摘要：针对特高压某站主变压器交接试验中出现的局部放电异常现象，排除了外部干扰、试验检测系统的影响，分析了变压器磁屏蔽及其接地的结构特点，对放电部位进行定位。首次发现了特高压主体变压器内存在的磁屏蔽接地线断裂重大缺陷，该缺陷导致磁屏蔽悬浮放电产生大量乙炔。更换磁屏蔽接地后变压器运行正常，成功消除了该缺陷。分析处理结果表明，综合运用局部放电试验方法、超声波定位方法和油中溶解气体色谱分析能够准确判断缺陷类型并进行精准定位。
关键词：特高压变压器；局部放电；超声波定位；磁屏蔽；接地线
0 引言
特高压输电能够实现大功率的远距离输送[1-2]，1000 kV特高压变压器是特高压变电设备中最重要的设备之一，在设备的长途运输及现场安装过程中可能出现内部缺陷，开展特高压变压器局部放电试验能够准确地判断变压器内部绝缘状态[3]，及时发现设备内部缺陷，避免设备潜在缺陷导致的系统调试或正常运行时的突发性故障，对提高特高压系统的安全稳定运行具有重要意义。
特高压变压器因电压高、体积大、容量大的特点，磁路也相应较长，漏磁通会在油箱壁上、主磁通在铁芯、夹件上产生涡流损耗和附加损耗。为降低涡流损耗及附加损耗引起的变压器发热，提高变压器经济运行效益，交流特高压变压器设计时在油箱结构上采用磁屏蔽措施[4-5]。磁屏蔽是由高导磁率的硅钢片条叠装组成，装在变压器油箱内壁上用以对来自绕组端部的漏磁通进行疏导，降低其在油箱中产生的涡流损耗和附加损耗。硅钢片磁屏蔽安装时需要使硅钢片与油箱壁之间具有良好绝缘并可靠接地，若存在绝缘破损或接地不良，将引起局部过热或放电缺陷。
目前，在运变压器发现的磁屏蔽缺陷主要有设计缺陷、磁屏蔽绝缘破损、酚醛绝缘垫破损、磁屏蔽与铁芯搭接形成多点接地等原因造成局部过热或者局部放电[6-8]。综合运用局部放电试验、超声波局部放电监测和油中溶解气体色谱分析等多种检测手段[9]，能够较准确地判断变压器内部缺陷类型和严重程度，并对放电部位进行有效的定位分析。本文对1000 kV某站1号主变A相交接试验中局部放电异常现象进行了分析和研究，首次发现了特高压主变压器内存在的磁屏蔽接地线断裂重大缺陷，探讨了该放电缺陷的检测、诊断和处理技术。
1 特高压变压器局部放电试验异常情况
1.1 被试变压器技术参数
1000 kV某站1号主变压器由主体变压器(以下简称主体变)和调压补偿变压器(以下简称调补变)组成，其中主体变的主要技术参数为
设备型号：ODFPS-1000000/1000
额定容量：1000MVA/1000MVA/334 MVA
额定电流：1649.6A/3299.1A/3036.3A
额定电压：1050/
/525/±4×1.25%/110 kV
联结组标号：Ia0i0
冷却方式：OFAF
相数：单相
调压方式：中性点无励磁调压
1.2 试验接线、加压程序和判断标准
试验采用GB/T 50832-2013和DL/T 1275-2013标准规定的接线方法，试验电源使用额定输出频率为30~300 Hz的变频电源，采用主体变低压侧端子单边加压的方式，分别从高压、中压、低压端子套管末屏处抽取信号测量高压、中压、低压绕组局部放电量，试验接线如图1所示，图中：L为补偿电抗器；C为电容分压器；PD为局部放电测量仪(以下简称局放仪)；C1、C2、C3为耦合电容(套管电容)；ZK1、ZK2、ZK3为检测阻抗；a1、x1为低压绕组首末端；A为高压端；Am为中压端；X1为中性点。
图1 主体变试验接线图
Fig. 1 Test wiring diagram of main transformer
依据相关标准的技术要求，1000 kV变压器主体变现场局部放电试验电压及其加压程序[10-13]如图2所示。
图2 主体变局部放电试验加压程序
Fig. 2 Partial discharge test procedure for the main transformer
