220kV变压器套管缺陷交流阻抗检测与定位方法研究

徐宏碧

（广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东肇庆，526000）

1 套管结构

220kV变压器套管中最广泛应用的套管是油浸电容式套管，基于套管末屏接地的标准能够将其分为常接地式、内置式、外置式三种类型，基本结构如图1所示，组成部件包括储油柜、接线头、导电结构、电容芯子、末屏、上/下瓷套、中间接地法兰等。额定电流在1250 A以下的导电结构为穿缆结构，额定电流超过1250A的导电结构为导电杆结构。

图1 套管结构图

2 220kV变压器套管常见缺陷及原因分析

本文就220kV变压器套管中常见的缺陷及可能引发的原因进行了解析，主要内容如下。

2.1 接头过热

一般220kV变压器中套管接头中存在3个极易过热部位，包括（1）将军帽（导电头）和接线板的连接位置；（2）外部引线接头和接线板的连接位置；（3）将军帽和变压器内部绕组引线接头连接位置。

三个位置中最容易引发接头过热的是变压器内部绕线接头和导电头之间连热位置，因为两者之间的连接主要依靠引线扭力和螺纹，不能够实现完全紧固，因此就存在发热风险。导致220kV变压器套管接头过热的原因可能有接触螺纹长度较短、两部件接触面积不够或接触面不平整、两零部件紧固不足、导电膏硬化、加工尺寸偏差、安装错位、定位螺母松脱以及螺纹配合不当等。如果部件连接位置接触不良可能引发套管接头出现发热的情况，另外接触不良还会引起套管介损测试值超标。若不能及时有效进行处理，情况会进一步恶化并引发恶性循环，最终导致高点回路连接零部件毁坏、熔焊或烧毁。

2.2 末屏放电

220kV变压器套管一般采用电容型的绝缘结构，以保证轴向场强和径向场强的均匀性。电容型绝缘结构是同心圆柱体电容器，其以导电铜管作为中心位置，示意图如图2所示。其中c0表示零屏电容，而c1～cn表示绝缘结构中的主电容，用C1表示绝缘结构的总电容量，末屏对地电容量用C2表示。在末屏不接地情况下，末屏对地电压可以利用下式进行计算：

示意图中能够发现末屏与地间具有较小的绝缘距离，未达到U2时，悬浮放电已经发生。

图2 套管电容层示意图

2.3 局部放电

220kV变压器套管中常见的局部放电类型包括电晕放电、悬浮放电以及尖端放电。

2.3.1 悬浮放电

导致220kV变压器套管悬浮放电的主要原因是设计存在一定缺陷，在缺陷情况下均压帽和导电杆之间的连接主要依靠定位销实现，如果因震动等因素导致两零部件之间出现接触不良或未接触的情况，就会导致两者间存在电位差，发生放电。

2.3.2 尖端放电

在强电场作用下，物体的尖锐部分会出现一定放电现象，统称尖端放电。尖端放电的诱因主要是金属部件的质量问题，加工工艺不良引发高压零屏铝管表面的毛刺瑕疵，进而导致电场畸变、电厂强度增加、绝缘面老化，最终引起沿面击穿。

2.3.3 电晕放电

作为220kV变压器套管外部中最常见的放电类型，引发电晕放电的最主要原因是表面电压分布不均匀。

2.4 渗漏油

在220kV变压器套管的导电头、油位镜、套管末屏、放油螺栓以及金属法兰和套管瓷件的连接位置等均会发生渗漏油情况。一般在220kV变压器套管金属法兰和瓷件之间的灌注密封主要采用硅油填充物，这种方式下灌注往往密实性较差，而且由于引线拉力的作用，在中部法兰和瓷套下部的水泥烧结处会出现裂纹，进而出现渗漏油的情况。如果不能及时处理可能导致220kV变压器套管油位下降，220kV变压器套管的绝缘性受到极大威胁。

2.5 进水受潮

220kV变压器套管中的导电头、注油孔等密封部位均极易进水受潮。导电头的密封中如果不使用十字槽螺栓或者是密封橡胶垫，其密封效果就会较差。注油孔的油枕上端是注油螺栓，若注油螺栓缺失或者垫圈发生老化，密封性大大减弱，并且水分会因此进入到套管本体当中。另外，若套管的防雨罩底座和出线端接柱之间没有紧固锁定装置，防雨罩的防水作用会因此丧失，水分进入套管引发内部受潮。

