腐蝕性硫化物對絕緣繞組局部放電特性的影響

陸云才， 張 將， 蔚 超 ， 廖才波， 楊麗君

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))，重慶 400044)

0 引言

近年來，變壓器油硫腐蝕造成的變壓器故障所占比例逐漸增長，絕緣繞組的絕緣性能因受到腐蝕性硫化物污染而下降，進一步引發(fā)絕緣故障，該問題受到了國內(nèi)外學(xué)者和有關(guān)電力部門越來越多的關(guān)注。目前國內(nèi)外學(xué)者對腐蝕性硫的來源、形成機理及其沉積對絕緣性能影響的規(guī)律等方面開展了一些試驗研究工作，并取得了一定的進展[1-4]，但還有很多問題有待研究和解決，尤其是不同腐蝕程度對變壓器絕緣繞組絕緣性能的影響至今鮮有研究。

變壓器油中的腐蝕性硫主要來源于石油煉制過程中殘留的硫成份，屬于活性硫，能與銅導(dǎo)線發(fā)生反應(yīng)[5-6]。文獻[4]通過對油硫腐蝕后銅線及絕緣紙上的沉積物質(zhì)成分進行分析，初步判定主要成分為硫化亞銅。有文獻指出變壓器油中最主要的腐蝕性硫化物為二芐基二硫(DBDS)[7]。運行經(jīng)驗及研究結(jié)果表明，DBDS在高溫下會與變壓器中的銅繞組發(fā)生反應(yīng)，生成導(dǎo)電性較高的銅硫化合物，沉積于絕緣紙上，畸變電場并影響繞組的絕緣性能[8-9]。這類沉積物在繞組上的逐步沉積與擴散，會造成絕緣體內(nèi)部或表面出現(xiàn)某些區(qū)域電場強度高于平均電場強度。當這些區(qū)域的擊穿場強低于平均擊穿場強時將會首先發(fā)生放電，而其他區(qū)域仍保持絕緣特性，從而形成局部放電。

局部放電不僅是變壓器設(shè)備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式，而且能夠引起絕緣的進一步劣化，致使變壓器內(nèi)部油紙絕緣的電氣絕緣性能逐漸降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，局部放電信號的幅度大小、放電次數(shù)、相位分布以及其他統(tǒng)計特征包含著變壓器的絕緣狀態(tài)和放電嚴重程度等綜合信息[10-12]。 腐蝕性硫化物的沉積會使得整個繞組容易起始放電，且在匝間放電更易發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣故障。因此研究腐蝕性硫化物對變壓器絕緣繞組絕緣性能的影響更具實際意義。

文中通過探究沉積在變壓器絕緣繞組上的腐蝕性物質(zhì)對絕緣繞組局部放電特性的影響與變化規(guī)律，深入解析由硫腐蝕問題導(dǎo)致變壓器故障發(fā)生的原因，為預(yù)防此類事故的發(fā)生提供可靠的理論依據(jù)，具有一定的工程實用價值與應(yīng)用前景。

1 絕緣繞組局部放電試驗

1.1 試驗材料

試驗采用重慶亞東亞變壓器廠提供的變壓器紙包銅繞組。銅導(dǎo)線尺寸為15 mm×2.36 mm(寬×厚)，纏繞兩層厚度為0.45 mm的普通硫酸木漿鹽絕緣紙，試驗時將其截為長度為90 mm的紙包銅試品。絕緣油為新疆克拉瑪依25號變壓器油。試驗用DBDS添加物由成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司提供，其分子式為C14H14S2，相對分子質(zhì)量為246.38。

1.2 試驗流程

試驗流程如圖1所示。對紙包銅繞組試品進行干燥、浸油等預(yù)處理，同時分別在500 mL的耐高溫玻璃容器中配制200 mg/kg，500 mg/kg兩種DBDS絕緣油溶液。將預(yù)處理好的紙包銅樣品浸漬于配制好的絕緣油溶液中，密封容器并放置于130 ℃老化箱中進行熱老化試驗。同時按照相同流程制備一組空白樣以作對比，其絕緣油中的DBDS添加量為0 mg/kg。分別在老化7 d，20 d，38 d時取出樣品進行局部放電測試。

