劉青松 鄧軍 池明赫 陳慶國(guó)

摘?要：為研究水分對(duì)復(fù)合電場(chǎng)下油紙絕緣局部放電特性的影響，文章進(jìn)行了不同含水率下的油紙絕緣結(jié)構(gòu)典型電場(chǎng)下局放特性試驗(yàn)，得到了不同含水率下，油紙絕緣在針-板電極和平板電極中的復(fù)合電場(chǎng)局放特性。結(jié)果顯示，直流分量對(duì)局放起始電壓及局放量影響較大。不同含水率下局放量均隨電壓的升高而增大。極不均勻電場(chǎng)下，高含水率下的局放量始終大于或等于低含水率時(shí);均勻電場(chǎng)下，高低含水率下的局放曲線隨電壓升高出現(xiàn)交叉。經(jīng)分析得出結(jié)論，水分使變壓器油電導(dǎo)率增大，易于油水界面空間電荷消散，導(dǎo)致放電量增加。液體介質(zhì)中的局部放電除經(jīng)典的介質(zhì)中氣泡缺陷模型外，還可能存在多水滴融合缺陷模型。該缺陷是導(dǎo)致平板電極下高低含水率的油紙絕緣放電曲線出現(xiàn)交叉的主要原因。

關(guān)鍵詞：換流變壓器，油紙絕緣，復(fù)合電場(chǎng)，水分，局部放電

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.015

中圖分類號(hào)： TM85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）06-0082-06

Abstract：In order to study the effect of moisture on PD characteristics for oil-paper insulation in complex electric field?PD tests with different moistures were carried out under the typical electric-field of oil-paper insulation.?The PD characteristics under needle-plane electrodes and plane-plane electrodes were obtained sepratedly in complex electric field with different moistures.?The result shows that DC content has a great effect on the inception voltage and PD volume.?All the PD volume grow up with the voltage rises under different moisture.?In severe non-uniform electric field?PD volume in high moisture is always larger than the one in low moisture or equal to it.?In uniform electric field?the PD curve in high moisture crosses with the one in low moisture.Via analyzing?it is concluded that the conductivity in oil is increased by moisture?which makes the space charge disappeared easier from oil-water interface?and then enhances the PD volume.?There may be a bubble combination defects PD model in liquid dielectrics?besides a classic bubble defects PD model.?The bubble combination maybe the major reason which results in the PD curves in high and low moisture crossing over under plane-plane electrodes.

Keywords：converter transformer; oil-pressboard insulation; complex electric field; moisture; partial discharge

0?引?言

隨著電網(wǎng)向遠(yuǎn)距離、高電壓、大容量的趨勢(shì)發(fā)展，直流輸電（HVDC）的優(yōu)越性愈發(fā)明顯[1]。換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其可靠與否直接影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性[2]。大量資料表明變壓器事故以絕緣故障為主[3-4]。換流變壓器內(nèi)絕緣與普通電力變壓器不同，其閥側(cè)主絕緣除承受交流電壓、雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓外，還承受直流電壓、交直流疊加電壓以及極性反轉(zhuǎn)電壓的作用[5-8]。因此對(duì)復(fù)合電場(chǎng)下油紙絕緣特性進(jìn)行研究顯得十分必要。

