大型電力變壓器油流帶電機(jī)理研究

雷秉惠，張 吉，陳 鋒，張世璐

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

主變作為電站輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行安全穩(wěn)定性對于整個(gè)系統(tǒng)來說極其重要。隨著對變壓器電壓等級和輸電可靠性要求的提高，變壓器絕緣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，冷卻需求也隨之提高，變壓器的油流帶電問題愈加嚴(yán)重。常見故障表現(xiàn)為油質(zhì)及固體絕緣件劣化，絕緣性能大大降低，嚴(yán)重情況下在絕緣表面形成碳跡，最終發(fā)展成絕緣事故[1]。因此測量變壓器油流帶電大小對于預(yù)防變壓器發(fā)生絕緣故障十分重要?，F(xiàn)今對于變壓器油流帶電機(jī)理的研究已有許多成果，研究方法也有很多，但是大多數(shù)研究僅局限于實(shí)驗(yàn)室搭建的模型或理論模型，缺乏實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。通過實(shí)測兩個(gè)廠家生產(chǎn)的相同型號大型電力變壓器各端子對地泄漏電流來分析變壓器油流帶電影響因素，并提出相應(yīng)的油流帶電抑制措施具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

2 油流帶電機(jī)理及試驗(yàn)分析

2.1 油流帶電產(chǎn)生機(jī)理

變壓器中使用了大量的固體絕緣件來提高變壓器的絕緣和機(jī)械性能，這些固體絕緣件（如絕緣紙板）的化學(xué)成分為纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素帶有羥基（-OH），木質(zhì)素帶有羥基、醛基（-CHO）和竣基（-COOH）。在變壓器油不斷流動(dòng)下，油與絕緣紙板發(fā)生摩擦，使得這些基團(tuán)發(fā)生電子云偏移產(chǎn)生-Hδ+，即纖維素和木質(zhì)素分子就被-Hδ+的正電性所覆蓋，絕緣紙板表面就如同覆蓋著一層正極性的氫原子。帶正電性的-Hδ+對油中負(fù)離子具有吸附作用，并在油—紙界面上形成偶電層。當(dāng)變壓器油以一定速度流動(dòng)時(shí)，偶電層的電荷發(fā)生分離，負(fù)電荷仍附著在紙板表面，正電荷進(jìn)入油中并隨油流動(dòng)，形成沖擊電流，如圖1 所示。這樣，油就帶正電，而紙板表面帶負(fù)電，隨著油的循環(huán)流動(dòng)，油中正電荷越積越多，當(dāng)積聚到一定程度就可能向絕緣紙板放電[2-3]。

圖1 固體絕緣材料電荷分離機(jī)理圖

2.2 油流靜電試驗(yàn)

變壓器實(shí)測試驗(yàn)同油流帶電狀況最密切，可以通過測量變壓器各端子對地泄漏電流來直觀分析油速、絕緣件品質(zhì)、變壓器結(jié)構(gòu)等因素對于油流帶電的影響。某大型水電站左右岸電站主變均為DSP-375 000/500 強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)單相變壓器。其中左岸主變由甲廠生產(chǎn)，右岸主變由乙廠生產(chǎn)。從甲、乙兩廠生產(chǎn)的變壓器中分別選取3 臺單相變壓器進(jìn)行油流靜電試驗(yàn)，對應(yīng)編號分別為甲1、甲2、甲3 和 乙1、乙2、乙3，分別測量高壓繞組端子、低壓繞組端子、鐵心接地套管端子對地泄漏電流。每隔1 h 記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)記錄見表1。

表1 油流靜電試驗(yàn)記錄

2.3 油流靜電試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

變壓器油流帶電機(jī)理可從油流的流動(dòng)作用和交流電場的電動(dòng)作用兩方面來認(rèn)識[2]。由于油流靜電試驗(yàn)是在變壓器斷電狀態(tài)下進(jìn)行的，暫不考慮交流電場的電動(dòng)作用，僅從油流的流動(dòng)方面展開分析。利用表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別制作各端子對地泄漏電流對比變化圖，見圖2。

圖2 各變壓器不同端子對地泄漏電流變化對比圖

從圖2 中可知甲廠3 臺變壓器對應(yīng)的各端子對地泄漏電流均比乙廠小，其中高壓繞組端子、低壓繞組端子對地泄漏電流明顯偏小，鐵心套管端子對地泄漏電流相差不大；同一臺變壓器低壓繞組端子泄漏電流明顯大于高壓繞組端子，高壓繞組端子泄漏電流明顯高于鐵心套管端子。油溫、油速、絕緣材料品質(zhì)、電場強(qiáng)度是影響變壓器油流帶電程度的主要因素。其中絕緣分為固體絕緣件和絕緣油，6 臺變壓器絕緣油品牌相同，油品質(zhì)相同，排除絕緣油的作用，而兩廠變壓器使用的固體絕緣材料略有不同，不能忽視。油溫和電場強(qiáng)度也是影響變壓器油流帶電強(qiáng)弱的重要因素，因本次試驗(yàn)在不帶電條件下進(jìn)行，且所有變壓器油溫均控制在40℃左右，無明顯差別，故不進(jìn)行分析。值得注意的是兩廠變壓器油道結(jié)構(gòu)與冷卻器型號有明顯區(qū)別，而油速主要取決于油道和冷卻器結(jié)構(gòu)。

