高压变电站变压器升高座套管表面损伤原因分析

黄英琳

身份证号码： 37010219910106**** 山东 济南 250017

摘要：特高压变压器是变电站中的关键设备，特高压变压器的损害会带来较大的经济损失。某特高压变电站一台主变压器发生故障， 经拆解发现其升高座套管表面存在多处损伤痕迹。 利用体视显微镜、 光学显微镜、 SEM（扫描电子显微镜）以及 EDS（能谱分析仪）等设备对套管表面各类损伤的形成原因进行分析。 结果显示， 套管表面存在金属熔融物、 多孔状金属氧化物和沟壑状凹坑， 表明损伤痕迹中同时存在放电痕迹、 腐蚀痕迹以及刮擦痕迹。

关键词：特高压变电站； 变压器； 套管；损伤

特高压输电有着能大容量、远距离输电，并且电能损耗低的优点。输变电系统为生命线工程的重要组成部分，作为变电站中的关键设备，特高压变压器若受到破坏，将带来巨大的直接与间接经济损失。在变压器厂该主变A相 1 000 kV 高压套管的解体检查。从故障套管中拔出定位油密封管、定位补偿管，其中定位补偿管同心安装在定位油密 封管外侧。经检查，发现定位油密封管外表面以 及定位补偿管内表面存在多处疑似放电烧蚀、过热痕迹及表面凹坑。为准确分析定位油密封管和定位补偿管表面损伤痕迹的形成原因，需要对样品做进一步分析。

一、慨述

变电站中的高压电抗器和变压器是重要电气设备，主要破坏方式为变压器、电抗器本体倾倒和发生移位，或者是设备上的高压瓷质套管发生断裂、错位。由于高压变压器和电抗器结构复杂，体积大，重量大，当变压器浮放、没有固定措施时，地震中变压器和电抗器本体往往发生位移、扭转、掉台甚至倾倒，从而造成变压器和电抗器顶部高低压绝缘瓷套管被拉裂甚至拉断或与法兰错位；防爆玻璃、散热器、潜油泵等附件被间接撞坏或直接震坏，导致漏油，拉断电线，甚至引起变压器和电抗器内部故障而起火烧毁。产生此类震害的主要原因是电力变压器和电抗器浮放在轨道或基础平台上，未采取固定措施，或虽采取了固定措施，但固定方式不当或固定设施强度不足，地震时将固定螺栓剪断、拉脱或将焊缝拉开，使固定装置失效。当变压器和电抗器被良好固定时，其震害的主要特点是变压器和电抗器顶部绝缘瓷套管在其根部裂损或断裂。产生此类震害的主要原因是瓷件为脆性材料，没有明显的塑性变形，其储能能力较小，自身的抵抗破坏弯矩与抵抗破坏应力的能力都较低，又加上特高压设备的瓷套管结构形状细长，质量可达2-10吨。因此地震时瓷套管根部承受很大的弯矩，使得瓷套管因强度不足而破坏或断裂、尤其是在瓷套管与其它材料的连接处，变形互不协调，更易使脆性瓷套管发生裂损。

二、特高压变电站变压器套管表面损伤

由于定位油密封管安装在定位补偿管的内部，因而定位补偿管样品的表面损伤均位于其内表面上。定位补偿管内表面损伤痕迹与定位油密封管外表面损伤痕迹， 特征与定位油密封管外表面的损伤高度相似。

1、体视显微镜套管样品中选取了损伤点， 经超声清洗后在体视显微镜下检查它们的宏观特征， 如图所示。

1 号样品切自定位油密封管 1； 2， 3 号样品切自定位油密封管 5； 4 号样品切自定位油密封管 3； 5， 6 号样品 取自定位油密封管 7； 7 号样品取自定位油密封管。 从图中可以看出， 1 号样品表面有一块呈鱼鳞状的三角形区域，表面较为粗糙。2号样品中部区域存在大量灰色斑点，这些斑点已经失去金 属光泽，并且在斑点周围还存在一圈黄褐色痕迹。3 号样品中部也存在一块失去金属光泽的灰色斑点，在其周围也存在一些条状褐色痕迹。4号样品表面原本存在2 个黑色的小点，经清洗后在表面上只留下 2 个凹坑。5号样品表面存在一个黑色的圆形坑洞， 坑洞具备一定的深度。6号样品的情况与 5号样品类似， 有 2个深度较浅的圆 形坑洞位于表面，并且颜色也较浅。7号样品表面存在两块面积较大、形状不规则的黑色区域，发黑区域内无明显凹坑。

