沖擊試驗后變壓器油中溶解氣體組分及含量

于會民，韓雪，王會娟，陳華，張昱，馬書杰

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003;2.中國石油潤滑油重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834003;3.中國石油克拉瑪依潤滑油廠，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

超高壓電力設(shè)備如變壓器、換流變壓器、超高壓套管等，在實際運行過程中，不可避免受到雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的作用，因此，雷電沖擊和操作沖擊是超高壓電力設(shè)備出廠前的例行試驗項目。沖擊試驗后進行油中溶解氣體組分和含量檢測是絕緣抗沖擊能力的輔助檢測手段。近些年，出現(xiàn)變壓器、超高壓套管等設(shè)備在進行雷電沖擊和操作沖擊試驗后，未發(fā)生擊穿，但是油中溶解氣體組分異常，特別是氫氣和乙炔含量增加的現(xiàn)象[1]。雷電沖擊和操作沖擊試驗項目通過的判斷依據(jù)是試驗波形的變化，有可能存在雷電沖擊和操作沖擊電壓波形與標準波形一致，而變壓器內(nèi)部極其微小的放電，沒有引起試驗電壓波形變化，而試驗后變壓器油色譜分析中氫氣和乙炔含量出現(xiàn)微量增加現(xiàn)象。為此，本文在雷電沖擊和操作沖擊下，研究變壓器油及油紙絕緣體系在未擊穿的情況下，油中溶解氣體組分和含量的變化趨勢。探索變壓器油進行雷電沖擊和操作沖擊后，乙炔和氫氣產(chǎn)生的原因和規(guī)律，為電力設(shè)備主絕緣場強設(shè)計提供參考。

1 實驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗材料及性質(zhì)分析結(jié)果見表1和表2。

表1 試驗材料

表2 變壓器油性質(zhì)

1.2 主要試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備及樣品相關(guān)性質(zhì)檢測儀器見表3。

表3 試驗設(shè)備及儀器

1.3 試驗方法及方案

1.3.1 試驗方法技術(shù)

電力變壓器的雷電沖擊和操作沖擊試驗導則指出[2]：油浸式變壓器雷電沖擊試驗時，為減少試驗線路中出現(xiàn)異常的外部異常閃絡(luò)危險，試驗電壓通常選擇為負極性。而且從放電次數(shù)和放電電荷量來看，負極性雷電占到90%。雖然電壓正負極性對變壓器內(nèi)絕緣抗電強度的影響沒有明顯差別，但對外絕緣在正極性時其放電電壓比負極性低得多，同時為減少試驗線路中出現(xiàn)異常的外部異常閃絡(luò)危險，試驗電壓通常選擇為負極性。絕緣油的雷電沖擊試驗方法指出，在不均勻的發(fā)散電場中，油品化學組成對負脈沖擊穿特性起著主要作用[3]。

因此，此次試驗時雷電沖擊波電壓極性為負極性，試驗波形采用t=1.2/50的標準雷電沖擊全波；雷電沖擊波電壓極性為負極性，試驗波形采用t=250/2500的標準操作沖擊全波。

完整標準雷電沖擊全波和發(fā)生放電擊穿的雷電沖擊全波見圖1和圖2，完整標準操作沖擊全波和發(fā)生放電擊穿的標準操作沖擊全波見圖3和圖4。

圖1 標準雷電沖擊波形

圖2 發(fā)生放電擊穿雷電沖擊波形

圖3 操作沖擊波形

依據(jù)絕緣油的雷電沖擊試驗方法[3]設(shè)計試驗油杯如圖5所示，油杯容量為2.5 L，針-球電極間距設(shè)置為25 mm。加入2.0 L試油，兩電極間插入絕緣紙，并使油完全浸潤絕緣紙，蓋上防塵蓋，靜置10～15 min，使油品溫度和實驗室環(huán)境相同。試驗時在電極兩端施加低于油品擊穿電壓的沖擊電壓，反復施加雷電全波沖擊電壓10次，兩次沖擊間隔2.5 min，確保每次沖擊前油中無氣泡。沖擊完成后，利用100 mL注射器抽取兩個電極之間油樣，依

