10kv及以上氣體絕緣結構的電力系統絕緣試驗

0世界電網建設中心隨著中國高壓特高壓試驗示范工程的啟動，中國已成為世界電網建設的中心。作為電力輸變電設備的重要組成部分,我國的電力互感器用量每年以8%的速度增長,2006年全國互感器產值近20個億,有近150家互感器制造廠在生產10kV及以上電壓等級產品。1中國電網使用的傳感器類型和性能1.1氣體緣結構組合模式配電網用互感器主要采用澆注式互感器,也有少量油浸式結構和氣體絕緣結構的互感器。10～35kV澆注式互感器多數應用于柜體;少量產品采用戶外樹脂,其價格比戶內的要貴許多。為了降低制造成本,有的制造商內部使用普通戶內樹脂澆注戶外用互感器,然后進行二次澆注,外側覆蓋一層戶外樹脂或硅橡膠外套。這種復合式澆注互感器,內外2層材料沒有化學上的鉸鏈,一個使用周期后,產品由于熱脹冷縮會使2種材料間形成氣隙夾層,導致絕緣水平下降,引起很多絕緣事故的發生。在澆注式電壓互感器一次繞組層間及匝間,環氧樹脂是難以滲透進去的,因此滿足局部放電量小于20pC有一定難度。全絕緣結構澆注式電壓互感器的局部放電試驗電壓高于半絕緣結構,合格率較低,尤其是全絕緣35kV環氧樹脂澆注互感器的合格率更低。在過電壓比較嚴重的配電網,可以采用SF6氣體絕緣互感器,其絕緣裕度較大,但是要注重選擇制造廠。有的制造廠采用油浸式互感器材料及工藝制造SF6氣體絕緣互感器,質量得不到保證。圖1是由2臺TV和2臺TA組成的氣體絕緣結構組合互感器,絕緣裕度較大,可以在0.25MPa工作壓力下通過短時工頻耐受電壓95kV/min、雷電沖擊耐受全波電壓200kV及截波230kV、一次繞組感應耐受電壓70kV(150Hz,40s)等絕緣試驗,而這種組合互感器的實際額定工作壓力是0.4MPa,補氣壓力是0.35MPa。由于油浸式產品價格便宜,部分10kV及35kV戶外變電站還是偏重使用油浸式產品,但是,中低壓油浸式互感器局部放電量較大,特別是35kV油浸式電壓互感器很難滿足國家標準要求。配電網還有其他類型的互感器,比如將環氧樹脂澆注式互感器組合到一個金屬箱體內,用瓷套引出高壓線,這種類型互感器事故率極高,不提倡使用。不飽和樹脂及聚氨酯類材料只適合0.6kV等級互感器,不適合10kV電壓等級互感器,長期運行絕緣性能極差。1.2輸電網的一般補償1.2.1產品結構不合理油浸式電流互感器有正立式和倒立式2種結構,覆蓋了110～500kV電壓等級。正立式結構的電流互感器和倒立式結構相比,體積大,質量大,一次繞組較長,導致感抗大。但正立式結構熱容積大,繞組在底部,易于熱循環,相同額定一次電流產品的溫升比倒立式結構低。此外,正立式結構重心在下部,抗震能力強。倒立式油浸電流互感器重心在上,使用的材料少,動熱穩定耐受能力強,但是倒立式少油電流互感器的溫升較高,其發熱源在上端,油少熱容量小,也不宜變壓器油上下循環散熱,耐熱性能較差。額定電流超過2kA的這類電流互感器不宜在炎熱的夏季超過額定電流范圍使用。倒立式結構的絕緣薄弱點在一次繞組的三角區,此處為手工包扎,產品質量有一定的分散性,我國500kV電網發生的油浸倒立式電流互感器爆炸事故絕緣擊穿點均發生于此。倒立式少油電流互感器一次繞組多為單匝,也有復匝結構,其一次側的阻抗比正立式結構電流互感器小,等值一次回路阻抗小,耐受動熱穩定能力比正立式結構強。1.2.2串級式電壓東南角帶測試結果油浸電磁式電壓互感器分單級式和串級式。單級式電壓互感器只有一個一次繞組線包,我國單級式油浸式互感器的電壓等級達到220kV,但是用量不大。串級式電壓互感器的高壓繞組有多個線包,工頻電壓分布較均勻。