水分對復合電場下油紙絕緣局部放電特性的影響

劉青松 鄧軍 池明赫 陳慶國

摘?要：為研究水分對復合電場下油紙絕緣局部放電特性的影響，文章進行了不同含水率下的油紙絕緣結構典型電場下局放特性試驗，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合電場局放特性。結果顯示，直流分量對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。極不均勻電場下，高含水率下的局放量始終大于或等于低含水率時;均勻電場下，高低含水率下的局放曲線隨電壓升高出現交叉。經分析得出結論，水分使變壓器油電導率增大，易于油水界面空間電荷消散，導致放電量增加。液體介質中的局部放電除經典的介質中氣泡缺陷模型外，還可能存在多水滴融合缺陷模型。該缺陷是導致平板電極下高低含水率的油紙絕緣放電曲線出現交叉的主要原因。

關鍵詞：換流變壓器，油紙絕緣，復合電場，水分，局部放電

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.015

中圖分類號： TM85

文獻標志碼： A

文章編號： 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

隨著電網向遠距離、高電壓、大容量的趨勢發展，直流輸電（HVDC）的優越性愈發明顯[1]。換流變壓器是直流輸電系統的核心設備，其可靠與否直接影響了電網的穩定性[2]。大量資料表明變壓器事故以絕緣故障為主[3-4]。換流變壓器內絕緣與普通電力變壓器不同，其閥側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電壓的作用[5-8]。因此對復合電場下油紙絕緣特性進行研究顯得十分必要。

局部放電作為絕緣擊穿前的預放電現象之一經常被用來判斷絕緣狀態的好壞，且研究預放電過程對于了解擊穿的過程及機理有著重要的意義 [11-13]。對此，日本學者E.Takahashi對油紙復合絕緣進行了局部放電測試表明，直流疊加交流起始局放電壓與直流電壓分量無關;極性反轉起始局放電壓隨反轉前施加電壓的增加明顯下降[10]。華北電力大學的李成榕教授等人對通過球-板電極對油紙絕緣施加交流、直流以及交直流復合電壓，研究了油紙絕緣在不同電壓類型下發生起始放電時的起始放電電壓、視在放電量、放電相位以及放電波形等的差異[14]。重慶大學的李劍教授等人在交直流疊加電壓下對不同的放電模型進行了局放信號統計分布以及產氣特性分析[15-16]。各電網公司也對交直流疊加電壓下的油紙絕緣局放特性進行了研究[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、濕度等環境因素影響較大，并且在復合電場及直流電場下所受影響尤為嚴重[19-23]，因此有必要對環境因素影響下油紙絕緣的復合電場局放特性開展研究。

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

1?試驗平臺

1.1?試驗模型

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

1.2?試樣預處理

試驗所采用的變壓器油為昆侖45Symbolc@@

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

本文在實驗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，將紙板裁剪后統一進行干燥處理，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稱為紙板或紙。

1.3?復合電場表述

本文試驗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，將復合電壓中的交流含量定義為：

1.4?升壓方式

試驗開始后以勻速升壓至出現局部放電信號開始記錄5min內的平均放電量，而后繼續升壓，為縮短試驗時間，升壓步長根據局放量增長速度進行調節，局放增長速度越快升壓步長越短。為防止試樣擊穿造成設備損壞，當場強超過32kV/mm（幅值）或局放量超過1200pC時停止試驗。

1.5?局部放電檢測

對局放信號的測量采用脈沖電流法，升壓設備為工頻無局放變壓器，檢測設備為Hipotronics公司的DDX-7000型局放檢測儀。檢測線路如下圖所示，背景噪聲小于5pC。

圖中：R為保護電阻，CX為試樣，CK為耦合電容器，ZK為檢測阻抗。

由于局放對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有關，因此本文在試驗中所測局放量為單位時間內的平均放電量。

2?試驗結果

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

由圖5～圖8可見，不同直流含量的復合電壓下，局放量隨電壓的升高均呈快速增長趨勢，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;含水率較高時現象更加明顯。

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

由圖9可見，針-板電極下，相同電壓時高含水率的局放量始終高于低含水率時的局放量或基本與之相同;但板-板電極下，出現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增長;高含水率情況下，隨電壓上升局放量初始階段增長得較慢，當電壓到達某個點后，局放量增長速度突然增大。高含水率下局放量與電壓的關系更接近于分段函數，該函數曲線由兩條直線組成，曲線的前半段較緩，后半段較陡。

3?試驗結果分析

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

對于以上試驗現象可通過經典局放模型進行解釋，在油紙絕緣中變壓器油內不可避免的會存有氣泡和水滴，這與經典的固體電解質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度小于外界的變壓器油，隨電壓上升氣泡或水滴會首先被擊穿或在電場下產生電荷移動，擊穿后產生的電荷將在外施電場的作用下遷移到氣泡（或水滴）與變壓器油之間的界面處，形成與外界電場方向相反的退電場。退電場與外施電場之和小于氣泡（或水滴）的擊穿場強時，放電將會停止。界面處的空間電荷能夠通過外界變壓器油向電極泄漏，退電場將會隨電荷的泄漏而減小，當退電場減小到一定程度，放電或電荷遷移將再次開始，如此往復循環。

因此當含水率增加，泄漏電流將上升，易于電荷消散，局放次數會增加;含水率增加也會導致油內的水滴增多，二者均會導致單位時間內平均局放量的增大。

由文[9]分析已知，交直流疊加電場中直流分量電場主要集中在紙板纖維上，且紙板纖維的耐直流能力較強不易發生放電，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，要達到相同局放量時，直流分量大的情況下所需電壓也高。

針-板電極下，主要由以上原因導致了絕緣中的局部放電。針-板電極下電場集中，容易放電，因此在高含水率時局放量將大于低含水率時。但平板電極下情況略有不同。

平板電極下電場較為均勻，與針-板電極相比不易放電。由于水滴中存在較多可移動電荷，在電場作用下向電場反方向運動，停留在油水界面處，形成了退電場，提高了局放電壓。當電場強度較低時，水滴不易放電同時水分增加使之內部容易形成退電場，因此平板電極下在低電場時反而可能出現高含水率下的放電量小于低含水率的情況。

油紙復合絕緣的局部放電模型除經典的固體介質中氣泡缺陷模型外，還可能存在多水滴融合缺陷模型，如圖11所示。與經典的固體電介質中氣泡缺陷模型不同，由于液體的流動性，水滴在電場下被極化后會沿著電場方向排列，當兩個水滴距離足夠近且電場足夠強時，水滴間的異號電荷將通過變壓器油放電，融合成一個新的體積較大的水滴。由于水滴的相對介電常數較大，在電場下產生的極化電荷較多，因此水滴間放電時局放量較大。該放電需要通過水滴間的變壓器油分子，所需場強較高，只有在電壓較高時才會出現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，當電壓升高到一定程度局放量會突然增加，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強和高場強時產生局部放電的機理不同，導致了其放電曲線斜率有一個明顯的變化。

4?結?論

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

1）不同直流含量的復合電壓下，局放量隨電壓的升高呈快速增長趨勢。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）極不均勻電場下，高含水率的局放量始終高于低含水率時或基本與之相同;均勻電場下，高低含水率時的局放曲線出現了交叉情況;

3）液體介質中的局部放電除經典的介質中氣泡缺陷模型外，還存在多水滴融合缺陷模型。均勻電場下，含水率不同時放電的機理不同，是導致其放電曲線出現交叉的主要原因。

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（編輯：關?毅）