電極覆紙時(shí)流動(dòng)變壓器油中金屬微粒局部放電特性研究

江 翼，楊 旭，張 靜，文 豪，周正欽，程 林，劉 詣

（1. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；2. 南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211006）

0 引言

在換流變壓器的制造與運(yùn)行中，變壓器油不可避免地會(huì)受到自由金屬微粒的污染[1-3]。由于具有良好的導(dǎo)電性，自由金屬微粒的存在極易導(dǎo)致油中局部電場(chǎng)畸變，引起局部放電（partial discharge，PD），甚至誘發(fā)絕緣擊穿[4]。此外，換流變壓器常采用油紙復(fù)合絕緣，變壓器油道表面通常覆蓋有絕緣紙漿、絕緣紙和絕緣紙板等不同種類(lèi)的固體絕緣介質(zhì)，以增強(qiáng)換流變壓器的絕緣性能，提高運(yùn)行可靠性。

變壓器油中自由金屬微粒導(dǎo)致的PD 與其運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系密切，研究者們已對(duì)金屬微粒存在固體絕緣介質(zhì)情況下的運(yùn)動(dòng)特性和PD 特性展開(kāi)了深入研究。R TOBAZéON 等[5]采用靜電計(jì)和高速相機(jī)研究了金屬微粒在平行板電極間運(yùn)動(dòng)時(shí)的PD 特性，測(cè)量了外施電壓和微粒尺寸等條件發(fā)生改變時(shí)的視在放電量和脈沖電流，探索了視在放電量和微粒帶電量的關(guān)系。LI J 等[6]針對(duì)準(zhǔn)均勻交流電場(chǎng)下含自由金屬微粒變壓器油的PD 特性開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)隨場(chǎng)強(qiáng)的增大，粒子運(yùn)動(dòng)將經(jīng)歷從振蕩到跳躍的轉(zhuǎn)變，每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的局部放電行為不同。SHA Y C 等[7]初步研究了交直流復(fù)合電壓下變壓器油中電極覆蓋絕緣紙板時(shí)自由金屬微粒的PD 特性，結(jié)果表明外施電壓中直流分量極性不影響局部放電起始電壓（PDIV）；當(dāng)直流分量增大或減小時(shí)，要使得金屬微粒發(fā)生放電，交流分量必須對(duì)應(yīng)地減小或增大。

值得注意的是，現(xiàn)有研究主要圍繞靜止變壓器油展開(kāi)，然而在實(shí)際換流變壓器中，由于冷卻系統(tǒng)和溫度梯度的存在，油道中變壓器油始終處于流動(dòng)狀態(tài)[8]，且油道表面覆蓋有固體絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)的存在會(huì)使得金屬微粒帶電特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響金屬微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)致PD 的誘發(fā)機(jī)制與現(xiàn)有研究結(jié)果存在不同。近年來(lái)，針對(duì)含金屬微粒流動(dòng)變壓器油，唐炬等[8-9]搭建含金屬微粒流動(dòng)變壓器油的PD 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，初步研究不同條件下的PD 特性。結(jié)果表明，油流速度越快，PDIV 越高，放電次數(shù)越少，PD 強(qiáng)度越弱。然而，在油道表面覆蓋有固體絕緣介質(zhì)時(shí)的PD特性尚未開(kāi)展研究。

本研究利用搭建的變壓器油循環(huán)流動(dòng)裝置，開(kāi)展不同覆紙情況下含金屬微粒流動(dòng)變壓器油的PD實(shí)驗(yàn)，并提取PD 特征量，然后結(jié)合流動(dòng)油中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)特性，討論電極覆紙情況對(duì)PD 的影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 變壓器油循環(huán)流動(dòng)裝置

