階梯電壓下變壓器匝間絕緣局部放電試驗(yàn)研究

魏新勞 裴震 聶洪巖 李林驁 王永紅 陳慶國

摘要：對(duì)于變壓器繞組而言，輕微匝間放電的發(fā)展可能會(huì)造成匝間短路甚至更嚴(yán)重的后果。因此，對(duì)變壓器繞組匝間局部放電的發(fā)展進(jìn)行深入研究具有重要意義。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建了變壓器匝間絕緣局部放電試驗(yàn)平臺(tái)，參照500kV電力變壓器線圈絕緣處理工藝要求，設(shè)計(jì)并制作了匝間絕緣局部放電試驗(yàn)?zāi)Ｐ途€圈，采用逐級(jí)升壓法對(duì)模型線圈施加試驗(yàn)電壓，利用數(shù)字式局部放電檢測(cè)儀進(jìn)行局部放電信號(hào)采集，在室溫下對(duì)變壓器匝間絕緣局部放電特征量和二維圖譜信息進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。得出了不同加壓持續(xù)時(shí)間下脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復(fù)頻率和脈沖功率的變化特征以及二維圖譜的相位分布信息。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；匝間絕緣；局部放電；特征參量；二維圖譜

DOI：10.15938/j.emc.

中圖分類號(hào)：TM85文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

Partial discharge tests and researches in power transformer interturn insulation under step-stress

WEI Xin-lao，PEI Zhen，NIE Hong-yan，LI Lin-ao，WANG Yong-hong，CHEN Qing-guo

（College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：For the transformer winding， slight inter turn discharge may cause inter turn short circuit or even more serious consequences. Therefore， it is significant to study the development of partial discharge in transformer windings.Transformer turn to turn insulation partial discharge test platform was constructed in this paper， reference 500kV power transformer coil insulation processing requirements， designed and fabricated interturn insulation partial discharge test model coil， step-stress tests were applied to coil models， the digital partial discharge detector was used for partial discharge signal acquisition， interturn partial discharge characteristics， two-dimensional phase distribution were studied at room temperature.From the results， the variable characteristics of the pulse maximum magnitude and average magnitude， pulse repetition rate， pulse power and partial discharge messages of two-dimensional phase distributioncan be obtained in step-stress tests of different step-up keeping time.

Key words：power transformer；interturn insulation；partial discharge；characteristic parameter；two-dimensional phase distribution

0引言

大型電力變壓器在電力系統(tǒng)中處于核心地位，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)及社會(huì)生活至關(guān)重要[1]。大量統(tǒng)計(jì)表明，絕緣缺陷是造成變壓器故障的主要原因[2-4]。對(duì)于繞組內(nèi)絕緣，絕緣缺陷發(fā)展迅速，一旦發(fā)生事故將對(duì)整個(gè)電網(wǎng)帶來難以估量的后果[5]。

采用局部放電對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)已得到了國內(nèi)外行業(yè)的普遍認(rèn)同[6-8]。傳統(tǒng)局部放電特征參量（脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復(fù)頻率等）已得到廣泛研究，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，局部放電圖譜及相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)研究受到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注[9-10]。意大利R.Schifani，M. D. L. Del Casale對(duì)環(huán)氧樹脂的老化進(jìn)行了研究，對(duì)比了在不同溫度下局部放電脈沖幅值的分布，指出Hqn（φ）的正半周和負(fù)半周偏斜度軌跡可用來推斷試樣的老化程度[11-12]；英國Dai J， Wang Z D等人基于針板電極模型，對(duì)油中不同含水量紙板的沿面爬電特性進(jìn)行了研究，結(jié)論認(rèn)為：高含水量的紙板不僅顯著降低了沿面爬電的起始放電電壓，同時(shí)更易于氣體放電通道的形成和發(fā)展[13]。在國內(nèi)：文獻(xiàn)[14]分析了不同電壓類型對(duì)油紙絕緣起始放電特性影響，得出了不同電壓類型下局部放電起始放電電壓的相關(guān)信息；文獻(xiàn)[15-16]從局部放圖譜及相關(guān)統(tǒng)計(jì)參量的角度分析了絕緣老化狀態(tài)，得出了局部放電相位、圖譜偏斜度、翹度與老化時(shí)間的相關(guān)聯(lián)系；文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了變壓器匝間絕緣局部放電缺陷模型，對(duì)電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)過程中缺陷模型的局部放電信號(hào)進(jìn)行了采集，采用主成分因子分析方法從傳統(tǒng)的局部放電統(tǒng)計(jì)算子中提取了新的主成分因子向量；文獻(xiàn)[18]研究了變壓器匝間絕緣在加速電劣化下炭化通道發(fā)展的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，得出了在恒壓加速電劣化作用下，匝間油紙絕緣局部放電缺陷即炭化通道沿宏觀電場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律。