110kV產品有2個高壓線包,220kV產品有4個高壓線包,鐵心處于2個線包的中間電位上。串級式電壓互感器產品的最高電壓等級達到500kV,高壓線包達到8個。我國串級式電壓互感器均為油浸式產品,外瓷套同時充當互感器罐體,繞組及鐵心構成的器身安裝在底座上。這種互感器的雷電沖擊耐受能力不好,一旦主絕緣擊穿,容易發生爆炸。此外,器身處于瓷套之中,分布電容及泄漏電流會影響誤差,將引入0.02左右的附加誤差。20世紀80年代全國統一設計的110kV和220kV串級式油浸電壓互感器因磁密較高(1.1～1.2T),發生了大量的鐵磁諧振事故,從而引發自身爆炸燃燒,甚至造成惡劣的二次事故。1.2.3罐體內導電材料的應用氣體絕緣電流互感器為倒立式結構。從外形上看,有鐘罩式結構和三通結構2種罐體,見圖2。鐘罩式結構易于產品裝配,但是不易于多個線圈組合,鐘罩尺寸設計大了是一種浪費,小了又不能多個線圈進行組合,無法滿足特殊訂貨要求,否則需要有不同尺寸的罐體。三通式結構要靈活得多,線圈個數組合比較方便。氣體絕緣電流互感器線圈屏蔽為低電位,用盆式絕緣子或環氧樹脂支撐棒支撐在罐體中部。套管上端法蘭處與二次引線管之間電場最薄弱,有2種方式可以處理此處的電場分布,一種是同軸金屬屏蔽,屏蔽間為SF6氣體,絕緣性能具有可恢復性;另一種是聚酯薄膜和錫箔繞制的電容錐,聚酯薄膜充當屏蔽間的主絕緣,一旦聚酯薄膜發生擊穿,絕緣性能不可恢復。同軸金屬屏蔽結構比較簡單,加工方便,即使內部有金屬微?；蚍蹓m,也便于墜落到產品底部;電容錐結構比較復雜,電容錐體的上端容易積累塵埃,包括金屬微粒,SF6氣體分解物使得錐體沿面電場畸變,多起電容錐結構電流互感器絕緣事故的擊穿均發生在電容錐表面。從近10年的運行情況來看,我國自主研發的金屬同軸屏蔽的氣體絕緣電流互感器設計是完美的。這類產品在電網出現的一些事故,并不是設計上的問題,而是在質量管理及零部件采購中出現了漏洞,如罐體焊縫及密封處漏氣、瓷套破裂引起的爆炸、防爆片自爆等。值得一提的是,數起SF6電流互感器爆炸事故的影響較嚴重,甚至造成220kV樞紐變電站停電,其主要原因是套管的質量問題,且套管檢驗的國家標準和IEC標準與實際情況有較大差異。1.2.4氣體鋼通過低磁密直接方式表達SF6氣體絕緣電壓互感器主要用于GIS,也有單獨使用的。GIS用電壓互感器由于裝在GIS管道內部,不直接遭受雷擊危害,沿線路侵入的雷電波經過套管及管道分布電容的平波作用,幅值和陡度都有所降低,因此事故率較低。這種互感器加裝套管,可以用于敞開式變電站。但是,敞開式變電站遇到的過電壓比GIS的更嚴重,因此,戶外用氣體絕緣電壓互感器鐵心工作磁密不能過高,還要考慮留有一定的絕緣裕度。電壓互感器的鐵心工作磁密較低時,勵磁電流及勵磁損耗會降低。此時,用測量導納的方式測量互感器,會呈現容性負荷特征,這是因為繞組的層間電容及套管電容電流合成的結果。低磁密對于降低發生鐵磁諧振的概率是有幫助的。在SF6氣體絕緣結構電器設備的制造中,非常忌諱使用紙板、電纜紙等含纖維物質的材料,這些材料含水量較高,使用一段時期將增加SF6氣體的水分,降低絕緣水平,在電弧作用下形成有害腐蝕性物質,對絕緣件及電極表面不利。另外,纖維物質的存在,將有可能降低電極表面的溢出功。有的試驗變壓器制造廠完全采用油浸式變壓器制造材料來生產SF6氣體絕緣設備,這樣做的危害性是很大的。SF6氣體絕緣電壓互感器一次繞組層間絕緣應采用點膠薄膜,繞制完畢的一次繞組需在高溫下固化,防止繞組層間發生位移。