變壓器油循環(huán)流動(dòng)裝置如圖1所示。該裝置主要由油泵、有機(jī)玻璃油道、銅制平板電極、溫控系統(tǒng)以及壓力計(jì)等設(shè)備構(gòu)成[9]。油道入口處安裝的超聲波流量計(jì)可實(shí)時(shí)測(cè)量油流速度，在本研究中，始終控制油流速度為0.06 m/s。將兩個(gè)平板電極平行放置于有機(jī)玻璃油道中心，銅制平板電極直徑為100 mm，厚度為10 mm，其間距設(shè)置為10 mm。當(dāng)進(jìn)行電極覆紙的研究時(shí)，將3 層厚度為60 μm 的標(biāo)準(zhǔn)牛皮絕緣紙交替覆蓋于電極表面。絕緣紙層與層之間密封貼合，以防止金屬微粒滯留于電極與絕緣紙之間，對(duì)結(jié)果造成不利影響。溫控系統(tǒng)主要由溫控儀、溫度傳感器、加熱管與制冷片等設(shè)備組成，用于控制油溫。本研究采用的變壓器油為實(shí)際變壓器中常用的克拉瑪依25#變壓器油[10]。從進(jìn)油口向注滿(mǎn)變壓器油的循環(huán)裝置內(nèi)倒入9 g直徑為150 μm 的鐵粉，裝置內(nèi)的污染變壓器油顆粒度達(dá)到約3 600顆/100 mL。采用最高幀頻達(dá)225 000 幀/s 的高速攝像機(jī)觀(guān)察油中微粒運(yùn)動(dòng)，并使用可調(diào)式LED 光源為高速攝像機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光。

圖1 變壓器油循環(huán)流動(dòng)裝置Fig.1 Circulation flow device of transformer oil

1.2 PD測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)際換流變壓器閥側(cè)繞組常承受著復(fù)合電壓，其中以1∶3 交直流復(fù)合電壓為主[11]。本研究采用50/12型高壓功率放大器與33522A型任意波形發(fā)生器共同作用，產(chǎn)生交直流復(fù)合電壓，復(fù)合比為1∶3。根據(jù)IEC 60270:2015 規(guī)定的脈沖電流法，搭建如圖2 所示的PD 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中Ck（1 053 pF）為耦合電容，Z為測(cè)量阻抗。PD測(cè)量信號(hào)由DPO7104型高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄。

圖2 PD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 PD experimental platform

2 局部放電特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究電極覆紙時(shí)含金屬微粒流動(dòng)變壓器油的PD 特性，分別開(kāi)展了在雙電極裸露、僅下電極覆紙和雙電極覆紙條件下的PD 實(shí)驗(yàn)，記錄放電數(shù)據(jù)。

首先，分別在電極裸露、僅下電極覆紙和雙電極覆紙條件下進(jìn)行了局部放電起始電壓的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行10次，并對(duì)結(jié)果求取平均值，如圖3 所示。從圖3 可以看出，當(dāng)雙電極裸露時(shí)，PDIV 約為22 kV；僅下電極覆紙時(shí)PDIV 增大至約24 kV；當(dāng)雙電極覆紙時(shí)，PDIV最高，約為28 kV。

圖3 不同覆紙情況下的PDIVFig.3 PDIV under different paper covering cases

在外施電壓峰值為29 kV 的條件下，利用構(gòu)建的局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集了含金屬微粒流動(dòng)變壓器油在不同覆紙情況下的PD 信號(hào)。每組實(shí)驗(yàn)采集時(shí)間為10 min，重復(fù)5 次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)放電數(shù)據(jù)分別提取了放電次數(shù)、放電量和相位等PD 特征量，構(gòu)建局部放電相位分布（phase resolved partial discharge，PRPD）圖譜，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，當(dāng)雙電極裸露時(shí)，放電相位點(diǎn)集中在0°～90°和300°～360°，在此區(qū)間內(nèi)放電頻繁且放電量大；當(dāng)僅下電極覆紙時(shí)，放電集中區(qū)間與雙電極裸露時(shí)相同，但比電極裸露時(shí)放電弱些，放電量小些。在雙電極覆紙情況下，放電相位點(diǎn)集中在45°和160°附近，放電程度更弱。

