淺談變壓器的局部放電問(wèn)題

／北京市電力公司試驗(yàn)研完院 王名遠(yuǎn)／

淺談變壓器的局部放電問(wèn)題

／北京市電力公司試驗(yàn)研完院 王名遠(yuǎn)／

本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)發(fā)生在北京地區(qū)的220kV變壓器損壞性事件的事故實(shí)例進(jìn)行分析，闡釋了變壓器抗短路能力分析的重要意義。結(jié)合電力系統(tǒng)變壓器現(xiàn)狀與上述問(wèn)題實(shí)例，本文細(xì)致地分析了變壓器軸向電磁力以及輻向電磁力等造成損壞的主要形式，并且論述了由于抗短路能力不足導(dǎo)致電力變壓器損壞性事故的重要原因及其后果。得出結(jié)論，其對(duì)于電網(wǎng)構(gòu)成的危害很大，嚴(yán)重地影響了首都電網(wǎng)的安全運(yùn)行。影響變壓器的抗短路能力的因素非常復(fù)雜，它不僅涉及到變壓器的設(shè)計(jì)、選材、工藝、質(zhì)量控制等方面，還與試驗(yàn)驗(yàn)收、以及運(yùn)輸、安裝及投運(yùn)前的驗(yàn)收把關(guān)、運(yùn)行維護(hù)和管理等諸多方面的因素密切相關(guān)。除此以外，本文還提出了目前所存在的一些實(shí)際問(wèn)題，并提出了對(duì)解決這些問(wèn)題應(yīng)采取的方法與措施。希望能以此促進(jìn)變壓器制造廠對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)和完善，同時(shí)促進(jìn)運(yùn)行單位，使其進(jìn)一步提高運(yùn)行管理水平。

變壓器；抗短路能力；短路故障原因；露磁

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)人們普遍認(rèn)為當(dāng)變壓器經(jīng)過(guò)工頻、感應(yīng)、沖擊試驗(yàn)合格后，便可保證長(zhǎng)期運(yùn)行。但是，電力部門(mén)從大量的運(yùn)行事故中發(fā)現(xiàn)，變壓器在沒(méi)有遭受任何過(guò)電壓的情況下也會(huì)發(fā)生絕緣故障。究其原因，主要是變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部絕緣的某些薄弱部位由于受到長(zhǎng)期工作電壓的作用，在高場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)生了局部放電，從而導(dǎo)致該處絕緣性能下降，甚至擊穿。

20世紀(jì)90年代初，電力部門(mén)強(qiáng)烈地要求110kV及以上電壓的變壓器生產(chǎn)廠進(jìn)行產(chǎn)品的局部放電測(cè)試（對(duì)3kV及以上干式變壓器也做了相同的要求），并作為出廠必做的試驗(yàn)項(xiàng)目。這一規(guī)定大大地提高了變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量，為變壓器長(zhǎng)期、安全、可靠的運(yùn)行提供了有力的保證，但是，也給變壓器行業(yè)的產(chǎn)品制造帶來(lái)了較大的壓力，解決變壓器局部放電問(wèn)題也隨之成為一個(gè)要研究的課題。

多年來(lái)，經(jīng)過(guò)廣大工程技術(shù)人員和試驗(yàn)人員的努力，逐漸摸索并掌握了變壓器產(chǎn)生局部放電的機(jī)理和一些影響因素，基本上解決了變壓器的局部放電問(wèn)題。

1 變壓器局放的危害

在電器設(shè)備中，絕緣材料在電場(chǎng)的作用下，性能發(fā)生不可逆的變化，直至失效，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為電老化，促使絕緣材料電老化的主要原因是局部放電。局部放電會(huì)產(chǎn)生臭氧，臭氧是強(qiáng)氧化劑，使含雙鍵的大分子起加成反應(yīng)，在加成反應(yīng)中雙鍵斷裂，材料發(fā)生臭氧裂解，聚合度下降，喪失絕緣性能。 局部放電還產(chǎn)生氮的氧化物，它與潮氣結(jié)合生成硝酸，產(chǎn)生腐蝕作用。局部放電又能產(chǎn)生高速粒子，對(duì)絕緣材料表面產(chǎn)生樹(shù)枝放電。局部放電還使絕緣材料的介質(zhì)損耗增大（根據(jù)tgδ=f（u）的游離曲線可視），材料局部過(guò)熱，造成絕緣材料的性能老化。

2 變壓器產(chǎn)品產(chǎn)生局部放電的因素

2.1 絕緣內(nèi)部的氣隙

不管是油浸變壓器，還是干式變壓器，在絕緣材料的內(nèi)部難免會(huì)存在一些氣隙，而這些氣隙的存在是變壓器局部放電的重要因素。從以下幾個(gè)方面逐個(gè)剖析。