圖1 試驗流程Fig.1 The flow chart of test

1.3 試驗平臺與方法

試驗采用脈沖電流法對試品的局部放電信號進行測試，系統(tǒng)回路如圖2所示。高壓電源主要包括自耦調(diào)壓器(TDZ-50柱式調(diào)壓器：輸入柱式調(diào)壓器，輸入380 V，輸出0～420 V)和無暈試驗變壓器(50 kV·A/50 kV)組成，C1和C2構(gòu)成電容分壓器，Cx為試品，D為檢測阻抗。數(shù)據(jù)采集使用Wavepro7100數(shù)字示波器，試驗中數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為100 MS/s。

圖 2 局部放電測量回路Fig.2 The measurement circuit of partial discharge

試驗在電磁屏蔽室里開展，試驗溫度為25 ℃。將預(yù)處理過的絕緣繞組試品接入如圖2所示回路并靜置12 h。靜置完成后首先采用直接校準法對系統(tǒng)進行放電量的校準工作，然后對樣品緩慢加壓，觀察示波器出現(xiàn)明顯的局放信號，記錄試品的起始放電電壓，采集此電壓下的500個工頻周期的局部放電脈沖序列數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 繞組模型起始放電電壓測試結(jié)果

對分別老化了7 d，20 d，38 d的絕緣繞組試品分別測試起始放電電壓，測試同種控制條件下的3個試品起始放電電壓的平均值作為表征該種控制條件下試品的起始放電電壓，測試結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣繞組試品局部放電起始電壓Tab.1 The PDIV of the test sample

從表1可以看出，老化開始前，沒有添加 DBDS的試品即空白樣在6.9～8.2 kV時觀測到起始放電，而隨著老化時間的增加，正常老化試品的起始放電電壓呈先增大后減小的趨勢，這是由于絕緣紙在老化初始階段老化迅速，浸油率短時間內(nèi)變大所致。在老化20 d后，絕緣紙中纖維素由于熱應(yīng)力的作用，分子鏈間發(fā)生了鍵的交聯(lián)，纖維素間的相互作用力變大，絕緣紙變得更加緊密，使絕緣紙的浸油率變小，導(dǎo)致油紙絕緣繞組的整體起始局放電壓開始下降。

在老化7 d時，添加了200 mg/kg和500 mg/kg DBDS的試品分別在11.3 kV和11.7 kV時監(jiān)測到明顯的放電信號，空白樣試品在電壓施加到16.3 kV 時才開始出現(xiàn)放電信號。隨著老化時間的增長，老化20 d時，添加了200 mg/kg DBDS 的試品在低于空白樣試品3.5 kV時監(jiān)測到放電信號；老化38 d時，添加了200 mg/kg DBDS的試品在低于空白樣試品6 kV時監(jiān)測到放電信號，這表明腐蝕性硫化物的沉積對絕緣繞組模型的局部放電起始放電電壓具有一定的影響，在一定程度上降低了局部放電的起始放電電壓。對比DBDS添加量為200 mg/kg和500 mg/kg試品的起始放電電壓，隨著絕緣油中DBDS含量的增加，在相同老化時間下，其局部放電起始放電電壓之間的差距并沒有明顯的規(guī)律。

2.2 繞組模型放電譜圖規(guī)律分析

對每一組繞組試品在起始放電電壓下的放電情況進行分析，研究不同老化階段與不同腐蝕性物質(zhì)沉積的試品放電脈沖幅值q與相位角φ的q-φ譜圖規(guī)律。試驗結(jié)果表面，空白樣試品在緩慢加壓至16.3 kV時，其q-φ圖譜已經(jīng)出現(xiàn)相位偏移，說明該試品已到達預(yù)擊穿階段，但并沒有監(jiān)測到明顯的放電信號，放電量相對較小，放電不太穩(wěn)定，正負半周放電不對稱。而添加了200 mg/kg和500 mg/kg DBDS的試品分別在11.3 kV和11.7 kV就已經(jīng)可以觀察到明顯的放電信號，圖譜特征顯示放電信號正負半周比較對稱，放電量相比空白樣有所增加，且放電主要集中在0～90°和180～270°相位處，在其他相位處并沒有監(jiān)測到明顯放電信號。說明在老化初始階段，腐蝕性硫化物的沉積使得繞組試品在低于空白樣5 kV左右的電壓下就開始有明顯放電信號產(chǎn)生，圖譜特征也表明在相同老化時間下其放電密度隨著絕緣繞組中腐蝕性物質(zhì)沉積量的增加逐漸增大。