2.3.2 影響因素分析

（1）固體絕緣材料品質(zhì)

兩廠變壓器的器身絕緣整體結(jié)構(gòu)相同，主絕緣均為薄紙筒小油隙、絕緣壓板壓緊結(jié)構(gòu)。有一點(diǎn)需要注意的是兩廠變壓器內(nèi)所使用的各種固體絕緣材料表面粗糙度不同，材料表面粗糙度增大，實(shí)際上是增加了與油質(zhì)的接觸面積，從而增加了吸附電荷的能力，變得更易積累電荷，相應(yīng)的泄漏電流也越大。甲廠使用的絕緣材料經(jīng)過了密化處理，品質(zhì)更好，用其加工制作而成的絕緣件外表面更光滑平整，毛刺較少。因此油流與絕緣件表面摩擦累積的電荷將更少，相應(yīng)的油流帶電程度更弱，整體上各端子對地泄漏電流更小。

（2）油道

兩廠變壓器鐵心整體為三柱兩框式結(jié)構(gòu)，鐵心制作中采用的材料基本相同，且油道寬度和數(shù)量接近。區(qū)別在于乙廠鐵心油道呈縱、橫十字交叉結(jié)構(gòu)，甲廠僅為橫向油道，油流經(jīng)過乙廠變壓器鐵心時(shí)流速略高于甲廠，所以相應(yīng)的鐵心套管端子對地泄漏電流測量值較高，油流帶電程度比較接近，但是與高、低壓繞組端子相比則明顯小得多，主要是涉及到的絕緣材料更少。

兩廠變壓器繞組均為組合式繞組，油道結(jié)構(gòu)類似。高壓繞組均為“Z”型油道。低壓繞組均為雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，整體呈現(xiàn)“T”型結(jié)構(gòu)。由于低壓繞組油道結(jié)構(gòu)不同于高壓繞組，其流速將明顯高于高壓繞組，且螺旋式結(jié)構(gòu)相比于連續(xù)式結(jié)構(gòu)中油流不僅存在層流，還有明顯的紊流現(xiàn)象，這些因素都將導(dǎo)致低壓繞組油流帶電程度強(qiáng)于高壓繞組，相應(yīng)的低壓繞組端子泄漏電流明顯大于高壓繞組，與試驗(yàn)結(jié)果也相符。變壓器油流示意圖見3，繞組結(jié)構(gòu)見 圖4。

圖3 油流示意圖

圖4 繞組結(jié)構(gòu)

（3）冷卻器

兩廠變壓器電氣參數(shù)相同，冷卻器略有不同，其中甲廠冷卻器額定油流量為70 m3/h，乙廠額定油流量為88 m3/h。兩廠變壓器的冷卻器進(jìn)出油管徑均為DN200。甲廠的油流速度明顯小于乙廠，故甲廠變壓器相應(yīng)各端子油流帶電程度均低于乙廠，這也說明了油速對于變壓器油流帶電有重要影響作用。隨時(shí)間推移，油流趨于穩(wěn)定，油流帶電也隨之趨于平穩(wěn)。

在變壓器不帶電、同溫度以及使用同一種絕緣油的情況下，影響變壓器油流帶電的主要因素是油速和絕緣件品質(zhì)。油速越低，絕緣件品質(zhì)越高，油流帶電程度越弱，相應(yīng)的對地泄漏電流也越小。

2.4 抑制油流帶電的措施

2.4.1 降低油流速度

降低油速是防止油流帶電的有效措施，通常將流速控制在0.5 m3/s 以下，能有效減少因油流帶電而發(fā)生的放電事故。在保證變壓器各熱點(diǎn)溫升不超標(biāo)的前提下，利用各種先進(jìn)的仿真軟件，不斷優(yōu)化油道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及選用適當(dāng)?shù)睦鋮s器能將油速控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。特別是低壓繞組油道需要重點(diǎn)考慮，低壓繞組絕緣最薄弱，而油流帶電程度最強(qiáng)，更易發(fā)生故障。在油道設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)加強(qiáng)絕緣、增加油道尺寸、減少紊流，相應(yīng)的冷卻器應(yīng)當(dāng)選擇低流速、大流量、性能優(yōu)良的產(chǎn)品[4]。

2.4.2 提高絕緣材料品質(zhì)

變壓器中固體絕緣材料品質(zhì)對油流帶電影響十分明顯，選用優(yōu)質(zhì)絕緣材料并且提高其加工水平來抑制油流帶電是行之有效的。例如在制作各種絕緣件的過程中選用高精度機(jī)床并嚴(yán)格控制工藝，保證所有絕緣件表面及棱角處光滑平整、少毛刺，可以很好的減弱油流帶電。

3 結(jié)論

利用變壓器實(shí)體模型分析研究變壓器油流帶電的產(chǎn)生機(jī)理以及相關(guān)影響因素十分重要。通過直接測量變壓器各端子對地泄漏電流能夠定性判斷影響油流帶電的主要原因。絕緣件外表越光滑、質(zhì)量越好油流帶電程度越弱，油速越低，油流帶電程度也會(huì)減弱。因此變壓器在設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)不斷優(yōu)化絕緣材料加工工藝、合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)和油道結(jié)構(gòu)來抑制油流帶電，進(jìn)而不斷提高變壓器制造質(zhì)量，避免變壓器在運(yùn)行工況下發(fā)生油流帶電造成設(shè)備絕緣 故障。