電力變壓器的局部放電典型模型試驗

鄧雨榮，孫志銳，張煒，郭麗娟，韋福安，張鵬翔

(1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，南寧市 530000;2.寧波理工監(jiān)測科技股份有限公司，浙江省寧波市 315800)

0 引言

局部放電是絕緣介質(zhì)由于高強度的電場存在而產(chǎn)生局部橋接的過程。一般來說，局部放電不會影響介質(zhì)的宏觀絕緣性質(zhì)，但是放電產(chǎn)生的擊穿、電荷積累、發(fā)熱和活性物質(zhì)氧化會使絕緣介質(zhì)迅速劣化，使變壓器的壽命迅速降低［1-2］，如果不能及時排除則會產(chǎn)生絕緣事故。統(tǒng)計數(shù)據(jù)［3］表明，在我國110 kV及以上的變壓器事故中，由于絕緣缺陷而產(chǎn)生的事故占81%，線圈匝間絕緣事故占50%，因此變壓器內(nèi)部的局部放電是一個需要注意的問題。

1 放電機制

大多數(shù)穩(wěn)定的局部放電為氣泡放電，但是氣泡的產(chǎn)生機制和氣泡周圍的雜質(zhì)、放電類型有關(guān)。油絕緣變壓器的主、縱絕緣主要由高介電常數(shù)的油浸絕緣紙和低介電常數(shù)的絕緣油組成，其中絕緣油的相對介電常數(shù)為2～2.4，絕緣紙本身的介電常數(shù)為6.5，而油浸絕緣紙的相對介電常數(shù)與浸油率有關(guān)，為3.2～4［4-5］，二者都遠(yuǎn)高于空氣的相對介電常數(shù)。

電場強度的分布與介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)有關(guān)，相對介電常數(shù)越低則介質(zhì)中存在的電場強度越高，絕緣油中如果存在氣泡，則電場強度如圖1所示。設(shè)E1為油電場，E2為雜質(zhì)電場，有

式中:ε1為油的相對介電常數(shù);ε2為油中空氣的相對介電常數(shù)。

假設(shè)相對介電常數(shù)絕緣油為2.2，空氣為1，則氣泡中電場為油中的1.22倍;5 mm間隙的擊穿電壓如圖2所示，可以看出局部放電首先在氣泡中產(chǎn)生。

另外一種常見的局部放電是懸浮金屬顆粒。變壓器由于磨損或者維護(hù)過程中容易產(chǎn)生金屬碎屑，并隨著冷卻循環(huán)分布在變壓器內(nèi)部的不同部位。由于金屬的電磁屏蔽作用，懸浮顆粒內(nèi)部電場為0，但顆粒表面會產(chǎn)生如圖3所示的電場畸變，此時油中最大場強出現(xiàn)在C、D點，可表示為

式中ε3為金屬顆粒的相對介電常數(shù)。

由于金屬的相對介電常數(shù)為無窮大，可知油中最大場強為正常情況下的3倍，當(dāng)達(dá)到絕緣油的擊穿場強時會在金屬顆粒表面發(fā)生電暈放電。

圖3 變壓器油中的金屬顆粒對電場的影響FIG.3Influence of metal particles in transformer oil on electric field

根據(jù)變壓器內(nèi)部局部放電的位置，放電可分為以下幾種:繞組中部油、隔板絕緣中的油隙放電;繞組端部的絕緣間隙放電;接觸絕緣導(dǎo)線和電工紙中的油隙放電;引線搭接線等絕緣放電;線圈間縱絕緣放電;電工紙表面沿面放電;匝間絕緣擊穿等。從電擊穿角度可分為間隙放電、沿面放電、針板放電、懸浮電極放電、自由顆粒放電。

2 標(biāo)準(zhǔn)模型

對應(yīng)于以上5種放電類型，分別用如下的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模型。

油中氣隙模型:絕緣層采用2層厚度為2 mm、直徑為20 mm的環(huán)氧樹脂絕緣板，中間夾著1層直徑為2 mm通孔的絕緣板，為了防止絕緣油浸入氣隙，3層絕緣板使用環(huán)氧樹脂膠合。分別采用直徑為15、10 mm的銅圓柱平臺作為高壓電極和接地電極，壓緊帶氣隙的絕緣板后浸泡在變壓器油中，如圖4(a)所示。

