取消主变压器高压套管绝缘在线监测装置

郑利娜 黄平儿

（海南核电有限公司 海南海口）

一、概述

目前电容式套管最广泛的应用于变压器高压套管，其绝缘特性好坏是影响电力变压器安全可靠运行的主要因素之一。电容量和介质损耗因数（以下简称介损）是高压套管绝缘状态的主要参数，能宏观地评价绝缘基本状态，因此测量电容量和介损具有重大意义。考虑到核电特殊性和安全性，及电容式设备高概率故障特点，结合当前在线监测装置的发展以及世界和运行者协会WANO SORE 2011-1重大运行经验报告对大功率变压器要求（WANO SORE 2011-1），海南昌江核电在设备采购时技术规格书中要求设置主变压器高压套管绝缘在线监测装置，用以进行实时测量与预警套管绝缘性能。

然而，电容式套管因结构与制造工艺特点，易发生末屏接地故障，一旦装设在线监测系统将加剧问题的凸显，如套管结构与制造工艺不足、在线测量技术、末屏接地不良等问题。为此，本文就装设在线监测装置的必要性和可行性进行了深入分析，特别是通过绝缘离线监测与在线监测装置的对比分析，经过与设计院和制造厂共同分析和比较，认为在满足技术规格书总体性能要求前提下，取消主变压器高压套管绝缘在线监测装置是必要的。最终海南昌江核电主变压器高压套管采用离线检测方法，并结合制造厂实际情况提出了相对合理的优化方案。笔者就海南昌江核电主变压器高压套管结构与工艺特点，及电容式套管绝缘监测装置，分为几个方面进行了分析比较。

二、海南昌江核电主变压器高压套管结构与工艺特点

海南昌江核电主变压器高压套管采用的油-SF6干式电容式套管是ABB RTKG245-1050/2000真空树脂浇注纸绝缘油-SF6电容式套管（以下简称电容式套管）。该套管下部在变压器油箱内部的变压器油中，上部处于SF6气体（GIL）中，使主变压器通过GIL管道与SF6全封闭组合电器（GIS）连接。该电容式套管电容包由瓷套、电容芯、中心铜管、安装法兰、均压球等组成，主结构是1个电容（图1），即在导电杆上包许多绝缘层，其间根据场强分布特点夹有许多铝箔，组成一串同心圆柱形电容器，最外面一层铝箔为套管末屏。通过末屏可以测量套管的电容量和介损，判断其绝缘状况。因其电容包含导电杆（主绝缘）对末屏的电容C1和末屏对法兰的电容C2两部分，所以在变压器运行且无加装绝缘在线监测装置时，因接地弹簧与末屏铜柱接触连接，末屏通过接地弹簧引线直接接地，运行时电压全部作用于套管电容C1，末屏对地电容C2不承受电压。

由于电容式套管结构特点和工艺问题，易出现芯子纸板间隙过大、密封不良间隙进水受潮等问题，导致末屏绝缘问题、接地不良等故障造成局部放电，甚至引起变压器爆炸。因此，测量导电杆对末屏的电容 C1和介损 tanδ1、末屏对法兰的电容C2和介损tanδ2对有效防止套管运行中发生爆炸事故，以便及时做预防或处理方案。

图1 套管电容结构

三、电容式套管绝缘监测装置的功能与用途

1.电容式套管电容量C和tanδ测量原理

在交流电压作用下套管绝缘的等值电路和向量如图2，由图可见，流过介质的电流I由电容电流分量IC和电阻电流分量IR两部分组成，IR就是因介质损耗而产生的，IR使流过介质的电流偏离电容型电流IC的角度 δ。 通常IC＞＞IR，介损角 δ甚小。则介质的功率损耗P=UIR=UICtanδ=U2ωCxtanδ，tanδ为介损，Cx为电容量，能反映因套管绝缘进水、进气受潮和电容屏放电、烧伤等因素引起的介质结构变化等。

图2 套管绝缘的等值电路和向量

目前，无论电容式套管绝缘离线（停电）检测还是在线（带电）检测，均是测量电容 C、介损tanδ等反映介电特性的参数，其不同的是检测结果反映设备的不同阶段状态，且测量仪器差别较大。

