階梯電壓下干式空心電抗器匝間絕緣的局放特性

姚遠航 魏新勞 楊勝生 顧哲屹 聶洪巖

摘 要：匝間絕緣擊穿是干式空心電抗器匝間絕緣故障的最終表現(xiàn)形式，過電壓下的局部放電是引起匝間絕緣損傷的主要因素之一。為研究干式空心電抗器匝間絕緣局部放電隨電壓變化的發(fā)展規(guī)律，在局部放電屏蔽室內(nèi)搭建了試驗平臺。參照35kV干式空心電抗器匝間絕緣的工藝制造要求，制作了匝間絕緣局部放電試驗模型，采用階梯升壓方式，利用數(shù)字式局部放電檢測儀采集信號，得出了不同加壓持續(xù)時間下最大放電量、平均放電量和放電重復頻率的變化特征以及二維圖譜Hqmax（φ）、Hqn（φ）、Hn（φ）、放電幅值灰度圖和放電能量灰度圖的信息。

關鍵詞：

干式空心電抗器，匝間絕緣，局部放電，特征參量，階梯電壓

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.013

中圖分類號： TM406

文獻標志碼： B

文章編號： 1007-2683（2018）03-0072-07

Characteristics of PD for Dry-type Air-core Reactor

in Turn-to-turn Insulation under Step-voltage

YAO Yuan-hang1， WEI Xin-lao1， YANG Sheng-sheng2， GU Zhe-yi1， NIE Hong-yan1

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China；2. Kunshan Special Transformer Manufacturing Co. Ltd， Kunshan 215312， China）

Abstract：Turn-to-turn insulation breakdown is the final expression form of turn-to-turn insulation fault for the dry-type air-core reactor， the partial discharge under over voltage is one of the main factors causing the turn-to-turn insulation damage. In order to study the rule of the partial discharge along with the development of the voltage for the dry-type air-core reactor turn-to-turn insulation， the test platform was constructed in the partial discharge shielding room. This paper references the manufacture process of 35kV dry-type air-core reactor turn-to-turn insulation， and make the turn-to-turn insulation partial discharge test model， then get the partial discharge signal with the digital partial discharge detector in the way of step-voltage. From the results， the variation characteristics of the maximum discharge， average discharge， discharge repetition frequency， and the two-dimensional phase resolved partial discharge pattern of Hqmax（φ）， Hqn（φ）， Hn（φ）， discharge amplitude grayscale， discharge energy grayscale can be obtained under different step-voltage tests of step-up duration.

Keywords：dry-type air-core reactor； turn-to-turn insulation； partial discharge； characteristic parameter； step-voltage

0 引 言

干式空心電抗器對于改善電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的作用，被廣泛應用到電網(wǎng)中[1-2]。然而，在運行中也存在著不少問題。在分析導致干式空心電抗器繞組絕緣故障的原因中發(fā)現(xiàn)，匝間絕緣缺陷是造成電抗器匝間絕緣擊穿的主要原因[3-4]。這些缺陷點在過電壓的作用下會產(chǎn)生局部放電，使匝間絕緣性能逐漸劣化，從而導致匝間絕緣擊穿，引起電抗器起火，給電力系統(tǒng)帶來極大的安全隱患和經(jīng)濟損失[5-7]。為了減少由局部放電引起絕緣性能劣化的問題，對干式空心電抗器匝間絕緣局部放電特性進行研究具有重要意義。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)采用局部放電作為評估電力設備絕緣狀態(tài)的重要手段[8]。傳統(tǒng)的局部放電特征參量，如最大放電量、放電重復頻率等已得到普遍地研究[9]。近年來，數(shù)字化技術飛速發(fā)展，局部放電圖譜，如放電量的相位分布圖、放電次數(shù)的相位分布圖及相關統(tǒng)計參數(shù)，如偏斜度、翹度等的研究受到了眾多學者的廣泛關注[10-11]。

