變壓器油中電暈放電特性及產(chǎn)氣規(guī)律

陳新崗，趙陽(yáng)陽(yáng)

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)可以分為外絕緣和內(nèi)絕緣，目前電力變壓器故障多為發(fā)生在油箱內(nèi)的絕緣故障［1］。油箱內(nèi)絕緣多為由油、紙、紙板和其他固體絕緣等構(gòu)成的固體－油絕緣結(jié)構(gòu)，而局部放電是引起絕緣老化和劣化的主要原因之一，其持續(xù)發(fā)展會(huì)引起重大絕緣事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，所以探求變壓器局部放電發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)氣機(jī)理是很好的研究課題。電暈放電是油浸式變壓器局部放電的主要形式，在變壓器中通常稱之為油中電暈放電，它主要發(fā)生在有懸浮電位金屬體、導(dǎo)體尖端，如引線焊接處的尖角毛刺;分接開(kāi)關(guān)的螺母;多極鐵心柱的邊角等處［2］。油中溶解氣體分析法可以得出溶解氣體組分及變化規(guī)律，用以判斷不同性質(zhì)的故障類型［3］。本文結(jié)合變壓器油紙絕緣電暈放電模型，研究了油中電暈放電的發(fā)展特性，結(jié)合放電譜圖分析統(tǒng)計(jì)特征量的變化規(guī)律，對(duì)油中產(chǎn)生氣體含量的變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探索了變壓器早期絕緣故障及發(fā)展機(jī)理。

1 基于電暈放電模型的局部放電模擬實(shí)驗(yàn)

局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由局部放電模擬系統(tǒng)和局部放電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

電暈放電所用電極模型參照CIGRE MethodⅡ系統(tǒng)(CM－Ⅱ)模型按比例縮小制作，CM－Ⅱ是被CIGRESC15接受的用于內(nèi)部局放測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)電極模型，圖2為電極模型所用的針－板電極系統(tǒng)。放電量主要決定于電極的形狀和尺寸，對(duì)于針尖電極主要決定于尖端的曲率半徑。系統(tǒng)中針頸直徑 0.2 mm，針尖曲率半徑小于0.1 mm。針與板電極間放置厚度為1.0 mm的絕緣紙板，針尖到紙板距離d為10 mm。為了最大限度地與真實(shí)變壓器處理?xiàng)l件一致，絕緣紙板在65℃以下真空干燥3 d，隨后真空浸油5 d以上處理;紙板周圍各邊角事先打磨光滑，無(wú)尖角或毛刺并且每次按量制作，不可長(zhǎng)時(shí)間存放［4－5］。

將事先制好的電暈放電缺陷模型浸于模擬油箱中，為更真實(shí)地模擬變壓器運(yùn)行環(huán)境，在模擬油箱中加入循環(huán)油泵以及油路系統(tǒng)，用于模擬變壓器油循環(huán)系統(tǒng)，考慮到變壓器常年運(yùn)行的平均溫度，使用加熱器和溫度控制器將油溫保持在50℃左右。油箱設(shè)置取油口，可以在不斷電的情況下取油做氣相色譜分析。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬油箱

對(duì)油中電暈放電缺陷模型進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，分析:①實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谕饧雍愣妷合碌姆植甲V圖和統(tǒng)計(jì)參量的特征;② 模型在外加電壓勻速升高下油中溶解氣體的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)時(shí)，均勻緩慢地升高電壓至觀察到放電脈沖出現(xiàn)，記錄對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將電壓降為零，再次升壓至原電壓值，若再次出現(xiàn)放電脈沖，此電壓即為起始放電電壓U0。示波器采樣頻率設(shè)置為10 MS/s。

2 局部放電發(fā)展特性

評(píng)定局部放電的基本參量有視在放電量、放電平均相位、放電的能量、起始電壓和熄滅電壓［6］。這些基本參量只能表征局放過(guò)程中單一方面特征，如放電能量反映在一次放電中所消耗的能量，最大的視在放電電荷對(duì)應(yīng)于最大缺陷。局部放電的基本特征參量不能完整表現(xiàn)局放發(fā)展特性，而分布譜圖能提供更全面的信息，這些分布譜圖及特征參數(shù)更能表征局部放電的概貌。近年來(lái)研究者更加關(guān)注從相位分布圖中提取統(tǒng)計(jì)特征量的相關(guān)應(yīng)用［7－10］。因此引入局部放電最大放電量相位特征譜圖Hqmax(φ)和放電次數(shù)相位特征譜圖Hn(φ)，以及基于譜圖的統(tǒng)計(jì)參量因子－偏斜度Sk、翹度Ku、不對(duì)稱度Asy和分布相關(guān)系數(shù)cc來(lái)更好地評(píng)定局部放電。

電暈放電的起始放電電壓為14.2 kV，把電壓升高到起始電壓110% ～115%，即將電壓緩慢升高到16.2 V，然后保持電壓穩(wěn)定，加壓一段時(shí)間后每隔半小時(shí)采集一組信號(hào)(每組500個(gè))。

保持電壓穩(wěn)定持續(xù)加壓16 h。電暈放電不同階段譜圖 Hqmax(φ)、Hn(φ)如圖4所示。

圖4 相位譜圖Hqmax(φ)和Hn(φ)

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn):放電主要出現(xiàn)在工頻負(fù)半周，隨著加壓時(shí)間的增加正半周會(huì)出現(xiàn)少量放電脈沖，在加壓前期，放電幅值較高，油中電暈放電較為劇烈，隨后放電幅值變小，放電次數(shù)也減小;加壓中期，放電脈沖十分穩(wěn)定，相位固定在45°～90°和180°～270°，且放電量變化不大。