局部放電作為絕緣擊穿前的預(yù)放電現(xiàn)象之一經(jīng)常被用來判斷絕緣狀態(tài)的好壞，且研究預(yù)放電過程對(duì)于了解擊穿的過程及機(jī)理有著重要的意義 [11-13]。對(duì)此，日本學(xué)者E.Takahashi對(duì)油紙復(fù)合絕緣進(jìn)行了局部放電測(cè)試表明，直流疊加交流起始局放電壓與直流電壓分量無關(guān);極性反轉(zhuǎn)起始局放電壓隨反轉(zhuǎn)前施加電壓的增加明顯下降[10]。華北電力大學(xué)的李成榕教授等人對(duì)通過球-板電極對(duì)油紙絕緣施加交流、直流以及交直流復(fù)合電壓，研究了油紙絕緣在不同電壓類型下發(fā)生起始放電時(shí)的起始放電電壓、視在放電量、放電相位以及放電波形等的差異[14]。重慶大學(xué)的李劍教授等人在交直流疊加電壓下對(duì)不同的放電模型進(jìn)行了局放信號(hào)統(tǒng)計(jì)分布以及產(chǎn)氣特性分析[15-16]。各電網(wǎng)公司也對(duì)交直流疊加電壓下的油紙絕緣局放特性進(jìn)行了研究[17-18]。但以往的分析主要注重交直流疊加電壓中直流分量對(duì)局放特性的影響，忽略了溫度、濕度等因素的作用。而油紙絕緣受溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大，并且在復(fù)合電場(chǎng)及直流電場(chǎng)下所受影響尤為嚴(yán)重[19-23]，因此有必要對(duì)環(huán)境因素影響下油紙絕緣的復(fù)合電場(chǎng)局放特性開展研究。

為此本文對(duì)不同含水率的油紙組合絕緣分別在針-板電極和板-板電極下進(jìn)行了不同直流含量的復(fù)合電場(chǎng)局放特性試驗(yàn)，得到了水分影響下油紙復(fù)合絕緣的復(fù)合電場(chǎng)局放特性。通過分析建立了高含水率下的油紙復(fù)合絕緣復(fù)合電場(chǎng)局放模型。

1?試驗(yàn)平臺(tái)

1.1?試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文采用板-板電極和針-板電極兩種模型分別對(duì)不同含水率的油紙組合絕緣進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)，其中針-板電極的鎢針事先通過電化學(xué)腐蝕的方法進(jìn)行預(yù)處理，處理后針尖曲率半徑為3±0.1μm。電極結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示。

1.2?試樣預(yù)處理

試驗(yàn)所采用的變壓器油為昆侖45Symbolc@@

變壓器油，試驗(yàn)前需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，使之處理后滿足要求：含水率小于10mg/kg、擊穿電壓大于55kV（按標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 507-2002絕緣油擊穿》測(cè)量）、90℃時(shí)2kV電壓下介質(zhì)損耗小于0.4%。為觀察水分對(duì)油紙絕緣局放特性的影響，在制作高含水率的試樣時(shí)，將上述干燥的變壓器油放置于溫度為60℃相對(duì)濕度為80%的密閉環(huán)境中使之自然吸潮。吸潮前變壓器油含水率為10mg/kg（為描述方便后文簡(jiǎn)稱“低含水率”），吸潮后變壓器油含水率為20mg/kg（后文簡(jiǎn)稱“高含水率”）。

本文在實(shí)驗(yàn)中所用紙板均為油浸紙板。制作油浸紙板的過程如下：選用魏德曼公司的1mm厚層壓紙板，將紙板裁剪后統(tǒng)一進(jìn)行干燥處理，高溫干燥后在真空下浸變壓器油，密封保存，浸油后的紙板含水量小于0.4%。為方便描述，下文中將油浸紙板簡(jiǎn)稱為紙板或紙。

1.3?復(fù)合電場(chǎng)表述

本文試驗(yàn)中所用交流疊加直流電壓波形如圖3所示。

圖3中，Udc為直流分量平均值，Um為交流分量峰值。為表述方便，將復(fù)合電壓中的交流含量定義為：

1.4?升壓方式

試驗(yàn)開始后以勻速升壓至出現(xiàn)局部放電信號(hào)開始記錄5min內(nèi)的平均放電量，而后繼續(xù)升壓，為縮短試驗(yàn)時(shí)間，升壓步長(zhǎng)根據(jù)局放量增長(zhǎng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，局放增長(zhǎng)速度越快升壓步長(zhǎng)越短。為防止試樣擊穿造成設(shè)備損壞，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過32kV/mm（幅值）或局放量超過1200pC時(shí)停止試驗(yàn)。

1.5?局部放電檢測(cè)

