高寒條件下變壓器油擊穿特性試驗

顧祥玉 王建 王伯韜

摘 要：在變壓器運行狀態(tài)下，變壓器油的作用是非常大的，如果外部環(huán)境相對復雜，變壓器油的安全穩(wěn)定運行也會受到影響，在低溫環(huán)境下對變壓器油的擊穿特性進行研究，能夠有效保證變壓器在高寒條件下的可靠運行。本文在-50℃到10℃的溫度范圍內(nèi)，對變壓器的投運進行簡單分析，對變壓器油在何種溫度范圍內(nèi)的所受到的擊穿特性最明顯予以闡釋，以期提供有效的試驗結果。

關鍵詞：高寒；變壓器油；運行；擊穿

從我國特高壓工程的建設規(guī)模來看，已經(jīng)進入了新的建設階段，從國家電網(wǎng)《關于轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式、加快電網(wǎng)建設意見》規(guī)劃來看，在我國有多個特高壓交直流工程都位于寒冷地區(qū)，比如內(nèi)蒙古、東北、新疆等地，在這些寒冷地區(qū)進行特高壓變壓器投運工程是一項技術系數(shù)很大的工程，且必須加快解決。目前，國內(nèi)外學者對油紙絕緣擊穿特性做了不同角度的研究，得出油紙絕緣低溫擊穿特性和交流電壓以及均勻電場都有直接關系，變壓器油在高寒環(huán)境下所呈現(xiàn)出的不同電壓形式不同的電極模型等方面，還要進一步完善研究。本文主要對高寒條件下的變壓器油擊穿特性做簡單試驗和分析。

1 試驗系統(tǒng)和方法

（1）試驗系統(tǒng)。進行高壓低溫試驗主要的裝置構成是低溫環(huán)境箱、試驗電源、變壓器油試驗箱以及光纖測溫裝置。低溫環(huán)境箱是一個立方體裝置，利用大功率空調(diào)制冷，讓溫度精度控制在0.1℃范圍內(nèi)，且箱內(nèi)有穿墻套管，設置額定電壓是500kV，能夠滿足不同形式的電壓試驗要求。試驗油箱是立方體筒式狀，油箱密封性能好，有進油口以及出油口，并配備了干燥劑，油箱中的高壓電極可以通過導桿引出到油箱。試驗電源有直流電壓發(fā)生器、工頻電壓發(fā)生器、沖擊電壓發(fā)生器，能夠滿足所有電壓形式的試驗。光纖測溫裝置能夠?qū)y量的精度控制到0.1℃范圍內(nèi)，共有4個溫度檢測通道。

（2）試驗方法。在試驗之前，用VH500R型真空濾油機進行變壓器油的真空濾油工作，依據(jù)國家的變壓器油標準，每次濾油之后水分體積的顆粒、機制以及分數(shù)損耗因數(shù)都與規(guī)定的相符合為止，然后在試驗油箱中注入滿足試驗條件的變壓器油，1小時即可。在本試驗中，會涉及工頻交流電壓、沖擊電壓和直流電壓，所有的電壓形式在擊穿特性試驗中均是指峰值。在試驗中對4個試驗油箱分別進行擊穿試驗，每個試驗油箱5次擊穿試驗，且每個溫度點都要試驗，然后取平均值。

2 試驗結果和討論

在試驗中所用的是昆侖45號變壓器油，在不同形式電壓和電極模型條件下，先對試驗變壓器油中的截止損耗、顆粒度以及微水體積分數(shù)進行測量，要滿足規(guī)定的試驗條件。值得注意的是，為了保證試驗結果的準確性和可比性，試驗結果應該和試驗前的測量結果相似，所有試驗的電極間距都保持在2.5mm不變，然后在不同電壓形式、水分體積分數(shù)和電極模型下，對油隙在各個溫度范圍內(nèi)進行低溫擊穿特性研究。

（1）不同電壓形式。在試驗中，采用球板電極模型的試驗電極，分別對直流電壓、沖擊電壓和工頻交流電壓在低溫下的擊穿特性進行分析。直流電壓以及交流電壓狀態(tài)下，油隙擊穿電壓會隨著溫度的變化而呈現(xiàn)出曲線狀，當溫度為0℃時擊穿電壓值最小。

過濾后變壓器油中仍含有微量水分，溫度較高時，水分在變壓器油中處于溶解狀態(tài)，對擊穿電壓的影響不明顯。隨著溫度的降低，水分在油中的溶解度減小，因而逐漸析出；水分在電場作用下形成“水橋”使得擊穿電壓降低，在0℃時油中呈懸浮態(tài)的水分體積分數(shù)達到極大值，故此時擊穿電壓最低。當溫度<0℃時，油中析出的懸浮水分將逐漸變成懸浮冰，冰粒不易被電場拉長，少量冰粒在電場作用下不易形成“冰橋”，電場畸變程度減弱，故擊穿電壓反而升高。

（2）不同電極模型

試驗電壓采用的是工頻交流電壓。平板電極、球–板電極及針–板電極的低溫擊穿特性試驗采用的3種電極模型分別模擬了變壓器中的均勻電場、稍不均勻電場和極不均勻電場的情況。不同電極模型的擊穿電壓隨溫度的變化曲線均呈 U 形，其機理解釋與不同電壓形式相同。從擊穿電壓的絕對值來看，針–板電極模型最小，平板和球–板電極模型相等，但平板電極模型的擊穿分散性較大。

（3）不同水分體積分數(shù)

配制水分體積分數(shù)平均值分別為5.5×10-6、25.3×10-6、60.1×10-6的變壓器油，分別對其進行低溫擊穿特性試驗，試驗電極為球–板電極，試驗電壓為工頻交流電壓，隨著水分體積分數(shù)的增大，擊穿電壓明顯降低，在-10～0℃范圍內(nèi)最為顯著。溫度的降低使得變壓器油中溶解水析出形成懸浮水，-10～0℃范圍內(nèi)析出形成的懸浮水的體積分數(shù)達到最大值。變壓器油中的水分體積分數(shù)越大，析出的水分越多，越易形成貫穿電極的“水橋”，進而使得擊穿電壓顯著降低。在低溫范圍內(nèi)，析出的懸浮水形成懸浮冰，水分體積分數(shù)越大，形成“冰橋”的機率越大，但相比于“水橋”，形成“冰橋”所需的電場能量較大，因此其擊穿電壓降低程度較小。

3 結語

在高寒條件下進行變壓器投運工作是非常難的，要考慮的因素也比較多，本文主要進行了高壓低溫試驗，對變壓器油在-50℃到10℃的溫度范圍內(nèi)的擊穿特性。從試驗中可以得出，直流電壓和交流電壓條件下的變壓器油的擊穿電壓是隨著溫度變化的曲線呈現(xiàn)出U形的，當0℃時，擊穿電壓的值極小，在沖擊電壓下電壓的變化沒有明顯規(guī)律。當變壓器投運在高寒地區(qū)時，要對變壓器油水分體積的分數(shù)嚴格控制，在油溫達到10℃之后才可以帶負荷運行。

參考文獻

[1]姜赤龍，司馬文霞，楊慶，等.多種外部因素對變壓器油沖擊擊穿特性的影響[J].高電壓技術，2011，37（9）：2272-2279.

[2]司馬文霞，曹雪菲，楊慶，等.沖擊電壓下3種納米改性變壓器油擊穿特性的比較和分析[J].高電壓技術，2015，41（2）：374-381.

（作者單位：國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司檢修公司）