影響環(huán)氧澆注電壓互感器局部放電因素分析

郭將軍，陸少同

（大連第一互感器有限責(zé)任公司，遼寧大連116200）

影響環(huán)氧澆注電壓互感器局部放電因素分析

郭將軍，陸少同

（大連第一互感器有限責(zé)任公司，遼寧大連116200）

局部放電水平是反應(yīng)電壓互感器絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，局部放電量大小直接影響產(chǎn)品的使用壽命。也直接體現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計(jì)、制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用材料等整體水平。局部放電量大，使用過(guò)程中會(huì)存在絕緣隱患，影響運(yùn)行可靠性。通過(guò)對(duì)影響環(huán)氧澆注的電壓互感器局部放電的因素進(jìn)行分析，提出對(duì)應(yīng)控制方法。

局部放電；環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣；電壓互感器（PT）；電暈放電

0 引言

局部放電是指電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在高電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下，發(fā)生在電極之間的未貫穿放電，是絕緣介質(zhì)局部發(fā)生的電荷放電［1］。局部放電水平的高低直接反應(yīng)互感器產(chǎn)品的絕緣性能，產(chǎn)生的電子、離子以及熱效應(yīng)會(huì)加速產(chǎn)品絕緣的電老化，降低產(chǎn)品使用壽命。局部放電量是電網(wǎng)可靠運(yùn)行的一項(xiàng)重要測(cè)試指標(biāo)，用戶對(duì)互感器局部放電檢測(cè)更加嚴(yán)格。因此，有必要對(duì)影響電壓互感器局部放電量的因素進(jìn)行研究分析，提高互感器設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行水平。

1 影響電壓互感器局部放電因素

影響環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣的電壓互感器局部放電的因素非常多，在對(duì)澆注后的成品進(jìn)行局部放電測(cè)試時(shí)，憑借試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)如圖1所示的局部放電波形，可初步判斷可能出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)，但是單純依靠放電波形判斷往往不夠全面，無(wú)法充分完成最終改進(jìn)。因此，應(yīng)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中影響產(chǎn)品局部放電的各主要因素與成品局部放電試驗(yàn)的波形相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，判斷出影響產(chǎn)品局部放電的主要因素。

圖1 局部放電波形

1.1 繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電壓互感器內(nèi)部器身的電場(chǎng)極不均勻，尤其是一次高壓繞組附近，場(chǎng)強(qiáng)非常高。根據(jù)需求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要盡可能減小外形尺寸和安裝尺寸，而小的外形尺寸限制了內(nèi)部一、二次繞組的尺寸。隨著外形尺寸的減小，繞組又要保證一定的匝數(shù)，這樣就減小了層間絕緣，增大了繞組的層間場(chǎng)強(qiáng)。若設(shè)計(jì)時(shí)層間場(chǎng)強(qiáng)選取的不當(dāng)或沒(méi)有好的繞線工藝，極易導(dǎo)致產(chǎn)品局部放電量增大。同時(shí)，非常緊湊型的器身在進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂澆注時(shí)，由于環(huán)氧樹(shù)脂混合料較粘稠，并不能完全填充到絕緣層間，容易在絕緣層間存在氣孔縫隙，使絕緣強(qiáng)度降低，使產(chǎn)品局部放電量激增。

1.2 絕緣距離選取

圖2為電壓互感器主要絕緣示意圖，環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣的電壓互感器的主要絕緣距離應(yīng)包括：高壓繞組與低壓繞組間的絕緣距離（c），高壓繞組與鐵心間的絕緣距離（a、b），高壓繞組與低壓繞組以及鐵心外包屏蔽層之間的絕緣距離，這些絕緣距離全部依靠環(huán)氧樹(shù)脂填充。在設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足用戶所提出的產(chǎn)品小尺寸、小內(nèi)部空間的要求，就必須設(shè)計(jì)合理，選取合適的絕緣距離，以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的工頻耐壓試驗(yàn)和感應(yīng)耐壓試驗(yàn)的絕緣性能，還要留有一定裕度。若絕緣距離設(shè)計(jì)不合理，即使通過(guò)了耐壓試驗(yàn)，也會(huì)出現(xiàn)局部放電量不達(dá)標(biāo)，這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與主絕緣層尺寸的綜合優(yōu)化，最終確定一個(gè)優(yōu)化方案。因此主要絕緣距離設(shè)計(jì)是影響電壓互感器局部放電的重要因素。