據(jù)GB/T 17623標準方法測試油中溶解氣體組成及含量。

圖5 試驗油杯

1.3.2 試驗方案

電力變壓器的絕緣水平絕緣試驗規(guī)定[4]，額定耐受電壓110 kV及以上電壓等級電力變壓器的繞組承受雷電全波擊穿電壓的水平見表4。

表4 繞組試驗電壓水平 kV

表4數(shù)據(jù)說明，330 kV以上時，雷電全波沖擊(峰值)是系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)的2.0～2.9倍，操作沖擊(峰值，相對地)是系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)的1.6～2.3倍。110～330 kV以下設(shè)備，雷電全波沖擊(峰值)是系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)的2.9～3.8倍，操作沖擊(峰值，相對地)在系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)的2.3～3.1倍之間。110 kV以下設(shè)備對操作沖擊沒有明確要求。

無局部放電條件下，在中部出線的超高壓變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)中，長期最高工作電壓時的許用場強一般要小于4 MV/m。電壓等級越高，此值應取越小。對端部出線的絕緣結(jié)構(gòu)，此值要小于2 MV/m左右。超高壓變壓器主絕緣設(shè)計場強大約為2～4 kV/mm[5]。

對于試驗電極間隙25 mm絕緣體系，依據(jù)絕緣設(shè)計場強大約為2～4 kV/mm估算如下：

330 kV及以上對應系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)電壓約為50～100 kV，最高雷電全波沖擊(峰值)試驗電壓在200～290 kV之間，最高的操作沖擊(峰值，相對地)電壓在160～230 kV之間。

330 kV及以下，110 kV及以上，對應系統(tǒng)標稱電壓(方均根值)電壓約為50～100 kV，最高雷電全波沖擊(峰值)試驗電壓在290～380 kV之間，最高的操作沖擊(峰值，相對地)電壓在230～310 kV之間。

參考以上推算數(shù)據(jù)，制訂本文試驗方案見表5。

表5 試驗方案

表5(續(xù))

注：間隔為100 kV臨近擊穿電壓不足100 kV的取50 kV。

1.4 樣品處理

1.4.1 變壓器油處理

采用3.0 μm聚四氟乙烯膜對變壓器油進行過濾，除去雜質(zhì)，保證處理后樣品大于5 μm的顆粒度小于1000個/100毫升，然后在真空度小于0.1 kPa以下、溫度(50±5) ℃之間進行真空脫氣脫水處理，以保證處理后樣品達到裝機變壓器油的要求，處理后的變壓器油性質(zhì)見表6。

表6 處理后的變壓器油性質(zhì)

1.4.2 絕緣紙板的處理

在(110±5) ℃的鼓風烘箱中，貯存2 h，對絕緣紙板進行干燥處理，以保證處理后紙板中水分含量達到小于0.5%，以滿足裝機要求。依據(jù)此條件，處理后的絕緣紙板的水分含量見表7。

表7 處理后的絕緣紙板水分含量范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊試驗后處理前后絕緣體系的油中溶解氣組成及含量

為了研究變壓器油中含氣量和含水量對其承受沖擊電壓影響情況，分別對處理前后的變壓器油，在承受最高的雷電和操作沖擊電壓以下，進行不同等級的雷電和操作全波沖擊試驗，監(jiān)測試驗之后油中溶解氣組分和含量的變化趨勢，處理前后絕緣體系中的含水量及沖擊擊穿電壓見表8。

表8 處理前后體系含水量和沖擊擊穿電壓

表8結(jié)果表明，處理前后的變壓器油的含水量和含氣量變化很大，而雷電和操作沖擊擊穿電壓相近，說明油中水分和氣體對變壓器油雷電和操作沖擊沒有負面影響。不同沖擊電壓下，處理前后絕緣體系中油的溶解氣體組分和含量見圖6～圖9。

圖6 雷電沖擊下純油體系的油中溶解氣成分(處理前)

圖7 雷電沖擊下純油體系的油中溶解氣成分(處理后)

圖8 操作沖擊下純油體系的油中溶解氣成分(處理前)

圖9 操作沖擊下純油體系的油中溶解氣成分(處理后)

圖6和圖7的數(shù)據(jù)表明，在進行300 kV及以下電壓等級的雷電沖擊試驗后，施加電壓的波形未有明顯改變，處理前后的油中溶解組分和含量沒有明顯的區(qū)別，沒有乙炔氣體。當雷電沖擊電壓達到350 kV時，處理的油中出現(xiàn)微量的乙炔氣體，其他氣體沒有明顯變化。說明抽真空有助于改善油中溶解氣含量，特別是烴類氣體含量。

圖8和圖9的數(shù)據(jù)表明，在進行200 kV及以下電壓等級的操作沖擊試驗后，施加電壓的波形未有明顯改變，處理前后的油中溶解組分和含量略有區(qū)別，氫氣略微減少，沒有乙炔氣體。

