周 秀，劉寧波，田 天，白 金，羅 艷，張鵬程，張 恒，孫 軍

（1. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000；3. 武漢磐電科技股份有限公司，湖北 武漢 430100）

0 引 言

油浸式絕緣系統(tǒng)是我國電力設(shè)備最常用的絕緣手段，電網(wǎng)的可靠性很大程度上取決于電力設(shè)備的無故障運(yùn)行[1-3]。油浸式絕緣系統(tǒng)的故障主要分為過熱和放電兩大類，其中放電故障占有很大的比例[4-6]。根據(jù)放電能量密度的大小，可以將放電故障分為高能放電（電弧放電）、火花放電和局部放電。放電故障會(huì)導(dǎo)致絕緣油（多為礦物油）發(fā)生分解，產(chǎn)生CH4、C2H6、C2H2、H2等特征氣體[7-8]。油-紙絕緣中的紙、層壓板和木塊等固體絕緣材料是由眾多葡萄糖單體組成的長鏈狀高聚合碳?xì)浠衔?C6H10O5)n，當(dāng)局部溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生裂解[9]，生成CO 和CO2氣體和少量低分子烴類氣體，其中高能放電會(huì)使絕緣油快速裂解，產(chǎn)生大量故障氣體[10]，此時(shí)產(chǎn)生的故障氣體往往來不及溶解在油中就聚集到氣體繼電器中[11]。目前，評(píng)估油浸式電力變壓器運(yùn)行狀況最常用的方法是油中溶解氣體分析法（dissolved gas analysis，DGA）[12-13]。放電故障一般分為3 個(gè)發(fā)展階段，分別為放電起始階段、放電發(fā)展階段與預(yù)擊穿階段[14]。當(dāng)放電在短時(shí)間內(nèi)由放電起始階段發(fā)展至預(yù)擊穿階段時(shí)，該故障為快速發(fā)展的放電故障。對(duì)于快速發(fā)展的絕緣故障，產(chǎn)生的特征氣體來不及在油中溶解便逸散到油面上，導(dǎo)致用于診斷的特征氣體無法及時(shí)達(dá)到溶解平衡，DGA 技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)快速發(fā)展的放電故障進(jìn)行有效檢測。而快速發(fā)展的絕緣故障是造成油浸式電力變壓器發(fā)生起火、爆炸等安全事故的主要原因[15]，例如2019 年山東電網(wǎng)特高壓變壓器燃爆安全事故。針對(duì)該問題，國家電網(wǎng)公司曾召集國內(nèi)電力裝備監(jiān)測相關(guān)領(lǐng)域的知名專家進(jìn)行分析論證，認(rèn)為油面氣體的有效監(jiān)測是防止油浸式電力變壓器爆炸起火的有效途徑，但是目前關(guān)于快速發(fā)展的放電故障下的變壓器油面上特征氣體分析還未有文獻(xiàn)報(bào)道，導(dǎo)致電力現(xiàn)場無法對(duì)該突發(fā)性嚴(yán)重絕緣故障進(jìn)行預(yù)判。

基于此，本文對(duì)快速發(fā)展的放電故障下油浸式絕緣系統(tǒng)氣-液兩相特征氣體的變化規(guī)律進(jìn)行研究。通過搭建油-紙絕緣系統(tǒng)快速發(fā)展放電故障下的油面氣體檢測試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)獲取氣-液兩相特征氣體信息，研究快速發(fā)展放電故障下氣-液兩相特征氣體的變化規(guī)律，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析和總結(jié)。

1 油浸式絕緣系統(tǒng)快速發(fā)展放電故障下油面氣體檢測試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)電路

通過對(duì)油浸式電力變壓器內(nèi)部氣體逸散路徑調(diào)研，構(gòu)建了變壓器快速發(fā)展放電故障下氣-液兩相特征氣體檢測模擬試驗(yàn)平臺(tái)[16-17]，試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform

試驗(yàn)平臺(tái)由高壓回路、泰克示波器、集氣袋和絕緣油罐組成。絕緣油罐頂部設(shè)置集氣袋，集氣袋作為油面氣體收集裝置通過橡膠軟管連接到絕緣油罐的頂部。集氣袋的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由集氣袋、取氣口和進(jìn)氣口組成。集氣袋材質(zhì)為聚氟乙烯薄膜，厚度為50 μm，具有優(yōu)良的抗化學(xué)性、抗溶解性和抗污染性，且不受常規(guī)溶劑的影響。試驗(yàn)前首先用99.99%的N2對(duì)集氣袋進(jìn)行3次洗氣操作，隨后利用真空泵將集氣袋抽真空，完成上述步驟后將集氣袋設(shè)置于絕緣油罐的頂部。

圖2 集氣袋Fig.2 Gas collecting bag

對(duì)于放電缺陷模型，由于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能發(fā)生的放電位置和放電類型主要有：①繞組中部油-隔板絕緣中的油隙放電；②繞組端部的油隙放電；③引線、搭接線等油浸式絕緣中的局部放電；④匝間絕緣局部擊穿；⑤絕緣紙沿面閃滑放電[18-19]。本文根據(jù)變壓器內(nèi)部絕緣放電形式和放電特點(diǎn)，參照IEC 60243：2013[20]設(shè)計(jì)了一種典型油紙沿面放電缺陷模型和一種金屬突出物缺陷模型。油紙沿面放電缺陷由兩個(gè)直徑分別為100 mm 和40 mm、厚度均為10 mm 的銅板電極和單層厚度為1 mm、直徑為90 mm 的油浸紙板構(gòu)成，油浸紙板用兩個(gè)銅板電極固定，直徑為40 mm 的板電極接高壓端，直徑為100 mm 的板電極可靠接地；金屬突出物缺陷用來模擬變壓器內(nèi)部的電暈放電，模擬缺陷由曲率半徑小于0.2 mm 的針電極和厚度為10 mm 的銅板電極構(gòu)成，針電極接高壓端，板電極可靠接地，針電極和板電極間距為2 mm，針板電極間放置1 mm厚的油浸紙板。兩個(gè)放電缺陷模型結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖3 放電缺陷模型Fig.3 Discharge defect model

放電模型中的絕緣紙板事先用砂紙打磨光滑，打磨過程中首先用粗磨砂紙對(duì)絕緣紙板較粗糙的部分進(jìn)行打磨，隨后用細(xì)磨砂紙對(duì)絕緣紙板的表面進(jìn)行磨光操作，打磨過程中使用砂紙支撐絕緣紙板和保持打磨區(qū)域干凈，以保證絕緣紙板無雜質(zhì)、無尖角或者毛刺。然后在溫控箱中60℃下干燥3 天，再將溫度升高至100℃干燥3天，以保證紙板在內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)不被破壞的情況下充分干燥，控制含水量在0.1 μL/L 左右。隨后對(duì)其進(jìn)行5 天的真空浸油，保證絕緣紙板充分浸漬絕緣油。

本文試驗(yàn)用絕緣油為克拉瑪依25#礦物絕緣油，試驗(yàn)前使用濾油機(jī)將絕緣油過濾3 次，經(jīng)過濾處理的絕緣油放入真空干燥箱內(nèi)持續(xù)干燥48 h 以除去絕緣油中的水分和氣泡。處理后的絕緣油水分含量為0.8 μL/L，符合GB/T 7595—2017《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》中的規(guī)定要求[21]。

1.2 氣體分析方法及儀器

文中對(duì)油面氣體及油中溶解氣體分析的方法均為油色譜分析法，使用儀器為南京科捷公司的油色譜分析儀，分析儀中色譜柱為CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2和H2色譜柱。油面氣體的取樣方法是先使用取氣針直接采集集氣袋中的特征氣體1 mL，然后使用取氣針將氣樣直接注入色譜儀進(jìn)行分析；油中溶解氣體分析方法相較于油面氣體分析方法多一步物理振蕩，具體步驟為：①使用取油器取絕緣油樣40 mL；②向取油器中注入10 mL 背景氣體N2；③將振蕩儀加熱至50℃；④將取油器放入振蕩儀內(nèi)振蕩20 min 使油氣分離；⑤使用取氣針從取油器中取1 mL氣樣注入油色譜分析儀。