1000 kV系统最高运行电压Um为1100 kV，主体变试验时各电压为：U1=1.5Um/=952.6 kV，U2=1.3Um/=825.6 kV，U3=1.1Um/=698.6 kV，T＝120×额定频率/试验频率(s)，但不少于15 s。
试验合格的判断标准如下所述[10-13]。
1) 试验电压不产生突然下降。
2) 在1.3Um/的长时试验期间，主体变1000 kV端子的局部放电量的连续水平不应大于100 pC，500 kV 端子的局部放电量的连续水平不应大于200 pC，110 kV端子的局部放电量的连续水平不应大于300 pC。
3) 在1.3Um/下，局部放电不呈现持续增加的趋势，偶然出现较高幅值的脉冲以及明显的外部电晕放电脉冲可以不计入。
4) 在1.1Um/下，视在电荷量的连续水平应不大于100 pC。
5) 试验后，被试变压器的油中溶解气体分析结果应合格，试验前后结果应无明显差别。
1.3 试验异常情况
2016年4月14日，试验人员开展1号A主体变局部放电试验，局放仪为保定天威TWPD-2E型四通道局部放电测量仪，高、中、低压侧检测阻抗分别为6、5、4号阻抗，试验频率为149.5 Hz。
开始升压至20 kV左右时，局放仪上开始出现放电信号，随着电压升高，放电信号增强，局放量约为3000~5000 pC，如图3所示。采用紫外成像仪进行观测，发现中压套管有放电现象[14-15]，如图4所示。
后经反复升降电压后起始放电电压升高，低压侧施加100 kV以下电压不再出现上述外部电晕放电现象，可能的原因是表面污秽在反复升压过程中不再附着于套管。继续升压至110 kV时，局放信号突然增加至超出局放仪量程，且高中低压侧通道信号均同步达到溢出状态，达到数十万pC，无法通过传递关系确定放电来源。采用紫外成像仪检查加压回路及主体变外部时未再发现明显放电点。降压至80 kV时该信号消失，重复试验多次上述现象未消失。
为确认试验加压系统和检测系统是否存在故障及干扰，4月15日进行#1B主体变局部放电试验，结果无异常。16日再次进行1号A主体变局放试验，加压至110 kV时试验现象与14日相同。
图3 局放干扰信号
Fig. 3 Interference signal of partial discharge
图4 中压套管电晕放电图
Fig. 4 Corona discharge of medium voltage bushing
2 放电点的定位
为确定放电点位置，试验人员采用PD-TP500A+超声检测仪对变压器本体进行检测及定位，传感器频带范围为80~300 kHz，将四个超声传感器分别布置在高压、中压、低压、中性点套管下方，铁芯接地铜排上布置高频电流传感器，中压套管附近检测到放电信号。为准确判断放电点位置，试验人员重点对中压侧套管附近进行了超声传感器的布置，其位置如图5。
图5 超声传感器的布置
Fig. 5 Arrangement of ultrasonic sensors
各传感器位置：1号距变压器顶盖62 cm，距中间加强筋33 cm；2号距变压器顶盖119 cm，距中间加强筋28 cm；3号距变压器顶盖24 cm，距中间加强筋35 cm；4号距变压器顶盖119 cm，距中间加强筋18 cm。
加压至局放仪上出现局部放电信号时测量超声信号，如图6所示，其中图6(a)为采集30 ms时长的放电信号波形，图6 (b)为7.5~20 ms区间的信号。图中可以看出四个超声传感器信号及铁芯接地电流能检测到明显的放电信号，且均为超量程状态(刻度范围为-2.5~2.5 V)，与局放仪测试数据特点相吻合。3号传感器信号超前4号传感器信号约0.5 ms，可以判断变压器内部存在显著的放电现象，且放电部位在3号传感器附近，靠近变压器顶盖。基于时差及幅值的比较，试验人员确定了放电区域，如图7所示。现场与厂家技术人员沟通得知，该区域为高、中压绕组上端500 kV场强区域，油箱壁装设有磁屏蔽。