Cavallini等[12]在研究交聯(lián)聚乙烯氣隙缺陷的局部放電特性時，提出用放電幅值和放電重復率的乘積來表征絕緣電老化的發(fā)展，并依據(jù)局部放電特征參量的變化趨勢對絕緣損傷的嚴重程度進行區(qū)分。嚴家明等[13]利用局部放電二維圖譜的變化情況分析了油浸絕緣紙損傷，將損傷程度分為5個階段。魏金清等[14]研究了變壓器匝間油紙絕緣老化的發(fā)展規(guī)律與局部放電特征參量之間的關聯(lián)性，為表征油紙絕緣局部放電嚴重程度提供參考依據(jù)。周力行等[15]通過對環(huán)氧樹脂板沿面放電來模擬電抗器包封層樹枝沿面放電現(xiàn)象，并利用提取到的局部放電信號來識別故障。伍陽陽等[16]通過ANSYS軟件中有限元分析法模擬了干式空心電抗器匝間絕緣特性及絕緣故障，發(fā)現(xiàn)匝間絕緣故障點附近的電場強度激增，導致該區(qū)域溫度升高，從而加劇對絕緣結(jié)構的損傷。刁常晉等[17]在研究浸油紙板的局部放電時，建立了球板結(jié)構模型，對比分析了恒定電壓下和階梯電壓下油紙絕緣局部放電的發(fā)展規(guī)律，得出無論哪種方式下最大放電量、平均放電量、放電重復頻率均呈線性或指數(shù)型增長。

目前，對干式空心電抗器匝間絕緣故障類型及原因的分析較多，用脈沖振蕩電壓對電抗器匝間絕緣進行檢測的試驗也逐漸開展[18-20]，而針對干式空心電抗器匝間絕緣局部放電的研究還尚未開展，有必要對其匝間絕緣局部放電的發(fā)展規(guī)律進行深入研究。

參照35kV干式空心電抗器線圈匝間絕緣的工藝要求，本文設計了用于研究匝間絕緣局部放電的試驗模型。采用階梯升壓方式，通過數(shù)字式局部放電檢測儀得到最大放電量、平均放電量、放電重復頻率等局部放電特征參量，和Hqmax（φ）、Hqn（φ）、Hn（φ）等二維圖譜及放電灰度圖，分析了在階梯電壓下的變化趨勢。

1 試驗平臺與方法

1.1 試驗平臺

整個局部放電試驗平臺搭建在屏蔽室內(nèi)，主要由無局放試驗變壓器、調(diào)壓控制臺、保護電阻、局部放電檢測系統(tǒng)及試驗模型組成。采用哈弗萊 DDX-7000數(shù)字式局部放電檢測儀，通過DDX-DA3分析模塊對局部放電信號進行處理。試驗前，經(jīng)測試在試驗記錄最高電壓5kV下的背景噪聲不大于3pC，此時可以認為電極系統(tǒng)沒有出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，然后將試樣接入電極系統(tǒng)后，升高電壓到5kV，此時出現(xiàn)幾百pC的放電量，說明放電信號均來自試樣本身。圖1為局部放電試驗系統(tǒng)圖。

1.2 試驗模型制作

在制造35kV干式空心電抗器時，采用濕法繞制方式，將直徑為4.25mm，外包三層聚酯薄膜和一層非織布的鋁線經(jīng)過未凝固的環(huán)氧樹脂浸潤后一起繞制，繞制完成后放入恒溫加熱箱中固化處理。在實際繞制過程中，環(huán)氧樹脂會滲入相鄰繞組之間的縫隙中，所以匝間絕緣是聚酯薄膜和環(huán)氧樹脂組成的復合絕緣[21]。

本文參照35kV并聯(lián)干式空心電抗器制作的工藝要求，在制作試樣模型時，剪取兩根長度為300mm的鋁線段，去掉導線端部的絕緣層使鋁線裸露（長度為20mm）以便于接線，再通過自制的模具制成統(tǒng)一的形狀，兩端成“Y”型結(jié)構（兩根鋁線間的夾角為90°），中間部分兩根導線平行（平行部分長度為180mm），然后采用尼龍扎帶鎖緊線匝，使匝與匝之間緊密連接。具體形狀如圖2所示。

在制作試樣時發(fā)現(xiàn)彎曲處的電場分布不均勻，放電位置很可能在此處，為了避免這種情況的出現(xiàn)，用0.0025mm厚的聚酰亞胺薄膜纏繞在彎曲位置，加強絕緣性能。

將制作好的試樣用環(huán)氧樹脂膠固化，采用環(huán)氧樹脂，甲基四氫苯酐固化劑和促進劑，按質(zhì)量比為100∶80∶1進行調(diào)配。配制后充分攪拌，使其充分反應后涂刷在試樣模型上，然后放到恒溫加熱箱中固化處理。根據(jù)相關廠家的固化工藝要求，將涂有環(huán)氧膠的試樣放置在80℃下固化4個小時。取出后安放在特制的試驗電極上，如圖3所示。

