含金屬微粒流動(dòng)變壓器油的直流局部放電與擊穿特性研究

王金銅， 溫剛， 姜東飛， 黃志強(qiáng)， 張玉輝， 潘卓洪

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司超高壓分公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.華北電力大學(xué)（保定） 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引 言

換流變壓器作為高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其絕緣可靠性直接影響著整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行[1-3]。變壓器油作為換流變壓器的主要液體絕緣介質(zhì)，其品質(zhì)關(guān)系著變壓器絕緣性能的優(yōu)劣。然而，由于機(jī)械振動(dòng)、油泵損耗等原因[4-5]，實(shí)際運(yùn)行變壓器油中不可避免地會(huì)混入如自由金屬微粒、纖維顆粒一類的固體顆粒污染物[6-7]。其中，金屬微粒因具有良好的導(dǎo)電性，極易在靠近內(nèi)部導(dǎo)體表面時(shí)造成局部的電場畸變。若金屬顆粒在油道內(nèi)聚集，會(huì)大幅縮短油隙的絕緣有效距離，導(dǎo)致油隙的局部放電（PD）起始電壓和擊穿電壓下降[8-9]，對變壓器油的絕緣性能危害很大。因此，金屬微粒通常被視為變壓器液相絕緣中危害最大的污染雜質(zhì)之一。

國內(nèi)外學(xué)者針對含金屬微粒變壓器油的PD與擊穿特性開展了大量研究。付守海等[10]對交流電場下變壓器油中自由金屬微粒引起的PD進(jìn)行了深入研究，分析了微粒粒徑和材質(zhì)以及油中微水含量對放電量的影響。結(jié)果表明，銅微粒的起跳電壓和PD起始電壓最高，鋁的最低，鐵的介于兩者之間，且油中微水含量對PD特性沒有明顯影響。R SARATHI等[11-12]利用脈沖電流法和特高頻（ultra high frequency，UHF）天線研究了交流和直流電場下變壓器油中自由金屬微粒導(dǎo)致的PD。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在交流電壓下，電流脈沖上升時(shí)間只有幾個(gè)納秒，激發(fā)的電磁波信號主頻為1.0 GHz；直流電壓下PD的UHF信號幅值較高，局部放電起始電壓（PDIV）低，正、負(fù)極性直流電壓下的PD特性一致。WEI C等[13]分別在交流和直流電壓下測量了被不同尺寸和顆粒數(shù)的鐵顆粒和銅顆粒污染絕緣油的擊穿電壓。結(jié)果表明，絕緣油的擊穿電壓隨著顆粒數(shù)的增加而降低，直流電壓下的擊穿電壓低于交流電壓下的擊穿電壓，其中直徑較大的鐵顆粒污染的絕緣油擊穿電壓較低。

上述研究均在靜止變壓器油中進(jìn)行，然而，實(shí)際電力變壓器常采用強(qiáng)迫油循環(huán)或強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)的冷卻方式，油道間的變壓器油通常處于流動(dòng)狀態(tài)[14]。文獻(xiàn)[15-16]針對流動(dòng)變壓器油中金屬微粒引發(fā)的局部放電特性進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，隨著流速的增大，PD程度降低，隨著油溫的升高，放電程度降低，在80℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。但研究僅針對油中單顆金屬微粒進(jìn)行，且對于含金屬微粒的流動(dòng)油的擊穿特性研究不足。

已有研究表明，直流電壓下油隙中金屬微粒更易聚集于高電場區(qū)域，致使絕緣油的絕緣強(qiáng)度進(jìn)一步降低[17-18]。為此，本研究構(gòu)建變壓器油循環(huán)系統(tǒng)，分別搭建變壓器油中金屬微粒PD與擊穿特性試驗(yàn)平臺，在直流電壓下開展不同流速下含微粒變壓器油的PD與擊穿試驗(yàn)，提取PD特征量，獲取不同流速下?lián)舸╇妷旱腤eibull分布圖，并進(jìn)一步總結(jié)特征擊穿電壓隨流速的變化規(guī)律。最后，根據(jù)所捕獲的油隙微粒分布影像，針對流速對PD和擊穿特性的影響機(jī)制進(jìn)行討論。