若將φ－q譜圖視為統(tǒng)計(jì)分布中的概率密度分布圖形，則偏斜度Sk用于描述某種形狀的分布對(duì)比于正態(tài)分布形狀的偏斜程度，陡峭度Ku用于描述某種形狀的分布對(duì)比于正態(tài)分布形狀的突起程度。不對(duì)稱度Asy反映了負(fù)半周和正半周局部放電總能量的比值，互相關(guān)系數(shù)cc表示正負(fù)半周分布形狀的差異［11］。根據(jù)油中電暈放電相位特征譜圖Hqmax(φ)、Hn(φ)計(jì)算(保留2位小數(shù))出在正、負(fù)半周期上的偏斜度和陡峭度，以及不對(duì)稱度Asy、互相關(guān)系數(shù)。結(jié)果見(jiàn)表1。(“+”“－”表示正負(fù)半周數(shù)據(jù))

由表1可知:譜圖Hqmax(φ)的Sk變化沒(méi)有規(guī)律性，Hn(φ)的偏斜度、變化相反，說(shuō)明正半周譜圖相對(duì)于正態(tài)分布左偏且漸向正態(tài)分布靠攏，負(fù)半周相對(duì)于正態(tài)分布右偏。Hqmax(φ)的Ku逐漸增大，說(shuō)明正負(fù)半周譜圖相對(duì)于正態(tài)分布陡峭，Hn(φ)的正負(fù)半周陡峭度變化相反，說(shuō)明正負(fù)半周譜圖相對(duì)于正態(tài)分布偏離方向相反。

譜圖Hqmax(φ)和Hn(φ)的Asy逐漸減小，顯然負(fù)半周放電劇烈程度逐漸減弱，說(shuō)明隨著放電時(shí)間增長(zhǎng)，正半周的放電次數(shù)逐漸增加。表示正負(fù)半周分布形狀的差異，如果等于1則正負(fù)半周分布形狀相同;如果等于0則正負(fù)半周分布形狀完全不同。譜圖Hn(φ)的互相關(guān)系數(shù)由0.08增大到0.61，說(shuō)明放電初期正負(fù)半周放電次數(shù)具有較大差異，到放電后期正負(fù)半周放電次數(shù)接近，這也與不對(duì)稱度分析結(jié)果吻合。

3 油中溶解氣體隨電壓升高的變化特性

氣相色譜分析具有選擇性好、分離性能高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［12－14］。本文利用色譜分析研究了溶解氣體隨電壓升高的變化特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)采集的油樣要盡快分析，不宜長(zhǎng)期保存。

油紙絕緣電暈放電的起始電壓為U0=14.2 kV，擊穿電壓為Ub=26 kV。實(shí)驗(yàn)時(shí)，抽取起始油樣后，每次升高0.5 kV電壓，放電5 min后取一組油樣進(jìn)行色譜分析。每千伏電壓之間的時(shí)間間隔為10 min。在不斷電條件下，不同電壓等級(jí)取油樣做色譜分析得到各種氣體含量如表2所示。

表1 不同放電時(shí)間電暈放電統(tǒng)計(jì)參量分析結(jié)果

表2 不同電壓等級(jí)下電暈放電的氣體含量 單位:μL/L

放電開(kāi)始階段產(chǎn)生的氣體主要是H2、CO和C2H2，同時(shí)含有有微量 CH4、C2H4和 C2H6氣體。隨電壓等級(jí)的升高，電壓14 kV時(shí)H2占總烴的10.36%，電壓18 kV時(shí)H2占總烴的48.12%，電壓22 kV時(shí)H2占總烴的45.86%，電壓26 kV時(shí)H2占總烴的51.27%;電壓14 kV時(shí)C2H2占總烴的15.41%，電壓 18 kV時(shí) C2H2占總烴的24.89%，電壓22 kV時(shí)C2H2占總烴的22.37%，電壓26 kV時(shí)C2H2占總烴的26.68%;隨電壓等級(jí)的升高，3種主要?dú)怏w含量在氣體總量中占比重增大，最后達(dá)到95%以上，CH4和C2H4含量略有增加，C2H6體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。各種氣體含量變化曲線如圖5所示。

圖5 電暈放電氣體含量隨電壓變化曲線

由圖5可以看出:電暈放電的油中溶解氣體含量隨電壓升高變化有大致相似的趨勢(shì)，在施加電壓較低時(shí)氣體含量先快速增長(zhǎng)到一定數(shù)值;中間發(fā)展階段氣體含量變化微弱;臨近擊穿時(shí)各氣體含量急速增加;整個(gè)放電發(fā)展過(guò)程中CO含量增長(zhǎng)緩慢并未有劇烈變化。

4 結(jié)論

1)油中電暈放電模型在承受120%起始電壓的恒定電壓作用下，起始階段放電劇烈，放電幅值較大，最大幅值達(dá)到1V左右;放電幾小時(shí)后放電強(qiáng)度慢慢減弱，后期放電量變化不大。相位特征譜圖Hqmax(φ)、Hn(φ)如圖的統(tǒng)計(jì)參量隨時(shí)間增長(zhǎng)個(gè)有不同的變化規(guī)律。

2)電暈?zāi)Ｐ驮趧蛩偕龎悍ㄏ掠椭腥芙鈿怏w含量呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后保持穩(wěn)定、達(dá)到擊穿電壓時(shí)急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察到絕緣紙板除擊穿小孔外沒(méi)有大范圍的橫向炭化痕跡，說(shuō)明電壓等級(jí)逐步升高使油流增大加快油的分解，故而H2、C2H2含量較大。

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