(a)
(b)
图6 局部放电超声信号
Fig. 6 Ultrasonic partial discharge signal
2016年4月16日，试验人员对1号主变主体变A相局放试验后的油样进行了油中溶解气体色谱分析，分析结果如表1。
图7 放电点位置
Fig. 7 Discharge position
表1 油中溶解气体色谱分析检测结果
Table 1 Chromatographic analysis results of dissolved gas in oil
根据三比值法和特征气体，被试变压器内乙炔含量达到87 mL/L，可以判断变压器内存在放电缺陷，结合局放仪和超声检测仪上放电信号特征，符合悬浮放电特点。
3 现场检查与分析
3.1 磁屏蔽结构
1000 kV变压器侧面油箱上装设的磁屏蔽为L型，来自绕组端部的漏磁通经过磁屏蔽进入上铁轭及下铁轭。因铁芯拉带通常为无磁钢材料制作，磁通受其阻挡经过条形磁屏蔽进入与其相邻的L型磁屏蔽，进而进入铁芯的上轭及下轭形成闭合回路，减少了流经油箱壁的漏磁通，其安装结构如图8所示。
图8 L型磁屏蔽结构
Fig. 8 L type magnetic shielding structure
由图8可知，变压器的漏磁主要通过L型磁屏蔽进入铁芯形成闭合回路，少量漏磁通经过油箱壁上的磁屏蔽形成闭合。同时为减少该部分漏磁通流经夹件的压钉和支板产生局部过热，该部件制造时应选用高磁阻材料，使其与绕组距离适度增大[16]。
3.2 磁屏蔽接地结构
L型磁屏蔽接地系统结构如图9所示。
图9 L型磁屏蔽接地结构
Fig. 9 Grounding structure of L type magnetic shielding
L型磁屏蔽接地的安装工艺为：将接地引线(紫铜带)焊接在铜板上，然后采用铜焊工艺将铜板与硅钢片焊在一起，铜和硅钢片的过渡部位应工艺良好，确保焊点牢固。将焊接有地线的硅钢片均匀粘接在L型磁屏蔽上，接地硅钢片与压紧螺栓之间采用纸板绝缘垫隔开，确保其与磁屏蔽之间可靠连接。接地线的另一端焊接有接地片，将其引出后在上夹件可靠接地[17]。如果磁屏蔽接地存在接触不良缺陷，则可能造成磁屏蔽在电场中的电位悬浮而产生局部放电。
3.3 现场检查情况
2016年4月18日放油进人检查后发现试验人员标定的放电区域为上夹件磁屏蔽处，如图10所示，焊有接地线的铜板与磁屏蔽硅钢片之间的焊接部位断裂，造成中压侧磁屏蔽脱离接地，因电位悬浮产生局部放电，放电造成磁屏蔽接地部位明显烧损，需进行更换，高、中压线圈绝缘未受损伤。该主变在出厂试验时情况良好，造成该缺陷的可能原因是变压器制造工艺控制不严，存在磁屏蔽接地线焊接工艺不良和固定不合理等缺陷，设备经过长距离运输及现场安装中振动力作用下使得焊接处逐步开裂，并最终断开，导致悬浮放电产生大量乙炔。根据检查结果，厂家技术人员对断裂的磁屏蔽接地线及绝缘件进行了更换，并重新滤油处理后局部放电试验通过，局放量符合标准要求。工程投运至今，该变压器运行正常，未发现乙炔含量升高。
图10 磁屏蔽放电部位
Fig. 10 Discharge position of magnetic shielding
4 结论
本文中对特高压变压器现场交接试验中局部放电异常现象进行了分析，首次在1000 kV变压器中发现因磁屏蔽接地不良导致的悬浮电位放电，证明了现场局部放电试验能够有效发现变压器在制造、运输和安装中产生的绝缘缺陷，检测分析与处理过程表明，综合局部放电试验方法、超声波定位方法和油中溶解气体色谱的分析能够准确判断变压器内部缺陷类型并进行精准定位。
该缺陷的出现值得特高压变压器生产厂家在设计和制造时予以重视，采用良好的结构和工艺，防止交接验收及运行后产生灾难性故障。更换磁屏蔽接地后该变压器运行正常，成功消除了缺陷，保障了设备的安全稳定运行。
