断路器并联电容介质损耗超标分析

沈曼盛，周路遥，詹江杨，杨 智，刘浩军，廖玉龙

（1.中国中铁武汉电气化局集团，武汉 430000；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008）

0 引言

断路器并联电容（均压电容）能够改善断口间的电压分布，提高断路器整体耐压水平，同时降低断路器分合闸弧隙恢复电压陡度，提高断路器开断能力，对高压断路器的安全稳定运行起着关键作用[1]。

目前，现场主要通过10 kV试验电压下的介质损耗（以下简称“介损”）数值来判断并联电容是否存在绝缘受潮、油或浸渍物脏污、劣化变质等缺陷。某变电站500 kV敞开式断路器在预防性试验时出现断口间并联电容（膜纸复合绝缘）介损超标问题，即该电容介损值超出了Q/GDW 1168-2013《输变电设备状态检修试验规程》中所规定的值0.25%[2]。产生此类现象的原因可能是膜纸绝缘并联电容存在Garton效应，即较低试验电压下的介损值为额定电压下的若干倍。若常规10 kV试验电压下的介损测得值超过注意值时，为防止误判，有必要进行高电压介损诊断试验，并测量tanδ-U介损特性曲线以作参考。

本文将结合并联电容介损超标的故障诊断判据，并通过高压介损试验对并联电容介损超标问题进行综合分析，提出试验中Garton效应判定及处理方法，最后提出减小Garton效应影响的相关改进对策，以期为断路器并联电容介损超标问题的判别提供参考。

1 故障诊断判据

电介质在外界电场作用下会产生能量损耗，即介质损耗。介损主要包括电导损耗和极化损耗：电导损耗主要来源于电压作用下产生的泄漏电流；极化损耗主要来源于电介质中带电质点在电场作用下作往复位移和重新排列而产生相互磨擦。介损将电能大部分转换为热能，使绝缘介质中热量积聚，温度升高，导致绝缘老化甚至烧焦[3]。

常规10 kV介损试验电压远低于断路器并联电容额定运行电压，不能完全真实地检测出电容器实际运行时的绝缘缺陷，有必要进行额定电压下的介损测量，并采用均匀分段加压及降压方式得到完整的tanδ-U介损特性曲线，根据其变化规律对设备绝缘缺陷类型进行综合判断，其典型图谱如图1所示[4-6]：

（1）曲线1对应良好绝缘的情形，tanδ-U曲线呈水平直线，当试验电压超过某一极限时tanδ值才略微增加。

（2）曲线2对应绝缘老化的情形，低电压下的tanδ值比良好绝缘时要小，但过了起始游离点后则迅速升高，且起始游离电压比良好绝缘时低。

（3）曲线3对应绝缘缺陷的情形，低电压下tanδ值比良好绝缘时要大，tanδ会较早出现向上弯曲，且电压上升曲线与下降曲线不重合。当试验电压超过局部放电起始电压时，tanδ值急剧增大，后逐步降低试验电压，tanδ值将高于各个对应电压下的值，直至局部放电熄灭，曲线呈闭合环状。

图1 不同绝缘情况下的tanδ-U特性曲线

（4）曲线4对应严重受潮的情形，低电压下tanδ值较大，而随着试验电压升高，tanδ值不断增大，再逐步降低试验电压时，由于介损的增大已使介质温度升高，此时tanδ值无法降至各个对应电压下的值，tanδ-U的上升和下降曲线不相重合。

（5）曲线5对应绝缘中存在Garton效应的情形，tanδ值随电压升高出现明显的下降趋势，较低电压下的tanδ值比高电压下的tanδ值高出1～10倍。

2 高压介损试验

某变电站出现介损超标问题的500 kV断路器为双断口敞开式，每个断口间并联一个膜纸复合绝缘均压电容，其电容量为1 600 pF，额定运行电压为170 kV，对并联电容进行现场外观检查时未发现漏油等异常现象。

2.1 试验数据

为实现高压介损的精确测量，选取2只存在介损超标问题的并联电容，将其从断路器中拆卸下并在实验室内进行工频试验变压器升压。此外，采用西林电桥进行介损测试，外接高压标准电容，并采用正接法进行测量。其中，精密介损电桥型号为AI-6000F，高压标准电容器型号为YL300-50，工频电压发生器型号为YDTCW-500/2×250。