圖3為老化38 d時3種不同DBDS添加量下試品的q-φ譜圖?？煽闯隹瞻讟釉嚻吩诶匣?8 d時放電密度與最大放電量相對較低，老化末期試品的放電密度隨著DBDS添加量的增加呈明顯增長趨勢。對比老化7 d與38 d添加了500 mg/kg DBDS試品的q-φ譜圖，可以看出隨著絕緣繞組試品上腐蝕性物質(zhì)沉積量的增加，在0～90°和180～270°相位處放電重復(fù)率明顯升高。

圖3 老化38 d時不同DBDS添加量試品放電q-φ譜圖Fig.3 The q-φ spectrogram of different DBDS concentration under ageing 38 days

放電譜圖結(jié)果表明，腐蝕性硫化物的沉積使得繞組更容易發(fā)生放電，其放電密度隨著絕緣繞組中腐蝕性物質(zhì)沉積量的增加逐漸增大，即腐蝕性硫化物的存在會降低繞組的放電起始電壓，增大放電頻率，使繞組所受損傷加劇，進而損害油紙絕緣。

2.3 繞組模型放電PRPD統(tǒng)計譜圖分析

為研究腐蝕性硫化物的沉積量對絕緣繞組模型放電量、放電相位以及放電次數(shù)的變化情況，試驗給出老化初始階段與老化末期試品放電PRPD模式的最大放電量相位分布Hqmax(φ)，平均放電量相位分布Hqave(φ)，放電次數(shù)相位分布Hn(φ)和放電幅值分布Hn(q)4個二維圖譜。在老化7 d初期，隨著腐蝕性物質(zhì)沉積量的增加，各個相位開窗的最大放電量與平均放電量均逐漸增大，放電相位變寬。相比于空白樣最大放電量的分散性，受硫腐蝕的試品放電相位相對集中，主要位于0～90°和180～270°相位處，且隨著腐蝕性硫濃度的增加，各相位下的最大放電量的值趨于平穩(wěn)，500 mg/kg DBDS添加量下最大放電量穩(wěn)定在800 pC左右。

老化7 d時試品的Hn(φ)圖譜顯示老化初期隨著腐蝕性硫化物沉積量的增加，0～90°和180～270°相位處放電密度逐漸增加。空白樣試品偶爾能觀察到一些稀疏、不穩(wěn)定放電脈沖。老化7 d 3種DBDS添加量下試品的Hn(q) 圖譜顯示最大放電量逐漸隨著腐蝕性硫化物沉積量的增加逐漸增大，且放電越密集處的放電量越大，其中空白樣放電最密集處的放電量為120 pC左右，200 mg/kg和500 mg/kg 試品放電最密集處的放電量分別為 240 pC和700 pC 左右。

圖4為老化38 d時3種 DBDS 添加量下試品放電信號的Hqmax(φ)與Hqave(φ)譜圖?？梢钥闯觯匣┢诟髟嚻返淖畲蠓烹娏亢推骄烹娏孔兓淮螅S著腐蝕程度的增加，放電分布相位向左移動。相比于空白樣，受硫腐蝕試品在各個相位下的最大放電量與平均放電量波動范圍也相對穩(wěn)定。

圖4 老化38 d 3種DBDS添加量下試品的Hqmax(φ)與Hqave(φ)譜圖Fig.4 The Hqmax(φ)and Hqave(φ) spectrogram of three different DBDS concentration under ageing 38 days

老化38 d時3種試品的Hn(φ)圖譜，如圖5所示。

圖5 老化38 d時3種DBDS添加量下試品的Hn(φ)圖譜Fig.5 The Hn(φ) spectrogram of three different DBDS concentration under ageing 38 days