2.6 雨闪

在220kV变压器套管缺陷故障统计分析中发现，雨闪事故在污闪事故中的占比达到了25%，必须受到重视，其主要和降雨有关，需要做好防水防雨工作。

2.7 介损超标

220kV变压器套管绝缘状况的有效判别手段包括电容量测量和介质损耗因数测量等。220kV变压器套管体积相对较小，且电容量也较小，通过介质损耗的测量，能够极其灵眠的发现套管的局部缺陷和劣化受潮情况。尤其是对于套管内部的严重漏油、电容芯层击穿、接触不良、小套管断线等缺陷和故障，能够及时、有效、灵敏的发现。

3 220kV变压器套管缺陷常用检测方法

3.1 基于红外图像识别的缺陷检测方法

在研究中，提出了基于红外图像识别的220kV变压器套管缺陷检测方法，并且该技术的新技术流程和步骤详细明确。首先，需要借助红外图像识别技术以获得220kV变压器套管的红外图像；然后，结合多模板匹配技术对获得的红外图像进一步分析，得到变压器套管的详细图像；接下来，利用图像形态学技术、三级金字塔滤波技术对220kV变压器套管具体图像位置进行分析，并进行具体定位。最后，在220kV变压器套管的具体对象和定位图中引入图像灰度值分析方法，建立其和色温表的对应函数映像关系，分析比对得到220kV变压器套管不同位置的具体温度，以此分析判断发热套管中可能存在的缺陷。

3.2 变压器局部放电试验中套管缺陷的检测

国标GBl 094.3-85中对变压器局部放电试验进行了明确界定，其本质是220kV等变压器在感应耐压下的测试实验，最终的电压测试值必须保证满足系统要求，能承受220kV变压器正常运行的电压值，也能够承受暂时过电压。局部放电试验多端子测量校准在该标准中也进行了明确要求，需要准确校准线圈端子和地之间，以此模拟套管局部放电。

3.3 基于数据分析的变压器套管新型在线监测与预警

大数据技术的发展和应用，为220kV变压器套管的监测和预警提供了重要的技术支持。某省在220kV变压器套管缺陷分析中对历年来的介损值历史监测数据进行统计分析，并利用基础数据构建了在线监测和预警系统，实现对间歇性、短时性异常数据的有效监测，同时将这些异常数据进行剔除，进一步优化了预警策略，提升了在线监测和缺陷监测预警水平。

3.4 基于计算机视觉的变压器套管缺陷监测

在计算机技术、图像处理技术、智能监测技术以及计算机视觉技术发展的同时，这些新型技术在220kV变压器套管缺陷监测中得到良好应用。研究者在研究中提出了基于计算机视觉的220kV变压器套管缺陷监测技术，在技术基础上发展配备了相应的软件（MATLAB、ASP.NET等）和硬件，构建220kV变压器套管缺陷监测平台，结合远程摄像机获取220kV变压器套管现场应用的实时图像，利用信息传输技术将获得的图像和数据传输回服务器深入分析，并进行识别和判断，如果发现异常或者缺陷，及时通知工作人员进行核准和处理。

4 220kV变压器套管缺陷交流阻抗检测与定位方法研究

4.1 电流分布

图3显示了金属套管电流分布情况，其中L为金属套管的长度，套管回流环和内壁注入电流环之间的距离定义为l，用I表示注入电流。在趋肤效应的作用下，电流会趋向于套管的内壁表面以及外壁表面。电流分为I0和I1两部分，I0会沿着套管的内部进入到回流环中，而I1会以此经过套管内壁、套管端面、套管外壁，最终流回套管内壁回流环。

图3 金属套管电流分布

4.2 等效电路

根据220kV变压器套管的情况构建了如图4所示的等效电路图，其中Z0为回流环和电流环之间的内壁等效阻抗；Z1为套管上顶端和电流环之间的内壁等效阻抗，其也应用于代表下顶端和接地环之间的内壁等效阻抗；Z2为套管顶端的等效阻抗；Z3为套管外壁的等效阻抗。

图4 金属套管等效电路

基于电路定律，正弦稳态下的电流满足如下条件：

图3中电流分布若确定了距离l以及套管长度L之后，阻抗即为Z0( 2Z1+ 2Z2+ Z3)，可推导出如下关系：

4.3 套管缺陷测试方法

本文提出的220kV变压器套管缺陷交流阻抗检测与定位方法基础是基于220kV变压器套管阻抗值大小判别和趋肤效应分析实现的。金属套管(良导体) 具有高的电导率和大的传导电流。由于欧姆损耗是连续存在的，电磁波所携带的能量会随着波在金属套管中传播而不断衰减。金属导体材料中，损耗角正切σ/(ωε>1，电磁波的传播常数为：

