絕緣油介質(zhì)劣變后的εr繞組分布性諧振頻譜分析

蔡圣清, 李杰, 張敏越

(銀川能源學(xué)院 電力系，寧夏 銀川 750105)

絕緣油介質(zhì)劣變后的εr繞組分布性諧振頻譜分析

蔡圣清, 李杰, 張敏越

(銀川能源學(xué)院 電力系，寧夏 銀川 750105)

變壓器繞組存在分布電感和分布電容，而分布電容大小與組間，匝間油介質(zhì)的介電常數(shù)ε大小相關(guān)。在油裝變壓器系統(tǒng)中，當(dāng)絕緣油質(zhì)發(fā)生劣變時(shí)，將使ε増大，線圈將承受較低的諧振電壓，會(huì)使低頻頻譜帶加寬，這樣容易形成多頻疊加的共鳴性破壞。同時(shí)，ε増大也會(huì)引起初始極化電荷的迅速增加，在一定的電場(chǎng)作用下，與質(zhì)點(diǎn)的碰撞電離幾率會(huì)雪崩發(fā)生，將會(huì)引起對(duì)繞組的游離性擊穿。

絕緣介質(zhì)；分布電容；油質(zhì) 劣變；諧振點(diǎn)；場(chǎng)強(qiáng)與頻譜

0 引 言

電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備具有電感、電容和電阻的屬性，它們多存在于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁互感器等設(shè)備中。

對(duì)于電力變壓器而言，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，存在相與相、匝與匝，繞組對(duì)地間的分布性電容及一些雜散電容等，常與線圈的電感組成節(jié)點(diǎn)串聯(lián)、并聯(lián)。在油質(zhì)純潔的情況下，εr值較小，當(dāng)油質(zhì)劣變后，εr急劇增大，諧振頻率點(diǎn)由高頻端進(jìn)一步向低頻端靠近，形成多頻率的疊加。

1 引起變壓器內(nèi)介質(zhì)劣變?chǔ)舝增大的原因

1.1 水分

我區(qū)地處騰格里沙漠的邊緣，受晝夜溫差大的影響，變壓器熱脹冷縮、油面的升降引起“呼吸”作用，使水侵入變壓器內(nèi)部，水對(duì)纖維絕緣的老化速度有極大的加速作用。當(dāng)纖維的絕緣含水量為1%時(shí)，老化速度比含水量只有0.1%的要快10多倍，水的相對(duì)介電常εr是純油的40倍左右。

1.2 沙塵的侵蝕

地處西部的寧夏位于騰格里沙漠的邊緣，常年風(fēng)沙天氣較多，特別是春季和冬季，常有狂風(fēng)肆虐，天昏地暗的惡劣天氣。晝夜溫差相差幾度到十幾攝氏度，由于變壓器的呼吸系統(tǒng)受到不同程度的侵襲，會(huì)使大量的泥沙土，雜質(zhì)隨空氣進(jìn)入變壓器內(nèi)，導(dǎo)致各種分布電容常數(shù)發(fā)生變化。

1.3 機(jī)械雜質(zhì)

雖然變壓器油經(jīng)過(guò)過(guò)濾大部分大顆粒機(jī)械雜質(zhì)除去，但是由于過(guò)濾器孔徑的不同，仍有或多或少的顆粒殘留在油中。新裝的變壓器中可能留有金屬碎屑和纖維材料碎末以及空氣中的灰塵。變壓器運(yùn)行中，由于油泵磨損、機(jī)械振動(dòng)引起摩擦產(chǎn)生金屬和非金屬碎屑。從而使得變壓器油在運(yùn)行中產(chǎn)生膠質(zhì)物、油泥等，使絕緣油產(chǎn)生污染[1]。

2 介電系數(shù)εr

正常情況下由于變壓器油介質(zhì)內(nèi)分子間的約束影響，使介質(zhì)內(nèi)分子中的帶點(diǎn)粒子不能宏觀位移。如果有外電場(chǎng)作用，這些帶點(diǎn)粒子會(huì)有微觀的位移，使空間電場(chǎng)由原來(lái)的Eo變?yōu)镋，形成電解質(zhì)的極化，即E=Eo+E′。其中Eo是所有電荷激發(fā)電場(chǎng)，E′是新的極化電荷的場(chǎng)強(qiáng)。我們用P表示介質(zhì)的極化強(qiáng)度，它表示的是介質(zhì)中的無(wú)限小體積Δτ內(nèi)，所有被極化分子偶極矩矢量與該體積Δτ之比，記作P。即:

