變壓器工頻交流耐壓試驗分析及注意要點

張永剛

（保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

過電壓耐受能力是衡量變壓器絕緣水平的一項重要技術(shù)指標(biāo)，工頻交流耐壓試驗是一種有效手段，確定變壓器絕緣缺陷位置，并進行維修，保障變壓器安全穩(wěn)定運行。串聯(lián)與并聯(lián)諧振交流耐壓試驗裝置已在工程中廣泛應(yīng)用，極大地縮短了試驗準(zhǔn)備時間，但串聯(lián)與并聯(lián)諧振交流耐壓試驗儀器存在自身的不足，無法正確判別油隙擊穿放電、金屬構(gòu)件懸浮點位放電與絕緣件缺陷等異常狀況[1]。無論采用串聯(lián)還是并聯(lián)方式，諧振試驗原理決定了，當(dāng)絕緣放電或被擊穿時，諧振狀態(tài)停止，高壓隨之消失，無法對異常部位進行后續(xù)判別。鑒于工頻交流耐壓試驗對油浸式電力變壓器的重要作用，須對存在的問題進行深入分析，尋找合理的解決方案。

1 試驗電源的容量選取

進行工頻交流耐壓現(xiàn)場試驗前，首先應(yīng)確定試驗電源容量，選取并確認(rèn)電源變壓器容量滿足試驗需求。

電源變壓器為三相電力變壓器，當(dāng)調(diào)壓輸入側(cè)電壓為380 V 時，電源容量選取計算公式為公式（1），當(dāng)調(diào)壓輸入側(cè)電壓為220 V 時，電源容量選取計算公式為公式（2）。

式中：

S—試驗電源變壓器容量，kVA。

Ut—電源變壓器輸出電壓，kV。

Ic—被測變壓器繞組對地電容電流，A。

交流耐壓試驗為短時操作，依據(jù)載流量來選取電源線截面積，電纜線及表面溫升不應(yīng)超過電纜絕緣溫度許用值。選用較小的電纜線徑時，會造成試驗過程中的絕緣破壞。選用較大電纜線徑時，會造成資源浪費，同時不利于電纜搬運、布置。

2 球間隙距離的確定與調(diào)整

球間隙的存在是為了避免交流耐壓試驗電壓超過被測變壓器電壓許用值，其采用的是并聯(lián)布置形式。球間隙兩端施加電壓后，極間縫隙處便會產(chǎn)生電場，當(dāng)球直徑足夠大、極間縫隙足夠小時，此時的電場呈現(xiàn)稍不均勻分布。球直徑確定后，在標(biāo)準(zhǔn)電壓（760 mm Hg，20℃）作用下[2]，稍不均勻電場的放電電壓與球間隙距離表現(xiàn)為非線性的正相關(guān)性，球間隙距離可由測量的放電電壓計算，但是球間隙處電場強度與放電電壓的理論計算值會受現(xiàn)場溫濕度與周圍物體的影響。該文探討了額定放電電壓下的球間隙快速調(diào)整方法。

2.1 理論依據(jù)

國際電工委員會給出了球間隙放電電壓查詢表，當(dāng)球直徑 ＜ 10 cm 且一球接地時，間隙放電電壓與間隙距離間的比例關(guān)系不成立。在球間隙的某個小范圍內(nèi)可近似認(rèn)為放電電壓與間隙距離呈現(xiàn)正相關(guān)性[3]。經(jīng)過多次反復(fù)試驗，建立球間隙與放電電壓間的對應(yīng)關(guān)系，交流耐壓試驗過程中，首先將間隙固定在一個基本的放電距離上，然后根據(jù)試驗結(jié)果縮短或加大球間隙距離，計算方法見公式（3）。