懸浮電極模型:高壓電極為直徑為3 mm的圓柱銅電極，懸浮電極是底面直徑為3 mm、高為5 mm的圓錐形電極，尖端指向高壓電極，間距為3 mm，接地電極不銹鋼外殼距離高壓電極30 mm，如圖4(b)所示。

自由金屬顆粒模型:高壓電極使用不銹鋼材料，直徑為10 mm，前端為半球形，頂端距離低壓電極10 mm。低壓電極為光滑不銹鋼平面，其上放置1個可自由滑動的直徑為1 mm的銅球，如圖4(c)所示。

圖4 放電模型Fig.4Discharge model

針板模型:在直徑為10 mm的不銹鋼高壓電極中心固定1根長度為20 mm的鋼針，距離底面的低壓電極為10 mm，在低壓電極上方覆蓋1層厚度為2 mm絕緣板，如圖4(d)所示。

沿面模型:高壓和接地電極都為前端直徑為20 mm的銅圓柱平臺，中間夾緊1個直徑為20 mm的絕緣板，如圖4(e)所示。

以上5種模型，除了油中氣隙模型以外，其他4種模型中尺寸、材料完全一致的有2套，1套使用常壓空氣介質(zhì)，1套使用變壓器絕緣油為絕緣介質(zhì)。試驗測量局部放電產(chǎn)生的閾值電壓、峰值放電強度、平均放電強度、放電次數(shù)、放電幅值、放電譜圖，同時接入XD2012型數(shù)字脈沖局部放電檢測儀標(biāo)定視在放電量。

放電回路采用75 kV升壓變壓器，步長精確到500 V。信號接收盤式耦合傳感器3個，置于放電模型等距離的圓周上，分別將信號引出到數(shù)字脈沖局部放電檢測儀、20 GHz采樣頻率示波器和本底噪聲－85 dBm頻譜儀。實驗環(huán)境為高壓電磁屏蔽室，視頻、廣播信號完全屏蔽，GSM信號不大于－75 dBm。

3 試驗結(jié)果分析

對上述局部放電模型的試驗結(jié)果進(jìn)行對比和模式識別分析，得出以下結(jié)論。

(1)油中氣隙模型的放電閾值電壓為7 kV，經(jīng)過持續(xù)5 min的放電穩(wěn)定后示波器讀取到的信號電壓為13 mV，頻譜儀獲取的信號峰值強度為－72 dBm，平均局部放電次數(shù)為50次/s，放電信號強度為－75 dBm，脈沖檢測儀獲得視在放電量為400～500 pC。電壓超過閾值加到10 kV時，信號電壓強度為30 mV，能量峰值強度為－67 dBm，平均放電次數(shù)為130次/s，信號平均強度為－70 dBm，視在放電量大于量程1 300 pC。

氣隙放電的三維譜圖如圖5所示，其中測量系統(tǒng)引入相位偏移－90°?？梢钥闯鰵庀斗烹娤辔患性?0°～120°和240°～300°，放電強度很弱，不具有正負(fù)極性，分布較集中。隨著電極電壓增加，強度增加不明顯，但放電次數(shù)明顯增加，相位幾乎不變?？傮w來說，氣隙放電的閾值電壓較低，輻射電磁波信號較弱，電壓加大后的放電增強主要靠放電次數(shù)增加實現(xiàn)。