2.2 沖擊下變壓器油處理前后多層油紙體系油中溶解氣組成及含量

為了考察絕緣紙板對整個油紙絕緣體積承受雷電和操作沖擊情況，分別對處理前后的變壓器油和多層絕緣紙板所組成的絕緣體系，在承受最高的雷電和操作沖擊電壓以下，進行不同等級的雷電和操作全波沖擊試驗，監(jiān)測試驗之后油中溶解氣組分和含量的變化趨勢。

超高壓變壓器油紙隔板絕緣結(jié)構(gòu)中，隨著設(shè)計電壓等級升高，紙板數(shù)量隨之增加，通常采用薄紙板小間隙的設(shè)計，因此，在兩電極間距25 mm油隙，以2.5 mm間距插入10層厚度1 mm的絕緣紙板。處理前后絕緣體系中的含水量及沖擊擊穿電壓見表9。

表9 多層紙板處理前后體系含水量和沖擊擊穿電壓

表9結(jié)果表明，在多層絕緣紙板和變壓器油所組成的油絕緣體系中，處理前后的油絕緣體系的沖擊擊穿電壓相近，說明油中水分和氣體，以及絕緣紙板中水分對油紙絕緣體系的雷電沖擊沒有負面影響。不同沖擊電壓下處理前后油紙絕緣體系中油的溶解氣體組分和含量見圖10～圖13。

圖10 雷電沖擊下多層油紙體系的油中溶解氣成分(處理前)

圖11 雷電沖擊下多層油紙體系的油中溶解氣成分(處理后)

圖12 操作沖擊下多層油紙體系的油中溶解氣成分(處理前)

圖13 操作沖擊下多層油紙體系的油中溶解氣成分(處理后)

圖10和圖11的數(shù)據(jù)表明，在進行200 kV及以下電壓等級的雷電沖擊試驗后，當雷電沖擊電壓達到200 kV時，施加電壓的波形未有明顯改變，未進行處理的油紙，油中出現(xiàn)微量的氫氣氣體，乙炔明顯增加；進行處理過的油紙，油中出現(xiàn)微量的氫氣氣體，油中乙炔也明顯增加，其他氣體沒有明顯變化。當在進行300 kV及以上電壓等級的雷電沖擊試驗后，施加電壓的波形未有明顯改變，處理前后的油紙，油中乙炔、氫氣和乙烷隨著所施加電壓增加而增加，乙炔幅度最大。

圖12和圖13的數(shù)據(jù)表明，在進行200 kV及以下電壓等級的操作沖擊試驗后，施加電壓的波形未有明顯改變，處理前后的油中溶解氣體組分和含量沒有明顯區(qū)別，在進行250 kV及以上電壓等級的操作沖擊試驗后，施加電壓的波形未有明顯改變，處理前后的油中溶解氣體里出現(xiàn)微量氫氣且乙炔明顯增大。

由此說明，多層絕緣紙板的加入雖然大幅度提高絕緣體系的沖擊擊穿電壓，由于絕緣紙板自身含水量相對油高很多，增加了油紙絕緣體系總含水量，進一步增加內(nèi)部輕微放電機率，這種微小的放電，能量較小，不會引起施加電壓波形的明顯變化，因此，多層油絕緣復合體系的沖擊局部放電的電壓遠低于沖擊擊穿電壓。

3 結(jié)論

(1)在純油的絕緣體系中，處理前后的變壓器油的沖擊擊穿電壓相近，說明油中水分和氣體對變壓器油雷電沖擊沒有負面影響。

(2)絕緣紙板組成的絕緣體系比純油的絕緣體系承受沖擊電壓高，隨著絕緣紙板數(shù)量增加，油紙絕緣體系承受雷電沖擊擊穿電壓進一步提高。

(3)在油紙所組成的絕緣體系中，處理前后的變壓器油沖擊擊穿電壓相近，說明油中水分和氣體，以及絕緣紙板中水分對油紙絕緣體系的沖擊沒有負面影響。

(4)與純油絕緣體系相比，未發(fā)生明顯擊穿時，施加電壓的波形未有明顯改變，而油中乙炔氣體、氫氣和乙烷隨著所施加電壓增加而增加，乙炔幅度最大，油紙絕緣體系發(fā)生內(nèi)部輕微放電現(xiàn)象。

(5)多層絕緣紙板的加入大幅度提高絕緣體系的沖擊擊穿電壓，進一步增加內(nèi)部輕微放電機率，這種微小的放電，能量較小，不會引起施加電壓波形的明顯變化，因此，多層油絕緣復合體系的沖擊局部放電的電壓低于沖擊擊穿電壓。