2.电容式套管绝缘离线检测装置

目前离线测量介损与电容量的常用仪器有西林电桥、不平衡电桥和数字式自动介损测试仪。进行套管绝缘测试时常用试验接线方法有正接法和反接法。由于《GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》未明确规定该项试验的现场接线方法，实际上往往参考出厂采用的接线方式，进行数据收集及对比分析安装前后套管质量变化。以海南昌江核电1#机组A相为例，测量不同阶段的套管绝缘试验结果均在误差范围内（表1，注：参照GB 50150-2006电气设备交接试验标准、电力设备预防性试验规程）。由表1可看出，仅测量了套管安装前导电杆对末屏之间的电容C1和介损tanδ1，及安装后绕组连同套管的电容和介损，其虽验证了套管出厂及交付现场后绝缘情况，但未进行安装前末屏对地、安装后导电杆对末屏与末屏对地的电容和介损测量。因此，就不能反映整个套管绝缘情况。在海南昌江核电不仅主变压器高压套管如此，主变压器高压中性点套管、低压套管，及辅变高压套管和中性点套管均存在此种情况。

3.电容式套管绝缘在线监测装置

海南昌江核电拟装设的IMM2000型电容式设备绝缘在线监测系统，由电压采集单元、泄漏电流采集单元、各电源电流传感器等组成，其测试原理及套管等值电路见图3。

该装置将通过穿心式电流传感器串接在高压套管Cx末屏接地上，以及安装在GIS室母线PT二次端子上的信号取样单元，分别获取高压套管Cx的末屏接地电流信号Ix和PT二次电压信号，电压信号经过精度电阻转化为电流信号In，两路电流经过滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法提取基波分量，并计算出其相位差和幅度比，从而获得套管的介损tanδ和电容Cx。

表1 测量不同阶段的套管绝缘试验结果

图3 套管在线绝缘监测原理及等值电路图

由于变压器在运行中末屏直接接地，运行电压全部加在C1上，C2则因末屏和法兰均可靠接地而被短接，不承受电压。因此，绝缘在线监测装置测量的是套管电容C1、介损tanδ1及Ix，无法同时在线检测末屏对地电容和介损。

四、取消主变压器高压套管绝缘在线监测装置原因分析

1.高压套管末屏与绝缘在线监测装置结构不匹配

若采用该结构，在安装时，绝缘在线监测装置iIMM202利用绝缘件顶开接地弹簧与末屏，只能用内径为4 mm卡套锁紧末屏并引出通过电流传感器接地，且外径要求小于10.5mm（ 图 4） 。

图4 末屏与卡套配合图

因该套管末屏引线柱外径仅为4 mm，而绝缘在线监测装置iIMM2020的卡套装置最小直径为16 mm（图5），无法锁紧末屏4 mm引线柱，也无法弹开接地弹簧的绝缘件，导致无法匹配安装，而其又无法同时测量导电杆对末屏及末屏对地电容、介损，所以在此讨论套管加装绝缘在线监测装置或电气连接完整性就显得无意义。

2.增加带浪涌保护装置的适配器改变电气设备完整性

为解决绝缘在线监测装置iIMM2020卡套不能既锁紧4 mm末屏铜柱，又能绝缘开接地弹簧片的问题，而增加带浪涌保护装置的适配器，可将接地弹簧片与末屏铜柱分离，并分别通过适配器引出，再通过串联在线绝缘监测装置的电流传感器接地。此方法理论上可行，但出现以下问题。

（1）在一定程度上改变一次电气设备完整性， 而《Q/GDW 534-2010变电设备在线监测系统技术导则》要求在线监测系统接入不应改变一次电气设备的完整性和正常运行。

（2）增加末屏铜柱与引出线之间不可靠连接的概率，一旦运行将造成末屏接地不良，使末屏对地形成一个电容，按照电容串联原理，将在末屏与地之间形成很高的悬浮电压，导致末屏对地放电，甚至套管爆炸。

图5 iIMM2020在线监测装置与末屏的配合结构

3.两种监测方案的对比（表2）

表2 两种监测方案的对比

目前暂不讨论绝缘在线监测装置是否能测量整个套管电容和介损，以及核电运行业绩等，但就套管末屏与在线监测装置接口不匹配，或增加适配器改变一次电气设备完整性等对变压器运行安全带来的隐患。况且，绝缘在线监测装置采购、校验及维护成本相对高。而且海南昌江核电除了主变压器高压套管外，还有主变压器低压、高压中性点套管，辅助变高压和中性点套管等均为电容式设备也无法减少介损测试仪的采购成本。因此，无论从技术上还是投资上而言，主变压器高压套管以取消绝缘在线监测装置，采用绝缘离线检测设备为宜。

