流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油中氣泡放電特性和影響因素的研究

肖 暢，肖發(fā)福，許滋奇

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

變壓器在參與電網(wǎng)系統(tǒng)變電運(yùn)行的過程中，內(nèi)部的絕緣油不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣泡。絕緣油氣泡經(jīng)過測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)的介電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油本身的介電系數(shù)，使得變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布會(huì)出現(xiàn)一定的差異。氣泡內(nèi)部的電場(chǎng)極高，而空氣擊穿電壓卻極低，因此氣泡內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

1 流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油氣泡放電特性研究

1.1 變壓器PD故障

電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備由于絕緣缺陷而出現(xiàn)的放電現(xiàn)象稱為PD。這種故障表現(xiàn)明顯，且在設(shè)備運(yùn)行中逐漸加劇，最終造成電力設(shè)備喪失絕緣能力，引發(fā)大面積故障。一旦出現(xiàn)PD現(xiàn)象，需要及時(shí)處理，避免造成嚴(yán)重影響。在對(duì)以往電力系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，PD現(xiàn)象的發(fā)生可能會(huì)導(dǎo)致電磁脈沖在高能量作用下出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。同時(shí)，以變壓器為代表的電力設(shè)備由于其內(nèi)部擁有活性氣體，在化學(xué)反應(yīng)下也會(huì)出現(xiàn)熱擊穿，最終造成破壞。

本文研究的流動(dòng)狀態(tài)絕緣油氣泡放電，事實(shí)上是變壓器在運(yùn)行過程中的PD現(xiàn)象。變壓器在運(yùn)行過程中由于受到放電能量的影響，出現(xiàn)氣泡、空腔以及外界介質(zhì)的介電常數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重差別，最終導(dǎo)致能量密度急劇增加而出現(xiàn)擊穿。

1.2 PD檢測(cè)

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，針對(duì)變壓器的PD現(xiàn)象，一般采用示波器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 示波器測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

在這一測(cè)量系統(tǒng)中，通過向被試材料加壓，使調(diào)壓裝置運(yùn)行。在變壓器外部，高壓館陶將電壓與有道上方的平板電機(jī)相連接，而油道下方的平板電機(jī)則需要接地，同時(shí)需要進(jìn)行50 Ω的無感電阻阻抗測(cè)試。絕緣油含有氣泡，通過平板電場(chǎng)能夠快速產(chǎn)生PD，最終由脈沖電流通過無感電阻獲取PD情況[1]。獲取到的參數(shù)通過電纜傳輸至顯示終端，由示波器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)展示。研究人員通過分析數(shù)字信號(hào)來獲取當(dāng)前階段變壓器的PD情況。

1.3 絕緣油氣泡特征

針對(duì)某電網(wǎng)變壓器展開PD測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)字信息的獲取和比對(duì)，確定了變壓器的表征PD特性參數(shù)，包括放電總時(shí)間、放電幅值和放電頻率等。然而，變壓器的絕緣油處于流動(dòng)狀態(tài)，因此PD具有較強(qiáng)的分散性。為了準(zhǔn)確總結(jié)其參數(shù)特性，著重計(jì)算放電重復(fù)率統(tǒng)計(jì)值與單位時(shí)間平均放電量?jī)山M數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過實(shí)驗(yàn)分析，本文將流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油的氣泡特性匯總?cè)缦?。首先，絕緣油在含有氣泡的情況下，其實(shí)時(shí)狀態(tài)表現(xiàn)為靜止和流動(dòng)，在耐受特性方面具有巨大差異。其中，流動(dòng)狀態(tài)下的絕緣油呈現(xiàn)出較高的擊穿電壓。而在絕緣油中，氣泡含量的多少也與擊穿電壓密切關(guān)系。氣泡含量越高，絕緣油的擊穿電壓越低，其狀態(tài)越趨于穩(wěn)定。其次，在流動(dòng)狀態(tài)下，絕緣油具有的流速也與絕緣油中的氣泡有著直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，絕緣油的流動(dòng)速度越低，絕緣油產(chǎn)生的擊穿電壓越低。最后，絕緣油的溫度與絕緣油的擊穿電壓呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，峰值為60～70 ℃。在這一溫度區(qū)間內(nèi)，狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

表1 PD測(cè)試的參數(shù)計(jì)算

2 流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油氣泡放電的影響因素研究

2.1 流動(dòng)絕緣油氣泡含量影響實(shí)驗(yàn)