對(duì)局放信號(hào)的測(cè)量采用脈沖電流法，升壓設(shè)備為工頻無局放變壓器，檢測(cè)設(shè)備為Hipotronics公司的DDX-7000型局放檢測(cè)儀。檢測(cè)線路如下圖所示，背景噪聲小于5pC。

圖中：R為保護(hù)電阻，CX為試樣，CK為耦合電容器，ZK為檢測(cè)阻抗。

由于局放對(duì)絕緣壽命的影響不僅取決于單次放電量大小還與放電次數(shù)有關(guān)，因此本文在試驗(yàn)中所測(cè)局放量為單位時(shí)間內(nèi)的平均放電量。

2?試驗(yàn)結(jié)果

針-板電極和板-板電極下不同含水率的油紙組合絕緣復(fù)合電場(chǎng)局放電壓與局放量的關(guān)系如圖5至圖8所示。

由圖5～圖8可見，不同直流含量的復(fù)合電壓下，局放量隨電壓的升高均呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，且交流含量越高其上升速度越快。交流含量越低，局放起始電壓越高;相同電壓幅值下，交流含量越低局放量越低;含水率較高時(shí)現(xiàn)象更加明顯。

為方便觀察不同交流含量的復(fù)合電壓下水分對(duì)油紙復(fù)合絕緣局放特性的影響，將相同電壓波形下，電場(chǎng)均勻程度相同但含水率不同的兩條局放曲線放在一起進(jìn)行比較，如圖9所示。

由圖9可見，針-板電極下，相同電壓時(shí)高含水率的局放量始終高于低含水率時(shí)的局放量或基本與之相同;但板-板電極下，出現(xiàn)了兩條曲線交叉情況。

低含水率情況下，隨電壓上升局放量呈指數(shù)增長(zhǎng);高含水率情況下，隨電壓上升局放量初始階段增長(zhǎng)得較慢，當(dāng)電壓到達(dá)某個(gè)點(diǎn)后，局放量增長(zhǎng)速度突然增大。高含水率下局放量與電壓的關(guān)系更接近于分段函數(shù)，該函數(shù)曲線由兩條直線組成，曲線的前半段較緩，后半段較陡。

3?試驗(yàn)結(jié)果分析

由于油紙間水分平衡所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般需30天以上才能達(dá)到平衡狀態(tài)，本文中變壓器油吸潮后立即進(jìn)行局放試驗(yàn)，因此認(rèn)為紙板的含水率不變。

對(duì)于以上試驗(yàn)現(xiàn)象可通過經(jīng)典局放模型進(jìn)行解釋，在油紙絕緣中變壓器油內(nèi)不可避免的會(huì)存有氣泡和水滴，這與經(jīng)典的固體電解質(zhì)中氣泡缺陷原理基本相同，如圖10所示。

由于變壓器油中的氣泡和水滴擊穿強(qiáng)度小于外界的變壓器油，隨電壓上升氣泡或水滴會(huì)首先被擊穿或在電場(chǎng)下產(chǎn)生電荷移動(dòng)，擊穿后產(chǎn)生的電荷將在外施電場(chǎng)的作用下遷移到氣泡（或水滴）與變壓器油之間的界面處，形成與外界電場(chǎng)方向相反的退電場(chǎng)。退電場(chǎng)與外施電場(chǎng)之和小于氣泡（或水滴）的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，放電將會(huì)停止。界面處的空間電荷能夠通過外界變壓器油向電極泄漏，退電場(chǎng)將會(huì)隨電荷的泄漏而減小，當(dāng)退電場(chǎng)減小到一定程度，放電或電荷遷移將再次開始，如此往復(fù)循環(huán)。

因此當(dāng)含水率增加，泄漏電流將上升，易于電荷消散，局放次數(shù)會(huì)增加;含水率增加也會(huì)導(dǎo)致油內(nèi)的水滴增多，二者均會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)平均局放量的增大。