關(guān)于變壓器匝間絕緣局部放電研究還存在如下問題：

1）目前變壓器匝間絕緣試驗(yàn)多以最簡單的兩個(gè)線段作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，但是，這樣的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際變壓器線圈的形狀差異太大，而且沒有考慮變壓器線圈線餅間電場(chǎng)的作用；而實(shí)際變壓器線圈的匝間絕緣在工作過程中是要受匝間電場(chǎng)和線餅間電場(chǎng)的聯(lián)合作用的。

2）油紙絕緣局部放電試驗(yàn)現(xiàn)象與外加電壓的方式、幅值、持續(xù)時(shí)間等試驗(yàn)條件有關(guān)，絕緣的加速老化試驗(yàn)方法主要分為恒壓法與逐級(jí)升壓法，逐級(jí)升壓法可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在局部放電試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于變壓器匝間絕緣局部放電現(xiàn)象的研究多是在實(shí)驗(yàn)室中采用恒定電壓進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)室階梯升壓條件下變壓器匝間絕緣局部放電發(fā)展規(guī)律是值得探討的問題。

本文參照500kV電力變壓器線圈絕緣處理工藝要求，設(shè)計(jì)并制作了變壓器匝間絕緣局部放電試驗(yàn)線圈模型，采用逐級(jí)升壓法，系統(tǒng)研究了局部放電脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復(fù)頻率、脈沖功率等參量隨試驗(yàn)電壓的變化規(guī)律，并對(duì)（φ-q）、（φ-n）二維圖譜進(jìn)行了深入分析。

1試驗(yàn)平臺(tái)與研究方法

1.1試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)系統(tǒng)搭建在局部放電屏蔽室內(nèi)，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由無局放試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻、局部放電檢測(cè)系統(tǒng)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)用油箱組成。

局部放電檢測(cè)采用HIPORRONICS DDX-7000數(shù)字式局部放電檢測(cè)儀，通過DDX-DA3分析模塊對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行處理，局放儀采樣速率為80MHz，檢測(cè)靈敏度為0.1PC。正式試驗(yàn)前經(jīng)測(cè)試，在試驗(yàn)記錄最高電壓42 kV下背景干擾不大于2PC。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖。

1.2試驗(yàn)線圈模型及試樣處理

1.2.1 試驗(yàn)線圈模型

試驗(yàn)線圈模型用于研究500kV線圈匝間絕緣局部放電特征，線圈繞制用導(dǎo)線為單根扁銅導(dǎo)線，線規(guī)尺寸為2x10（mm），對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圓角半徑0.65mm，導(dǎo)線匝絕緣厚度2.45mm。

線圈繞制方式如圖2所示，線圈共2餅，每餅8匝，引出線為2根，呈對(duì)稱分布。線圈內(nèi)徑274mm，線圈外徑346mm，線圈厚度30mm。在線圈餅間均勻布置8個(gè)墊塊，墊塊厚度4.5mm并用白布帶進(jìn)行餅間緊固。模型線圈整體示意圖如圖3所示。

