基于針板模型變壓器油中的電暈放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律

安豐彩 張科達(dá)

1.山東電力高等專科學(xué)校 山東 濟(jì)南 25000；2.寧波鄞州供電局 浙江 寧波 315100

0 引言

在電場和熱的作用下采用油-紙絕緣結(jié)構(gòu)的電力變壓器，其絕緣材料將會(huì)逐漸老化和分解，產(chǎn)生各種低分子及二氧化碳、一氧化碳等氣體［1］。油中尚未飽和，分解出的氣體將以分子的形式溶解于變壓器油中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油中溶解氣體的含量、組分及產(chǎn)氣率取決于故障的嚴(yán)重程度和故障點(diǎn)能量的釋放形式，因此，根據(jù)氣體色譜分析的結(jié)果即可判定設(shè)備有無內(nèi)部故障，診斷其故障類型，并推定故障的嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢等［2］。將此方法稱為油中溶解氣體分析法 （Dissolved Gases Analysis，簡稱DGA），它作為目前電力系統(tǒng)對(duì)油浸式電力設(shè)備常規(guī)使用的故障分析手段之一，對(duì)診斷變壓器內(nèi)部潛伏性故障及其發(fā)展程度上效果顯著，且該法無需停電試驗(yàn)，方便用于在線監(jiān)測和離線檢測，因此，自1997年頒布執(zhí)行的電力設(shè)備預(yù)試規(guī)程后，變壓器油中溶解氣體分析始終被放在首要的位置上［3］。

因此，本文通過針板模型模擬變壓器中的電暈放電故障，研究變壓器局部放電機(jī)理和發(fā)展特性，并著重研究局部放電發(fā)展過程中的油中溶解氣體的變化規(guī)律。通過對(duì)變壓器加壓使其產(chǎn)生局部放電，對(duì)油中溶解氣體進(jìn)行氣相色譜分析，試圖尋找局部放電與油中溶解氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便通過對(duì)油中溶解氣體含量的監(jiān)測代替局部放電的直接監(jiān)測。由于恒壓法則更接近實(shí)際運(yùn)行的電力變壓器，本文采用恒壓法，并基于針板模型對(duì)油中電暈放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方案的確定

1.1 變壓器局部放電模擬系統(tǒng)

在試驗(yàn)時(shí)，所有變壓器內(nèi)絕緣典型缺陷模型都浸在模擬變壓器油箱中并置于專門設(shè)計(jì)的恒溫箱內(nèi)，通過施加工頻電壓來模擬變壓器內(nèi)絕緣典型局部放電。變壓器局部放電模擬系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 變壓器局部放電模擬系統(tǒng)

其中模擬油箱由有機(jī)玻璃材料制成，尺寸為Φ220mm（直徑）×250mm（高），恒溫箱由不銹鋼板制成，尺寸為600mm（長）×550mm（寬）×450mm（高）。該模擬系統(tǒng)通過變壓器油循環(huán)來模擬變壓器絕緣油循環(huán)，通過恒溫箱來控制變壓器絕緣油的溫度。

1.2 局部放電測量

局部放電模型實(shí)驗(yàn)接線如圖2所示，其中試驗(yàn)電源由自耦調(diào)壓器T1和工頻無局放試驗(yàn)變壓器T2構(gòu)成［4］，額定電壓為60kV，額定容量為60kVA；保護(hù)電阻R：電阻值為5.3kΩ，額定電壓為60kV，在試品擊穿時(shí)，起限流作用，保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備；耦合電容器CK：電容值為1000pF，耐受電壓60kV，作為局部放電回路的耦合器件，并同時(shí)作為分壓器使用，在試驗(yàn)時(shí)可以對(duì)局部放電波形進(jìn)行相位校正；D是羅氏線圈電流傳感器，作為局部放電信號(hào)的監(jiān)測單元；CX為變壓器內(nèi)絕緣局部放電模型，放在專門設(shè)計(jì)的模擬油箱中；示波器F：測量局部放電信號(hào)，顯示、采集和存儲(chǔ)信號(hào)波形，示波器的電源由隔離變壓器引入，主要用于防止高壓試驗(yàn)時(shí)由于地電位升高造成儀器的意外損壞［5］。

1.3 電暈放電模型

當(dāng)變壓器在設(shè)計(jì)制造時(shí)，內(nèi)部絕緣出現(xiàn)絕緣弱點(diǎn)是不可能完全避免的。由于油中存在氣泡，固體絕緣材料中存在空穴或空腔，某些部位存在尖角、毛刺、漆瘤，金屬部件或?qū)w之間接觸不良等缺陷，在運(yùn)行電壓下，往往會(huì)產(chǎn)生局部放電［6］。本文主要研究基于針板模型的變壓器油中放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律，其放電模型如圖3所示。

圖2 局部放電實(shí)驗(yàn)接線

圖3 電暈放電模型

為用于模擬油中電暈放電的針板電極系統(tǒng)。針頸直徑0.2mm，針尖曲率半徑小于0.1mm。針與板電極間放置厚度為1.0mm的絕緣紙板，針尖到紙板距離d為10mm。

2 基于針板放電模型的油中電暈放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律

2.1 放電特性

1）局部放電的時(shí)域特征

在盛滿油的模擬變壓器油箱中，進(jìn)行油中電暈放電試驗(yàn)。該模型的起始放電電壓為13.8kV。將試驗(yàn)電壓升至20.7kV保持不變，長時(shí)間持續(xù)加壓，預(yù)期進(jìn)行36h的放電研究，制定合理的取樣間隔。圖4給出了一個(gè)電暈?zāi)Ｐ驮诜烹姲l(fā)展各階段的時(shí)域特性。