圖5 油中氣隙放電三維譜圖Fig.53-D spectrogram of discharge of air gap in oil

(2)懸浮電極模型在空氣中的放電閾值為11 kV，放電穩(wěn)定后示波器獲取的信號電壓為25 mV，頻譜儀獲取的信號峰值強度為－50 dBm，平均局部放電次數(shù)為16次/s，信號平均強度為－55 dBm，視在放電量大于量程600 pC。換絕緣油介質(zhì)模型測得閾值電壓為20.5 kV，放電穩(wěn)定后示波器讀取的信號電壓為5 mV，接近本底噪聲水平，信號峰值強度為－71 dBm，平均局部放電次數(shù)為17次/s，放電平均強度為－77 dBm，視在放電量約為500 pC。加壓到21 kV后，信號電壓為11 mV，信號峰值強度為－60 dBm，平均放電次數(shù)為61次/s，放電平均強度為－70 dBm，視在放電量超量程600 pC。

空氣中懸浮電極放電譜圖如圖6(a)所示，放電次數(shù)較少，但單次放電強度較高，放電相位集中于75°～105°和255°～285°的狹窄區(qū)域內(nèi)，且沒有明顯的正負(fù)極性。變壓器油中懸浮電極的放電譜圖在閾值電壓為20.5 kV下的放電譜圖如圖6(b)所示，與空氣中的懸浮電極放電類似，放電次數(shù)較少、分布較集中、沒有明顯的正負(fù)極性，但是放電強度較弱，明顯低于空氣中放電。增加電壓到21 kV后放電譜圖如圖6(c)所示，放電區(qū)域向兩側(cè)略有擴(kuò)展，分布于60°～120°和240°～300°，放電次數(shù)和放電強度明顯增強，同樣沒有明顯的正負(fù)極性。

圖6 懸浮電極放電譜圖Fig.63-D spectrogram of discharge of suspended electrode

(3)自由金屬顆粒模型在空氣介質(zhì)中的放電閾值為5 kV，放電穩(wěn)定后信號電壓為21 mV，信號峰值強度為－60 dBm，平均放電次數(shù)為103次/s，信號平均強度為－68 dBm，視在放電量約為250 pC。更換絕緣油介質(zhì)后閾值電壓為10 kV，此時信號電壓為12 mV，信號峰值強度為－58 dBm，平均放電次數(shù)為66次/s，信號平均強度為－69 dBm，視在放電量為184 pC。加壓到11 kV后，信號電壓為35 mV，信號峰值強度為－50 dBm，平均放電次數(shù)106次/s，放點平均強度為－58 dBm，視在放電量超量程為600 pC。

空氣中自由金屬顆粒放電譜圖如圖7(a)所示，放電次數(shù)較多，單次放電強度較高，明顯強于氣隙放電但弱于空氣中懸浮電極放電，而且放電相位較寬，分布于30°～150°和210°～330°，無明顯正負(fù)極性。變壓器油中的自由金屬顆粒放電如圖7(b)所示，放電密度較高，而且單次放電強度較大，與空氣中放電相比相位較窄，集中于90°～135°和225°～315°，有微弱的負(fù)極性，即負(fù)半周期放電強于正半周期。當(dāng)電極電壓從閾值10 kV增加到11 kV時，放電次數(shù)增加，放電強度顯著增強，相位分布幾乎在0°～360°的全空間，且正負(fù)極性不明顯，如圖7(c)所示。

圖7 自由金屬顆粒放電譜圖Fig.73-D spectrogram of discharge of free metal particles

(4)針板模型放電在空氣中的放電閾值約為10 kV，由于選用的不銹鋼針直徑較細(xì)，開始放電后迅速發(fā)出強電弧，脈沖檢測儀和頻譜儀出現(xiàn)限幅現(xiàn)象，示波器不能有效抓取信號;迅速降壓熄滅電弧后發(fā)現(xiàn)鋼針長度縮短，有明顯的氧化發(fā)黑痕跡。

(5)沿面放電模型在空氣中的放電閾值電壓為8 kV，達(dá)到8 kV后產(chǎn)生強烈電弧放電，頻譜儀和脈沖檢測儀產(chǎn)生明顯的限幅現(xiàn)象;降壓后發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂絕緣層已經(jīng)產(chǎn)生貫穿性炭化痕跡，如圖8所示。此時絕緣性能已破壞，超出局部放電的定義范圍。

圖8 沿面放電后環(huán)氧樹脂絕緣板上的炭化痕跡Fig.8Carbonized trace in epoxy resin insulating plate because of surface discharge

