满足全寿命要求的高压绝缘套管R1

满足全寿命要求的变压器套管
南京智达电气有限公司虞育号汪新泉
关键词：全寿命变压器套管绝缘老化控制标准
1 引言
变压器套管（以下简称套管）是变压器一个重要且最有风险的组件，主要作为导电载流和高压对地绝缘与机械支撑用。

套管在变压器中运行条件最苛刻，受到电压、电流、拉力、震动、风力、大气污秽等多方面的综合影响，一旦产生故障，极易导致变压器燃烧，造成事故扩大，损失严重，所带来的经济损失将远大于套管自身价值。

根据国家电网公司最新出台的相关要求，变压器须按全寿命（40年）的要求进行设计，这就对变压器上最薄弱的环节—变压器套管也提出了相应要求。

如何从设计、工艺、制造等方面保证套管达到全寿命的使用要求，是目前各套管制造厂的首要任务。

2 套管结构分类
变压器套管主要分两大类：纯瓷充油套管、电容式套管。

纯瓷套管一般仅适用于40.5kV及以下的电压等级，对于60kV及以上电压等级的产品为控制局部放电量，必须采用带有电容屏结构的套管。

电容式套管分为环氧树脂浸渍的电容式套管（干式套管）及油纸电容式套管。

干式套管具有使用方便、运行检测工作量小、不会爆炸的特点；但油纸套管具有成本低、运行经验丰富、环保等优势，因此在市场上，油纸套管仍具有绝对的优势。

考虑到目前市场上常规绝大部分油浸式电力变压器，其高低压侧主要选用油纸电容式套管及纯瓷充油套管，因此，本文主要针对这两种套管，结合运行中套管存在的典型故障，谈谈如何从产品设计、选材、制造及出厂控制等方面，保证其满足全寿命的使用要求。

3 套管的典型故障
关于套管的典型故障分析，国内并没有做详细的统计分析。

而早在上世纪90年代中期，在一次国际大电网会议上，各国专家就对1200多台长期运行的变压器套管进行跟踪分析。

这些故障类型分为套管爆炸、性能异常、漏油等。

综合国外分析结果及国内的套管事故案例，可以看出，电容芯子局部浸渍不良、密封破坏造成大量进水仍是套管初期爆炸性故障的主要原因。

而对长期运行的套管，其典型故障包括局部电容屏击穿、介质过热、内部产气、密封不良造成绝缘长期受潮、导体连接过热造成长期的绝缘过热、变压器油的老化、下绝缘表面杂质沉淀引发的沿面闪络、末屏接地不良等，这些问题套管的故障若长期发展，最后都有可能带来灾难性的后果。

这些故障有的与运行维护有关，但大部分与制造息息相关，下面是笔者根据多年来的经验，谈谈如何从制造上满足套管的全寿命要求。

4 满足全寿命要求的变压器套管
4.1设计
4.1.1 主绝缘设计
纯瓷充油套管绝缘设计较为简单，在这里不做详细描述。

下面主要谈谈油纸套管的主绝缘设计。

油纸绝缘的短时绝缘强度都非常高，但长期电压作用下的介电强度仅为短时的几分之一。

为使油纸电容套管在长期工作状态下具有足够的安全及可靠性，设计时必须留有一定的绝缘裕度，以保证套管在长期工作电压下及系统电压波动时可能出现的过电压下运行的可靠性。

笔者曾在国外对一批退出运行的油纸套管进行过现场分析，某国外知名品牌的套管，在运行12年左右，即出现介损大幅上升，取油样做DGA分析后，发现乙炔含量明显异常，再做微水测试，含量正常，并且多只套管现象一样。

随后，我们选择了一支套管进行解体分析，解剖电容芯子后，电容芯子采用整张纸卷制，电容屏及绝缘纸工艺精良，没发现任何缺陷。

我们也同时对比了其他厂家套管，某套管出厂日期为1969年，在运行40年后，介损水平仍维持在0.3%，其他性能也正常良好。

对比这两种
套管外形结构，问题套管主体直径及尾端尺寸都偏小，相应的绝缘裕度也肯定偏小。

实际上，随着套管的长期运行，在电与热的作用下，套管内的变压器油会逐步老化，油纸绝缘也在老化，一些分解下的产物会沉积在套管下绝缘的内表面。

相关资料显示，随着变压器油性能的下降，特别是对于运行超过25年套管，下绝缘极易发生沿面闪络，闪络有时造成的影响会很大，甚至会造成变压器燃烧，引发重大电网事故。

综上所述，套管的主绝缘设计极为关键，不仅仅只满足简单出厂试验的要求，还要考虑到套管长期运行的可靠性。

因此，主绝缘的最大工作场强设计值应考虑适当降低，还要考虑变压器端的绝缘长度，因为，出厂试验及初期交接时，变压器油质情况较好，套管内的油纸绝缘也未发生老化分解，但套管经过长期运行后，套管内变压器油及油纸绝缘的电气性能都会大幅下降，绝缘开始老化，同时油纸分解后下绝缘内表面沉积物出现，系统电压的不稳定甚至会造成下绝缘沿面闪络。