1.3 試驗方法

本試驗采用階梯升壓方式。為了準確分析試樣在局部放電起始階段的變化情況，設定0.5kV為起始電壓，0.5～5kV范圍內(nèi)電壓級差為0.5kV，在每級電壓下設定不同的加壓持續(xù)時間，共有3min、6min、9min、12min、15min、18min等6種不同的加壓持續(xù)時間。在每種加壓持續(xù)時間進行10次重復性試驗。利用局部放電檢測儀在每級電壓結(jié)束時記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 局部放電特征參量分析

2.1.1 最大放電量

以加壓持續(xù)時間15min試樣的最大放電量為例進行說明。最大放電量隨階梯電壓的變化情況如圖4所示。從圖中可知，最大放電量整體上隨電壓的升高而增大，近似呈指數(shù)型增長。

試驗過程中，最大放電量的變化有如下特點：1）當試驗電壓較低時，放電量相對較小，部分試樣的最大放電量出現(xiàn)忽大忽小的變化，說明此時發(fā)生的局部放電強度小并且不穩(wěn)定；2）隨著試驗電壓升高，在某一個試驗電壓下（對于不同的試樣此電壓并不相同）最大放電量會出現(xiàn)明顯的拐點，導致放電量“突增”的現(xiàn)象，說明在拐點電壓之前，試樣整體的絕緣性能較好，局部放電的位置較少且放電量較弱，達到拐點電壓后，放電位置的數(shù)量快速增加，放電量出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象。

2.1.2 平均放電量

以加壓持續(xù)時間15min試樣的平均放電量為例進行說明。平均放電量隨電壓的變化情況如圖5所示。從圖中可知：平均放電量也是隨試驗電壓的升高而增大，其變化趨勢與最大放電量的變化趨勢基本一致。也會出現(xiàn)放電量“突增”的現(xiàn)象。

2.1.3 放電重復頻率

以加壓持續(xù)時間15min試樣的放電重復頻率為例進行說明。放電重復頻率隨電壓的變化趨勢如圖6所示。

從圖中可知：①當試驗電壓較低時，試樣的放電重復頻率會出現(xiàn)下降的趨勢，并有較大的波動。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：在電壓較低時，出現(xiàn)局部放電的薄弱點較少， 在環(huán)氧膠中的氣隙壁上，由于局部放電作用導致絕緣被碳化，可能使放電氣隙短路，或者使放電位置的電場均勻化，放電會暫時性變?nèi)?。隨著時間增加，碳化位置處的電場集中，又可能產(chǎn)生新的放電，使放電重復頻率出現(xiàn)起伏波動。②當達到某個電壓（試樣不同此電壓值不同）以后，所有試樣的放電重復頻率會出現(xiàn)上升的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：當電壓很高時，匝間絕緣中幾乎所有的薄弱點都出現(xiàn)了強烈的局部放電，這就導致放電重復頻率會隨著電壓的升高而增大。③一些試樣的放電重復頻率經(jīng)過隨電壓的升高而增大的過程后，會出現(xiàn)隨電壓的升高而減小的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：由于局部放電的作用，在氣隙附近形成碳化通道或?qū)w邊上的毛刺被燒掉，降低了這些地方承擔的局部電壓，導致局部放電強度減弱甚至熄滅，從而使一些試樣的放電重復頻率隨電壓升高而下降。

2.2 二維圖譜分析

在整個階梯升壓過程中，記錄了不同加壓持續(xù)時間下局部放電的二維圖譜信息，主要包括最大放電量與相位分布譜圖Hqmax（φ）、平均放電量與相位分布譜圖Hqn（φ）和放電重復頻率與相位分布譜圖Hn（φ）。以加壓持續(xù)時間12min時3號試樣的二維圖譜為例進行說明，圖中施加電壓依次為3kV、3.5kV、4kV、4.5kV、5kV。

2.2.1 Hqmax（φ）圖譜

在Hqmax（φ）圖譜中，分布曲線形狀多為“簇狀”，脈沖較為連續(xù)且分布密集。在起始局部放電電壓下，局部放電信號主要分布在0°～45° 和225°～315° 之間，隨著試驗電壓的升高，相位寬度會向90°和180°的方向發(fā)展，放電幅值會逐漸增大。