式中：

ΔS—球間隙距離差值，mm。

Ve—期望放電電壓，kV。

V—實測放電電壓，kV。

d—每千伏球間隙均值，mm／kV。

當(dāng)放電電壓實測值低于期望值時，ΔS 為正值，此時對應(yīng)加大球間隙距離。反之，ΔS 為負(fù)值，對應(yīng)縮短球間隙距離。

2.2 球間隙快速調(diào)整方法

以35 kV 變壓器繞組交流耐壓試驗為例，多次重復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，球間隙放電電壓位于73.9 kV ～ 79.1 kV，直徑10 cm 球放電間隙為45 mm 左右，將該距離定位為放電基準(zhǔn)。通過球間隙手柄調(diào)節(jié)刻度尺零線基準(zhǔn)，調(diào)整高壓球位置，使其與低壓球?qū)φ⑾嘟?，擰緊固定螺栓，通過手柄調(diào)節(jié)球隙間距至45 mm 位置并固定，連接接地線，完成試驗準(zhǔn)備工作。

試驗過程中，球間隙放電電壓位于73.9 kV ～ 79.1 kV，取75 kV 為電壓基準(zhǔn)，每千伏電壓的間隙均值d = 45 mm / 75kV。當(dāng)放電電壓升高至80 kV 后，ΔS=（75-80）kV×0.6 mm/kV=-3.0 mm，此時需要縮短3 mm 球間隙；當(dāng)放電電壓跌至72 kV放電時，ΔS=（75-72）kV×0.6 mm/kV =1.8mm，此時需要增加1.8 mm 球間隙。

3 水阻的選擇與配制

交流耐壓試驗過程中，當(dāng)被測變壓器出現(xiàn)內(nèi)部絕緣擊穿、高壓套管閃絡(luò)、銅球間隙放電等故障時，試驗變壓器繞組會產(chǎn)生層間或匝間過電壓，因此，必須在試驗變壓器與銅球間隙處各串聯(lián)一個水阻，起到限流作用，保證試驗電流不超過試驗變壓器與電源變壓器許用值。同時，限流水阻值不宜選用過大，當(dāng)水阻兩端壓降過大時，會導(dǎo)致水沸騰飛濺，試驗過程中斷，水阻值的合理選擇是交流耐壓試驗的一個關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 水的阻值特性

水的阻值隨溫度的升高而降低，施加220 V 電壓時，水的阻值隨溫度升高而降低曲線的斜率記為k1；施加3 000 V 以上高壓時，水的阻值隨溫度升高而降低的曲線斜率記為k2，試驗結(jié)果表明|k1| ＞ |k2|。在室溫（20℃）及以下時，很難用萬用表測量一個穩(wěn)定的準(zhǔn)確數(shù)值。當(dāng)水溫升高至40℃以上時，用萬用表測量的高壓與220 V 狀態(tài)下的水阻值基本一致。試驗數(shù)據(jù)同時表明，在高壓狀態(tài)下，水阻值隨電壓變化很小。

3.2 水阻值的有效測量

水阻值的測量精度與測量方法的選擇密切相關(guān)，工程中常用的測量方法有3 種。1）數(shù)字式萬用表測量法。當(dāng)水溫較高時建議選用該方法，水溫不夠時可采用外部加熱法升溫。2）220 V 電壓測量+毫安表法。當(dāng)水溫為40℃時，建議選用該方法，當(dāng)水溫過低時，應(yīng)采用外部加溫措施，以免影響測量精度。被測變壓器經(jīng)由水阻接地，水溫隨試驗電壓升高迅速上升，當(dāng)水溫升高至40℃時，即可停止升壓加溫。3）高壓（3 000 V 及以上）測量+毫安表法。水阻施加電壓可在及千伏至萬伏之間調(diào)整，毫安表應(yīng)具有足夠的量程，測量時，水阻一端施加電壓，升高至一固定值，毫安表一端接地，另一端經(jīng)絕緣棒與水阻另一端相連，水阻長時間供電，其阻值便不再保持恒定，應(yīng)同時快速讀取電流表與電壓表示數(shù)。根據(jù)讀取的電流、電壓值計算水阻值，高壓回路中的水阻測量建議采用該方案。