2、SEM及EDS 分析将从套管上取下的 1-7 号样品置于 Zeiss E- VO 18 型 SEM（扫描电子显微镜）中， 1号样品表面存在大面积的金属波纹状形貌，这类形貌一般多在金属发生较大规模熔 融而后凝固形成。 2号及 3号样品的微观表面特征较为相似，都存在大量的环形坑，坑内呈颗粒状多孔结构；颗粒呈柱状， 颗粒间存在明显的空隙。4号样品表面存在数道长条形的凹痕，凹痕的两侧边缘呈平行关系，这类形貌一般是由表面刮擦形成。5号样品表面存在一个面积较大的环形凹坑， 凹坑内部部分区域的金属已缺失， 并存在一些金属熔融痕迹； 凹坑周边同样存在大量与3 号样品表面高度相似的颗粒状多孔结构。 6号样品表面的两个凹坑表面形貌类似，铝管表面的部分金属已缺失，剩下的块状金属物发生块状堆 叠。7号样品表面黑色区域也呈环形坑形貌，深度较浅；坑内表面较为平滑，部分区域有不规则块状物覆盖。

与此同时，通过 EDS（能谱分析仪）对表面部分区域进行了成分分析，套管的基体金属应为 Al-Si 合金， Si 元素 的含量应该不高。1号样品表面含有套管基体金属所不含有的 Mg， Mn， Fe 三种金属元素， 这与 其发生过金属熔融并凝固，从而带入其他金属元 素的过程相符。 2 号样品与 3 号样品凹坑内的元 素分析结果与基体金属一致，只含有 C， Al，O 三 种元素， 但其 O 元素含量高达 78.33%，说明凹坑内的多孔状颗粒物为铝的氧化物， 导电性较差，因而在电镜视野内呈白色。铝的氧化产物一般通 过腐蚀过程而产生。4号样品凹坑内的成分分析结果与基体材料一致，说明表面刮擦不会引入其他金属元素， 也不会引起化学反应。5号样品凹 坑内含有 C， O， Al， Si， Mn 五种元素， 除 Mn 元素以外与铝管基体元素一致， Mn 元素考虑为外界带入。6号样品凹坑内也只含 C， O， Al 三种元素， 其余元素含量太低，未检出。 放电电击后会使铝管表面的金属部分缺失，部分金属重新堆 叠，从而形成一定放射状的微观形貌。放电现象会瞬间产生高温， 使电击区域不可避免地发生碳化。 1 号、 5 号及6号样品的 C 元素含量分别为 2.27%， 1.28%， 1.26%，明显高于其他未放电区域 C 元素约为0.7%的含量水平。 因此从成分角度来看， 1 号、 5 号及 6 号样品符合电击的特征。

三、分析与讨论

变压器是变电站最为核心的设备之一全稳定性直接影响到整个变电站的正常运，对变压器的检测技术都在不断发展中[1]。变压器升高座套管是一种便于现场安装的油浸电容式高压套管，连接变压器绕组出线的套管底部接线端子通过套管内部的拉杆系统与套管载流底板和载流导电管连接，连接变压器空气端高压引线的套管顶部接线端子通过套管内部软导流排与载流导电管连接。从相关研究来看，变压器产生的漏磁场和涡流损耗易使变压器金属部件产生发热 现象或局部放电，严重影响变压器正常运行，并且变压器套管在运维过程中出现的问题也不在少数。 综合上述试验结果，可以看出定位油密封管 和定位补偿管表面损伤的种类较多，构成较为复杂。1号样品表面的大面积金属波纹状痕迹符合金属熔融而后凝固形成的特征[ 1]，考虑到套管为变压器的重要组成部件，可推测该痕迹由于定位油密封管和定位补偿管互相放电引起。2号及3号样品表面凹坑内的多孔颗粒状铝的氧化产物，判断为铝管在变压器油环境中的腐蚀行为导致，应为腐蚀痕迹，但其具体腐蚀机制及腐蚀过程有待进一步明确。4号样品表面沟壑状凹坑的边缘平行，凹坑内成分与基体材料成分相符，未经历化学反应过程，符合刮擦伤痕的特征，可以判断为撞击或刮擦导致。5号以及6号样品表面的圆形凹坑十分明显，微观形貌显示其表面的金属物质发生了部分缺失，部分重新堆叠，存在一些熔融痕迹，并且明显经历了碳化过程，C 元素较高，因此也可以判断为电击坑，属放电痕迹。

此次特高压变电站主变升高座套管多处表面损伤形成的原因较为复杂，并非单一原因导致。从分析结果来看，套管表面的微观形貌存在金属熔融物、多孔状金属氧化物和沟壑状凹坑，证明损伤痕迹中同时存在放电痕迹、腐蚀痕迹以及刮 擦痕迹。

参考文献：

[1] 叶朋珍.一起大型变压器低压侧升高座过热原因分析及处理[J].广东电力，2019（2）:12.

[2] 张强，李成榕，刘齐.变压器升高座内部套管局部放电特高频信号传播特征[J].电网技术，2017，41（4）:17.

[3] 谢 强，马国梁，朱瑞元. 变压器－套管体系地震响应机理振动台试验研究[J]. 中国电机工程学报，2018，35(21)：10.