1.3 試驗(yàn)步驟

在正式試驗(yàn)之前，需要確定放電缺陷模型的起始放電電壓與擊穿電壓[22]。將放電缺陷放置于絕緣油罐中，參照GB/T 1408.1—2016 使用逐級(jí)加壓法進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，升壓速率為100 V/s，升壓方式為慢速升壓，擊穿發(fā)生在升壓后的120～240 s。預(yù)試驗(yàn)過程中示波器出現(xiàn)缺陷放電導(dǎo)致的脈沖電流信號(hào)后，在該電壓等級(jí)下維持5 min，觀察是否持續(xù)有脈沖放電信號(hào)出現(xiàn)。若脈沖放電信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，則記錄該電壓等級(jí)為起始放電電壓Uid；若無脈沖放電信號(hào)出現(xiàn)，則繼續(xù)升壓，直至脈沖放電信號(hào)穩(wěn)定持續(xù)出現(xiàn)為止[23]。

完成上述步驟后，繼續(xù)升壓，直至樣品中發(fā)生擊穿，記錄擊穿時(shí)的電壓等級(jí)為擊穿電壓Ubd。在確定起始放電電壓Uid和擊穿電壓Ubd后，選取起始放電電壓Uid和擊穿電壓Ubd之間的不同等級(jí)電壓作為試驗(yàn)電壓，采用恒定電壓法持續(xù)加壓，若短時(shí)間內(nèi)發(fā)生擊穿，則在擊穿發(fā)生時(shí)進(jìn)行采樣分析操作。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，外施電壓較低時(shí)，放電現(xiàn)象并不劇烈，持續(xù)加壓6 h 后，電場趨于穩(wěn)定，幾乎觀察不到放電現(xiàn)象，故外施電壓較低時(shí)，持續(xù)加壓6 h 后進(jìn)行取樣分析操作。

試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)統(tǒng)計(jì)放電信息，在試驗(yàn)結(jié)束后，從集氣袋中收集油面特征氣體并分析其組分含量，同時(shí)采集試驗(yàn)后的絕緣油進(jìn)行分析，最后通過調(diào)節(jié)電壓等級(jí)改變放電故障嚴(yán)重程度[24]。改變電壓等級(jí)時(shí)，為了避免缺陷模型絕緣強(qiáng)度下降的影響，需重新向油罐內(nèi)注入絕緣油以及放置未使用過的同種缺陷模型。重復(fù)以上步驟獲取不同嚴(yán)重程度故障下的油面氣體產(chǎn)氣規(guī)律，具體試驗(yàn)步驟如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)流程圖Fig.4 The test flow chart

2 放電發(fā)展過程

在試驗(yàn)前，測得油浸紙沿面放電缺陷模型的起始放電電壓Uid為14 kV，擊穿電壓Ubd約為21 kV；金屬突出物缺陷模型的起始放電電壓Uid約為23 kV，擊穿電壓Ubd約為28 kV。