圖4 不同覆紙情況下的PRPD圖譜Fig.4 PRPD patterns under different paper covering cases

基于圖4 中數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同覆紙情況下的放電重復(fù)率、平均放電量和單位時(shí)間累積放電量，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，雙電極裸露時(shí)的放電重復(fù)率約為170 次/min，平均放電量約為70 pC；僅下電極覆紙時(shí)，放電重復(fù)率降至約40 次/min，遠(yuǎn)低于雙電極裸露時(shí)，且平均放電量也有所減小，約為40 pC；而在雙電極覆紙情況下，放電重復(fù)率約為30次/min，平均放電量也減小至約30 pC。由于放電重復(fù)率和平均放電量的變化趨勢(shì)一致，因此單位時(shí)間累積放電量的變化趨勢(shì)與二者相同。

圖5 不同覆紙情況下的放電特征量Fig.5 Discharge characteristic quantities underdifferent paper covering cases

3 電極覆紙對(duì)PD的影響機(jī)制分析

含金屬微粒變壓器油的局部放電特性與油中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)，為了解電極覆紙時(shí)油中帶電自由金屬微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)不同條件下流動(dòng)油中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行逐幀記錄，并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

雙電極裸露情況下，單顆金屬微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出，金屬微粒在A點(diǎn)與下極板發(fā)生碰撞，隨后向上極板方向運(yùn)動(dòng)至B 點(diǎn)與上極板發(fā)生碰撞，碰撞過(guò)程迅速完成、無(wú)滯留，然后再向下電極運(yùn)動(dòng)至C 點(diǎn)與下極板發(fā)生碰撞，完成一次電極間的往返運(yùn)動(dòng)。隨后不斷重復(fù)前述運(yùn)動(dòng)模式，且此過(guò)程中金屬微粒在水平方向上隨油流運(yùn)動(dòng)。

圖6 不同覆紙情況下的微粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Particle trajectories under different paper covering cases

僅下電極覆紙情況下，單顆金屬微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，金屬微粒在A點(diǎn)和C 點(diǎn)與覆紙電極發(fā)生碰撞。不同的是，金屬微粒在接觸下電極后，會(huì)在絕緣紙表面停留一段時(shí)間，隨后緩慢從覆紙電極表面起跳，向上極板運(yùn)動(dòng)。由于微粒在B 點(diǎn)不發(fā)生停留現(xiàn)象，微粒所帶電荷極性瞬時(shí)反轉(zhuǎn)，金屬微粒逐漸回落至C 點(diǎn)完成一次電極間的上下往返運(yùn)動(dòng)。隨后金屬微粒不斷重復(fù)前述往復(fù)過(guò)程直至離開(kāi)觀(guān)測(cè)區(qū)域。同時(shí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中金屬微粒在水平方向沿油流運(yùn)動(dòng)方向緩慢遷移。金屬微粒單次往復(fù)運(yùn)動(dòng)包含滯留、上升和下降3 個(gè)階段，上升階段水平位移要明顯較下降階段更長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)軌跡也更為平緩。

雙電極覆紙情況下，單顆金屬微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6(c)所示。從圖6(c)可以看出，微粒分別在A點(diǎn)和B點(diǎn)與覆紙電極發(fā)生碰撞。與電極裸露情況不同的是，金屬微粒會(huì)在覆紙電極表面滯留一段時(shí)間，且上升和下降過(guò)程的水平位移近似相同，但兩個(gè)階段軌跡仍不對(duì)稱(chēng)。對(duì)比不同覆紙情況下相鄰兩次落點(diǎn)的間距可知，在電極覆蓋絕緣紙時(shí)的落點(diǎn)間距要遠(yuǎn)大于電極裸露時(shí)。