其中針板放電模型開始放電后劇烈燃燒，不滿足局部放電的條件，沿面放電產(chǎn)生明顯的擊穿，無法完成輻射信號的測量工作，需要進(jìn)一步改進(jìn)模型來實現(xiàn)這2種放電的輻射信號研究。

油中氣隙、懸浮電極、自由金屬顆粒放電的數(shù)據(jù)表明:油中氣隙放電閾值較低、放電次數(shù)較多、強度較弱、相位集中、無明顯正負(fù)極性，對電極電壓變化不敏感，隨著電壓增加放電次數(shù)和強度都會緩慢增加，相位幾乎不變;懸浮電極的放電閾值較高、局部放電信號次數(shù)很少、強度很高且沒有正負(fù)極性，電極電壓超過閾值繼續(xù)上升時，放電次數(shù)和強度急劇上升，放電相位略有擴(kuò)展;自由金屬顆粒放電閾值最低，但是放電次數(shù)最多、放電強度最高、相位分布非常分散，當(dāng)電極電壓超過閾值后，放電次數(shù)和強度顯著增強，且放電相位迅速布滿整個周期。

4 結(jié)論

(1)針板放電模型在達(dá)到閾值電壓后由于放電燃燒效果嚴(yán)重，無法獲取穩(wěn)定的放電信號，因此需要更換設(shè)計，選擇耐氧化的金屬(如鎢針)，同時增大針的直徑以保證在放電情況下能夠保持表面穩(wěn)定性。

(2)沿面放電達(dá)到閾值后迅速擊穿，破壞絕緣層特性，因此如果變壓器中產(chǎn)生沿面放電將對絕緣結(jié)構(gòu)造成永久性損傷，危害較大。模型試驗需要修改沿面結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足產(chǎn)生放電的同時不影響絕緣層的宏觀性能。

(3)油中氣隙放電在2 mm氣隙條件下的閾值電壓為7 kV，容易產(chǎn)生放電，且放電具有單次信號強度弱、放電次數(shù)較多、相位集中程度較高。隨著電壓增加放電信號次數(shù)和強度緩慢增加，相位保持不變。

(4)3 mm間隙條件下的懸浮電極放電，空氣中的閾值電壓為11 kV，油中為20.5 kV，閾值電壓較高，不易產(chǎn)生放電，但是放電產(chǎn)生次數(shù)較少，單次放電強度很高，油中放電明顯弱于空氣中放電，隨著電壓繼續(xù)增加，放電次數(shù)增加較快，放電強度和放電相位增加較慢。

(5)2～3 mm間隙條件下的自由顆粒放電，空氣中的閾值電壓5 kV，油中為10 kV，明顯低于其他類型，極易產(chǎn)生放電，產(chǎn)生放電次數(shù)最多、強度較大，且油中放電強度近似等于空氣中放電，隨著電壓增加，放電次數(shù)增加較慢，信號強度和相位增加較快，迅速充滿0°～360°相空間。

(6)懸浮電極、油中氣隙放電的放電結(jié)構(gòu)兩側(cè)均為同種材料，因此沒有明顯的正負(fù)極性，而自由顆粒一端為不銹鋼，另一端為銅，在油中放電時有微弱的極性，因此局部放電的正負(fù)極性與產(chǎn)生放電的材料有關(guān)。

［1］王國利，袁鵬.變壓器典型局放模型超高頻放電信號分析［J］.高電壓技術(shù)，2002，28(11):28-31.

［2］呂健，詹懷宇，晉華春.電力變壓器絕緣紙的性能及其絕緣老化［J］.中國造紙，2008，27(5):54-58.

［3］周方潔.PDM-2000T變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案［R］.寧波:寧波理工監(jiān)測科技股份有限公司，2008.

［4］衛(wèi)榮，麻永紅，蘭佳.變壓器局部放電典型模型設(shè)計［J］.安徽電力，2006，23(4):44-47.

［5］陳家斌.SF6斷路器實用技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2004:6-7.

(編輯：張磊)