2.2.2 Hqn（φ）圖譜

在Hqn（φ）圖譜中，分布曲線形狀多為“豎條”形，脈沖幅值起伏波動較大。在起始局部放電電壓下，主要分布在15°～45°和225°～315°之間，隨著試驗電壓的升高，相位寬度會向90°和180°的方向發(fā)展。在階梯升壓試驗后期，隨著試驗電壓的進一步升高，局部放電相位寬度與密集程度明顯增大，在90°和270°附近放電幅值最大，放電脈沖在二、四象限上也有分布，主要集中在90°～135°和270°～315°。

2.2.3 Hn（φ）圖譜

在Hn（φ）圖譜中，分布曲線形狀總體由“簇狀”和 “雙峰狀”組成。在起始局部放電電壓下，局部放電信號在一、三象限主要分布在0°～45°和225°～315°之間，放電脈沖較為集中。在試驗記錄過程中，脈沖相位隨著試驗電壓的升高逐漸由向90°和180°方向發(fā)展，在90°和180°附近均存在放電。

2.3 灰度圖譜分析

放電灰度圖有兩種：一種用來表示局部放電幅值和放電次數(shù)與放電相位的分布關系，稱之為放電幅值灰度圖；另一種用來表示放電能量和放電次數(shù)與放電相位的分布關系，稱之為放電能量灰度圖。兩種圖譜都把放電重復頻率的大小轉(zhuǎn)化為灰度值，也可以看成是放電三維圖譜在二維圖譜中的投影。本文同樣以加壓持續(xù)時間12min時3號試樣的放電灰度圖進行說明，圖中施加電壓依次為3、3.5、4、4.5、5kV。

2.3.1 放電幅值灰度圖

由圖10可見，電壓較低時，放電脈沖在一、三象限內(nèi)分布略微密集，放電幅值和次數(shù)均較小。隨著試驗電壓的升高，在一、三象限的脈沖信號密集程度逐漸增大，放電幅值和次數(shù)呈增長趨勢，并向二、四象限逐漸發(fā)展。在實際試驗過程中，隨著試驗電壓的變化，不同試樣的放電幅值灰度圖都經(jīng)歷了與圖10類似的過程。

2.3.2 放電能量灰度圖

由圖11可見，能量分布起于0°和180°，分布形狀近似扇形，放電初期一、三象限“扇中部”能量分布密集度較高。隨著試驗電壓的增加，“扇中部”能量密集度呈現(xiàn)增大趨勢，放電能量和次數(shù)均逐漸增大，并向二、四象限發(fā)展。同時在“扇中部”低幅值能量區(qū)域會形成微小的能量密集度為零的“空穴”區(qū)域。在試驗過程中，隨著試驗電壓的變化，不同試樣的放電能量灰度圖都基本都經(jīng)歷了類似的過程，并且出現(xiàn)了不同程度的“空穴”現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過對干式空心電抗器匝間絕緣局部放電的特征參量、二維圖譜和放電灰度圖進行分析，初步得到以下結(jié)論：

1）在不同加壓持續(xù)時間下，最大放電量、平均放電量總體上隨電壓的升高而增大，變化規(guī)律基本一致，近似指數(shù)型增長。此外，最大放電量和平均放電量隨電壓升高會出現(xiàn)放電“突增”的現(xiàn)象，即存在拐點電壓，這是局部放電由平穩(wěn)放電階段向快速發(fā)展階段過渡的標志；

2）在不同加壓持續(xù)時間下，放電重復頻率隨施加電壓的升高會出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢；

3）Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）圖譜在起始局部放電電壓下，放電信號分布出現(xiàn)明顯相位區(qū)域，并且有明顯的形狀特征。隨著試驗電壓的增加，脈沖相位寬度會向90°和180°的方向發(fā)展，放電密集程度明顯增大；

4）放電幅值灰度圖中，在一、三象限內(nèi)放電程度較高，隨著電壓升高，放電密集度出現(xiàn)增大的趨勢。放電能量灰度圖中，放電能量近似扇形分布，能量分布密集度較高的區(qū)域主要集中在一、三象限的“扇中部”處，出現(xiàn)不同程度的“空穴”現(xiàn)象。

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