4.1.2密封设计
影响套管绝缘老化的因素很多，但密封不良应排在首位。

套管密封不良除与密封件材质有关外，还与密封结构有很大关系。

笔者曾对国内外套管进行过调查和事故搜集，很多密封不良引发的故障除与后期操作有关外，还与本身密封设计结构有很大关系。

如穿缆式结构的套管顶部未设置防松动装置，安装时任何一个疏忽都有可能头部松动，导致变压器内部进水。

另外，设计时未考虑限位、防紫外线等，密封件长期外露，也会加速密封件老化速度。

当然，套管的长期密封不仅与密封件的材质、密封结构有关，也与金属附件本身的密封性能有关。

由于套管的主要金属附件油枕与安装法兰都采用铝合金铸造，不同铸造方法其致密性相差较大。

从历史统计信息看，曾发生过沿铸件表面渗漏的情况。

4.1.3抗震结构设计
中国幅员辽阔，区域气候相差较大，特别是部分地区还处于地震带上。

套管不仅要经受各种恶劣的天气，还要经受地震的严格考验。

因此，套管设计上必须考虑套管的抗震性能。

当然，我们也曾发现过，某厂家的套管在台风过后，出现瓷件根部断裂的情况，除套管结构设计外，设计时还要对关键部件如瓷件、安装法兰等提出相应的技术要求。

4.1.4 温升载流设计
40.5kV及以下电压等级的纯瓷套管因为电流大、电压低，铜材占套管总成本的绝大部分，产品结构简单，因此，无须投入过多的生产设备。

由于缺少必要的检测手段，不做温升试验，电流密度的选取没有标准，减少用铜量或选用低等级的铜材是降低成本最直接的手段。

而变压器厂也无法对此进行验收，设计或选材不合理可能会造成过高的发热，增加了变压器的损耗，同时也会加速变压器内油的老化速度。

为控制套管的温升值，提高导电材料的利用率，我们曾做过对比试验，4000A套管，导体材料分别选用Φ52的紫铜棒和Φ60/Φ36×12（壁厚）紫铜管，其截面积分别为2122和1808mm2，计算电流密度分别为 1.89A/mm2和2.21A/mm2，通以4000A的电流，虽然都通过了温升试验，但导体温升后者比前者低5K（油温为60K，环境温度为30℃时，油端最高允许温升仅15K）。

从温升试验结果可以看出，通交流电流后，导体具有一定的集肤效应，管材无论是热稳定电流还是温升都比棒材要好。

另外，设计时还要充分考虑上下端子的接触电密，特别是用于封闭环境下的套管，其空气侧散热条件极其恶劣，接触电密应尽量选取低值；同时，每种电流规格的产品，必须进行相关的温升试验。

4.2关键材料及零部件
4.2.1 关键的绝缘材料
套管内部的绝缘材料主要包括变压器油及绝缘纸。

目前国内套管上使用的变压器油主要为进口的尼纳斯油和新疆克拉玛依变压器油。

综合长期运行的经验来看，尤其对于变压器套管，其内部的变压器油用量少，应选用电气性能更好的进口尼纳斯油，这样可以保证套管在长期运行下，内部变压器油具有良好的电气性能和稳定性。

电缆纸也是套管的主要绝缘材料，目前有来自国内、日本及欧洲的电缆纸，对比分析各电缆纸的性能，日本及欧洲的电缆纸长期稳定性较好，同时在杂质控制方面，做的也比较好。

但欧洲纸更容易获得低介损值，这对套管工艺处理及长期运行非常有利。

因此，低介损的欧洲纸被广泛应用到电容套管上。

4.2.2外绝缘—瓷件
套管的外绝缘一般为瓷件，瓷件生产的工艺方法有两种，一种是传统的湿法成形，另一种是等静压工艺（干法）。

从产品致密对比，干法成形的瓷件密度达到 2.7g/cm3，而湿法成形仅为2.4g/cm3左右，对比机械强度，干法成形套管机械强度比同尺寸的湿法成形套管提高50%以上。

另外，笔者曾对某运行10年左右的支柱棒形进行抗弯试验，其值不及出厂值的一半，说明瓷件在长期运行后，其机械性能会明显下降。

这与瓷质的致密性息息相关，由于在微观状态下，瓷质都有极其细微的吸水性（孔隙性试验可获取），长期暴露在大气环境下，机械性能肯定会有所下降（甚至会出现粉化）。

套管外绝缘不仅要满足设计的电压要求，还应具备长期承受着拉力、风力及大气污秽的能力，其长期机械强度必须满足各种恶劣的环境要求，才能使套管满足全寿命的使用要求。

而目前用于变压器套管的瓷件一般都采用传统湿法成形的工艺生产，从对套管长期运行的可靠性来讲，特别是40年运行寿命，建议要选用高强度配方的瓷件或等静压工艺生产的瓷件。