（1）環(huán)氧澆注變壓器，環(huán)氧樹(shù)脂固化物中的氣隙

在環(huán)氧澆注中，通常采用的是真空澆注。不管是真空攪拌、真空混料、還是真空澆注，抽真空的目的就是抽掉環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、促進(jìn)劑、增韌劑、色料、填料中的氣體，使之環(huán)氧固化物盡可能不存在氣泡。但是，在澆注中由于真空度不夠高、抽空的時(shí)間不夠長(zhǎng)，不能較徹底地脫氣，使之環(huán)氧樹(shù)脂固化物中殘存著一些氣隙，在運(yùn)行中這些氣泡必定會(huì)產(chǎn)生局部放電。尤其對(duì)于35kV及以上的產(chǎn)品，更應(yīng)注意真空度和抽空時(shí)間，否則局部放電不會(huì)合格。因此，環(huán)氧澆注的澆注工藝是非常重要的，是防止局部放電產(chǎn)生的有力保證。

（2）油浸變壓器油中的氣體

在注油前需要進(jìn)行真空濾油，濾油的目的是為了濾掉油中的雜質(zhì)并脫水脫氣，對(duì)于110kV的產(chǎn)品而言，變壓器油的含水量應(yīng)小于20ppm，含氣量應(yīng)小于20%。

（3）層壓制品中的氣隙

層壓制品包括層壓絕緣紙板、電工層壓木、層壓玻璃布板、玻璃布筒、電木筒、紙板筒等。由于生產(chǎn)層壓制品的企業(yè)對(duì)層壓制品中氣泡的危害性認(rèn)識(shí)不足，或生產(chǎn)工藝不夠完善，預(yù)浸胚布揮發(fā)物含量較高，使層壓制品中殘留氣泡，這些氣泡則會(huì)影響產(chǎn)品的局部放電。2000年，沈變由于紙板筒粘合處的氣隙造成了許多臺(tái)變壓器產(chǎn)品局部放電不合格。

對(duì)于油浸變壓器而言，由于真空注油，熱油循環(huán)的真空度不高（一般應(yīng)控制在500Pa左右），注油后靜放的時(shí)間較短，層壓制品中氣泡不能被油置換出來(lái)，影響產(chǎn)品的局部放電。例如，衡陽(yáng)變壓器220kV產(chǎn)品當(dāng)靜放48h后，局部放電不合格；靜放72h后，同樣的產(chǎn)品局部放電則合格。

另外，只有在電工層壓木、層壓絕緣紙板充分吸油后，才能使之電氣性能提高（主要是起始游離電壓提高），介電常數(shù)減小，不均勻電場(chǎng)得到改善，減小局部放電產(chǎn)生的可能性。

（4）注射材料中的氣隙

在注射材料制品中，如尼龍、PBT、注射成型的絕緣螺桿、絕緣螺母、壓釘碗等，它們中間的殘留氣隙使變壓器產(chǎn)品局部放電不合格。1996年由于PBT注射的絕緣螺桿、壓釘碗的氣隙，使沈變多臺(tái)220kV變壓器產(chǎn)品局部放電不合格。2005年由于尼龍注射絕緣螺桿的氣泡使衡陽(yáng)變壓器廠220kV變壓器局部放電不合格。

一般來(lái)說(shuō)，110kV及以上的變壓器產(chǎn)品盡量不要采用尼龍或PBT注射的絕緣螺桿，應(yīng)使用3725酚醛絕緣螺桿或電工層壓木絕緣螺桿，絕緣螺母應(yīng)使用3025酚醛層壓布板加工的絕緣螺母。

（5）包繞絕緣材料的干式變壓器和電抗器中的氣隙

在包繞絕緣的干式變壓器和電抗器中，浸漬玻璃纖維固化后復(fù)合絕緣的熱膨脹系數(shù)與銅鋁導(dǎo)線熱膨脹系數(shù)存在差異，從而造成一些氣隙。

（6）待浸漆的線圈或待澆注的線圈干燥的不徹底

許多生產(chǎn)干變的企業(yè)對(duì)待浸漆線圈的干燥采用常壓干燥的形式，這種干燥形式需干燥時(shí)間長(zhǎng)，且效果不好，只有采用真空干燥，充分地脫水脫氣，才能使浸漆后或澆注后的繞組的殘存氣泡減小。

（7）浸漬式的干式變壓器

例如，敞開(kāi)式、半包封、隔爆變浸漆工藝不合理、漆的粘度過(guò)高、真空度不高、壓力偏低、時(shí)間較短，浸漬漆不能將匝絕緣或?qū)咏^緣內(nèi)部氣體全部置換出來(lái)，還殘留著一些氣隙。