圖2模型線圈繞制方法

Fig.2 Wingding way of coil model

1-高壓出線端；2-低壓出線端；3-高壓線圈；4-低壓線圈；

圖3模型線圈整體示意圖

Fig.3Overall Schematic of coil model

1.2.2試樣處理

試驗(yàn)用油為昆侖牌25#變壓器油，新油經(jīng)過濾油機(jī)加熱過濾后，其性能參數(shù)如表1所示。

理論上講，試樣的絕緣處理工藝應(yīng)該按照實(shí)際500kV電力變壓器線圈處理過程進(jìn)行?？紤]到線圈絕緣處理的主要目的是將線圈絕緣中的水分及氣隙限制在一個(gè)合理的水平[19]，同時(shí)考慮到試樣與實(shí)際電力變壓器在體積方面的巨大差異，決定以線圈絕緣中的含水量作為特征量，用它對(duì)試樣的絕緣處理過程進(jìn)行控制。具體的操作流程為：將線圈模型放入真空干燥罐中加熱到105℃進(jìn)行真空干燥，當(dāng)線圈絕緣含水率符合真實(shí)變壓器要求時(shí)在90℃下進(jìn)行真空注油，靜置24小時(shí)后密閉封存。

1.3試驗(yàn)方法

本文采用逐級(jí)升壓法。為了準(zhǔn)確觀察試樣線圈在局部放電起始階段的變化并盡量縮短試驗(yàn)周期，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定6kV為起始電壓，6～18kV范圍內(nèi)電壓級(jí)差為2kV，18kV以上電壓級(jí)差為6kV，在每級(jí)電壓下設(shè)置不同的加壓持續(xù)時(shí)間，共設(shè)定6、18、30、42、54min5種不同的加壓持續(xù)時(shí)間。在每種加壓持續(xù)時(shí)間進(jìn)行10次重復(fù)性試驗(yàn)，共計(jì)50個(gè)試驗(yàn)。利用局放儀在每級(jí)電壓加壓結(jié)束前進(jìn)行10組BLOCK（區(qū)塊）的數(shù)據(jù)記錄。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于試樣擊穿時(shí)可能對(duì)局放儀造成損壞，所以在正式試驗(yàn)前，作者進(jìn)行了5次加壓持續(xù)時(shí)間為60min的預(yù)試驗(yàn)以確定試驗(yàn)記錄截止電壓，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，最低擊穿電壓為48kV，所以實(shí)際試驗(yàn)時(shí)設(shè)定局放記錄截止電壓為42kV。

2.1局部放電特征量分析

2.1.1脈沖最大幅值和脈沖平均幅值

在不同的加壓持續(xù)時(shí)間下，局部放電脈沖最大幅值與脈沖平均幅值隨試驗(yàn)電壓的變化情況如圖4和圖5所示。從中可見：脈沖最大幅值與脈沖平均幅值整體上隨試驗(yàn)電壓的增加而增大，變化趨勢(shì)基本一致，增長方式類似指數(shù)型。

實(shí)際試驗(yàn)過程中，脈沖最大幅值變化趨勢(shì)存在如下特點(diǎn)：1）當(dāng)試驗(yàn)電壓比較小時(shí)，部分試樣脈沖最大幅值出現(xiàn)忽大忽小的波動(dòng)式變化，但放電幅值相對(duì)較小，說明此時(shí)局部放電不僅強(qiáng)度小，而且放電不穩(wěn)定；2）隨著試驗(yàn)電壓升高，幾乎所有試樣的局部放電脈沖最大幅值都出現(xiàn)了一個(gè)顯著增大的現(xiàn)象，即在某一電壓下（該電壓在不同試樣中并不相同）放電最大幅值出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象，此現(xiàn)象說明在某一電壓（即出現(xiàn)拐點(diǎn)的電壓）之前，試樣整體絕緣性能較好，出現(xiàn)局部放電的位置較少且放電較弱，達(dá)到此電壓后，局部放電點(diǎn)的數(shù)量迅速增加，放電也隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致局放量出現(xiàn)“突增”；3）在“突增”現(xiàn)象之后，隨著試驗(yàn)電壓繼續(xù)升高，相當(dāng)一部分試樣局部放電脈沖最大幅值增長率放緩，甚至個(gè)別試樣的局部放電脈沖最大幅值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明此時(shí)放電已達(dá)到一個(gè)新的平穩(wěn)階段，已無大量新放電點(diǎn)增加，同時(shí)碳化通道的形成可能使局部電場(chǎng)均勻化，導(dǎo)致放電量較大的放電點(diǎn)放電熄滅[18]，所以個(gè)別試樣局放量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.1.2脈沖重復(fù)頻率

