套管末屏传感器及应用

XD5661套管末屏传感器及检测技术

1、概述

110kV等级及以上主变出线方式主要采用容性套管，套管末屏是检测主变局放、介损等参量的重要信号拾取位置。

主变在运行状态下是无法打开套管末屏保护罩的，想要在运行状态下拾取局放及介损信号，现行的方法是将套管末屏接地线引到地面，但这样一定程度改变了接地方式，对安全运行构成一定的风险。

XD5661套管末屏传感器为解决上述问题而研发，它采用微型化传感技术嵌入现用的末屏保护罩，结构与现用的末屏保护罩可完全替换，在不改变原有套管末屏的电气特性（尤其是接地特性）条件下，高品质地提取出局放、接地电流等信号，为主变的带电检测与在线监测提供便捷、无风险检测方法。

2、套管末屏传感器

2.1组成

套管末屏传感器主要由高频脉冲感应单元、低频电流感应单元、信号出线盒、双屏蔽传输线几部分组成。

传感器按功能可分为：高频局放传感器、介损电流传感器及同时包含上述二种功能的综合传感器。

套管末屏传感器

传感器安装示意图

2.2特征及性能

2.2.1安全性高

不改变末屏原有接地方式和性能，不松动。

2.2.2可靠性高

内部灌胶固化，达到IP68（潜水型）防护等级，使用寿命与套管等同。

2.2.3灵敏度高

内置高频、低频传感器，可检测5pC局放信号和μA级接地电流。

2.2.4可标定

局放信号可参照GB7354标准，选用符合频带要求的脉冲发生器进行校准。

2.2.5安装便捷

结构上与现用各种套管末屏封盖完全互换，换装可在几十秒内完成。

2.2.6适用性广

传感器信号既可用于带电检测，也可作为在线监测的信号来源。

2.3应用方式

按工作方式，套管末屏传感器应用可分为巡检模式、本地在线模式和远程在线模式三类。

2.3.1巡检模式

在主变临近地面设置信号出线盒，将传感器获取信号引入信号出线盒，巡检时仪器从信号出线盒接收信号。

巡检模式示意图

巡检现场

2.3.2本地在线模式

将具备信号处理、分析及显示等人机交互功能的检测单元嵌入信号出线盒，使之组成本地在线监测装置。

本地在线监测

2.3.3远程在线模式

将传感器信号接入一个固定在主变附近的监测单元（IED），构成一个远程在线监测装置。

远程在线模式示意图

远程在线监测

3、有效性验证

3.1实验模拟验证

3.1.1实验平台

模拟实验在110kV变压器局放故障模拟装置（本所与河南院联合研制）进行，此装置可模拟变压器内部尖端、悬浮、气隙、颗粒放电。

110kV变压器局放故障模拟装置

3.1.2实验过程

分别将检测阻抗和套管末屏传感器接入A相套管末屏，并分别采用符合GB7354频带要求的脉冲发生器进行50pC校准。

检测阻抗安装

套管末屏传感器安装

a 检测阻抗脉冲校准

b 套管末屏传感器脉冲校准

校准完毕，各自检测其局放背景值。检测阻抗背景2.1pC，套管末屏传感器背景2.4pC。

a 检测阻抗背景信号

b 套管末屏传感器背景信号

将A相尖端放电模拟操作杆推入，电压升至23.5kV，检测阻抗检测的放电幅值为4.3pC。

检测阻抗放电图谱

把检测阻抗更换成套管末屏传感器，重复以上过程，套管末屏传感器检测的放电幅值为4.6pC。

套管末屏传感器放电图谱

3.1.3实验结论

从实验数据可以得出，套管末屏传感器与检测阻抗测到的局放信号量值、相位一致，且检测灵敏度小于5pC。

3.2现场实测

3.2.1现场情况

在国网运检部和安徽、四川公司支持下，本所分别在安徽省6台110kV主变，四川省2台220kV主变上安装了套管末屏传感器。其中安徽省2台采用在线方式，其余4台为巡检方式；四川省1台为在线方式，另1台为巡检方式。

通过以上主变实测数据看，主变在未运行时的背景基本在30～110pC，投运后背景值增加10pC左右，其中220kV变电站背景值要比110kV站增加10～20pC；就现场的背景条件，完全满足GB1094变压器局放≤250pC的检测要求。