可以看出在老化末期，3種不同腐蝕程度試品的Hn(φ)圖譜形狀相似，隨著腐蝕性硫化物沉積量的增加，在0～90°和180～270°相位處試品的放電次數(shù)呈逐漸上升趨勢，其中在負半周放電次數(shù)變化尤為明顯。空白樣試品不再是僅偶爾觀察到一些稀疏、不穩(wěn)定放電脈沖，而是在0～90°和180～270°相位處均有類似的放電信號產(chǎn)生，放電相位寬度相對較窄，放電密度較小。

老化38 d時3種試品的Hn(q)圖譜，如圖6所示。

圖6 老化38 d時3種DBDS添加量下試品Hn(q)圖譜Fig.6 The Hn(q)and spectrogram of three different DBDS concentration under ageing 38 days

可以看出在老化末期，試品的最大放電量逐漸隨著腐蝕性硫化物沉積量的增加逐漸增大。3種試品的放電次數(shù)最大處均處在正半周區(qū)域，空白樣與200 mg/kg DBDS 試品放電最密集處的放電量均在120 pC左右，而 500 mg/kg DBDS試品放電最密集處的放電量在320 pC左右。200 mg/kg DBDS和500 mg/kg DBDS試品同時在高放電量處有較大的放電密度，說明在老化末期，空白樣由于長時間老化的作用，繞組中絕緣紙性能下降，導(dǎo)致整個絕緣繞組中形成局部缺陷。添加了DBDS的絕緣繞組試品一方面因為受腐蝕較為嚴重，沉積的腐蝕性硫化物較多，另一方面也受到長時間老化的影響，因此在各放電量下均有很高的放電重復(fù)率。在老化末期腐蝕性硫化物的沉積對絕緣繞組試品的最大放電量和平均放電量影響不太明顯，但隨著腐蝕性硫化物沉積量的增加，試品在0～90°和180～270°相位處的放電密度逐漸增大。

實驗結(jié)果表明，腐蝕反應(yīng)的發(fā)生對絕緣繞組模型放電量、放電相位以及放電次數(shù)有較大影響，腐蝕性硫化物的沉積使得絕緣繞組局部放電最大放電量和平均放電量增加，放電次數(shù)顯著升高，并且在各放電量下均有很高的放電重復(fù)率，低放電量下的放電主要由絕緣繞組老化導(dǎo)致的，高放電量下的放電主要由腐蝕性硫化物的沉積引起。 過高的放電量會使繞組受到損傷，隨著放電次數(shù)的增加，逐步累積的損傷會降低繞組絕緣性能，增大絕緣故障的可能性，進而威脅設(shè)備的安全運行。

3 結(jié)論

文中通過在實驗室探究沉積在變壓器絕緣繞組上的腐蝕性物質(zhì)對絕緣繞組局部放電特性的影響與變化規(guī)律，深入解析由硫腐蝕問題導(dǎo)致變壓器故障發(fā)生的原因，得出以下結(jié)論：

(1) 腐蝕性硫化物的沉積對絕緣繞組模型局部放電的起始放電電壓具有一定的影響，它在一定程度上降低了局部放電的起始放電電壓。

(2) 腐蝕性硫化物能使得繞組試品容易放電，放電密度與放電重復(fù)率與腐蝕性硫化物沉積量成正比，絕緣油中DBDS添加量越高，試品的放電變化規(guī)律越明顯。

(3) 腐蝕反應(yīng)的發(fā)生使放電量與放電次數(shù)增大，損害繞組絕緣，影響設(shè)備的安全可靠運行。在老化初期腐蝕性硫化物的沉積使得絕緣繞組試品局部放電最大放電量和平均放電量增加，且硫腐蝕越嚴重，其放電在高放電量下放電密度越大；在老化末期，腐蝕性硫化物的沉積使0～90°和180～270°相位處的放電密度呈增大趨勢；在整個老化過程中試品絕緣繞組模型的放電量與腐蝕性物質(zhì)沉積量成正比，在高放電量處的放電重復(fù)率增大。