核电厂厂用变压器长时感应耐压带局部放电试验装置的优化

黄胜茂

(台山核电合营有限公司，浙江 台山 529200)

1 厂用变压器外部闪络情况描述

初步分析认为，A、B相套管外SF6气室存在杂质，随后回收SF6并对SF6气室进行拆卸观察。

2 故障查找及分析

2.1 全封闭组合电器结构简介

全封闭组合电器(GIS)气室是全部采用SF6气体作为绝缘介质，并将所有的高压电器元件密封在接地金属筒中的一种金属封闭开关设备。它是由断路器、母线、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器及套管组合而成的高压配电装置，此次试验的变压器采用油-气(SF6)高压套管，套管顶部与外部GIS设备采用直连方式对接，试验前将套管与GIS连接直连段拆除，安装试验用的临时均压罩，并对气室充入合格SF6气体，气体压力及微水均合格。

吊开GIS气室，对试验变压器的高压套管表面和GIS气室内壁进行外观检查，套管表面未见明显放电灼黑痕迹，但在GIS气室内壁发现放电痕迹即黑色点迹。

经测量发现，放电点与均压罩距GIS气室法兰面的距离相等，因此初步判断是均压罩对GIS筒壁发生放电。

2.2 成因分析

为进一步确定是否是试验均压罩对GIS气室内壁放电，可从以下两方面进行分析。

2.2.1 试验均压罩处的场强分布情况

GIS气室内壁是电场最小的位置，场强最大的位置是油气套管顶部、柱状均压罩表面，如图1所示。

图1 柱状均压罩结构图

整个试验罩处可看成一个同轴带电体，其表面场强分布可通过高斯定理模型来进行分析：

(1)安装了GIS的柱状均压罩，其可近似等效为均匀带电无限长圆柱面的电场。假设沿轴线方向单位长度带电量(电荷的线密度)为τ，轴体的半径为r(r取200 mm)。圆周率为π，介电常数为ε0，E1为电场强度，S是为圆柱体截面积，l为柱体高，则穿过圆柱面的电场强度矢量E的通量为：

(1)

根据场强定义，单位场强等于单位带电量与单位距离的比值，此时的场强E1为：

E1=τ/(2πε0r)

(2)

(2)安装了半球型的均压罩，其可近似等效为均匀带电球体的电场，此时电通量为：

(3)

因电荷量∑qi=q即E24πr2=q/ε0，则此时的场强E2为：

E2=q/(4πε0r2)

(4)

所以，只需通过比较二者的场强大小就可判断是否GIS试验罩更容易放电，即只需比较λ与q的大小。对于均匀带电圆柱面的电场，近似认为圆柱体高h=2r，带电量密度为ρ，则其带电量λ=πr2hρ=2πr3ρ，而均匀带电半球体的电场其带电量q=2/3·πr3ρ，则E1/E2=6r>1 (r为0.2 m)，即E1>E2，则可得出均匀带电无限长圆柱面的电场是大于均匀带电球体电场。因此，现场GIS的柱状均压罩要比油气套管的半球型均压罩的场强大(E1>E2)，更容易发生击穿和放电。因此，油气套管顶部、试验屏蔽罩表面对GIS气室发生放电是可能的。

2.2.2 试验均压罩的结构

试验现场使用的柱状均压罩表面存在棱边和圆弧，加之制造工艺的偏差，试验罩表面不可能完全光滑，导致这个棱角面的场强分布不均匀，从而造成对GIS内壁的放电。因此，可初步判断是由于均压罩选型错误造成此次局部放电试验过程中发生对GIS气室内壁的放电。

为此，要求变压器厂家提供一个半球型试验均压罩，如图2所示。从而改变试验罩表面处的场强，避免均压罩对GIS气室内壁放电。

图2 优化后的半球型均压罩外形图

3 优化试验装置试验结果

为了验证上述假设，通过更换为半球型均压罩，再次试验。试验前，对GIS气室和试验装置进行充分清洁，同时对变压器本体进行绝缘特性试验，测量介质损耗(简称“介损”)和电容量，并将试验数据与局部放电前的数据作对比，结果见表1。

由表1可以看出：(1)绝缘电阻在换算至同一温度时不低于出厂值的70%；(2)绕组介损与出厂值相比不大于30%；在室温不低于10 ℃时，套管介损不大于0.5%，电容量变化不超过出厂值的±5%；(3)绕组的绝缘电阻、介损和电容量均在标准范围内。

因此，可确定第一次局部放电试验后变压器的绝缘特性未受影响。同时对SF6气体进行测量，试验数据如表2所示。

表1 变压器本体绝缘试验数据

表2 第二次局部放电试验前SF6气体试验数据

表3 高压绕组局部放电试验数据

从表3可知，A、B、C三相的局部放电量均满足交接试验协议要求(≤100 pC)[1]，试验数据合格。

按照相同的试验装置和试验接线，在1号厂用变压器上进行长时感应耐压和局部放电试验，试验顺利通过，表明现场的试验装置是正确可行的。

4 结论

(1)原试验装置在发生闪络后，分析方向不明确，且无有效手段处理，处理周期长，且反复试验存在损坏设备的风险，另外多次请专业机构试验需要较高费用；新试验装置一次试验成功，节约大量工期(约20多天)，因此也节约了成本。

(2)优化后的试验装置已经在某核电厂项目1、2号机组输变电系统(GEV)共计12台500 kV变压器上成功实施，未发生一起外部闪络现象，局部放电试验均一次顺利完成，加快了安装进度；变压器的局部放电量均控制在100 pC以内。

(3)该试验装置简单实用，质量工艺易于控制，安全系数高，保证了500 kV变压器局部放电试验工作的顺利完成；同时，为某核电厂500 kV倒送电创造了条件，也为1号机组后续重要里程碑奠定了基础，经济效益可观，具有广泛的推广应用价值。