500,k,V主变压器绕组及套管绝缘电阻的屏蔽测量方法

罗赞琛,韦 宇

(1.中国南方电网超高压输电公司南宁局,广西 南宁 530021;2.中国南方电网超高压输电公司百色局,广西 百色 533000)

500 k V主变压器(简称“主变”)大都为自耦变结构。测量500 k V主变绕组、套管绝缘电阻,一般拆除主变各侧绕组一次引线,主变外壳及非被测绕组接地,然后按有关规范接入兆欧表测量。500 k V主变容量大,其500 k V、220 k V侧一次引线安装位置高,引线长且重,拆除引线的工作量大,且存在恢复接线时线夹损坏或接触不良造成过热等风险。

目前有关预防性试验规程提出,可开展500 k V主变绕组绝缘电阻不拆引线试验方法的研究,并规定条件成熟者按规定程序批准后可采用不拆线的试验方法[1]。文献[2-4]提出了采用屏蔽法不拆高压引线测量变压器绕组绝缘电阻,但只简单论述了其基本方法及优缺点,未提出如何在屏蔽法的基础上全面检测、判断变压器主绝缘性能,未从原理上说明数字兆欧表屏蔽测量的基本原理。DL/T 1331-2014《交流变电设备不拆高压引线试验导则》规定了330～750 k V自耦变压器不拆高压引线进行绕组绝缘电阻试验的方法,该方法是现场常用试验方法,但会造成测量结果小于实际值。

本文首先介绍了2种屏蔽方式的数字兆欧表的电路结构,详细阐述了数字兆欧表屏蔽法测量主变绕组绝缘电阻的原理。在500 k V主变绕组绝缘电阻试验项目中,基于变压器主绝缘结构,分析了屏蔽测量主变绕组各部分绝缘电阻的试验方法,提出采用屏蔽法测量主变绕组各部分绝缘电阻,再辅以其他指标进行分析、判断。在500 k V主变套管绝缘电阻试验项目中,阐明了应采用屏蔽法准确测量套管绝缘电阻。

1.1 绝缘电阻常规试验方法

500 k V主变绕组绝缘电阻、吸收比或极化指数试验主要用于检测主变的主绝缘性能,对变压器主绝缘的整体绝缘状况有较高的灵敏性,能有效查出变压器整体受潮、部件表面受潮或脏污以及贯穿性的缺陷,当两极之间的绝缘体呈贯穿性劣化时,绝缘电阻会明显降低[5]。

500 k V主变绝缘电阻试验主要测量其高、低压绕组对外壳(地)以及绕组间的绝缘电阻,常规试验方法见表1[6]。

表1 500 k V主变绕组绝缘电阻常规试验方法

采用常规测量方法时,宜拆除主变各侧一次引线。若不拆除,在进行表1的2、3项试验时,主变高、中压侧的外接绝缘支柱、CVT、避雷器等设备的绝缘电阻就会与主变高、中压绕组对地绝缘电阻并联测量,导致测量数据偏小,不能真实反映变压器内部绝缘状况。如果试验过程中空气湿度偏大,主变高、中压侧外接设备的表面泄漏电流会增大,此时测得的绝缘电阻将远小于实际值,甚至可能出现绝缘电阻、吸收比不合格的情况。

1.2 不拆高压引线试验方法

DL/T 1331-2014提出了330～750 k V自耦变压器不拆高压引线测量绕组绝缘电阻的试验方法:拆除变压器中性点、低压绕组一次引线,保留高、中压绕组一次引线,采用屏蔽法测量高、中压绕组与低压绕组之间的绝缘电阻,同时,宜再采用常规法测量高、中压绕组与低压绕组及地的绝缘电阻作为参考[7]。

屏蔽法试验接线为:高、中压绕组与中性点绕组短接后接绝缘电阻测试仪L端钮,低压绕组短接后接绝缘电阻测试仪E端钮,绝缘电阻测试仪G端钮接地,变压器的铁心、夹件及外壳保持在接地状态如图1所示。

图1 屏蔽法测量高、中压绕组与低压绕组绝缘电阻接线

2.1 数字兆欧表基本原理

现场一般使用数字兆欧表测量大型变压器绕组绝缘电阻。数字兆欧表采用电压、电流法的测量原理,主要由直流测试电源和采样电路串联而成。根据测量电源和采样电路串联的相对位置,数字兆欧表可分为高电位屏蔽和低电位屏蔽2种组构制式[8],目前现场使用的数字兆欧表大多为高电位屏蔽组构制式,2种兆欧表的测量原理如图2所示。

图2 数字兆欧表原理

图2中Us为直流电源电压,Ra为采样电路附加电阻,R0为采样电阻,Rx为被试品绝缘电阻,Ra、R0、Rx的阻值大小关系为:Ra+R0≪Rx(Ra+R0电阻值一般为欧姆级,Rx电阻值为兆欧级或更大)。数字兆欧表的测量回路电流在采样电阻R0产生电压U0,通过U0可衡量被试品绝缘电阻的大小。数字兆欧表有L、E、G 3个输出端钮,L端输出负极高压。E端输出正极高压,因被试品一端常在接地状态,故测试过程中E端钮一般接地。G端为屏蔽端,因Ra+R0≪Rx,对于高电位屏蔽组构制式的兆欧表,G端电位与L端电位一致,对于低电位屏蔽组构制式的兆欧表,G端电位为0。

