一起特高压换流变压器阀侧操作冲击击穿试验故障分析

曾磊磊，李宇捷，王 鹏，万 华，童 涛

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院， 江西 南昌 330096，2.南昌工程学院， 江西 南昌 330000）

0 引言

特高压直流输电具有输送容量大、线路损耗小、线路造价低等特点，是促进全国能源资源优化布局的重要措施[1-2]。特高压换流变压器作为直流输电系统的核心设备，其设备质量关乎大电网的安全稳定运行。特高压换流变压器作为交流和直流系统的连接枢纽，其网侧绕组连接交流系统，阀侧绕组经整流装置与直流输电系统相连，在整流和逆变侧实现直流和交流的转换，与常规交流变压器不同，换流变压器需同时承受交流和直流电压[3]。因此，换流变压器绝缘结构与电场分布更为复杂，也必须经过更为严格出厂试验考核。

文中对一起特高压换流变在出厂试验中的阀侧操作冲击试验发生击穿故障进行分析，通过油中溶解气体气相色谱分析，结合排油内检与解体检查，判断故障原因为阀侧成型引线端部均压铜管存在凸起尖端，在操作冲击电压下发生放电击穿，并提出针对性的防范措施及建议，提升了特高压换流变的质量管控水平。

1 故障情况

1.1 故障前情况

在阀侧操作试验前，该台换流变已经完成了表1中的出厂试验。

表1 故障前已完成的试验项目

1.2 阀侧操作冲击试验方法

阀侧操作冲击试验接线如图1所示。

图1 阀侧操作冲击试验接线

由图1可知，阀侧操作冲击试验是使用冲击电压发生器对短接后的阀侧绕组施加冲击电压，所加电压波形需满足以下条件：

电压峰值：1 050 kV（负极性）；

波前时间Tp：250±20%μs；

波尾时间T2：2 500±60%μs。

利用电容分压器检测冲击电压波形，网侧绕组短接后通过示伤电阻接地。

加压顺序为：1）一次或几次降低电压的操作冲击（取60%全电压）；2）三次100%全电压的操作冲击。

1.3 故障过程

首先进行一次60%全电压的操作冲击，试验未见异常，然后进行100%全电压的操作冲击，电压波形发生跌落，同时换流变发出异响，两次试验的波形如图2所示。

图2 阀侧操作冲击电压波形

两次阀侧操作冲击试验数据如表2所示。

表2 阀侧操作冲击试验数据

2 故障分析

2.1 油色谱分析

操作冲击试验后，取变压器进行油色谱分析，结果如表3所示。

表3 油色谱分析结果μL/L

根据文献[4]中三比值编码规则，计算气体比值得到编码为102，对应故障类型为电弧放电，典型故障为线圈匝间、层间放电，相间闪络；分接引线间油隙闪络，选择开关拉弧；引线对箱壳或其他接地体放电。

2.2 解体检查

对该换流变压器排油后打开油箱两侧人孔进入油箱內检，发现柱2上部阀侧引线出头及对应位置的角环有明显的放电痕迹如图3所示，其他位置未见异常。

图3 放电痕迹

对该换流变进行解体检查，拆除柱2上部阀侧出线位置的绝缘纸板及防护角环，发现阀侧出线首层角环爬电至铁芯屏蔽筒，如图4所示。

图4 爬电痕迹

拆除上部阀侧成型引线，对应柱2的阀侧出头均压管端部有明显的爬电痕迹，沿均压管引线约300 mm的爬电路径；引线均压管端部绝缘纸浆击穿露铜，剥离绝缘纸浆后在均压铜管对应位置发现一个凸起尖端，如图5所示。

图5 阀侧引线均压管放电痕迹

同时，对成型引线端部绝缘纸浆进行检查，发现成型引线端部R角位置内侧纸浆端面形状不规整，如图6所示。

图6 内侧纸浆端面形状不规整（左为正常情况）

2.3 故障原因分析

结合油色谱分析、解体检查情况与有限元仿真分析，该次试验击穿故障的原因为阀侧成型引线端部均压铜管存在质量缺陷，凸起尖端在操作冲击电压下诱发放电，并经成型引线表面、最外层出线角环、铁心柱屏蔽筒外层绝缘纸板形成贯穿性放电通道，最终对铁心地屏及拉板放电击穿，放电路径如图7所示。

图7 放电路径

放电由阀侧成型引线端部位置（位置1）起始，通过引线表面的绝缘皱纹纸爬电至位置2处，到达阀线圈最外层角环端面，沿角环外表面爬电至靠近铁心屏蔽筒的最近点，最终到达铁心柱拉板终止（位置3）。

3 结语

文中通过油色谱分析、排油内检与解体检查，分析了一起特高压换流变压器阀侧操作冲击击穿试验故障，判断故障原因为阀侧成型引线端部均压铜管存在质量缺陷，凸起尖端在操作冲击电压下诱发放电，并经成型引线表面、最外层出线角环、铁心柱屏蔽筒外层绝缘纸板形成贯穿性放电通道，最终对铁心地屏及拉板放电击穿。针对该次故障提出如下防范措施与建议：

1）换流变厂家应加强对外购件的质量管控，绝缘成型件、层压纸板和螺杆螺母进厂时应逐个进行X光检测。

2）厂家对该换流变柱2线圈进一步拆解，对各个线圈进行彻底检查及清理。更换受损及受污染的所有绝缘件，后续按照工厂产品工艺要求回装并进行全部出厂试验。

3）在后续进行施加100%冲击试验电压前增加一次80%试验电压的冲击试验，并对试验波形进行比对分析。