基于測得的起始放電電壓和擊穿電壓，本文選取15、17、19 kV 3 個(gè)試驗(yàn)電壓等級(jí)作為油紙沿面放電模型的試驗(yàn)電壓，選取24、25、26 kV 3 個(gè)電壓等級(jí)作為金屬突出物缺陷的試驗(yàn)電壓，并持續(xù)加壓，設(shè)置示波器采樣頻率為20 MS/s。由于外施電壓較低時(shí)，放電僅在開始加壓的一段時(shí)間內(nèi)較為明顯，持續(xù)加壓一段時(shí)間后放電才趨于穩(wěn)定，為了更好地分析放電故障嚴(yán)重程度與油面氣體濃度的關(guān)系，對(duì)一個(gè)工頻周期單位時(shí)間內(nèi)的平均放電量Qe進(jìn)行計(jì)算，以此來表征放電故障的嚴(yán)重程度[25]。經(jīng)計(jì)算，沿面放電模型在3 個(gè)試驗(yàn)電壓等級(jí)15、17、19 kV 下單位時(shí)間內(nèi)的平均放電量分別為48 932、51 883、245 873 pC/s，金屬突出物模型在3 個(gè)試驗(yàn)電壓等級(jí)24、25、26 kV 下單位時(shí)間內(nèi)的平均放電量分別為37 121、122 657、162 913 pC/s。

表1 為兩種放電模型在不同外施電壓下發(fā)生擊穿所消耗的時(shí)間。從表1 可以看出，沿面放電模型在外施電壓等級(jí)較低時(shí)，短時(shí)間內(nèi)并未發(fā)生擊穿，在19 kV 下持續(xù)加壓1 028 s 時(shí)發(fā)生擊穿；金屬突出物模型在24 kV 下短時(shí)間內(nèi)并未發(fā)生擊穿，在25 kV、26 kV下分別在1 039 s和832 s時(shí)發(fā)生擊穿。其中沿面放電模型外施電壓為19 kV 時(shí)，可觀察到明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象，樣品內(nèi)有火花放電和氣泡產(chǎn)生，如圖5所示。

表1 兩種放電模型在不同外施電壓下的擊穿時(shí)間Tab.1 The breakdown time of two discharge models under different applied voltages

圖5 試驗(yàn)過程中火花放電及氣泡Fig.5 Spark discharge and bubble during test

此時(shí)集氣袋內(nèi)已經(jīng)收集到油面氣體，試驗(yàn)結(jié)束斷電后，取出油紙沿面放電缺陷模型的絕緣紙板，發(fā)現(xiàn)絕緣紙板上有明顯碳化痕跡，但絕緣紙板并未擊穿，如圖6所示。

圖6 沿面放電試驗(yàn)后絕緣紙板Fig.6 Insulating paperboard after surface discharge test

金屬突出物缺陷模型試驗(yàn)過程中，樣品內(nèi)有火花放電，并伴有“嘭”的聲音，在持續(xù)加壓42 min 時(shí)，樣品發(fā)生了擊穿，此時(shí)樣品內(nèi)有高能放電發(fā)生，擊穿的絕緣紙板如圖7所示。

圖7 金屬突出物試驗(yàn)后絕緣紙板Fig.7 Insulating paperboard after metal protrusion test

3 不同嚴(yán)重程度故障下特征氣體產(chǎn)氣規(guī)律

3.1 油面及油中特征氣體產(chǎn)氣規(guī)律

在選取的3 個(gè)不同試驗(yàn)電壓等級(jí)加壓結(jié)束后，對(duì)采集到的油面特征氣體和油中溶解氣體分別進(jìn)行氣相色譜和油色譜分析，其中發(fā)生擊穿的試驗(yàn)組均是在擊穿發(fā)生后進(jìn)行采樣，未發(fā)生擊穿的試驗(yàn)組均為加壓結(jié)束時(shí)（持續(xù)加壓6 h）進(jìn)行采樣，結(jié)果如表2～3 所示。同時(shí)將兩個(gè)模型得到的氣樣組分濃度數(shù)據(jù)按照不同電壓等級(jí)繪圖，結(jié)果如圖8～9所示。

表2 油紙沿面放電缺陷模型在不同試驗(yàn)電壓下的油面氣體與油中溶解氣體濃度Tab.2 The concentration of free gas and dissolved gas in oil of surface discharge defect model under different test voltages μL/L

表3 金屬突出物缺陷模型在不同試驗(yàn)電壓下的油面氣體與油中溶解氣體濃度Tab.3 The concentration of free gas and dissolved gas in oil of metal protrusion defect model under different test voltages μL/L