目前绝缘在线监测技术发展是提高电站未来自动化监测水平的方向，通过实施主变压器套管带电测试技术检测设备运行状况，可减少主变预防性试验停电的时间和次数，且在变电站已逐渐向更广泛领域应用迈进，但要在核电站得以应用至少应在下列任意问题上取得新的突破。

（1）通过增加适配器来解决末屏与在线监测装置接口匹配问题，不仅改变原有电气接线方式，还受限于末屏接地方式。目前市场套管生产厂家多，导致套管末屏结构和接地方式较多，这就需要研究单位与供应商在套管末屏接口开发与套管在线监测/带电检测技术方面充分考虑，采用更加合理的末屏结构和接地方式。

（2）进行该类电容式套管末屏直接接地故障概率与增加绝缘在线监测后可能发生的故障概率统计，以便定性分析是否需要增加在线监测，也利于使用单位根据各自需求做出选择。

五、绝缘离线测量改进方法

在实际中，海南核电主变压器高压套管仅测量安装前主绝缘及安装后变压器绕组电容介损，不能全面地反映套管质量状态。为验证套管及变压器安全运行是否在限度之内，建议采用新的方法并增加安装前末屏对地、安装后导电杆对末屏与末屏对地，及运行后例行试验或检修后导电杆对末屏、末屏对地等电容与介损，具体如下：套管安装前，采用正接法将高压套管末屏引线接至电桥Cx端，套管端部接至电桥高压端，测量导电杆对末屏的电容C1和介损tanδ1（图6）。再采用反接法将套管末屏引线接至电桥的电桥Cx端，套管的端部短路接至电桥的屏蔽端，测量末屏对法兰的电容C2和介损tanδ2（图6）。

图6 测试套管正/反接法

套管安装后，通过从变压器吊出来单独测量将会增大末屏接触不良概率，例行试验应大部分情况下在套管安装变压器后进行，其电容结构变化（图7）。

图7 套管安装后电容结构

安装后，因变压器绕组电容、套管电容C1以及套管电容C2为连接在一起无法分离，直接采用正接法和反接法只能测量绕组连同套管介损和电容，要测量安装后套管电容和介损，需采用方法如下。

（1）采用图7正接法测量套管导电杆至末屏之间的介损tanδ1和电容 C1。

（2）采用带屏蔽的反接法测量套管末屏对地电容C2和介损tanδ2，由于C2的一极为套管法兰，此法兰与变压器油箱无法分离，所以将介损测试仪的高压输出端接到套管测量端子，屏蔽端接到套管线端（图8）。因屏蔽线与高压输出线基本为同一电位，所以电容C1上无电流，而变压器绕组电容上流过的电流直接由屏蔽线提供，没有进入测量用的采样电阻中。

图8 反接法原理图

按照此方法测量，不仅全面验证套管各个阶段的绝缘情况，而且为例行测量套管电容和介损提供方法，及为后期套管常规维护、检修提供比对基准。

六、结语

经过分析论证，绝缘在线监测技术虽然是提高核电站未来自动化监测水平的方向，但目前尚无数据统计和经验反馈，也无实验室量化计算。要在核电站应用至少应解决其关键问题后再逐步得以实施。海南昌江核电取消主变压器高压套管绝缘在线监测装置，而采用离线监测装置，降低了套管末屏对地击穿等引起套管甚至变压器故障的概率，根据要求还可随时进行校验，同时其检测数据比较全面，尤其是套管出厂、安装前后、电厂例行与检修后试验等应用比较多。

总之，海南昌江核电工程采用技术上更为可靠而且应用业绩较多的离线监测装置在技术上是合理的，而且可降低设备采购成本也可降低运行费用。由于在项目执行过程或现场安装调试中均会出现很多类似问题，这就不仅需要项目管理人员具有较强的项目管理能力，而且也对项目管理人员专业问题发现、提出及解决的能力及专业水平提出更高要求，同时通过本文论述也为电容式套管带电检测接口的研究提供参考。