2.2 数字兆欧表屏蔽法测量原理

2.2.1 数字兆欧表常用屏蔽法

兆欧表具有屏蔽功能,可屏蔽与被试品并联且一端接地的杂散电阻。兆欧表屏蔽测量的常用接线方式为:L端钮接被试品,E端钮接地、G端钮接入杂散电阻内部,如图3所示。如用于屏蔽被试品表面泄漏电流时,可在试品表面加金属护环或用裸导线缠绕后再接入兆欧表G端钮[9]。

图3 数字兆欧表常用屏蔽法接线原理

图3中,R11+R12为与试品并联的杂散电阻,对于高电位屏蔽组构制式兆欧表,其电流不会流过兆欧表采样电阻R0,因此R11+R12被屏蔽。对于低电位屏蔽组构制式兆欧表,同样R11+R12被屏蔽。

2.2.2 屏蔽法测量主变绕组绝缘(不拆高、中压引线)的试验原理

不拆高、中压引线,屏蔽法测量主变高、中压绕组与低压绕组之间绝缘电阻(图1)的等效电路如图4所示。图4中R＇x为主变高、中压侧外接设备的绝缘电阻。

图4 屏蔽法测量主变绕组绝缘电阻(不拆高、中压引线)试验原理

高电位屏蔽组构制式兆欧表:兆欧表G端钮接 地,则R0+Ra与R＇x并 联,UL=US,因R0+Ra≪R＇x及Rx,工程上 可 认 为:则同理可认为=0,故UL=0,因此无试验电流流过R＇x,主变高、中压侧的外接设备绝缘电阻被屏蔽。

低电位屏蔽组构制式数字兆欧表:兆欧表G端钮接地,R＇x与Ra+R0+Rx为相互并联的2个支路,故R＇x支路的电流不会流入Ra+R0+Rx支路,R＇x被屏蔽。

需要说明的是,目前有部分低电位屏蔽组构制式兆欧表(如AI-6000 M型介质损耗仪附带的数字兆欧表),只有2个输出端钮,一端为高压输出端(L端),另一端电位为0(E端),仪器内部R0与电源正极之间位置接地,即“G”端在仪器内部接地。这类仪器也可以实现屏蔽法测量主变绕组绝缘电阻(不拆高、中压引线),其测量原理与图4(b)一致。

表2为500 k V主变主绝缘结构表。主变各级绕组对铁心柱、铁轭的绝缘,高、中压绕组对低压绕组的绝缘组成均为绝缘油-隔板绝缘,绝缘油-隔板绝缘属多层电介质的绝缘结构,此类绝缘吸收现象明显,如果发生绝缘整体受潮或贯穿性绝缘劣化缺陷,绝缘电阻及吸收比会明显降低。变压器绕组及引线与外壳之间绝缘介质为变压器油,故绕组及引线对外壳间的绝缘电阻主要取决于变压器油的性能[10-11]。

表2 500 k V主变主绝缘结构

500 k V主变主绝缘结构分布如图5所示(图中主变外壳为接地状态,主变铁心为不接地状态,主变中性点及低压引线被拆除,主变高、中压引线不拆除)。可见,500 k V主变绕组绝缘电阻试验中需要测量的是高压绕组对低压绕组绝缘电阻(RHL)、高压绕组对铁心绝缘电阻(RHC)、低压绕组对铁心绝缘电阻(RLC)、高压绕组对外壳绝缘电阻(RHT)、低压绕组对外壳绝缘电阻(RLT)[12]。应以屏蔽法为主,常规法为辅进行测试,试验方法见表3。

图5 500 k V主变主绝缘结构分布

表3 测量500 k V主变绕组绝缘电阻(不拆高压引线)试验方法

需要说明的是,屏蔽法不能测量高、中压绕组对外壳的绝缘电阻(RHT),RHT由绕组及引线对外壳、分接开关对外壳两部分绝缘并联组成,绕组及引线对外壳的绝缘状态可通过绝缘油介质损耗,油耐压等指标进行判断考察。分接开关对外壳的绝缘为固体绝缘,这部分绝缘不能直接测量,常规法测量包含了这部分绝缘电阻,故常规法试验数据具有一定的参考性。

综上,采用屏蔽法测量主变绕组绝缘电阻(不拆主变高、中压引线),采用常规法的试验结果作为参考,再结合绝缘油试验数据,除了主变分接开关对外壳这一小部分绝缘电阻的检测较为粗略外,能够全面、准确的检测500 k V主变的主绝缘性能。