由文[9]分析已知，交直流疊加電場(chǎng)中直流分量電場(chǎng)主要集中在紙板纖維上，且紙板纖維的耐直流能力較強(qiáng)不易發(fā)生放電，因此隨直流分量上升（即直流分量h下降）局放起始電壓將上升，如圖5～圖8所示。同理，要達(dá)到相同局放量時(shí)，直流分量大的情況下所需電壓也高。

針-板電極下，主要由以上原因?qū)е铝私^緣中的局部放電。針-板電極下電場(chǎng)集中，容易放電，因此在高含水率時(shí)局放量將大于低含水率時(shí)。但平板電極下情況略有不同。

平板電極下電場(chǎng)較為均勻，與針-板電極相比不易放電。由于水滴中存在較多可移動(dòng)電荷，在電場(chǎng)作用下向電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)，停留在油水界面處，形成了退電場(chǎng)，提高了局放電壓。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，水滴不易放電同時(shí)水分增加使之內(nèi)部容易形成退電場(chǎng)，因此平板電極下在低電場(chǎng)時(shí)反而可能出現(xiàn)高含水率下的放電量小于低含水率的情況。

油紙復(fù)合絕緣的局部放電模型除經(jīng)典的固體介質(zhì)中氣泡缺陷模型外，還可能存在多水滴融合缺陷模型，如圖11所示。與經(jīng)典的固體電介質(zhì)中氣泡缺陷模型不同，由于液體的流動(dòng)性，水滴在電場(chǎng)下被極化后會(huì)沿著電場(chǎng)方向排列，當(dāng)兩個(gè)水滴距離足夠近且電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，水滴間的異號(hào)電荷將通過變壓器油放電，融合成一個(gè)新的體積較大的水滴。由于水滴的相對(duì)介電常數(shù)較大，在電場(chǎng)下產(chǎn)生的極化電荷較多，因此水滴間放電時(shí)局放量較大。該放電需要通過水滴間的變壓器油分子，所需場(chǎng)強(qiáng)較高，只有在電壓較高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)此種多水滴融合放電。所以在平板電極下高含水率的油紙絕緣中，當(dāng)電壓升高到一定程度局放量會(huì)突然增加，且放電量隨電壓快速上升。

正是由于平板電極下高含水率的油紙絕緣在低場(chǎng)強(qiáng)和高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生局部放電的機(jī)理不同，導(dǎo)致了其放電曲線斜率有一個(gè)明顯的變化。

4?結(jié)?論

本文通過典型電場(chǎng)下不同含水率的油紙絕緣復(fù)合電壓局放特性試驗(yàn)，得到了水分影響下油紙絕緣的復(fù)合電場(chǎng)局放特性。得出了以下結(jié)論：

1）不同直流含量的復(fù)合電壓下，局放量隨電壓的升高呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。交流含量越高其上升速度越快;交流含量越低，局放起始電壓越高;

2）極不均勻電場(chǎng)下，高含水率的局放量始終高于低含水率時(shí)或基本與之相同;均勻電場(chǎng)下，高低含水率時(shí)的局放曲線出現(xiàn)了交叉情況;

3）液體介質(zhì)中的局部放電除經(jīng)典的介質(zhì)中氣泡缺陷模型外，還存在多水滴融合缺陷模型。均勻電場(chǎng)下，含水率不同時(shí)放電的機(jī)理不同，是導(dǎo)致其放電曲線出現(xiàn)交叉的主要原因。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]?GUAN Zhicheng，ZHANG Fuzeng，WANG Guoli，et al.Challenge of Ultra High Voltage Transmission Technology in China[R].Beijing，China：ISH，2005.

[2]?國(guó)家電網(wǎng)公司.?2008年國(guó)家電網(wǎng)公司變壓器類設(shè)備專業(yè)總結(jié)報(bào)告[R].中國(guó)電力科學(xué)研究院?北京?2009.

[3]?孫建鋒，葛睿，鄭力?等.?2010年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[J]. 中國(guó)電力?2010?44（5）：1-4.