我们首次通过前瞻性病例对照研究观察急性期重症脑梗死患者入院后7d经肌电生物反馈治疗对下肢肌肉容积减少的影响，针对急性期脑梗死患者肌肉容积减少提供了一个有效和可行的治疗策略。之前的研究显示，进入监护病房可能导致1型和2型肌肉纤维横截面积下降，每天分别为3%和4%[10]。本研究入院第1天常规康复组与肌电生物反馈组大腿周径及小腿周径的基线资料差异无统计学意义。入院后第7天肌电生物反馈组大腿周径减少值明显小于常规康复组。大腿肌肉变化较小腿明显可能是由于肌电生物反馈使用的电极放置的位置影响。因此，我们的数据表明肌电生物反馈治疗是切实可行的作为防治急性期脑梗死患者肌肉容积减少的对策。

式中传导电流密度和电场强度随着透入导体深度的增加而呈指数衰减，该现象称为趋肤效应。趋肤效应是影响过套管电磁测井的主要因素之一。在z=1/α=1/β处衰减到e-1=0.368倍，令δ=1/α表示这个距离，称为趋肤深度。趋肤深度是描述电磁波在导体传播的一个重要参数。趋肤深度的大小与电磁波的频率、导体电导率以及磁导率有关。当z方向距离为3δ时，电场(电流密度)衰减到e-3≈0.05倍，此时工程上可近似认为电磁波全部衰减。

图3中就电流分布情况进行了分析，220kV变压器套管I目标段电流环电流向套管内壁流入，并且继续沿着套管流回到回流环中。对于目标段中的某段距离内的电压和阻抗值进行判断和检测，进而对这些数据进行分析判别220kV变压器套管的被检测段是否存在问题和缺陷。对于同一检测位置和同一检测目标段，对注入电流频率进行调整和改变，结合电压值和阻抗值判断220kV变压器套管在径向（厚度方向）是否会存在缺陷，其基本流程如下所示：

（1）根据220kV变压器套管的磁导率μ和电导率σ等待测参数去计算趋肤深度δ和激励频率之间的关系，并且以此来确定220kV变压器套管的厚度3δ；

（2）结合220kV变压器套管的厚度3δ和其厚度Δa之间的关系，计算注入电流的频率 f 值；

（3）对于井口套管等无缺陷的220kV变压器套管在不同频率下的阻抗值进行检测和分析；

（4）对于220kV变压器套管中的目标段按照信号频率从低到高的顺序进行阻抗检测；

（5）对于（3）和（4）中的阻抗值进行对比和分析，如果无缺陷套管阻抗值和目标检测段的阻抗值相同，则可以判定被测目标段的220kV变压器套管内壁3δ 范围内不存在缺陷，否则则表明220kV变压器套管内壁3δ 范围内存在一定缺陷。

4.4 应用效果分析

（1）220kV变压器套管的交流阻抗值会受到趋肤效应的影响，这种情况下不能和正常无缺陷的套管进行对比，对于缺陷套管不同频率条件下阻抗值将会发生变化。

（2）如果220kV变压器套管内壁出现腐蚀的情况，在电流频率增大的情况下，220kV变压器套管内壁的缺陷部分交流阻抗值的变化率会呈现趋于常量的趋势。220kV变压器套管内壁缺陷部分的阻抗值均会小于正常内部部分的阻抗值（超低频率除外），通过对220kV变压器套管内壁阻抗值的监测和阻抗值分析能够判别其是否存在缺陷问题。

（3）如果220kV变压器套管外部出现腐蚀等情况，那么220kV变压器套管缺陷部分的交流阻抗相对变化率会随着电流频率的增大而趋于0；检测段的阻抗值和正常部分的阻抗值相等（较高频率下）。通过对220kV变压器套管外壁阻抗值的监测能够判断是否存在缺陷，同时结合趋肤深度还能够定位缺陷的具体位置。

（4）直流(或超低频)阻抗法能检测出被测段是否存在缺陷，但是缺陷在套管外壁还是在内壁难以确定，而交流阻抗法可进一步判断出缺陷的径向位置。

5 结论

220kV变压器套管应用过程中不可避免存在缺陷问题，缺陷问题可能引发电网安全事故，因此必须要加强对其缺陷的监测和定位。只有通过监测发现缺陷所在，才能对缺陷进行处理。目前常用的方法包括红外监测、数据分析、视觉成像分析等众多技术，本文提出的交流阻抗监测方法具有较好的应用性，希望能够为220kV变压器套管缺陷监测和定位提供指导。