從圖4中可以看出，電暈放電的最大幅值表現(xiàn)出先減小后回升的趨勢，一直到試驗(yàn)結(jié)束。在加壓前期，外施電壓較高，放電幅值很高，但油中電暈放電極不穩(wěn)定；不久放電幅值變小，放電次數(shù)也減??；加壓中后期，放電幅值又有所回升，相位固定在70°和250°左右，相角較為穩(wěn)定。

圖4 電暈放電波形

2）局部放電的基本特征參量

油中電暈放電最大幅值參量隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示。從圖中可以看出，電暈放電的最大幅值表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在加壓前期，起始放電劇烈，然后放電幅值減小；在加壓中后期，放電有所加強(qiáng)，幅值和頻率都有所增大。

圖5 電暈放電幅值隨時(shí)間的變化曲線

2.2 產(chǎn)氣規(guī)律

在盛滿油的模擬變壓器油箱中，進(jìn)行油中電暈放電試驗(yàn)。油中電暈放電模型起始放電電壓為13.8kV，根據(jù)前期試探性實(shí)驗(yàn)，選取實(shí)驗(yàn)電壓為20.7kV，不同時(shí)刻取油樣進(jìn)行色譜分析（放電初期取樣間隔為0.5h、1h、2h，之后間隔時(shí)間為2h，試驗(yàn)為期36h），每種氣體含量隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。

圖6 油中電暈放電氣體變化曲線

可以看出：油中電暈放電發(fā)展過程中，放電初期，各種特征氣體增長比較快，但隨著時(shí)間的推移，各種氣體含量增長速率趨緩甚至有所下降，到實(shí)驗(yàn)中后期，各個(gè)氣體的含量變化量減小，趨于穩(wěn)定。主要特征氣體H2和CH4一直保持穩(wěn)步上升的趨勢，其中CO、C2H4和C2H2試驗(yàn)前期波動(dòng)較大，C2H6略有波動(dòng)，含量呈上升趨勢。

可能的原因是：放電開始階段，放電比較劇烈，在電場作用下，H2、CO增長較快，氣體量也比較大，類似升壓法，由于針極附近是電場集中區(qū)域，能量消耗主要是對(duì)針極周圍的油作用，在試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)紙板沒有明顯的炭化痕跡，說明絕緣紙板劣化不是很強(qiáng)烈，故的H2量要比CO的大；放電一段時(shí)間以后，從示波器觀察到放電幅值較為穩(wěn)定，放電量有小幅度的波動(dòng)，能量處于慢慢積累過程，局放沒有進(jìn)一步加強(qiáng)，所以各種氣體變化都不大甚至部分有所下降。而C2H4和C2H2是溫度較高的條件下才容易產(chǎn)生，而電暈?zāi)Ｐ蛢呻姌O之間有1厘米的間隙，所以散熱較好，所以C2H4和C2H2上下波動(dòng)較大。達(dá)到放電末期后，放電量并沒有發(fā)生多大變化，同時(shí)各種氣體含量在油中也趨于飽和，所以各種氣體的含量相對(duì)較為穩(wěn)定，變化趨勢較為平緩。

3 結(jié)論

論文通過對(duì)變壓器早期故障特點(diǎn)和常見內(nèi)部故障分析，以局部放電和油中溶解氣體為特征量，設(shè)計(jì)了基于針板模型的變壓器油中放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方案。在針板模型下研究了基于油中溶解氣體產(chǎn)生的變化規(guī)律，取得的結(jié)論主要有：

1）油中放電的最大幅值表現(xiàn)出先減小后回升的趨勢，一直到試驗(yàn)結(jié)束。在加壓前期，外施電壓較高，放電幅值很高，但油中放電極不穩(wěn)定；不久放電幅值變小，放電次數(shù)也減?。患訅褐泻笃?，放電幅值又有所回升，放電相位集中在70°和250°左右。

2）油中放電發(fā)展過程中，放電初期，各種特征氣體增長比較快，但隨著時(shí)間的推移，各種氣體含量增長速率趨緩甚至有所下降，到實(shí)驗(yàn)中后期，各個(gè)氣體的含量變化量減小，趨于穩(wěn)定。主要特征氣體H2和CH4一直保持穩(wěn)步上升的趨勢，其中CO、C2H4和C2H2試驗(yàn)前期波動(dòng)較大，C2H6略有波動(dòng)，含量呈上升趨勢。達(dá)到放電末期后，放電量并沒有發(fā)生多大變化，同時(shí)各種氣體含量在油中也趨于飽和，所以各種氣體的含量相對(duì)較為穩(wěn)定，變化趨勢較為平緩。

3）局部放電的激烈程度基本與油中氣體的含量呈正比例關(guān)系，但由于模型兩電極之間有1厘米的間隙，局部能量的散發(fā)相對(duì)較快，引起局放的幅值和氣體含量都有一定的波動(dòng)。

［1］劉勇輝.基于DGA的電力變壓器故障診斷［J］.高電壓技術(shù)，2005，（06）.

［2］操敦奎.變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［3］李本蒼.以DGA為特征量對(duì)電力變壓器故障部位診斷的探討［J］.云南電力技術(shù)，2004，（05）.

［4］王頌，吳曉輝，袁 鵬等.局部放電超高頻檢測系統(tǒng)標(biāo)定方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.高壓電器，2007，43（01）:59-64.

［5］徐志鈕.基于油中溶解氣體分析的變壓器絕緣故障診斷研究［D］.華北電力大學(xué)碩士論文，2004.

［6］劉先勇，胡勁松，周方潔，李紅雷.變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的研制［J］.變壓器.2004，（10）.