1 試驗(yàn)平臺及方法

本研究搭建的變壓器油循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，主要由主油道、油泵、溫度控制單元、流速控制單元、球-球電極等部分組成。油泵驅(qū)動(dòng)變壓器油在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。流速控制系統(tǒng)通過變頻器改變油泵轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)對油流速度的連續(xù)調(diào)節(jié)。依據(jù)變壓器運(yùn)行規(guī)范，目前國內(nèi)變壓器油道內(nèi)油流速度不超過0.30 m/s[14]，故試驗(yàn)過程中控制油流速度為0～0.3 m/s。溫度控制單元由溫度傳感器、加熱電阻、智能數(shù)顯溫控儀等組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)節(jié)裝置內(nèi)變壓器油溫度。球-球電極直徑為35 mm、電極厚度為10 mm、上下電極弧頂間距為2.5 mm，上下電極尺寸一致，施加電壓后間隙內(nèi)形成稍不均勻電場。主油道上方油枕瓶與外界連通，確保試驗(yàn)過程中平臺內(nèi)部壓力始終與外界保持一致。

本研究搭建的流動(dòng)變壓器油PD特性試驗(yàn)平臺如圖2所示，采用TRC2025型高壓直流電源向高壓極施加直流高壓。從分壓器引出的電壓信號通過衰減探頭接入Tektronix DPO7104型數(shù)字示波器。采用并聯(lián)法測量PD。Ck（1 053 pF）為耦合電容，Z為實(shí)驗(yàn)室常用測量阻抗。在研究流動(dòng)油的擊穿特性時(shí)，為記錄油隙擊穿過程中產(chǎn)生的放電信號并保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，在原有回路中拆除耦合電容與匹配阻抗，改為接入HFCT 39型高頻CT傳感器，并通過衰減探頭（衰減倍數(shù)為20倍）接入示波器。試驗(yàn)過程中采用高速攝像機(jī)記錄微粒分布情況，攝像機(jī)幀率為5 000 fps，并利用高強(qiáng)度無頻閃LED冷光源對油道內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)光，確保圖像的清晰度，捕捉到的影像傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。

試驗(yàn)變壓器油為實(shí)際變壓器中常用的克拉瑪依25#變壓器油。試驗(yàn)前，先對變壓器油進(jìn)行過濾、脫氣、干燥等處理，并通過注油口將處理后的變壓器油充滿油道。實(shí)際運(yùn)行變壓器油中金屬顆粒粒徑為50～200 μm，而直徑大于100 μm的金屬微粒對于絕緣油的危害巨大，故選取平均直徑為150 μm的金屬微粒進(jìn)行研究。本研究通過注油口向裝置內(nèi)注入7 g直徑為150 μm的鐵微粒，控制裝置內(nèi)部微粒濃度為約40顆/mL，以有效模擬微粒的實(shí)際污染等級。開啟油泵10 min，使油道內(nèi)的金屬微粒與變壓器油充分混合后開始試驗(yàn)。

根據(jù)IEC 62539-2007，本研究采用雙參數(shù)Weibull模型對不同流速下含微粒變壓器油的擊穿電壓進(jìn)行分析[19]。雙參數(shù)Weibull分布模型的失效分布函數(shù)如式（1）所示。

式（1）中：t為變量，此處為試驗(yàn)獲得的流動(dòng)變壓器油擊穿電壓，隨著t的增大，變壓器油的失效概率增大；α為尺度參數(shù)，當(dāng)外加電壓為α?xí)r，絕緣油的累計(jì)擊穿概率達(dá)到63.2%，用于描述絕緣油的特征電場強(qiáng)度；β為形狀參數(shù)，其數(shù)值決定了Weibull分布曲線的形狀，代表擊穿概率隨外加電壓增大的變化速率。尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β可利用文獻(xiàn)[19]中的方法獲取。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 PD特性

采用逐步升壓法，測量了不同油流速度下含微粒變壓器油的PDIV，每組試驗(yàn)重復(fù)10次并求取平均值，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)變壓器油處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其PDIV僅為19.1 kV；隨著油流速度的增大，起始電壓整體呈升高趨勢，當(dāng)油流速度為0.30 m/s時(shí)，PDIV達(dá)到25.0 kV，相較于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)PDIV上升了30.9%?？梢妼τ诤饘傥⒘５淖儔浩饔投?，流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的PDIV高于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖3 PDIV隨油流速度的變化Fig.3 Change of PDIV with oil flow velocity