圖2 電壓互感器主要絕緣示意

1.3 器身包扎工藝

由于電壓互感器的鐵心、繞組、引線端子等各零部件間易存在棱角、尖端、毛刺，這些會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)不均或出現(xiàn)極端場(chǎng)強(qiáng)使產(chǎn)品局部放電量增大或局部極高。為了改善繞組、鐵心、內(nèi)部導(dǎo)體間等的電場(chǎng)分布，要對(duì)高低電位間的尖端電場(chǎng)或不均勻電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽均壓，降低場(chǎng)強(qiáng)或消除電場(chǎng)集中現(xiàn)象。同時(shí)，也要注意將主絕緣中對(duì)局部放電有影響的器身緩沖材料或空氣間隙等進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽，以提高絕緣性能和局部放電水平。

1.4 器身裝模工序控制

器身裝模工序是將互感器的器身裝配到樹(shù)脂澆注模具中，并對(duì)一次繞組、二次繞組、鐵心等進(jìn)行固定，保證設(shè)計(jì)的絕緣距離充分實(shí)現(xiàn)，如果器身裝模操作不當(dāng)，不能保證原設(shè)計(jì)方案各繞組部件間的絕緣距離，就會(huì)直接影響產(chǎn)品的絕緣性能和局部放電水平，甚至?xí)?dǎo)致耐壓直接擊穿。同時(shí)對(duì)裝模操作的時(shí)間也要加以控制，盡可能縮短時(shí)間，還要注意對(duì)器身及模具的防護(hù)，防長(zhǎng)時(shí)間暴露造成吸潮、落塵、污漬、掉入異物等，對(duì)澆注工藝、絕緣性能、局部放電水平造成影響。在裝模操作時(shí)，要保證調(diào)整各處絕緣距離均符合設(shè)計(jì)要求，保證高壓繞組與鐵心、器身與模具的絕緣距離滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)造成局部場(chǎng)強(qiáng)集中或過(guò)高；在作業(yè)時(shí)，還要注意不要讓器身外包扎的屏蔽材料破損、起翹，如發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)修復(fù)，對(duì)于已裝好器身的模具應(yīng)及時(shí)入爐預(yù)熱，防止外部受潮。

1.5 環(huán)氧樹(shù)脂澆注及固化

不同型號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂，因澆注配方及固化工藝不同，其電氣絕緣和滅電弧性能會(huì)有一定差別，優(yōu)良的環(huán)氧樹(shù)脂澆注工藝也是產(chǎn)品局部放電達(dá)標(biāo)的保障。澆注設(shè)備運(yùn)行的可靠與穩(wěn)定，直接影響著環(huán)氧樹(shù)脂混合料的配比、混合料的均勻度，澆注的溫度、真空度、澆料速度，這些指標(biāo)都對(duì)產(chǎn)品局部放電大小起著決定性作用，材料的預(yù)熱溫度、填料時(shí)間、及固化爐溫的控制等，也會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混合料的性能造成不同程度的影響，因此適用的澆注工藝是提高電壓互感器局部放電水平的可靠基礎(chǔ)。

1.6 澆注體的裝配

在對(duì)電壓互感器的澆注體進(jìn)行裝配時(shí)，要確保各金屬零部件無(wú)尖角、無(wú)毛刺、無(wú)夾帶的其它污穢雜質(zhì)、異物等，并要保證零部件間連接可靠，需要接地的部件也要確保可靠接地。