由于含金屬微粒變壓器油中的局部放電一般是在金屬微粒與電極靠近時(shí)發(fā)生，可認(rèn)為金屬微粒與電極的碰撞頻率與放電頻率近似相同。本研究統(tǒng)計(jì)了1∶3 交直流復(fù)合電壓下60 s 內(nèi)金屬微粒與電極間的碰撞次數(shù)，并計(jì)算了碰撞頻率，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，雙電極裸露情況下，金屬微粒與電極的碰撞頻率遠(yuǎn)高于其余兩種條件下的碰撞頻率。

圖7 不同覆紙情況下的碰撞頻率Fig.7 Collision frequency under different paper covering cases

利用有限元分析軟件計(jì)算了金屬微?？拷姌O時(shí)的電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖8所示，金屬微粒與電極的間距為50 μm。

圖8 微粒周?chē)碾妶?chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution around the particle

由圖8可知，相比于電極裸露的情況，電極覆紙時(shí)油中電場(chǎng)強(qiáng)度減小，導(dǎo)致金屬微粒接觸電極后的帶電量下降，從而使帶電金屬微粒所受的電場(chǎng)力減小，進(jìn)一步導(dǎo)致金屬微粒垂直速度減小。由于電極間距固定，當(dāng)微粒垂直速度變小時(shí)，微粒與極板的碰撞時(shí)間間隔將會(huì)增加，碰撞頻率減小。此外，電極覆紙會(huì)導(dǎo)致微粒在覆紙電極上滯留一段時(shí)間，進(jìn)一步增加了碰撞時(shí)間間隔，降低了碰撞頻率。因此，電極覆紙情況下金屬微粒碰撞頻率相比電極裸露時(shí)顯著降低，減小了局部放電次數(shù)，削弱了放電程度。

此外，當(dāng)微粒與極板的碰撞集中在某些特定的相位區(qū)間時(shí)，該相位區(qū)間將出現(xiàn)較多的局部放電，從而使PRPD 圖譜的分布特性發(fā)生變化。本研究定義某一相位的微粒碰撞密度為該相位的碰撞次數(shù)與總碰撞次數(shù)的比值，可知PRPD 圖譜與碰撞密度相位分布關(guān)系密切。根據(jù)PD 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)60 s 內(nèi)不同相位的碰撞次數(shù)，可計(jì)算得到不同電極覆紙情況下金屬微粒與電極的碰撞密度隨相位的變化如圖9 所示。從圖9 可以看出，在雙電極裸露時(shí)，金屬微粒與極板的碰撞主要發(fā)生在0°～72°和306°～360°，此時(shí)的碰撞密度較高；對(duì)于單電極覆紙的情況，18°～54°和342°～360°兩個(gè)相位區(qū)間的碰撞密度較高；在雙電極覆紙時(shí)，碰撞密度較高值出現(xiàn)在36°～72°和144°～180°兩個(gè)相位區(qū)間。此分布特性與PD的相位分布特性幾乎吻合。

圖9 不同覆紙情況下微粒碰撞密度隨相位的變化特性Fig.9 Phase characteristics of particle collision density under different paper covering cases

4 結(jié)論

（1）在雙電極裸露和僅下電極覆紙情況下，放電集中在0°～90°和300°～360°兩個(gè)相位區(qū)間。在雙電極覆紙情況下，放電相位集中在45°和160°附近，且放電重復(fù)率與放電量均小于電極裸露情況。

（2）絕緣紙的存在會(huì)使金屬微粒在紙上滯留一段時(shí)間，并導(dǎo)致兩個(gè)相鄰碰撞點(diǎn)之間的水平距離增加。此外在電極覆紙后，微粒帶電量和油中電場(chǎng)減小，使得微粒垂直速度減小，降低了微粒與極板的碰撞頻率。這些因素的共同作用導(dǎo)致局部放電強(qiáng)度有所削弱，放電相位分布發(fā)生改變，放電頻率減小。