基于频域介电谱法的套管受潮状态现场评估

徐肖伟，孙兆臣，刘光祺

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司大理供电局，云南 大理 671000）

0 前言

电容型油纸绝缘套管作为应用于高压电网主变套管的最主要型式，在运行过程中长期经受电、热、水分、机械振动等多重因素的考验。近年来，由于套管主绝缘受潮引起的变压器安全事故屡有发生，甚至出现了500kV批次性的家族性受潮缺陷，极大影响了电网安全稳定。因此，对电容型油纸绝缘套管受潮状态进行准确评估具有重要意义。

1 电容型油纸绝缘套管典型结构

电容型油纸绝缘套管主绝缘为电容芯子与绝缘油共同浸渍而成，是套管绝缘性能最为重要的部分。如图1所示，油浸式套管的电容芯子由绝缘纸和多层铝箔围绕导电铜管卷制而成的圆柱形。其内部绕制的多层铝箔极板，起到电容屏的作用，以控制套管电容芯子内部和表面的电场均匀化[1]。

电容型油纸绝缘套管外绝缘为瓷套，其作用是作为内绝缘的容器，使其不受外界潮气、尘土、风雨雪等影响，上瓷套有伞裙，以提高外绝缘抵抗大气条件如雨、雾、露、潮湿、脏污等能力，下瓷套在变压器油中工作。套管外绝缘往往需要有一定的高度，以保证其表面不发生闪络放电[1]。

图1 电容芯子内部结构图

2 套管受潮状态无损评估方法

理化参数测量法是油浸式套管主绝缘受潮状态诊断的一种间接方法，对温度达到平衡状态的套管进行取油操作，测试油中水分，根据油纸绝缘系统的水分平衡关系对其整体受潮状态进行评估。由于油纸绝缘中绝大多数水分集中在纸中，且水分的平衡受温度的变化影响很大，因此测试结果往往会有较大偏差。

目前，应用于现场的套管受潮状态诊断的主要方法为工频介质损耗tanδ测试[3]。在长期应用中发现，工频介损对水分的敏感性较差，往往套管主绝缘含水量已发生较大变化，其工频介损仍处于较低水平。

频域介电谱法（Frequency Domain Spectroscopy,FDS）自上世纪90年代起逐渐引起越来越多的学者关注[2]。频域介电谱法以电介质响应原理为基础，可对试样施加频率范围在10-4～104Hz的测试电场，根据输入电压和输出电流的幅值、相位关系对试样不同频率下的介损tanδ、复介电常数ε*进行计算。频域介电谱法因为具有测试频段宽、试验电压低、测试过程对套管无损、携带绝缘信息丰富等特点而被广泛应用于对油纸绝缘型电气设备的绝缘状态诊断。因此，频域介质谱法应用于套管受潮状态的现场评估的优势就比较明显[4-8]。

3 FDS测试及结果分析

本文用于实验测试的套管试样为云网110kV、220kV、500kV运行的主变高压侧三相套管，测试接线图如图2。实验用于FDS测试的仪器通过外加升压设备可输出有效值为1400V，频率范围1mHz～103Hz的测试电压。电容型油纸绝缘套管进行FDS测试时，高压端加在套管引线连接端，测试端接在套管测试端子，实验仪器与套管外壳良好共地。

图2 FDS测试接线图

3.1 FDS试验测试结果

图3为500kV主变套管的测试结果曲线，其中编号0182套管评估结果为纸中含水量是2.4%，按照500kV的含水量标准，该套管为受潮状态，同时，对比测试了该套管的工频介损值，FDS显示的工频介损值为0.658%与常规电桥测试的0.63%结果一致，其出厂试验值0.37%，纵向对比可看出，套管有受潮的迹象。

图3 500kV主变高压侧两相套管FDS测试曲线

为进一步对测试结果进行验证，对该套管进行了解体取纸样，该套管共有25个主屏，每间隔一个主屏取一组纸试样，共取13组试样，在实验室采用卡尔费休滴定法，测试结果如表1所示。