4 過流繼電器的定值選取與整定

4.1 保護電流值的確定

電磁繼電器與CT 接入試驗回路，故障發(fā)生時能夠迅速可靠地切斷試驗電源，常見回路故障有球間隙放電、被測變壓器絕緣擊穿、試驗回路短接等。過流繼電器保護電流值的確定至關(guān)重要，擊穿故障發(fā)生時，過流繼電器應(yīng)迅速動作，切斷斷路器觸頭，如果保護電流值設(shè)定過小，在升壓過程中電容電流增加會誘發(fā)繼電器開關(guān)跳閘動作，試驗無法正常完成。如果保護電流值設(shè)定過大，被測變壓器絕緣擊穿后，繼電器開關(guān)跳閘動作不執(zhí)行，造成被測變壓器損壞。繼電器保護電流值確定為被測變壓器繞組對地電容額定電流的1.2～1.5倍，一般選取1.2 倍。如果待測變壓器低壓繞組試驗電流較小，高壓側(cè)額定電流較大時，繼電器的保護電流值可以按1.5倍選取。

4.2 過流繼電器整定

作為一種保護裝置，過流繼電器須定期進行校驗，而交流耐壓試驗有時須現(xiàn)場完成，試驗設(shè)備在運輸過程中會經(jīng)受不同程度的振動，控制箱中的過流繼電器存在準(zhǔn)確性失效風(fēng)險，因此，過流繼電器采用現(xiàn)場整定。

試驗線路搭接完成后，首先對接線的正確性進行核查。其次，檢查升壓、降壓功能正確與否以及各指示燈狀態(tài)。繼電器輸入端接入1.05 倍動作電流，對過流繼電器進行整定。試驗變壓器高壓側(cè)與保護水阻R 連接并接地，閉合電源路由器，試驗變壓器高壓側(cè)電流表示數(shù)輸出，逐步升高試驗電壓，觀察電流表示數(shù)應(yīng)隨之增大，電流值達(dá)到繼電器整定電流值時，手動調(diào)整減小繼電器數(shù)值，至繼電器動作時停止。重新啟動試驗變壓器，觀察動作電流值是否正確，整定過程完成。

5 工頻交流耐壓試驗注意事項

完成銅球間隙調(diào)整、過流繼電器與試驗接線后，在被試變壓器接入前，將試驗電壓升至額定值并保持1 min，無異常后方可繼續(xù)升壓，直至銅球間隙產(chǎn)生擊穿電壓、過電流繼電器動作、電源斷路器跳閘，對球隙正確性和過流繼電器動作有效性進行復(fù)核，最后接入被試變壓器進行交流耐壓試驗。

絕緣是否被擊穿的正確判別。懷疑變壓器內(nèi)部絕緣存在擊穿部位時，應(yīng)重復(fù)一次或多次試驗，直至獲得明確的絕緣擊穿特征。部分試驗人員錯誤地認(rèn)為重復(fù)試驗會進一步損傷被測變壓器絕緣，交流耐壓試驗過程中試驗變壓器的容量相對較小，產(chǎn)生的變壓器絕緣擊穿現(xiàn)象，對絕緣的損壞程度有限。擊穿電流一般不超過1 A，同時過電流保護裝置的存在縮短了擊穿電流的存在時間。絕緣損壞程度的界定是指外觀層面的，出現(xiàn)絕緣擊穿的被試變壓器是不允許投入運行的，即使再輕微的絕緣損傷也是不允許的。油中氣泡引發(fā)的擊穿，放氣后，重復(fù)試驗時會恢復(fù)正常。出現(xiàn)固體絕緣擊穿時，重復(fù)試驗過程中，放電電壓會明顯降低。

累積加壓時間的確定。交流試驗過程中，存在油中氣體間隙放電和外部試驗電路潛在放電風(fēng)險，如果過流繼電器在加壓持續(xù)時間不足1 min 內(nèi)動作，試驗停止。問題解決后，部分試驗員認(rèn)為后續(xù)加壓時間應(yīng)累積繼電器動作前的加壓時間，筆者認(rèn)為持續(xù)加壓1 min，在時間上應(yīng)該是連續(xù)的，因外在原因中斷時，加壓時間應(yīng)清零，后續(xù)加壓重新計時。

6 結(jié)語

目前對于大容量電力變壓器，傾向于采用變頻串聯(lián)諧振升壓方式進行交流耐壓試驗，減小試驗變壓器容量、試驗設(shè)備體積與重量，可以解決常規(guī)試驗變壓器耐壓能力不足的問題，同時避免不可恢復(fù)過電壓的出現(xiàn)和大短路電流對故障點的灼傷，輸出波形更貼合真實工況。