[4]?王夢(mèng)云.?2004 年度110kV及以上變壓器事故統(tǒng)計(jì)分析[J]. 電力設(shè)備?2005?6（11）：31-37.

[5]?HASEGAWA T，YAMAJI K.Dielectric Strength of Transformer Insulation at DC Polarity Reversal[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（7）：1526-1531.

[6]?TULASI Ram S S，KAMARAJU V，SINGH B P.Flashover Behavior of Converter Transformer Insulation Subjected to Superimposed AC and DC Voltages[C]//IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Ontario，Canada：IEEE，1994：810-815.

[7]?WEN K C，ZHOU Y B，F(xiàn)U J，et al.A Calculation Method and Some Features of Transient Field under Polarity Reversal Voltage in HVDC Insulation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（1）：223-230.

[8]?劉澤洪，郭賢珊.特高壓變壓器絕緣結(jié)構(gòu)[J].高電壓技術(shù)，2010，36（1）：7-12.

[9]?陳慶國(guó)，池明赫，高源，等.復(fù)合電場(chǎng)下油紙（板）絕緣擊穿特性及其數(shù)學(xué)模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)?2013，33（31）：170-176.

[10]TAKAHASHI E，TSUTSUMI Y，OKUYAMA K，et al.Partial Discharge Characteristics of Oil-immersed Insulation Systems Under DC?Combined AC-DC and DC Reversed Polarity Voltage[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1976，PAS-95（1）：411-420.

[11]葛景謗?邱昌容.?局部放電測(cè)量[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社?1984.

[12]International Electrotechnical Commission.?IEC60270.?High Voltage Test Techniques-partial discharge Measurements.?Switzerland.?IEC Publication?2000.12.1

[13]邱昌容?王乃慶.?電工設(shè)備局部放電及測(cè)試技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社?1994.

[14]張鵬，齊波，李成榕，等.電壓類型對(duì)球板電極下油紙絕緣局部放電起始特性的影響[J]. 高電壓技術(shù)?2014?40（2）： 572-579.

[15]LI Jian?JIANG Tianyan?HE Zhiman?et al.?Statistical Distributions of Partial Discharges in Oil-paper Insulation Under AC-DC Combined Voltages[J]. High Voltage Engineering，2012?38（8）： 1856-1862.

[16]HE Zhiman?LI Jian?BAO Lianwei?et al.?Characteristic Analysis of Partial Discharges and Dissolved Gases Generated Cavity in Oil-paper InsulationUnder AC-DC Combined Voltages[J]. High Voltage Engineering，2012?38（8）： 2091-2096.

[17]邱凱，魏振，許毅，等.交直流復(fù)合電場(chǎng)作用下油紙絕緣懸浮放電脈沖波形特征[J]. 現(xiàn)代電力?2014?314）： 78-83.

[18]王瓊.針板電極交直流復(fù)合電場(chǎng)中局部放電的發(fā)展過程[J]. 現(xiàn)代電力?2013?305）： 55-59.

[19]DU Y. ZAHN M. LESIEUTRE B.?C. et al.?Moisture Equilibrium in Transformer Paper-oil Systems[J].IEEE Electric Insulation Magazine?1999，15（1）：11-19.

[20]陳慶國(guó)?池明赫?王剛?等.?含水率對(duì)復(fù)合電場(chǎng)下油紙絕緣電場(chǎng)分布的影響[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)?2013?17（7）：54-60.

[21]王輝?李成榕?賀惠民?等.?溫度對(duì)油紙絕緣沿面放電發(fā)展過程的影響[J]. 高電壓技術(shù)?2010?36（4）： 884-890.

[22]廖瑞金，周之，郝建，等.水分和溫度聯(lián)合作用時(shí)油浸絕緣紙空間電荷特性[J]. 高電壓技術(shù)?2012?38（10）： 2647-2654.

[23]唐超，廖瑞金，黃飛龍，等.電力變壓器絕緣紙熱老化的擊穿電壓特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)?2010?25（11）： 1-8.

（編輯：關(guān)?毅）