试验过程中采用均匀分段加压方式，将试验电压从10 kV升至170 kV，每隔10 kV测量1次；然后降至10 kV，仍每隔10 kV测量1次，以此分别得到并联电容A与并联电容B 2只试品的tanδ-U介损特性曲线，如图2、图3所示。

图2 并联电容A的高压介损tanδ-U特性曲线

图3 并联电容B的高压介损tanδ-U特性曲线

由图2、图3可知，2只并联电容试品的试验数据均具有以下特征：随着试验电压的升高，介损值逐渐降低；当试验电压达到50 kV后，其介损值基本达到稳定，高电压下测得的介损值均未超过0.25%；额定电压下介损值仅为常规10 kV试验电压下介损值的1/5；tanδ-U特性曲线的电压下降部分为电压上升部分的逆过程，2条曲线并未完全重合，但介损试验值的整体变化趋势基本保持一致。

2.2 原因分析

由上述试验数据可知，高压介损试验结果所表现的tanδ-U介损变化规律与绝缘介质的Garton效应特征相符：介损值随电压升高出现明显的下降趋势，且较低试验电压下的介损值为较高试验电压下介损值的若干倍。

绝缘介质的Garton效应是由于介质中带电杂质粒子分布改变而引起的一种外在表象，普遍存在于含有纸的绝缘介质（包括油纸复合绝缘及膜纸复合绝缘）中[7]。由于含有纸质绝缘层的油介质中会有一定数量的带电粒子存在[8]，在较低电压下，带电粒子容易析出，但颗粒较大，容易受到纸纤维层的阻拦，故而会有一定数量的粒子游离于介质空间中，造成一定的极化损耗，所以总体介损值较大；当电压升高后，带电粒子极化作用进一步加强，在偶极矩作用下这些带电粒子会逐渐穿越纸纤维层，集中于电极两端，故而介质中的带电粒子数量逐渐减少，从而极化损耗降低，总体介损值明显减小；此时若继续升高电压，游离的带电粒子已经基本集中于电极两端，故介质损耗不会再有明显变化[9-10]。

研究表明，膜纸复合绝缘电容器（多为进口并联电容）的油介质为有机合成绝缘油，含有较多的胶体型带电粒子；而油纸复合绝缘电容器（多为国产并联电容）的油介质为矿物质油，其中多为离子型带电粒子，故纸质绝缘层无法起到阻挡作用，Garton效应影响不明显[11]。

2.3 Garton效应判定方法

膜纸复合绝缘并联电容在进行常规10 kV试验电压下的介损试验时，若出现介损值超标现象，不宜轻易判定不合格。可通过开展高电压介损试验进一步判断，若在较高试验电压下的介损值明显下降，且随试验电压升高到一定时介损值维持在某个低于标准要求值时，可认为发生了Garton效应；也可通过先对被试品施加高电压（如耐压试验），然后再进行常规10 kV试验电压下的介损试验，如果此时介损值低于标准要求值，也可说明发生了Garton效应[12]。

3 对策

根据Garton效应的产生机理及以往现场运行经验，发生Garton效应的并联电容在重新投运后均保持正常运行[13]。为避免盲目更换设备导致人力、物力的极大浪费，提高电网运行可靠性，应尽量减小Garton效应对电容设备绝缘故障诊断的影响，对此可以采取以下措施：

（1）从源头上降低Garton效应发生的可能性。由于造成Garton效应的本质原因是杂质粒子的极化损耗，对此应注意防范电容因生产工艺问题而带来的缺陷，减少装配过程中混入膜纸复合绝缘介质中的微小杂质含量[14]。

（2）研究表明，由于RTV（室温硫化硅橡胶）防污闪涂料具有良好的憎水性和憎水迁移性，能够切断电容外瓷套表面的泄漏电流通道，减少电容器的有功损耗[15]。因此，对于防污等级较高的场合可以实施RTV防污闪涂料的喷涂工作。

（3）缩短电容在无电情况下的静置时间。高压条件下会使得绝缘介质中的带电杂质粒子集中于电极两端，减小Garton效应的影响。因此，在安排例行性试验时，可以在停电后优先进行介损试验[16]。

4 结语

高压介损试验可以更真实地反映电容（容性设备）绝缘内部潜在缺陷类型及发展情况，有助于对设备绝缘状况作出精准判别和处理。根据Garton效应的产生机理及以往现场运行经验，发生Garton效应的并联电容可以作为合格产品继续投运。为确保设备和电网的运行安全，可加强对设备的日常监视，缩短例行试验周期。