不同加壓持續(xù)時(shí)間下局部放電脈沖重復(fù)頻率隨試驗(yàn)電壓的變化情況如圖6所示。

由圖可見：當(dāng)施加電壓比較低時(shí)，所有試樣的脈沖重復(fù)頻率都會(huì)隨著電壓的升高而增大，當(dāng)電壓超過某個(gè)數(shù)值（此數(shù)值隨試樣的不同而不同）以后，所有試樣的脈沖重復(fù)頻率又會(huì)隨著試驗(yàn)電壓的升高而降低。

筆者認(rèn)為出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于：在電壓較低時(shí)，出現(xiàn)局部放電的點(diǎn)較少，隨著電壓升高，出現(xiàn)了新的局部放電點(diǎn)，從而使測(cè)量到的局部放電脈沖更加密集，所以脈沖重復(fù)頻率會(huì)隨著電壓的升高而增大。當(dāng)電壓升高到足夠高時(shí)，試樣中幾乎所有的絕緣薄弱點(diǎn)都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的局部放電，這就導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率達(dá)到很高的數(shù)值，但是，當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，不僅不再有新的局部放電點(diǎn)出現(xiàn)，而且，由于強(qiáng)烈的局部放電所產(chǎn)生的熱量有可能使原來產(chǎn)生局部放電的絕緣缺陷處的紙質(zhì)絕緣材料出現(xiàn)碳化，降低了絕緣缺陷處承擔(dān)的局部電壓甚至短路了絕緣缺陷，導(dǎo)致這些地方的局部放電強(qiáng)度減弱甚至熄滅，從而使脈沖重復(fù)頻率不僅不再隨電壓升高而增大，反而會(huì)下降。

在脈沖重復(fù)頻率經(jīng)過了隨電壓升高而下降的過程以后，一些試樣的脈沖重復(fù)頻率隨電壓的進(jìn)一步升高繼續(xù)進(jìn)一步降低，這表明上面分析的過程隨著電壓的升高仍然在繼續(xù)。但是另一些試樣的脈沖重復(fù)頻率則隨電壓的進(jìn)一步升高而增大，這表明有可能有新的、在更高電壓下才出現(xiàn)局部放電的絕緣薄弱點(diǎn)出現(xiàn)了局部放電。

由以上分析可知，脈沖重復(fù)率是多點(diǎn)放電共同作用的結(jié)果，當(dāng)1個(gè)或幾個(gè)放電點(diǎn)放電熄滅、其它缺陷處放電又相對(duì)較弱時(shí)，脈沖重復(fù)率會(huì)顯著下降，反之，先出現(xiàn)的放電點(diǎn)的放電并未完全熄滅，新產(chǎn)生的放電點(diǎn)的放電已達(dá)到較強(qiáng)水平，脈沖重復(fù)率便得到加強(qiáng)。

2.1.3脈沖功率

不同加壓持續(xù)時(shí)間下局部放電脈沖功率（單位時(shí)間內(nèi)電壓與幅值乘積絕對(duì)值的總和）隨試驗(yàn)電壓的變化情況如圖7所示。從圖7可見：脈沖功率整體上呈上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)類似指數(shù)型。

在實(shí)際試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別試樣的脈沖功率幅值在試驗(yàn)電壓較小時(shí)隨著電壓的升高而增大，但是當(dāng)電壓增加到一定幅值以后脈沖功率幅值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而后隨著試驗(yàn)電壓的增加脈沖功率幅值又迅速上升；另有個(gè)別試樣的脈沖功率幅值從試驗(yàn)開始就長期維持在較低水平，但是當(dāng)試驗(yàn)電壓超過某一數(shù)值后（不同試樣中該數(shù)值并不相同），脈沖功率幅值出現(xiàn)“突增”。