1.7 成品試驗(yàn)

在對(duì)成品施加高壓進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)，高壓端子金屬件與試驗(yàn)設(shè)備的連接點(diǎn)如果尖端或曲率半徑較小，極易在其附近產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使附近的空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生電暈或輝光放電，這雖然屬于外部放電信號(hào)，但是會(huì)收入到檢測(cè)設(shè)備中，對(duì)判斷產(chǎn)品的實(shí)際局部放電量產(chǎn)生干擾。同時(shí)，成品局部放電試驗(yàn)設(shè)備周圍的電源干擾信號(hào)、接地系統(tǒng)干擾、空間干擾信號(hào)等對(duì)局部放電的干擾影響也很大，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的試驗(yàn)員進(jìn)行檢測(cè)，否則易造成誤判。

2 影響局部放電因素的控制方法

2.1 選取合理層匝數(shù)和層間場(chǎng)強(qiáng)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)好鐵心尺寸，確定繞組總匝數(shù)，對(duì)繞組進(jìn)行排線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所使用的層間絕緣材料的絕緣強(qiáng)度選取合理層匝數(shù)進(jìn)行排線，確定合適的層間場(chǎng)強(qiáng)［2］

式中：E為層間場(chǎng)強(qiáng)，V／mm；U為試驗(yàn)時(shí)施加的電壓，V；N為繞組總匝數(shù)；n為每層匝數(shù)；c為每層線使用的絕緣材料的層數(shù)；δ為層間絕緣材料的厚度，mm。

由式（1）可以看出，如每層匝數(shù)過(guò)多，層間場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增高，因此要盡量減少每層匝數(shù)，但減少每層匝數(shù)就會(huì)增加排線總層數(shù)，使繞組尺寸增大，所以要考慮在繞組排線后的外徑尺寸滿足設(shè)計(jì)尺寸要求的前提下取合理的每層匝數(shù)。同時(shí)，在進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的層間場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)充分考慮層間絕緣材料的絕緣介電性能。不同的絕緣材料，其介電性ε值是不一樣的，一般層間場(chǎng)強(qiáng)可按3.5~5 kV／mm選取。在繞組設(shè)計(jì)時(shí)若層間場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高，要對(duì)每層匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，也可采用寶塔式分級(jí)繞制高壓繞組，可有效降低層間場(chǎng)強(qiáng)及繞組端部場(chǎng)強(qiáng)，這對(duì)提高電壓互感器的局部放電水平也有一定幫助。

2.2 主絕緣設(shè)計(jì)與澆注樹(shù)脂的選擇

在進(jìn)行產(chǎn)品主絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)互感器的運(yùn)行條件選用相應(yīng)牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂，不同牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂電氣絕緣性能會(huì)稍有差別，對(duì)互感器的局部放電也會(huì)產(chǎn)生一定影響。在進(jìn)行主絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮環(huán)氧樹(shù)脂的各項(xiàng)性能，包括固化縮比性能等，采用不同環(huán)氧樹(shù)脂澆注的產(chǎn)品主絕緣距離的取值不同。即便是同一臺(tái)產(chǎn)品中不同位置的主絕緣層厚度取值也可能是不同。這要按環(huán)氧樹(shù)脂絕緣強(qiáng)度選定，一般取4～6 kV／mm。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)將器身裝入模具時(shí)的距離偏差因素考慮進(jìn)去，如果外形尺寸允許，可以使主絕緣距離留有一些余量，提高電壓互感器的絕緣性能和局部放電水平。