圖8 沿面放電缺陷模型的特征氣體組分濃度圖Fig.8 Concentration diagram of characteristic gas components for surface discharge defect model

圖9 金屬突出物缺陷模型的特征氣體組分濃度圖Fig.9 Concentration diagram of characteristic gas components for metal protrusion defect model

從表2～3 和圖8～9 中可以看出，沿面放電模型和金屬突出物模型在不同試驗(yàn)電壓等級(jí)下所產(chǎn)生的特征氣體均會(huì)逸散到油面上并被收集檢測，并且部分油面上特征氣體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油中溶解氣體濃度。雖然試驗(yàn)罐體中的絕緣油油量小于真實(shí)電力變壓器中的絕緣油油量，但試驗(yàn)結(jié)果表明通過檢測油面特征氣體進(jìn)行油浸式電力變壓器突發(fā)性嚴(yán)重放電故障監(jiān)測的方案是可行的。

3.2 分析與討論

為驗(yàn)證快速發(fā)展放電故障發(fā)生后，油中與油面特征氣體的變化規(guī)律，在沿面放電模型19 kV 下設(shè)置一組對(duì)照試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和步驟與前文試驗(yàn)條件保持一致，不同的是對(duì)照試驗(yàn)在擊穿發(fā)生后靜置一段時(shí)間。為避免取樣過程對(duì)氣-液兩相特征氣體濃度造成誤差，取樣次數(shù)不宜過多，為研究不同時(shí)間間隔下兩相特征氣體的變化規(guī)律，在故障發(fā)生后1、3、6、12 h 分別進(jìn)行一次取樣，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 特征氣體變化規(guī)律Fig.10 Change law of the characteristic gas