為了能夠?qū)α鲃?dòng)狀態(tài)下絕緣油的氣泡放電現(xiàn)象進(jìn)行深入探究，挖掘出其內(nèi)在的影響因素，本文根據(jù)前文的PD參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了特定的擊穿實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要材料為溫度為70 ℃的絕緣油，在容器中模擬流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)速度設(shè)定為15 cm/s，平板電極的距離設(shè)置為0.8 cm。為了盡可能規(guī)避實(shí)驗(yàn)過程中的干擾影響，本文在實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)置了2 mV的放電脈沖閾值[2]。實(shí)驗(yàn)使用的絕緣油分為A、B、C三組，每組分別對(duì)應(yīng)氣泡含量為75 mL、125 mL以及175 mL，從而從多個(gè)角度對(duì)PD值進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)中不同氣泡含量絕緣油的PD計(jì)算

可見，絕緣油在特定的流速和特定的溫度狀態(tài)下，油內(nèi)含有的氣泡數(shù)量越多，形成的放電重復(fù)率統(tǒng)計(jì)值和單位時(shí)間平均放電量值越高。由這一數(shù)據(jù)可以認(rèn)定，在流動(dòng)狀態(tài)下，絕緣油出現(xiàn)的氣泡含量變化能夠?qū)馀莘烹娞匦援a(chǎn)生一定影響。氣泡含量越高，絕緣油的放電程度越劇烈。實(shí)際中，變壓器的絕緣油出現(xiàn)了氣泡，可以認(rèn)定其為造成絕緣性能下降的主要原因。此時(shí)，需要及時(shí)開展針對(duì)變壓器絕緣油內(nèi)部氣體含量的檢驗(yàn)，避免因油內(nèi)出現(xiàn)氣泡含量增長(zhǎng)這一現(xiàn)象造成變壓器出現(xiàn)故障。

2.2 絕緣油流速變化影響實(shí)驗(yàn)

選取A、B、C三組絕緣油放入實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部，設(shè)定絕緣油溫度為70 ℃，油內(nèi)含有的氣泡總含量為（100±10） mL，平板電極和放電脈沖閾值的設(shè)定保持不變，三組絕緣油分別對(duì)應(yīng)的流動(dòng)速度為15 cm/s、20 cm/s和25 cm/s。通過PD參數(shù)計(jì)算獲取數(shù)值N和數(shù)值Qmin，如表3所示。

通過表3可以看到，在絕緣油的流動(dòng)狀態(tài)中，絕緣油的流動(dòng)速度越快，兩組數(shù)值的計(jì)算結(jié)果越小，說明油的流動(dòng)速度對(duì)油內(nèi)的氣泡放電一定程度上起到了抑制和削弱作用。工作人員在開展變壓器檢查時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)變壓器內(nèi)部的絕緣油流動(dòng)速度，對(duì)變壓器內(nèi)部的絕緣性能和絕緣狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行絕緣油的流速控制來完成調(diào)整[3]。

表3 實(shí)驗(yàn)中不同流速絕緣油的PD計(jì)算

2.3 絕緣油溫度變化影響實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油的溫度情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，試圖尋求不同溫度狀態(tài)下流動(dòng)絕緣油的氣泡放電狀態(tài)。設(shè)置的三組溫度分別為50 ℃、60 ℃以及70 ℃。裝置中，利用溫度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行系統(tǒng)溫度控制，并逐次記錄數(shù)據(jù)信息。當(dāng)裝置內(nèi)溫度達(dá)到45 ℃后，開始進(jìn)行氣泡注入。氣泡含量注入為200 mL，流速設(shè)定為15 cm/s，隨后啟動(dòng)油泵。通過PD測(cè)試對(duì)各組變化情況進(jìn)行記錄，得到表4的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表4 實(shí)驗(yàn)中不同溫度絕緣油的PD計(jì)算

受溫度變化影響帶來的氣泡放電特性變化特征更為顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，絕緣油在特定氣泡含量和特定流速下，溫度越高，兩項(xiàng)計(jì)算量結(jié)果越小，說明PD的劇烈程度受溫度的影響十分顯著，而在不同的溫度狀態(tài)下，其變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。本文進(jìn)行的試驗(yàn)中，兩組數(shù)據(jù)計(jì)算值均在60～70 ℃內(nèi)趨于平緩，可以為實(shí)際使用中變壓器的絕緣油溫度設(shè)置提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié) 論

當(dāng)前電力系統(tǒng)中的變壓器絕緣油氣泡放電特性，表現(xiàn)為PD實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值變化。通過實(shí)驗(yàn)可知，流動(dòng)狀態(tài)下絕緣油的內(nèi)部氣泡含量、流動(dòng)速度和絕緣油溫度等都會(huì)對(duì)絕緣油的氣泡放電產(chǎn)生直接影響。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以作為理論依據(jù)，應(yīng)用于實(shí)際的變壓器檢測(cè)工作。