變壓器油中電暈放電特性及產氣規律

陳新崗，趙陽陽

(1.重慶理工大學，重慶 400054;2.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

變壓器的絕緣結構可以分為外絕緣和內絕緣，目前電力變壓器故障多為發生在油箱內的絕緣故障［1］。油箱內絕緣多為由油、紙、紙板和其他固體絕緣等構成的固體－油絕緣結構，而局部放電是引起絕緣老化和劣化的主要原因之一，其持續發展會引起重大絕緣事故，造成巨大經濟損失，所以探求變壓器局部放電發展過程及產氣機理是很好的研究課題。電暈放電是油浸式變壓器局部放電的主要形式，在變壓器中通常稱之為油中電暈放電，它主要發生在有懸浮電位金屬體、導體尖端，如引線焊接處的尖角毛刺;分接開關的螺母;多極鐵心柱的邊角等處［2］。油中溶解氣體分析法可以得出溶解氣體組分及變化規律，用以判斷不同性質的故障類型［3］。本文結合變壓器油紙絕緣電暈放電模型，研究了油中電暈放電的發展特性，結合放電譜圖分析統計特征量的變化規律，對油中產生氣體含量的變化規律進行統計分析，探索了變壓器早期絕緣故障及發展機理。

1 基于電暈放電模型的局部放電模擬實驗

局部放電實驗平臺主要由局部放電模擬系統和局部放電信號檢測系統組成。實驗平臺示意圖如圖1所示。

電暈放電所用電極模型參照CIGRE MethodⅡ系統(CM－Ⅱ)模型按比例縮小制作，CM－Ⅱ是被CIGRESC15接受的用于內部局放測量的標準實驗電極模型，圖2為電極模型所用的針－板電極系統。放電量主要決定于電極的形狀和尺寸，對于針尖電極主要決定于尖端的曲率半徑。系統中針頸直徑 0.2 mm，針尖曲率半徑小于0.1 mm。針與板電極間放置厚度為1.0 mm的絕緣紙板，針尖到紙板距離d為10 mm。為了最大限度地與真實變壓器處理條件一致，絕緣紙板在65℃以下真空干燥3 d，隨后真空浸油5 d以上處理;紙板周圍各邊角事先打磨光滑，無尖角或毛刺并且每次按量制作，不可長時間存放［4－5］。

將事先制好的電暈放電缺陷模型浸于模擬油箱中，為更真實地模擬變壓器運行環境，在模擬油箱中加入循環油泵以及油路系統，用于模擬變壓器油循環系統，考慮到變壓器常年運行的平均溫度，使用加熱器和溫度控制器將油溫保持在50℃左右。油箱設置取油口，可以在不斷電的情況下取油做氣相色譜分析。整體結構如圖3所示。

圖3 模擬油箱

對油中電暈放電缺陷模型進行大量實驗，分析:①實驗模型在外加恒定電壓下的分布譜圖和統計參量的特征;② 模型在外加電壓勻速升高下油中溶解氣體的變化規律。實驗時，均勻緩慢地升高電壓至觀察到放電脈沖出現，記錄對應的電壓值，然后將電壓降為零，再次升壓至原電壓值，若再次出現放電脈沖，此電壓即為起始放電電壓U0。示波器采樣頻率設置為10 MS/s。

2 局部放電發展特性

評定局部放電的基本參量有視在放電量、放電平均相位、放電的能量、起始電壓和熄滅電壓［6］。這些基本參量只能表征局放過程中單一方面特征，如放電能量反映在一次放電中所消耗的能量，最大的視在放電電荷對應于最大缺陷。局部放電的基本特征參量不能完整表現局放發展特性，而分布譜圖能提供更全面的信息，這些分布譜圖及特征參數更能表征局部放電的概貌。近年來研究者更加關注從相位分布圖中提取統計特征量的相關應用［7－10］。因此引入局部放電最大放電量相位特征譜圖Hqmax(φ)和放電次數相位特征譜圖Hn(φ)，以及基于譜圖的統計參量因子－偏斜度Sk、翹度Ku、不對稱度Asy和分布相關系數cc來更好地評定局部放電。

電暈放電的起始放電電壓為14.2 kV，把電壓升高到起始電壓110% ～115%，即將電壓緩慢升高到16.2 V，然后保持電壓穩定，加壓一段時間后每隔半小時采集一組信號(每組500個)。

保持電壓穩定持續加壓16 h。電暈放電不同階段譜圖 Hqmax(φ)、Hn(φ)如圖4所示。

圖4 相位譜圖Hqmax(φ)和Hn(φ)