1.2.5干式電流責任保護干式電流互感器是在干式套管的基礎上發展起來的,一次繞組絕緣設計結構完全仿制正立油浸式電流互感器,一次繞組套裝在一屏蔽金屬管(不銹鋼管)之中,也有用銅管兼作一次導體和屏蔽管的。主屏間采用定向聚四氟乙烯帶包扎,用少量硅油做為氣隙填充。干式電流互感器外形圖見圖3。110kV干式電流互感器內絕緣設計裕度達100%,220kV干式電流互感器內絕緣設計裕度也超過150%。干式電流互感器是一種使用維護量少的產品。采用聚四氟乙稀帶包扎的110、220kV電流互感器已經在電網上使用了上萬臺,同結構的500kV干式電流互感器樣機也通過了型式試驗。1.2.6次輸出能力比較110kV及以上電壓等級敞開式變電站大量采用了CVT,GIS進線也是使用CVT。CVT由電容分壓器和電磁單元組成,其中電容分壓器承受系統過電壓,因此絕緣性能比電磁式電壓互感器優越。CVT電容分壓器的容量越大,CVT二次輸出能力越強。但電容量的增加,使得CVT內部儲能元件的儲能增加,不益于抑制CVT內部產生的鐵磁諧振。另一方面,耦合電容量和CVT的附加誤差也有關。CVT的構成元件較多,電磁單元中包含有中間變壓器、補償電抗器、補償電抗器用保護間隙(或避雷器)和阻尼器。上述各儲能元件間存在著能量交換,因此CVT暫態特性(瞬變響應)不如電磁式電壓互感器,還易發生內部鐵磁諧振現象。所以,CVT的事故率也不少。此外,CVT的誤差特性不及電磁式電壓互感器,受溫度、相對濕度及污穢、鄰近效應、電網波形(諧波含量)及頻率偏移等因素影響較大。對于0.5級要求而言,CVT是完全能夠滿足要求的。但是對于0.2級而言,需要對CVT的使用和校準附加必要的條件。2電子式電壓東南角原理電子式互感器尚未真正進入商業化應用,主要原因是穩定性、可靠性及互換性還不能和傳統的互感器相媲美。變電站的數字化是一種趨勢,但是并不意味著用所謂的新型電子式互感器替代傳統的電工式互感器。傳統結構的互感器已經取得了大量的運行經驗,建立了一套較為完整的體系。電工式互感器完全可以用于變電站數字化,不管是電流互感器還是電壓互感器,二次接阻性負荷(如電阻分壓器和分流器)都可進行模擬量或數字量的采集與傳輸。目前的電子式電流互感器以傳感器原理不同分為二類:一類是電工式的,一類是光學原理的。電工式電子電流互感器的測量級往往采用傳統的電流互感器鐵心線圈結構,只是二次負荷較小,用一標準電阻進行電流電壓轉換,以輸出傳送電壓信號的模式采集、處理和傳輸電流量,也稱之為低功耗電流互感器。其保護級采用空心線圈結構(亦稱羅科夫斯基線圈),經積分電路,以電壓量反映一次電流量。空心線圈對外磁場反應較靈敏,繞線分布、幾何位置對暫態誤差影響較大。此外,由于空心線圈耦合量較弱,回路內阻抗較大,分布參數的影響不容忽略,可靠性和互換性遠不及傳統鐵心線圈電流互感器。法拉第效應及磁光效應的光學式電流互感器的穩定性很差,溫度、外磁場、感應靈敏度、可靠性及成本等問題均制約著此類電流互感器的實用化發展。電子式電壓互感器多為電容分壓原理,然后在低電壓下進行數據采集與處理。日本1000kVGIS采用的就是電子式電壓互感器,電容分壓器高壓臂由電極板和一次母線間的分布電容構成,低壓臂采用外置式云母電容,經泡克斯晶體轉換來消除VFTO引起的傳遞過電壓對二次系統的危害影響。國內有的用電感線圈做為分壓器元件,這種結構易受鄰近物體分布電容的影響——即鄰近效應,誤差特性不好。試驗室曾做過驗證試驗,將這種互感器升高10cm和地面狀態間的誤差曲線偏移0.4%,其原因主要是由于主回路電流太小,受分布電容電流影響造成的。我國已經在數個省的110kV變電站試驗性地安裝了電子式互感器,以便開展電子式互感器實用化技術的嘗試,但是這并不代表電子式互感器已經成熟。