4.2.3 主要金属附件—铸铝合金法兰和油枕
法兰和油枕是套管主要金属附件，在套管中承担重要的作用。

除满足必要的密封要求外，法兰还承受套管上最大的机械拉力。

而目前大多数都采用普通砂型铸造，砂型铸造的机械强度、致密性普遍偏差，可能会影响后期套管的整体抗弯性能和密封性能。

从以往的运行经验看，就曾出现法兰油枕表面渗油以及法兰开裂的现象，这些都会影响套管的长期安全运行。

为提高套管关键金属附件，目前铸铝件可采用一种先进的低压铸造技术，低压铸件不仅使铸件整体合格率大幅上升，其机械强度及致密性都得到大幅提高，这样可使套管整体强度的得到提高，使用寿命得到延长。

4.2.4 密封件
由于密封件的使用寿命目前无具体统计值，仅通过相关试验室试验获得参考数据，因此，为使套管的密封件长期可靠，应尽量选择国内知名的密封件制造商，保证密封件长期的稳定性。

设计上考虑限位密封，同时避免阳光直射到密封件上加速密封件的老化。

4.3 工艺保证
工艺的好坏直接影响到套管的主要电气性能指标如介质损耗因数及局部放电量，同时还影响到套管内变压器油的性能，
只有一个合理的工艺，一套有效的过程方法才可以使每支产品获得相同的技术指标，才能保证所有产品出厂电气性能的可靠性。

4.4 控制标准
套管的主要电气性能指标包括介质损耗因数tanδ和局部放电量（PD）。

由于套管要经过近40年的安全运行，因此，这两项指标必须要求更为苛刻。

4.4.1 介质损耗因数tanδ
国标（IEC）都要求出厂值小于0.007，目前国内大部分厂家都把0.005最为出厂控制值。

笔者认为此值仍然偏大，尤其对于油纸电容套管，其主绝缘材料为油纸，在长期电与热的作用下，会逐渐老化而使绝缘介电强度降低。

因此，为尽量减少tanδ的影响，有必要将控制进一步降低到0.004这一控制值，甚至更低。

4.4.2最大局部放电量（PD）
对于油纸套管来说，其运行中的最大危害来自于主绝缘电容芯子内部的有害局放。

若主绝缘中存在放电，会加速套管的绝缘老化，使套管的tanδ出现大幅上升；还会产生X-wax（X 腊）等有害物质，套管的变压器油的有害气体也会因过饱和而大量分解，套管内部将会出现压力过大，直接影响到套管的安全运行。

关于局部放电量的出厂控制值，标准（IEC）都有明确规定，要求在设备最高电压下不大于10pC，国内外部分厂家也提出更严格的要求。

其实一个良好的工艺，可以保证在芯子内部不会有局部放电出现，即使将电压升到工频耐压水平，局放量仍很低，甚至会出现电压继续升高（超过工频耐压值），下绝缘先闪络。

5结束语
全寿命套管的提出，对各套管制造厂是一个很大考验，由于涉及到原材料的选用、产品设计、工艺处理、过程监测以及出厂控制等多方面的问题，特别是对套管上相应的零部件也提出了更高的要求。

因此，各套管制造厂有必要为此做一次全面的过程策划（策划要素包括以上几点），生产出真正意义上的全寿命套管。

为适应市场需要，同时满足套管全寿命的使用要求，南京智达电气公司已采取下列措施：5.1 投资7000万元建成了一条先进的等静压干法成型瓷套生产线，今后110kV至1100kV所有套管的瓷外绝缘都选用等静压工艺生产的高
强度瓷件。

5.2 建成了一套先进的压力铸造生产线，并对浇注用铝液进行精炼处理，浇注前还对试棒测比重，并进行光谱及拉力强度分析，合格后方可进行铸造，确保铸铝合金件的机械及密封性能达到设计要求。

5.3 采用进口的尼纳斯油和低介损的欧洲电缆纸，设计时留有足够的绝缘裕度，通过合理的工艺设计，使套管的介损值控制在0.0035以下，同时在接近变压器感应耐压值时，套管内
作者简介：
虞育号：南京智达电气有限公司董事长、总经理、高级工程师，1984年毕业于清华大学，原南京电气（集团）有限责任公司（原南京电瓷总厂）副总经理、总工程师，长期从事高压电器产品的研究及管理工作。

汪新泉：南京智达电气有限公司主管工程师，长期从事高压套管的技术工作。

部也不会有局放产生。

5.4 密封结构，穿缆套管的头部密封结构已申请专利，可以确保即使存在轻微的操作失误，也不会出现进水。

并采用限位密封等技术，确保密封件不会遭受太阳光直射及过度压力造成损坏。

5.5 控制温升方面，所有导体采用空心高电导率的紫铜管，确保材料得到最充分的利用。

另外，针对所有电流规格，都有完整的温升试验，并留有一定的裕度。