某变电站1台500 k V主变绕组绝缘电阻、吸收比试验中,常规法及屏蔽法测量数据如表4所示,可见,常规法测量并入了主变高、中压侧的其他外接设备,绝缘电阻测量数据明显偏小,吸收比数据也不合格,采用屏蔽法能够准确测量主变绕组绝缘,由屏蔽法试验数据可判断该主变绝缘电阻合格。

表4 某500 k V主变绕组绝缘电阻、吸收比试验试验数据(不拆高压引线)

500 k V主变套管主绝缘电阻试验一般不拆主变高、中压引线,DL/T 1331-2014提出的试验方法是:与被测套管相连的所有绕组短接、与被测套管不相连的所有绕组短接后接地,其它非被测套管末屏接地,被测套管导电杆部位(即套管首屏)接兆欧表L端钮,套管末屏接兆欧表的E端钮,这是套管主绝缘电阻试验的常用接线方法,同时适用于主变高、中压引线不拆除的情况。500 k V主变高压套管主绝缘电阻常用试验方法接线如图6所示。

图6 500 k V主变高压套管主绝缘电阻常用试验方法接线

采用此法测量500 k V主变高压套管主绝缘电阻,其电阻分布如图7所示,图中Rb为高压套管主绝缘电阻,Re为末屏对地绝缘电阻,R＇为主变高压绕组对低压绕组及外壳(地)的绝缘电阻,R＇x为外接设备绝缘电阻。由图7可见,实际测量的绝缘电阻为Rb∥(R＇X∥[R＇)+Re],显然测量结果是偏小的。若高压引线已拆除,实际测量的绝缘电阻值则为Rb∥(R＇+Re),仍小于实际值。

图7 高压套管主绝缘电阻试验(不拆高、中压引线接线)的电阻分布

根据现场经验,多数电容型套管末屏绝缘电阻的阻值都很大(可达10 GΩ至数百GΩ),试验过程中空气湿度较低时,主变高、中压侧的外接设备的绝缘电阻也较大,此时的套管主绝缘电阻测量值虽小于实际值,但仍远大于其规程规定值(10 GΩ),故一般不会引起注意。倘若套管末屏绝缘电阻偏低,同时试验过程空气湿度偏大,套管主绝缘电阻的测量结果就会远低于实际值,甚至不合格。

宜采用屏蔽法准确测量主变套管主绝缘电阻。高电位屏蔽组构制式兆欧表接线方法为:兆欧表L端钮接套管首屏、E端钮接套管末屏,G端钮接地;内部为接地结构的低电位屏蔽组构制式兆欧表接线方法为:兆欧表高压输出端钮接套管首屏,低压端钮接套管末屏。图8为屏蔽法测量套管主绝缘电阻的等效电路图,图中R＇表示Rt或Rt∥R＇。图8(a)中:兆欧表G端钮接地,则L端电位为0,无试验电流通过R＇,末屏绝缘电阻Re虽通过试验电流,但不会流经兆欧表采样电阻R0,因此Re及R＇均被屏蔽。图8(b)中:兆欧表G端钮接地,则E端电位为0,无试验电流通过Re,R＇通过电流,但不流经R0,故Re及R＇被屏蔽。

图8 屏蔽法测量套管主绝缘电阻等效电路

表5为某500 k V主变高、中压套管主绝缘电阻测量数据(不拆高、中压引线)。可见采用屏蔽法可大大提高试验数据准确性。

表5 某500 k V主变高、中压套管主绝缘电阻测量数据(不拆高、中压引线)

现场试验中,因套管末屏绝缘电阻规程规定值为不小于1 GΩ,而正常套管的主绝缘电阻都大于10 GΩ,所以测量误差常被忽略。建议根据现场实际,选择采用屏蔽法测量,测量接线为:断开主变绕组接地,兆欧表L端钮接套管末屏,E端钮接地,G端钮接套管首屏。

不拆主变高、中压引线采用常规试验方法测量500 k V主变绕组绝缘电阻,测得的绝缘电阻值会偏小,不能真实反映变压器内部绝缘状况。为了真实反映变压器内部绝缘状况又不拆除主变高、中压引线,可选择采用屏蔽法测量。500 k V主变套管主绝缘、末屏电阻试验中,无论高压引线拆除与否,若按DL/T 1331-2014提出的接线方法测量,试验结果都会小于实际值。不拆主变高、中压引线,采用屏蔽法测量500 k V主变绕组绝缘电阻,能够消除主变高、中压绕组外接设备的影响,准确测量绕组绝缘电阻。根据500 k V主变的主绝缘结构,以屏蔽法测量绕组各部分的绝缘电阻为主,以常规法测量及主变绝缘油试验数据为辅,可以实现主变绕组绝缘电阻试验及诊断。屏蔽法测量套管主绝缘电阻,能够屏蔽套管末屏绝缘电阻、主变绕组及主变外接设备绝缘电阻对试验结果的影响,试验数据准确,故建议采用屏蔽法测量。而测量套管末屏绝缘电阻时,也建议根据现场情况采用屏蔽法测量,以得到更准确的测试结果。