電子式互感器的規?；褂?除了需要解決現場校驗、量值朔源問題,更為關鍵的是要解決長期可靠性、穩定性及互換性問題。310罐式電磁式電壓傳感及罐式cvt的基本情況1000kV柱式CVT的結構要求原則是滿足現場檢測需要,不僅要方便其電容分壓器現場在額定電壓下測量電容量和介質損耗,而且要方便電磁單元內各部件的現場檢測,包括現場測量中間變壓器勵磁曲線和其感應耐壓試驗,現場更換補償電抗器保護間隙或避雷器等。誤差的比值差和相角差調節端子也要布置在箱體外側,因為特高壓CVT尺寸龐大、質量大,一次高壓連線困難,現場裝配極其不容易。除日本新榛名試驗變電站1000kVGIS采用了電子式電壓互感器進行實驗外,國際上800kV及以下電壓等級GIS基本上都采用的是罐式TV。根據武高院計算,按照1000kV試驗示范工程給出的技術參數,1000kVGIS用電磁式電壓互感器的罐體直徑在?1650～1800之間,罐體長度約3m,端法蘭承受的壓力大于100t,質量約為500t。電磁式電壓互感器的最大不足是絕緣問題,特別是雷電沖擊電壓分布極不均勻。此外,GIS中的VFTO對它的傷害也將是致命的。圖4是一種罐式CVT的電容分壓器結構示意圖,同軸電極構成分壓器高壓臂電容,低壓臂電容器可以外掛,電磁單元也外掛。為了克服由VFTO產生的傳遞過電壓對二次系統的危害,罐式CVT中壓出線串入特殊設計、絕緣可恢復的mΩ級電感,用于阻擋和衰減VFTO及雷電波進入電磁單元。這種CVT的最大優勢是結構簡單,絕緣水平高;缺點是誤差特性受溫度影響較大,理論計算結果表明能滿足0.5級要求。1000kV工程用電流互感器(包括變壓器和GIS用)除了測量用0.2級,保護用TPY級還需要滿足抽頭要求,如額定變比6000/1A,抽頭4000/1A和2000/1A,前期工程采用抽頭變比,后期采用額定變比,這是由于設備(套管及GIS)預留線圈空間有限,不能裝下多個獨立線圈,因此,一只線圈需同時滿足不同抽頭變比要求。4電壓東南角內電壓鞣對電容式電壓電阻率的影響4.1配電網互感器選型主要存在的問題(1)電流互感器變比選擇不當。配電網比較重視電能計量對互感器測量繞組準確級的要求,盡可能選擇電流互感器額定電流接近實際工作電流,以選擇電流互感器誤差特性較好的上限范圍,這是不正確的。配電網的工作電流較小,制造廠往往采取一次繞組復匝結構來提高電流互感器準確級,這樣做的結果是降低了電流互感器耐受電網短路電流的能力。此外,一次繞組采用復匝結構還增加了制造難度,有時還減少了絕緣空間。這是配電網電流互感器(特別是組合互感器中配置的電流互感器)事故率高的原因之一。(2)電壓互感器磁密過高、絕緣裕度偏小。配電網的保護措施比較簡單,也不嚴格,且過電壓的相對倍數也較高,互感器承受的過電壓倍數相對較高。配電網允許單相接地運行,再考慮工頻過電壓因素,非故障相電壓互感器鐵心工作磁密升高近一倍,如果電壓互感器額定工作磁密選擇過高則很容易發生鐵磁諧振過電壓。經常發生鐵磁諧振的10～35kV線路應選擇額定磁密不高于0.5T的電壓互感器。不少用戶在選擇配電網電壓互感器時喜歡體積小、樣式美觀的產品,但這樣做對電網安全不利。配電網互感器的生產工藝控制分散性較高,絕緣水平離散性大。因設計和制造工藝緣故,用量最大的10～35kV澆注電壓互感器一次繞組層間并沒有滲透進環氧樹脂,完全依賴鋪墊的絕緣紙承擔絕緣,絕緣情況并不理想,特別是在雷電沖擊電壓下。(3)互感器使用材料及工藝控制。不少配電網互感器制造廠為了降低成本,摸索各類絕緣材料(包括不同配方)、結構及工藝,在沒有獲得充分的驗證(甚至有的連型式試驗都沒有進行)就大量用于生產,使得配電網互感器事故率極高。