(1)

其中pi表示Δτ內(nèi)第i個(gè)分子偶極矩。而介質(zhì)中每一點(diǎn)極化強(qiáng)度P與該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系為：

P=αE

(2)

由α=ε0χ于是P與E關(guān)系為：

P=ε0χE

(3)

ε0是真空中絕對(duì)介電常數(shù)為：ε0=8.9×10-12(F/m)，χ與α一樣取決于介質(zhì)的性質(zhì)，叫做電介質(zhì)的極化率。由高斯定理可知：

(4)

其中q0是自由電荷，q′是極化電荷。把q′=-sp·ds代入上式(4)有：

(5)

C=εrC0

(6)

可見(jiàn)充入介質(zhì)后的分布電容C是原來(lái)真空C0的εr倍,當(dāng)介質(zhì)油劣變時(shí)C隨著系數(shù)εr增大而増大。

3 變壓器內(nèi)部諧振分析

3.1 變壓器內(nèi)部等值電路

如圖1所示，變壓器是由若干個(gè)線餅組成的，線餅又是由幾十個(gè)線匝組成的，每個(gè)線餅由電感(Li)和電容(Ki)并聯(lián)組成，每個(gè)并聯(lián)電路端點(diǎn)形成節(jié)點(diǎn)電路，每匝又有對(duì)地分布電容Coi[2](由于其它電容被邊匝屏蔽，可忽略不計(jì)，只有邊匝的對(duì)地電容Co1和CoN起作用，一般情況下可以忽略)。

圖1 變壓器內(nèi)部參數(shù)分布

3.2 變壓器內(nèi)部參數(shù)簡(jiǎn)化圖

變壓器內(nèi)部參數(shù)簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖2所示。

在忽略了邊匝分布電容后，圖1便可簡(jiǎn)化為圖2所示。

圖2 變壓器內(nèi)部參數(shù)簡(jiǎn)化電路

(7)

其中ε為不同介質(zhì)時(shí)的絕對(duì)的介電常數(shù)，εr為不同介質(zhì)時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)。

3.2.1 單元節(jié)點(diǎn)電路，如圖3

圖3 單元節(jié)點(diǎn)電路圖

3.2.2 單元節(jié)點(diǎn)電路的諧振分析

由圖3可分析：

注：一般線圈的電阻很小，即：XL?RR，因?yàn)椴⒙?lián)諧振與串聯(lián)諧振時(shí)特性一樣，諧振時(shí)電感支路和電容支路電流為電流源的Q倍。

4 實(shí)驗(yàn)

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振有共同的條件和特性曲線。本文以串聯(lián)諧振為研究對(duì)象，電路如圖4所示，其中L為等效電感，(實(shí)驗(yàn)時(shí)選H=30 mH、內(nèi)阻R=12.8 Ω),C為等效分布電容(實(shí)驗(yàn)時(shí)選C=360×2 pF空氣電容)。將三個(gè)相同空氣可變電容器分別置于污染程度不同的三組變壓器油質(zhì)中。第一組是純凈變壓器油200 g，第二組是200 g油加3 g水再加2 g粘土，第三組是200 g油加5 g水，這些量都是用天平嚴(yán)格稱重，并且攪拌均勻。然后保持正弦信號(hào)發(fā)生器輸出幅度不變，逐漸改變信號(hào)源輸出頻率f0，用兩個(gè)毫伏表分別檢測(cè)電容兩端電壓Uc和電感兩端電壓UL，當(dāng)兩個(gè)毫伏表指示接近或相等時(shí)，確定該點(diǎn)為諧振點(diǎn)。以該點(diǎn)f0為基點(diǎn)不斷增大和減少頻率f0，使f2-f0<0和fh-f0>0，得到如表1的三組數(shù)據(jù)。