眾所周知，PD發(fā)生是一個(gè)隨機(jī)過程，其放電量、放電次數(shù)等特征量均存在明顯的隨機(jī)特征。而金屬微粒進(jìn)入電場區(qū)域時(shí)位置也是隨機(jī)分布，進(jìn)一步導(dǎo)致含金屬微粒變壓器油的PD特性存在隨機(jī)性。因而研究含金屬微粒流動(dòng)變壓器油中的單次PD信號意義不大，必須統(tǒng)計(jì)分析PD特征量，以揭示PD特性隨油流速度的變化規(guī)律。為了進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)分析，須保證測得的PD信號中包含足夠多的放電數(shù)據(jù)。同時(shí)為了獲得穩(wěn)定的PD信號且保證絕緣油不發(fā)生擊穿，本研究選擇29 kV的正極性直流電壓進(jìn)行PD試驗(yàn)。每個(gè)流速下連續(xù)采集10 min PD信號，重復(fù)試驗(yàn)5次。根據(jù)放電數(shù)據(jù)提取放電重復(fù)率、平均放電量和每分鐘累積放電量3個(gè)典型特征量隨油流速度的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 PD特征量隨油流速度的變化Fig.4 Change of PD characteristic quantities with oil flow velocity

從圖4(a)可以看出，當(dāng)變壓器油靜止時(shí)，放電重復(fù)率約為335次/min，隨著油流速度從0.06 m/s增大至0.30 m/s，放電重復(fù)率從255次/min大幅降低至150次/min，可見放電重復(fù)率隨著油流速度的增大顯著降低。油流速度由0 m/s增大到至0.30 m/s時(shí)，放電重復(fù)率降低了55.2%。從圖4(b)可以看出，靜止變壓器油中平均放電量為107 pC，而當(dāng)變壓器油開始流動(dòng)后，平均放電量變化較小，最大變化幅值僅為12 pC，考慮到放電量的隨機(jī)分散性，可以認(rèn)為油流速度對平均放電量無影響。從圖4(c)可知，隨著油流速度的增大，單位時(shí)間累積的放電量逐漸降低，其變化趨勢與放電重復(fù)率一致。油流速度由0 m/s增大到至0.30 m/s時(shí)，單位時(shí)間累積放電量降低了56.9%。

2.2 擊穿特性

本研究開展了不同流速下流動(dòng)變壓器油的擊穿特性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中以2 kV/s的速度逐步升壓，記錄擊穿電壓和放電信號。每個(gè)流速下的擊穿測試重復(fù)5次，兩次試驗(yàn)間隔不少于5 min，以減少空間電荷和擊穿產(chǎn)物的影響。

圖5為不同流速下含微粒變壓器油的擊穿電壓威布爾分布結(jié)果，相關(guān)參數(shù)如表1所示。從圖5可以看出，油流靜止時(shí)含金屬微粒變壓器油的擊穿電壓Weibull分布曲線分布于最左側(cè)，表明此時(shí)變壓器油的擊穿電壓最低，耐受能力最差；隨著油流速度的增大，擊穿電壓Weibull曲線呈現(xiàn)右移的趨勢，即油流動(dòng)提升了變壓器油的絕緣性能，提高了擊穿電壓。從表1可以看出，隨著油流速度的增大，變壓器油的擊穿電壓先迅速升高后達(dá)到穩(wěn)定，油靜止時(shí)變壓器油的特征擊穿電壓最低，僅為47.30 kV，當(dāng)油流速度達(dá)到0.30 m/s時(shí)，特征擊穿電壓提高了15.6%。流動(dòng)時(shí)變壓器油擊穿電壓的形狀參數(shù)β大于靜止時(shí)，表明油流動(dòng)對電壓的升高影響較為明顯。

表1 變壓器油直流擊穿電壓的Weibull分布參數(shù)Table 1 Weibull distribution parameters of DC breakdown voltage of transformer oil