基于動(dòng)力學(xué)平衡和熱力學(xué)平衡的原理討論油面氣體與油中溶解氣體的差異。當(dāng)絕緣油與氣體接觸時(shí)，氣體分子可以通過物理吸附或擴(kuò)散過程附著在油表面上。這種吸附過程通常是一個(gè)快速的動(dòng)力學(xué)過程，因此油面上的氣體濃度會(huì)比油中的溶解氣體濃度高。然而，對(duì)于氣體分子從油面進(jìn)一步溶解到油中的過程，涉及到熱力學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)平衡的競爭。一些氣體分子會(huì)從油表面向油中擴(kuò)散，溶解到油中并達(dá)到熱力學(xué)平衡。然而，同樣的時(shí)間內(nèi)，也會(huì)有一些溶解在油中的氣體分子重新進(jìn)入氣相，以達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡，這種競爭導(dǎo)致油中溶解氣體的濃度相對(duì)較低。根據(jù)圖10可以看出，樣品靜置一段時(shí)間后，油中的H2濃度幾乎沒有變化，這是因?yàn)镠2在絕緣系統(tǒng)中的擴(kuò)散系數(shù)較大并且其熱運(yùn)動(dòng)范圍最大，運(yùn)動(dòng)最活躍[26]，H2會(huì)快速地逸散至油面上，其溶解和擴(kuò)散過程在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，所以試驗(yàn)組和對(duì)照組中油中溶解的H2濃度差異并不明顯。在故障發(fā)生后的3 h 內(nèi)，特征氣體在氣-液兩相中的變化趨勢(shì)并不明顯，油中的C2H2在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)含量下降的趨勢(shì)，持續(xù)靜置6 h 后C2H2濃度才開始大幅增加，這是因?yàn)镃2H2在絕緣油中的擴(kuò)散系數(shù)較大，C2H2在烴類物質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)僅次于CH4。除C2H2外，CO 也在故障后的12 h 內(nèi)呈明顯的上升趨勢(shì)。與C2H2不同的是，CO 濃度在故障發(fā)生后的3 h內(nèi)有明顯上升。CO 和C2H2是故障發(fā)生后7種特征氣體中含量最高的特征氣體，所以隨著靜置時(shí)間增加，這兩種氣體在液相中的濃度也會(huì)持續(xù)增加。而對(duì)于故障發(fā)生后的3 h 內(nèi)CO 濃度明顯上升而C2H2濃度基本保持不變這一現(xiàn)象，這是由于CO 的自由體積分?jǐn)?shù)大于C2H2，所以CO 受油介質(zhì)的束縛作用更明顯。C2H4的熱運(yùn)動(dòng)范圍較小，其濃度在故障發(fā)生后3 h 內(nèi)僅有細(xì)微的增長，隨著靜置時(shí)間的增加，C2H4濃度有小幅增長的趨勢(shì)，但濃度變化幅度并不明顯，這是由于其熱運(yùn)動(dòng)范圍較小，并且絕緣油罐中油保持靜止。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)范圍同樣較小的CH4、CO 和C2H6，也有著相似的變化趨勢(shì)。對(duì)于氣相中的特征氣體，C2H2和CO 在靜置12 h 后濃度明顯下降，不同的是在故障發(fā)生后的3 h 內(nèi)，C2H2濃度反而有小幅上升趨勢(shì)，而CO 的濃度下降明顯，氣相中特征氣體濃度變化趨勢(shì)與液相中變化趨勢(shì)保持對(duì)應(yīng)。H2在氣相中的濃度同樣有明顯下降趨勢(shì)，然而液相中的H2濃度并沒有明顯增加，可能的原因是：H2本身的分子結(jié)構(gòu)較小，普通的容器難以保存H2，隨著靜置時(shí)間的增加，H2會(huì)逸散至環(huán)境中。除以上3 種特征氣體外，其余特征氣體在氣相中都有著相似的變化趨勢(shì)，隨著靜置時(shí)間的增加，氣相中濃度均呈小幅下降趨勢(shì)。綜上，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在高能量局部放電故障時(shí)，CO、CO2、CH4、H2會(huì)在油面上大量匯集，這4 種氣體可作為高能量局部放電故障表征依據(jù)；在CO、CO2、CH4、H24 種油面特征氣體的基礎(chǔ)上，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在火花放電和高能量局部放電時(shí)，C2H6、C2H4、C2H2這3 種特征氣體也會(huì)在油面上匯集，可作為放電故障加劇的輔助依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對(duì)會(huì)造成油浸式電力設(shè)備發(fā)生爆炸、起火等安全事故的突發(fā)性嚴(yán)重放電故障，試驗(yàn)探究了油紙沿面放電缺陷在不同嚴(yán)重程度下的油面氣體產(chǎn)氣規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)變壓器內(nèi)有快速發(fā)展放電故障發(fā)生時(shí)，由于該故障類型下產(chǎn)氣量大且產(chǎn)氣劇烈，大部分特征氣體來不及溶解在油中便逸散至油面上，特征氣體在液相中無法及時(shí)達(dá)到溶解平衡，以至于現(xiàn)有的DGA 技術(shù)難以對(duì)故障類型和程度進(jìn)行診斷。研究油面上特征氣體信息可以為基于油面氣體的油浸式變壓器快速發(fā)展放電故障診斷技術(shù)提供依據(jù)。

（2）快速發(fā)展放電故障下氣-液兩相中特征氣體含量差異明顯，此時(shí)液相中氣體含量較少，而氣相中氣體含量較多且能夠輕易檢測到，故障發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)液相中的氣體濃度變化幅度不大，氣相中的氣體濃度雖有小幅度下降，但仍能檢測到。

（3）當(dāng)油浸式電力設(shè)備中發(fā)生放電故障時(shí)，油面特征氣體主要由CO、CO2、CH4、H24 種特征氣體組成，隨著故障程度的加劇，作為高能放電判斷輔助依據(jù)的特征氣體C2H2、C2H4和C2H6也會(huì)在油面上匯集并被檢測到，且7 種特征氣體的濃度也隨著故障程度的加劇而增加。