2.3 屏蔽包扎

制造器身過(guò)程中，高壓一次繞組、低壓二次繞組、鐵心間均可采用絕緣帶和半導(dǎo)電材料進(jìn)行絕緣、屏蔽包扎，可以有效均勻電場(chǎng)，降低電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)集中現(xiàn)象［3］，進(jìn)而提高局部放電水平。一般情況下，高壓一次繞組外圍及端面電場(chǎng)強(qiáng)度比較高，采用屏蔽和均壓措施可降低電場(chǎng)強(qiáng)度，消除高壓端的尖端放電。另外，還要注意保持材料的干燥和清潔，也有利于提高產(chǎn)品的局部放電水平。緩沖屏蔽包扎材料的厚度、尺寸及均勻平整度等要符合設(shè)計(jì)及工藝要求，不能影響有效的絕緣距離，也不要形成鼓包、棱角，否則會(huì)使自身產(chǎn)生電場(chǎng)集中效應(yīng)，影響局部放電水平。

2.4 器身真空干燥

選用合適的溫度對(duì)器身進(jìn)行真空干燥，可以除去繞組層間、匝間、絕緣、屏蔽等材料中的水分，降低環(huán)氧樹(shù)脂澆注時(shí)形成氣孔（泡）的概率，可大大提高局部放電水平。干燥溫度不宜超過(guò)樹(shù)脂澆注溫度，要根據(jù)企業(yè)自身特點(diǎn)，制定一個(gè)具有合理的溫度、時(shí)間及真空度的器身真空干燥工藝，溫度40～100℃，干燥時(shí)間3～10 h，真空度60～120 Pa。

2.5 澆注體表面清理

在環(huán)氧澆注體進(jìn)行裝配時(shí)，要先對(duì)預(yù)裝配的各金屬零部件、澆注體表面、接線端子等處進(jìn)行檢查和去尖角毛刺，再用相應(yīng)的試劑進(jìn)行擦拭，保證產(chǎn)品干凈、清潔，無(wú)污穢及雜質(zhì)，消除外部因素對(duì)局部放電試驗(yàn)的干擾。

2.6 試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)檢測(cè)工序中可根據(jù)不同型號(hào)、規(guī)格的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)工裝，既可降低試驗(yàn)干擾，增強(qiáng)局部放電試驗(yàn)的精確度，又可提高工作效率。如成品試驗(yàn)時(shí)，可以在電壓互感器的高壓端子處安裝均壓球，電壓越高，均壓球直徑應(yīng)越大，可以使高壓端附近場(chǎng)強(qiáng)均勻，有效地排除外部電暈放電對(duì)局部放電測(cè)量的干擾，使對(duì)產(chǎn)品的局部放電量判斷更加準(zhǔn)確可靠。但需要注意的是，均壓球直徑的大小應(yīng)考慮高低壓間的爬電距離是否滿足設(shè)計(jì)要求，否則會(huì)適得其反。

3 結(jié)語(yǔ)

影響環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣電壓互感器局部放電的因素有很多，分析的因素和控制措施是經(jīng)長(zhǎng)期跟蹤互感器制造得出，可將其應(yīng)用到電壓互感器的器身設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)中，可以有效提高產(chǎn)品的局部放電水平。

［1］王福剛，曾兵，葛良全，等.高壓互感器局部放電原因分析［J］.高壓電器，2008，44（1）：73-75.

［2］肖耀華，高祖綿.互感器原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［3］李志勇，胡培中，胡國(guó)能，等.35 kV環(huán)氧澆注電壓互感器局部放電的分析［J］.變壓器，2005，42（10）：8-11.

Analysis of Factors Influencing Partial Discharge of Epoxy Resin Casting Voltage Transformers

Partial discharge level is an important parameter indicating performance quality of voltage transformers.It will directly affect the life of the product.To ensure high reliability，more and more transformer manufacturers do the partial discharge test for their products.The factors are amalyzed which influence partial discharge of epoxy resin casting insulation voltage transformers，and some corresponding control measures are put forward.

partial discharge；epoxy resin casting insulation；voltage transformer；corona discharge

TM451

：B

：1007－9904（2014）06－0053－03

2014-09-27

郭將軍（1986），男，工程師，主要從事環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣的互感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及工藝研究工作。