表1 500kV套管的纸样含水量

从上表中看出，实验室的取样测试结果显示：该套管有不同程度的受潮迹象，其中，最内屏的受潮最为严重，含水量达到2.86%，验证了FDS测试方法的准确性。

图4为220kV主变高压侧的三相套管FDS测试曲线，三相套管的FDS测试曲线随着频率下降略有上升，而A相、B相、C相套管的FDS曲线在各个频段并为展现较大差异。

现有研究表明，随着水分含量的增加，套管主绝缘引入更多杂质离子，单位体积内参与极化的带点粒子增多，而油纸绝缘中的亲水粒子和基团更容易离开平衡位置与水分子结合，这些分子积聚在油纸界面间，使界面极化更容易建立，而且随着外加电场频率的降低，外部电场变化的周期更长，油纸绝缘内部的极化也更容易建立[4,5,6]。具体表现为：复介电常数实部ε′、复介电常数实部ε′′、介质损耗tanδ随着频率上升均有不同程度的下降。而三相套管的FDS曲线在各个频段的差异较小则说明投运时间和运行工况相同的三只套管含水量横向比较基本无较大差异，评估结果显示该主变高压侧A、B、C三相套管水分含量分别为0.5%、0.4%、0.4%，属于干燥状态。

图4 220kV高压侧套管FDS测试曲线

图5为110kV主变套管的测试曲线，在该图中，该相套管测试曲线和干燥套管的测试曲线相接近，水份分析的结果为含水量0.9%，套管内绝缘为干燥状态。在FDS谱图中折算的工频介损值为0.35%，与常规介损电桥测试的0.38%结果一致，从FDS和介损值来看，该套管为干燥状态。

图5 110kV主变中性点套管FDS测试曲线

3.2 FDS现场测试的干扰因素分析

现有研究对实验室条件下的套管FDS测试已有大量成果。而实际现场条件下，电磁环境复杂，且检修期间周围电力设备开关动作频繁，进行套管FDS测试时必须要对现场干扰的影响单独研究。

图6 不同工况下的220kV主变A相套管FDS测试曲线

图6为对主变高压侧A套管不同条件下的介质损耗tanδ曲线，在测试时分别对另外两相引线进行不同的处理。实验结果发现，变电站现场的干扰主要来自于中频部分。B相、C相套管引线未拆除时，工频干扰对FDS测试结果的影响十分明显。在50Hz处，A相套管的介损曲线产时生明显跳变，并使得介损曲线整体规律性下降。此时介质损耗值为0.61%(50Hz，24℃)，与现场运维人员测试值0.311%(50Hz，24℃)有较大差别。在应用FDS法评估套管绝缘状态时必须要尽量消除周围工频干扰源。

图6中，在对B相、C相套管进行拆除引线处理后，工频的频点处干扰下降，此时工频介损为0.312%。而干扰频率点向高频方向偏移，在100Hz附近影响较为明显。因此可认定，在使用FDS法在现场对套管含水量进行评估时，消除工频干扰后，100Hz附近的干扰源为最主要干扰，可考虑外加带阻滤波设备滤除该频率下的干扰以提高测试结果可靠性。

4 结束语

本文基于频域介电谱法对500kV、220kV、110kV主变套管进行现场测试，通过测试结果与工频介损值，初步评估了套管受潮状态，对于现场运行的三组套管的介电谱测试评估结果，得出了一组500kV套管受潮的结论，并将解剖套管后取的纸样在实验室进行结果比对，验证了FDS方法在现场测试数据及评估的准确性。对FDS现场测试的干扰因素进行了试验研究，通过不同的工况（拆除套管端头引流线与否），得出了拆除套管引流线可以有效减少空间杂散电容的耦合干扰的结论，基于FDS法的套管绝缘状态现场测试，需要考虑使用外加带阻滤波器消除中频段（50Hz～100Hz）产生的干扰。