觀察圖4可以發現:放電主要出現在工頻負半周，隨著加壓時間的增加正半周會出現少量放電脈沖，在加壓前期，放電幅值較高，油中電暈放電較為劇烈，隨后放電幅值變小，放電次數也減小;加壓中期，放電脈沖十分穩定，相位固定在45°～90°和180°～270°，且放電量變化不大。

若將φ－q譜圖視為統計分布中的概率密度分布圖形，則偏斜度Sk用于描述某種形狀的分布對比于正態分布形狀的偏斜程度，陡峭度Ku用于描述某種形狀的分布對比于正態分布形狀的突起程度。不對稱度Asy反映了負半周和正半周局部放電總能量的比值，互相關系數cc表示正負半周分布形狀的差異［11］。根據油中電暈放電相位特征譜圖Hqmax(φ)、Hn(φ)計算(保留2位小數)出在正、負半周期上的偏斜度和陡峭度，以及不對稱度Asy、互相關系數。結果見表1。(“+”“－”表示正負半周數據)

由表1可知:譜圖Hqmax(φ)的Sk變化沒有規律性，Hn(φ)的偏斜度、變化相反，說明正半周譜圖相對于正態分布左偏且漸向正態分布靠攏，負半周相對于正態分布右偏。Hqmax(φ)的Ku逐漸增大，說明正負半周譜圖相對于正態分布陡峭，Hn(φ)的正負半周陡峭度變化相反，說明正負半周譜圖相對于正態分布偏離方向相反。

譜圖Hqmax(φ)和Hn(φ)的Asy逐漸減小，顯然負半周放電劇烈程度逐漸減弱，說明隨著放電時間增長，正半周的放電次數逐漸增加。表示正負半周分布形狀的差異，如果等于1則正負半周分布形狀相同;如果等于0則正負半周分布形狀完全不同。譜圖Hn(φ)的互相關系數由0.08增大到0.61，說明放電初期正負半周放電次數具有較大差異，到放電后期正負半周放電次數接近，這也與不對稱度分析結果吻合。

3 油中溶解氣體隨電壓升高的變化特性

氣相色譜分析具有選擇性好、分離性能高、適用范圍廣等優點［12－14］。本文利用色譜分析研究了溶解氣體隨電壓升高的變化特性。實驗時采集的油樣要盡快分析，不宜長期保存。

油紙絕緣電暈放電的起始電壓為U0=14.2 kV，擊穿電壓為Ub=26 kV。實驗時，抽取起始油樣后，每次升高0.5 kV電壓，放電5 min后取一組油樣進行色譜分析。每千伏電壓之間的時間間隔為10 min。在不斷電條件下，不同電壓等級取油樣做色譜分析得到各種氣體含量如表2所示。

表1 不同放電時間電暈放電統計參量分析結果

表2 不同電壓等級下電暈放電的氣體含量 單位:μL/L

放電開始階段產生的氣體主要是H2、CO和C2H2，同時含有有微量 CH4、C2H4和 C2H6氣體。隨電壓等級的升高，電壓14 kV時H2占總烴的10.36%，電壓18 kV時H2占總烴的48.12%，電壓22 kV時H2占總烴的45.86%，電壓26 kV時H2占總烴的51.27%;電壓14 kV時C2H2占總烴的15.41%，電壓 18 kV時 C2H2占總烴的24.89%，電壓22 kV時C2H2占總烴的22.37%，電壓26 kV時C2H2占總烴的26.68%;隨電壓等級的升高，3種主要氣體含量在氣體總量中占比重增大，最后達到95%以上，CH4和C2H4含量略有增加，C2H6體積分數基本保持不變。各種氣體含量變化曲線如圖5所示。

圖5 電暈放電氣體含量隨電壓變化曲線

由圖5可以看出:電暈放電的油中溶解氣體含量隨電壓升高變化有大致相似的趨勢，在施加電壓較低時氣體含量先快速增長到一定數值;中間發展階段氣體含量變化微弱;臨近擊穿時各氣體含量急速增加;整個放電發展過程中CO含量增長緩慢并未有劇烈變化。

4 結論

1)油中電暈放電模型在承受120%起始電壓的恒定電壓作用下，起始階段放電劇烈，放電幅值較大，最大幅值達到1V左右;放電幾小時后放電強度慢慢減弱，后期放電量變化不大。相位特征譜圖Hqmax(φ)、Hn(φ)如圖的統計參量隨時間增長個有不同的變化規律。

2)電暈模型在勻速升壓法下油中溶解氣體含量呈現先快速增長后保持穩定、達到擊穿電壓時急劇增長的趨勢。實驗結束后觀察到絕緣紙板除擊穿小孔外沒有大范圍的橫向炭化痕跡，說明電壓等級逐步升高使油流增大加快油的分解，故而H2、C2H2含量較大。

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