过试验，证明了这一点。运行时，如果在线检测局部放电能够与继电保护配合，当发现破坏性局部放电以后，利用保护及时跳闸，就有可能对正常工作电压下套管引起突发的绝缘事故起到预防作用，这是需要研究的课题。在解决这个问题时，为了避免干扰，必须将在线检测局部放电的灵敏度定位在能准确发现破坏性局部放电上，按现有经验，可以只监视视在放电量大于104pC的局部放电。

[1]王世阁.变压器套管故障状况及其分析[J].变压器，2002，39(7)：35-40.

[2]凌憋.变压器用电容型套管故障简析[J].电力设备，2003，4（6）：24-28.

[3]董宝骅.变压器在正常工作电压下的绝缘事故原因分析及防御措施[J].电力设备，2005，6（11）：63-66.

[4]匡新辉，陈文连.变压器高压进出线套管多发事故原因分析[J].湖南电力，2007，27（3） :21-23.