2.2二維圖譜分析

在試驗(yàn)過程中，記錄了不同加壓持續(xù)時(shí)間下局部放電的二維圖譜信息（主要包括Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ））。圖8為加壓持續(xù)時(shí)間24min時(shí)8號(hào)試樣典型二維圖譜變化趨勢(shì)，圖中從上至下施加電壓依次為16、18、24、30、36、42kV。

實(shí)際試驗(yàn)過程中Hqmax（φ）圖譜分布曲線形狀多為“簇狀”脈沖較為連續(xù)且分布密集，在起始局部放電電壓下，脈沖信號(hào)主要分布在0°～65° 、105°～245°、280°～360° 之間，隨著試驗(yàn)電壓的升高，脈沖相位寬度略有增大，但變化并不十分明顯，在試驗(yàn)記錄后期有部分試樣脈沖相位寬度出現(xiàn)略微縮小趨勢(shì)。

Hqn（φ）圖譜分布曲線形狀多為“豎條”形，脈沖寬度較窄且分布較為稀疏；在起始局部放電電壓下，高幅值脈沖主要分布在50°～70°、100°～120°、240°～260°、280°～300°之間，隨著試驗(yàn)電壓的升高，脈沖相位寬度幾乎沒有變化；在試驗(yàn)記錄后期，隨著試驗(yàn)電壓的進(jìn)一步增加，脈沖信號(hào)寬度與脈沖密集程度明顯增大，放電脈沖主要分布在1、3象限45°～90°和225°～270°；部分試樣脈沖在2、4象限上也有分布，主要集中在90°～135°和270°～315°，但脈沖分布較為間斷。

Hn（φ）圖譜分布曲線形狀總體由“簇狀”和 “Δ”形組成；在起始局部放電電壓下，脈沖信號(hào)在1、3象限主要分布在0°～55°和180°～235°，脈沖幅值低矮平坦；2、4象限主要分布在105°～180°和280°～360°，脈沖幅值相對(duì)較高且較為陡峭。

在試驗(yàn)記錄過程中，脈沖相位并沒有明確的發(fā)展方向， 但在試驗(yàn)記錄前期與中期，幾乎所有試樣相位隨試驗(yàn)電壓的增加逐漸由55°和235°向-90°和90°方向發(fā)展，試驗(yàn)記錄后期不同試樣表現(xiàn)出了不同的發(fā)展趨勢(shì)，有的朝此方向繼續(xù)發(fā)展，有的則基本保持不變，但多數(shù)試樣表現(xiàn)出與此方向相反的發(fā)展趨勢(shì)。整個(gè)試驗(yàn)期間，Hn（φ）圖譜在1、2象限和3、4象限交界處附近，始終存在類似“U”型的真空區(qū)域。

3結(jié)論

本文通過對(duì)變壓器匝間絕緣局部放電特征量、二維圖譜進(jìn)行分析，初步得到以下結(jié)論：

1）在不同加壓持續(xù)時(shí)間下，脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖功率總體上隨施加電壓的增大而增大，變化規(guī)律較為一致，呈類似于指數(shù)型增加；

2）在不同加壓持續(xù)時(shí)間下，脈沖重復(fù)頻率隨施加電壓的增大會(huì)出現(xiàn)先增大而后又下降的變化規(guī)律，使脈沖重復(fù)頻率隨施加電壓升高出現(xiàn)局部極大值；

3）放電脈沖最大幅值、脈沖平均幅值隨電壓升高出現(xiàn)的“突增”現(xiàn)象是局部放電由平穩(wěn)放電階段向快速發(fā)展階段過渡的標(biāo)志；

4）Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）圖譜隨試驗(yàn)電壓的增加，脈沖相位并未出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)，但在起始局部放電電壓下，Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）圖譜中放電脈沖信號(hào)分布出現(xiàn)明顯相位區(qū)域，各放電相位區(qū)域中脈沖信號(hào)波形表現(xiàn)出明顯的形狀特征。

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