眾所周知，在交流電場(chǎng)作用下，復(fù)合絕緣分擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)與材料的介電系數(shù)成反比，即ε1／ε2= E2／E1，空氣的介電常數(shù)為1.00058，近似于1。假如絕緣體中有氣隙存在，則電場(chǎng)非常不均勻，大部分場(chǎng)強(qiáng)集中到氣隙上，而氣體的起始游離電壓只有500V／mm左右，氣體則會(huì)首先游離放電。因此，解決變壓器絕緣中氣隙問(wèn)題是非常重要的，變壓器絕緣內(nèi)部的氣隙是引起變壓器局部放電的重要因素。

2.2 結(jié)構(gòu)方面的原因

變壓器的設(shè)計(jì)人員在變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不夠合理，例如，復(fù)合絕緣中介電系數(shù)相差較大，電場(chǎng)分布不均勻，圓筒式線圈選擇層間電壓偏高，段間距離偏小等，從而造成某部位電場(chǎng)強(qiáng)度高于此部位絕緣材料的起始游離電壓的水平，則會(huì)產(chǎn)生局部放電。例如，某臺(tái)用NOMEX紙作為層絕緣的產(chǎn)品，當(dāng)層間電壓為1227V時(shí)，局部放電量為10pC；當(dāng)層間電壓為2933V時(shí)，局部放電量則為255pC。

另外，由于引線布置的不合理，也是產(chǎn)生局部放電的因素。

2.3 材料方面的原因

銅鋁導(dǎo)線、銅箔、鋁箔表面不光滑、有毛刺，絕緣材料的電氣性能不合格，起始游離電壓值偏低，設(shè)計(jì)選用值高于實(shí)際材料的起始游離電壓值也是產(chǎn)生局部放電的重要因素。

2.4 加工制造方面的問(wèn)題

① 金屬部件，如夾件等，加工制造過(guò)程中未能徹底去掉夾件毛刺，地屏、磁屏、接地不良、高壓引線接觸不好、有懸浮電位。② 絕緣件未倒角或去掉毛刺。③ 繞組內(nèi)部導(dǎo)線和引線焊接部位處理的不光滑，有尖角毛刺。多級(jí)鐵心柱的邊角及鐵心剪切時(shí)形成的毛刺等，均會(huì)造成電場(chǎng)集中，產(chǎn)生局部放電。

2.5 變壓器器身的潔凈度

由于在生產(chǎn)制造過(guò)程中金屬顆粒，焊接油箱時(shí)遺留的金屬渣子，生產(chǎn)環(huán)境的降塵量，操作人員身上的灰塵都可能落入變壓器的繞組和器身。對(duì)于油浸變壓器，器身注油后，油中的導(dǎo)電顆粒通過(guò)油的循環(huán)流落到器身的各處，如果流落到高電場(chǎng)處，則會(huì)引起局部放電。一般規(guī)定器身裝配及繞組的環(huán)境降塵量控制在20mg/m3；500kV變壓器的變壓器油5μm及以上顆粒度不多于3000個(gè)。近幾年來(lái)通過(guò)控制變壓器油的5μm的顆粒度，減小500kV變壓器的局部放電取得了良好的效果。

為了保證器身的潔凈度，不管是ABB公司，西門(mén)子公司還是國(guó)內(nèi)一些企業(yè)都在焊縫部位使用焊縫密封膠，以封閉遺留的焊渣。

3 結(jié)束語(yǔ)

變壓器的局部放電問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，影響的因素非常多，上述的分析仍不夠完全。排除變壓器局部放電位置除使用儀器定位判斷外，主要還是依靠有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員和試驗(yàn)人員去分析研究。干式變壓器局部放電的產(chǎn)生，主要原因是絕緣體內(nèi)部的氣隙和層間、段間所選用的場(chǎng)強(qiáng)值過(guò)高，設(shè)計(jì)人員選用的場(chǎng)強(qiáng)值如果低于此種材料起始游離電壓值，局部放電問(wèn)題則不易產(chǎn)生。如果將所用的絕緣材料的起始游離電壓值全部測(cè)試，并提供給設(shè)計(jì)人員科學(xué)數(shù)據(jù)，則在設(shè)計(jì)源頭上可以有效地控制局放的產(chǎn)生。加強(qiáng)干式變壓器中的澆注工藝、浸漬工藝的研究，并強(qiáng)化工藝過(guò)程控制，使之工藝能保證設(shè)計(jì)的要求。加強(qiáng)材料的質(zhì)量控制，其中包括絕緣材料、銅線、鋁線、銅鋁接頭、銅排、鋁排等材料的檢查，堵住產(chǎn)生局部放電的源頭。加強(qiáng)工人的培訓(xùn)和素質(zhì)教育，提高技工人員的技術(shù)水平，使每個(gè)人都懂得變壓器產(chǎn)生局部放電的因素。生產(chǎn)人員一定要按圖紙、按工藝、按操作規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)。完善自檢、互檢和專(zhuān)檢相結(jié)合的檢查制度，避免由于加工制造方面的問(wèn)題產(chǎn)生局部放電。