3.2.2典型案例

2018年4月26日，安徽淮南西山110kV变电站对4#主变进行套管末屏传感器安装。

西山220kV 变电站传感器安装

变压器上电前，在变压器A、B、C 三相套管出线端和接地端之间分别注入500pC 校准脉冲，测试数据如下：

A 相

B 相

C相

脉冲校准后，变压器上电前测试A、B、C三相套管末屏传感器的背景信号，数据如下：

A相 B相

C相

变压器上电后，测试A、B、C三相套管末屏传感器信号，数据如下：

A相 B相

C相

发现变压器C相存在异常放电信号，放电量342pC。后用紫外设备复测，发现套管顶部存在电晕放电。

4、安全性验证

XD5661套管末屏传感器作为一个固定部件长期安装于套管末屏处，主要的安全风险点有二个：一是接地悬空，二是末屏受潮。

现有的末屏端通过末屏盖实现可靠接地与密封防潮，接地连接方式有轴向弹簧顶接和和冠簧压接二种。现行末屏接地和密封防潮方式已沿用几十年，被证明是可靠的。

XD5661套管末屏传感器设计沿用上述二种方式，传感器螺纹接口密封及末屏芯线接触方式都和原有的末屏盖结构一致，材料、结构和电气上与原有末屏盖完全等效兼容，保持原有末屏接地与密封方式不变。

为验证套管末屏传感器的防水性、防松动性及接地性能，本所进行了对应的实验验证。

4.1防水性

实验用一只装有35cm深水的水箱，将受潮变色的湿度卡装入传感器内，传感器放置于水底，如下图所示：

传感器潜水试验

传感器静置72小时后，取出比对湿度卡前后变化。

潜水前后内部比对

潜水前后湿度卡比对

湿度卡无变色现象，传感器防水性能良好。

4.2防松动性

4.2.1防松动实验

变压器振动是引起套管末屏传感器松动的主要因素。

变压器运行时套管末屏振动频率为100～700Hz，加速度0.01～0.07g。

实验搭建一个仿真变压器振动的平台，设计两种振动模式：一是扫频振动，频率100～700Hz，加速度5g；二是定频振动，频率分别为50、100Hz，加速度5g。上述振动幅度已超过现场50倍以上。

依据5种常见的套管末屏结构，加工5种末屏底座，分别将对应的5种传

感器固定到末屏底座上，再将末屏底座固定在振动平台上。

不同模式振动分别持续1个月，试验后传感器未观察到松动痕迹。

传感器振动实验

4.2.2保险措施

鉴于变压器运行振动强度不一，对振动较强的变压器可加配保险措施。

常用防止螺纹松动的方式有加弹垫、涂螺纹胶等，但此类方式一会影响套管末端的接地性能，二不利于传感器拆卸。

为加强传感器的防松动性能，我们采用在传感器与末屏底座接合处点涂中性硅酮结构胶。

在接合处局部点涂中性硅酮结构胶，既不影响接地性能，又能增加防松动性能，同时也不影响传感器的拆卸。

中性硅酮结构胶常用于建筑幕墙玻璃安装，耐候性长达数十年。

局部点涂结构胶

4.3接地性能

XD5661套管末屏传感器与套管末屏间接触电阻是衡量套管末屏导流性能的主要因素，试验用回路电阻测试仪检测传感器的接触电阻。

传感器接触电阻为1.063mΩ，可保证套管末屏导流正常。

传感器接触电阻检测

5、试点应用

本所在安徽省共安装6台主变，其中2台主变采用在线模式，其余4台为巡检模式。四川省共安装2台主变，其中1台为在线模式，另1台为巡检模式。

目前上述安装的套管末屏传感器与检测设备已投入使用4～9个月，均运行正常。

安徽安庆育儿110kV变电站（巡检模式）

四川内江董家湾220kV变电站（在线模式）

四川巴中观井220kV变电站（巡检模式）

安徽合肥来安路110kV变电站（在线模式）

6、总结

XD5661套管末屏传感器及检测技术作为一种新型变压器绝缘状态检测方法，其应用有效性、安全性已充分验证，该项技术的应用可有效掌握变压器的绝缘状态。