3 分析與討論

現(xiàn)有研究表明，含金屬微粒變壓器油的PD和擊穿特性與油中微粒的分布行為緊密相關(guān)，微粒在油中的積聚會(huì)顯著降低其PDIV與擊穿電壓[8-9]。本研究利用高速相機(jī)捕獲了不同油流速度下電極間油隙的金屬微粒分布影像，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，施加電壓后油靜止時(shí)，金屬顆粒會(huì)在球-球電極間匯聚，顆粒間距離較近，且濃度較高；當(dāng)油流度為0.10 m/s時(shí)，油隙內(nèi)的顆粒濃度顯著低于油靜止時(shí)，顆粒分布變得稀疏，聚集區(qū)域變??；當(dāng)油流速度增大至0.30 m/s后，油隙內(nèi)顆粒數(shù)量變得極少。由于金屬微粒的導(dǎo)電性極好，大量顆粒在高電場區(qū)匯聚時(shí)將導(dǎo)致電極油隙內(nèi)電場發(fā)生嚴(yán)重畸變，引發(fā)局部放電。因此當(dāng)油靜止時(shí)放電重復(fù)率最高，單位時(shí)間累積放電量最大。當(dāng)變壓器油流速度增大后，油隙內(nèi)聚集的微粒數(shù)量減少，油隙內(nèi)電場畸變程度減弱。同時(shí)微粒數(shù)量的減少也減小了其與電極發(fā)生碰撞的概率，致使放電頻率下降，累積放電量降低。

圖6 不同油流速度下油隙的金屬顆粒分布Fig.6 Particle distributions between oil gap under different oil flow velocity

此外，利用高頻CT與示波器捕獲并記錄了含微粒流動(dòng)變壓器油發(fā)生擊穿時(shí)的放電信號。流動(dòng)變壓器油（油流速度為0.10 m/s）中典型擊穿波形如圖7所示。從圖7可以看出，油隙的貫穿性擊穿在0 ms時(shí)刻發(fā)生，在擊穿前1 μs、0.206 ms、0.921 ms等時(shí)刻發(fā)生了數(shù)次大小不一的局部放電，而擊穿發(fā)生后，放電信號幅值出現(xiàn)間歇性波動(dòng)，這是由于在氣象通道中存在大量正負(fù)離子相互中和，引發(fā)數(shù)次電弧放電，誘使信號劇烈波動(dòng)。由此可見，油隙的完整擊穿是由金屬微粒導(dǎo)致的局部放電引發(fā)的，PD發(fā)生后油隙的絕緣強(qiáng)度降低，大幅提升了擊穿發(fā)生的可能性。即金屬微粒在高電場區(qū)匯聚將導(dǎo)致油隙內(nèi)電場發(fā)生嚴(yán)重畸變，使得發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移、電極附近微放電以及電暈放電的次數(shù)有所增加，變壓器油耐電能力減弱，更易發(fā)生擊穿。當(dāng)油流速度增大后，間隙間微粒數(shù)量減少，局部放電頻率和累積放電量下降，從而降低了油隙擊穿的發(fā)生概率，提高了特征擊穿電壓。

圖7 流動(dòng)變壓器油中典型擊穿信號波形Fig.7 Breakdown signal waveform in flowing transformer oil

4 結(jié) 論

（1）相比流動(dòng)變壓器油，靜止變壓器油的PDIV最低；油流速度由0 m/s增大至0.30 m/s，含金屬微粒變壓器油的PDIV上升了30.9%，放電重復(fù)率降低了55.2%，平均放電量不變，單位時(shí)間累積放電量降低了56.9%，即含金屬微粒變壓器油的PD程度隨著油流速度的增大而減弱。

（2）油靜止時(shí)含金屬微粒變壓器油的擊穿電壓Weibull分布曲線分布于最左側(cè)，隨油流速度的增大，擊穿電壓Weibull曲線呈現(xiàn)右移的規(guī)律。當(dāng)油流速度由0 m/s增大至0.30 m/s時(shí)，特征擊穿電壓提高了15.6%，即油流動(dòng)提升了變壓器油的絕緣性能。

（3）油中PD與擊穿特性和金屬微粒的聚集行為相關(guān)。顆粒在高電場區(qū)匯聚將導(dǎo)致油隙內(nèi)電場發(fā)生嚴(yán)重畸變，引發(fā)局部放電。當(dāng)油流動(dòng)后，間隙內(nèi)的顆粒濃度顯著低于油靜止時(shí)，顆粒分布變得稀疏，因此當(dāng)油靜止時(shí)放電程度最高。油隙擊穿是由金屬微粒導(dǎo)致的局部放電引發(fā)的，油流速度增大，PD強(qiáng)度降低，降低了擊穿發(fā)生的概率。