圖5 不同介質(zhì)的諧振曲線

頻率/kHz200g純油Ui/mv Uc/mv200g油+3g水+2g粘土Ui/mv Uc/mv200g油+5g水Ui/mv Uc/mv84.111.76.013.17.817.894.312.17.114.110.320.0104.512.58.615.413.623.2115.013.310.617.618.227.3126.314.813.720.925.633.6137.816.418.425.635.240.6149.818.326.133.042.342.31512.322.139.145.236.032.51616.024.560.063.927.821.31721.530.072.171.725.016.81830.138.649.044.921.713.61946.654.836.529.619.811.42079.686.129.222.018.59.621122.0122.024.017.017.08.22282.876.321.714.216.27.32354.246.319.211.515.46.52440.332.217.78.914.95.82533.424.816.58.214.55.42628.419.715.47.414.04.9

從圖5可以看出，三種不同的介質(zhì)εr值，對(duì)應(yīng)有三條特性曲線。εr大的低頻曲線的頻譜遠(yuǎn)大于εr小的高頻曲線的頻譜，而且εr小的高頻諧振點(diǎn)電壓遠(yuǎn)大于低頻諧振點(diǎn)電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)由P=ε0χE和D=ε0(1+χ)E可知，變壓器組間、匝間場(chǎng)強(qiáng)E一定時(shí)，極化率χ越大，其常數(shù)εr=1+χ也越大，表明了極化強(qiáng)度P和極化位移矢量D也增大。由高斯定理理論公式s(ε0E+P)·ds=pc[4]可知，變壓器油中初始自由電子量劇增，在外電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生撞擊電離形成足夠的合動(dòng)能而導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生。反之，純油中電子量微乎其微，不易積累足以撞擊電離所需動(dòng)能。

(2)液體變壓器油的劣化使分布電容比特性發(fā)生根本變化，由公式C=εrC0可知，純變壓器油介質(zhì)εr而水為81，氧化鐵為14.2，濕沙為15-20，濕砂為25-30，粘土為8-15，這些污染元素介質(zhì)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純變壓器油的介質(zhì)，使組間、匝間分布電容大大增加，使整體諧振曲線向低頻段(即工頻)靠近，使低頻段頻譜加寬，引起低頻的多頻譜疊加性破壞。

(3)在強(qiáng)電設(shè)備中(各種變壓、變流、斷路器等)，雖然油介質(zhì)是純凈的時(shí)候，能夠承受較高頻率的高次諧波分量和操作沖擊電壓的能力。它的特點(diǎn)是頻譜較窄，高壓作用時(shí)間短，破壞力相對(duì)較小，但是，一旦與高頻或特高頻的雷電形成諧振，其破壞力是致命的，所以這些器件做好防雷工作是非常必要的。

[1] 操敦奎，許維宗，阮國(guó)方.變壓器運(yùn)行維護(hù)與故障分析處理[M].北京：中國(guó)電力出版社,2008.

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[4] 張芝濤，趙艷輝，董克兵,等.介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中諧振問(wèn)題的研究[J].高電壓技術(shù)2004,30(4):42-45.

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Spectrum Analysis of Distributed Resonance of εrWinding after Deterioration of Insulating Oil Medium

Cai Shengqing, Li Jie, Zhang Minyue

(Department of Electric Power, Yinchuan Energy College, Yinchuan Ningxia 750105, China)

There is distributed inductance and capacitance in the transformer winding, and the size of the distributed capacitance is related to dielectric constantεrof the oil medium between groups and turns. In the oil transformer system, insulating oil deterioration will increaseεr, and the coil will bear lower resonant voltage, thus widening the band of the low frequency spectrum, so that resonance destruction with multiple frequency superposition will likely occur. In the meantime,εrincrease will also lead to rapid increase of initial polarization charge. Under certain electric field action, that will lead to avalanche of particle collision ionization probability, thus resulting in dissociated breakdown of the winding.

insulating medium; distributed capacitance; oil deterioration; resonance point;field intensity and frequency spectrum

銀川能源學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2015-KY-Z-01)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.036

TM403.3

A

1000-3886(2017)02-0116-03

蔡圣清(1950-)，男，教授，寧夏銀川人，主要從事電工電子技術(shù)和控制方面的研究。

定稿日期: 2016-07-11