戶內用澆注互感器應選擇環氧樹脂,戶外用產品選擇瓷套結構的較好。4.2110～500kV電網互感器選型應注意的問題(1)互感器的絕緣裕度。盡管我國電力系統沒有向輸變電設備供應商提出過絕緣裕度要求,但多數110kV互感器都有一定的絕緣裕度。然而,隨著電壓等級的提高,絕緣裕度幾乎沒有了。日本的電力公司和制造廠有著長期默契的供貨協議,輸變電設備按照技術條件絕緣水平有1.3倍的絕緣裕度。在過電壓嚴重的電網,建議對選用的輸變電設備提出絕緣裕度要求。(2)氣體絕緣互感器選用電瓷套管問題。氣體絕緣互感器發生了多起瓷套爆炸事故,其原因是:①瓷套檢驗不嚴;②現有瓷套檢測標準與實際情況不符。如果不是高海拔且紫外線較弱的地域,選擇硅橡膠復合絕緣套管更安全。(3)電容式電壓互感器。電容式電壓互感器的事故率比電磁式電壓互感器高,但惡性事故少。電容式電壓互感器事故大多發生在電磁單元,如阻尼器設計不當產生的內部鐵磁諧振,補償電抗器兩端的限幅裝置損壞等。另外,電容式電壓互感器的誤差特性不如電磁式電壓互感器穩定,受溫度、污穢及相對濕度、頻率及波形、臨近效應等因素影響較大,可以滿足0.5級要求。在關口計量點,為保證計量的準確性,建議選擇絕緣裕度高、鐵心磁密低的110kV及220kV電磁式SF6氣體絕緣電壓互感器。(4)互感器小型化。不應片面地追求互感器小型化,例如倒立式少油電流互感器的一次電流過載能力比較差;GIS小型化設計用的110kV及220kV電壓互感器絕緣裕度減少;隨著變電站規范化設計,電壓互感器二次負荷大幅度降低,電容式電壓互感器的耦合電容器電容量理論值將減少50%以上,這樣可以大大降低制造成本,但附加誤差會增大。總之,小型化是我們追求的努力方向,但不是我們的目的。5現場檢測傳感器問題5.1傳感檢測項目以往互感器交接試驗、預防性試驗項目及內容都比較簡單。隨著檢測裝備水平的提高及對電網質量要求的提高,新修訂的輸變電設備交接試驗標準增加了互感器檢測項目及檢測內容,例如增添了80%工頻耐受能力試驗,35～110kV按10%比例抽測局部放電試驗,有懷疑時需對220kV及以上電壓等級互感器進行局部放電試驗。35～110kV互感器用量大,制造廠數量多,產品質量參差不齊,許多出廠局部放電試驗不滿足要求的互感器大量進入電網,特別是對35kV電壓互感器及組合互感器,現場進行局部放電測量抽查可以有效控制電網互感器的質量。5.2電流傳感檢測互感器基本誤差特性關系到社會電能交易的公正公平。國網武漢高壓研究院(簡稱武高院)長期致力于互感器現場檢測技術的研究及試驗裝置的研制,2002年和泰開電氣集團共同研制出0.05～0.01級500kV系列標準電壓互感器,已經裝備了近20個省市試驗室,基本解決了我國500kV變電站電壓互感器現場的檢測設備問題。目前正著手研制第2代小型化500kV標準電壓互感器。根據220kV標準電壓互感器的研制經驗,目前戶外用小型化SF6氣體絕緣標準電壓互感器(見圖5)的高度只有1.4m,質量為120kg,準確度達到0.005級。而早期0.01級戶內用220kV標準電壓互感器高度為3m,重3t。2005年泰開電氣集團和武高院共同完成了765kV系列標準電壓互感器的研制,圖6是用765kV標準電壓互感器在西北第1條750kV線路現場檢測電壓互感器的場景。2006年泰開電氣集團和武高院共同開展1000kV標準電壓互感器的研究,預計2007年上半年完成樣機的試制,效果圖見圖7。電流互感器現場檢測主要面臨2個問題:一是對額定電流較大的試品施加大電流;二是電流互感器剩磁影響的判定。根據武高院