高壓套管油紙絕緣氣泡生成特性

張 璐,楊 昊,趙 恒,曹 雯,溫 然

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710100;2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來,我國電網(wǎng)事業(yè)飛速發(fā)展,對電網(wǎng)建設(shè)也提出了更高的要求,其中電力設(shè)備的在線監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)顯得尤為重要[1-2]。高壓油浸紙?zhí)坠軓V泛應(yīng)用于各種電力設(shè)備,尤其是電力變壓器的重要出入線組件[3-4],但近年來變壓器油浸紙?zhí)坠苁鹿暑l發(fā),甚至多次由套管放電故障發(fā)展成變壓器本體著火、爆炸等災(zāi)難性故障,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-7]。套管的主體絕緣結(jié)構(gòu)為油紙絕緣結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)細(xì)長、紙層多、含鋁箔等特點(diǎn)[8]。在實(shí)際運(yùn)行過程中,套管油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)因長期承受高電壓、大電流等諸多因素綜合作用,其絕緣性能受到嚴(yán)峻考驗(yàn)[9]。在對變壓器噪聲測量分析中[10],由于各種設(shè)備之間影響較大,如開關(guān),繼電器動(dòng)作,電力設(shè)備之間的載波通訊等干擾,難以分辨噪聲干擾源及定位到設(shè)備上的具體元件,開展變壓器套管研究對提升電力設(shè)備在線監(jiān)測能力有著重要的意義。

套管油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)在電場和熱場的長期作用下,紙中纖維素分解產(chǎn)生的水分、氣體等單個(gè)分子。在電場、熱場、油流等因素共同作用下發(fā)生聚集,并在一定條件下聚合形成微小氣泡[11]。當(dāng)氣泡位于強(qiáng)電場區(qū)域時(shí),可能發(fā)生局部放電,從而危害套管絕緣,甚至造成套管擊穿[12]。其中,水分含量及溫度的變化是影響變壓器套管油紙上氣泡生成的主要因素,相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)者圍繞油紙絕緣結(jié)構(gòu)中氣泡的產(chǎn)生及其對絕緣性能的危害開展了一定的研究工作。

Niemeyer針對油紙絕緣中存在不同形狀氣泡時(shí)開展了仿真研究,并給出了扁平形和類球形兩種氣泡形態(tài)下電場分布情況[13];Gutfleisch等在此基礎(chǔ)上開展了局部放電的理論研究,并給出油紙絕緣結(jié)構(gòu)中氣泡存在時(shí)局放起始電壓值[14]。文獻(xiàn)[15-16]開展了油紙絕緣結(jié)構(gòu)中氣泡生成溫度研究,并獲得了油紙絕緣系統(tǒng)中氣泡形成溫度變化曲線,但在其研究中溫升速率過快,且求取方法不合理；Shiota等設(shè)計(jì)了油中氣泡實(shí)驗(yàn)裝置,研究了氣泡大小與起始放電電壓之間的關(guān)系,結(jié)果表明，氣泡的大小和形狀對于氣泡局部放電特性有很大的影響[17]；Koch等研究了不同老化狀態(tài)下的油紙絕緣上氣泡的產(chǎn)生和發(fā)展過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水分會(huì)加劇油紙絕緣的老化程度，水分含量增多會(huì)降低油紙絕緣性能并在高溫條件下析出氣泡,當(dāng)油紙絕緣中水分含量大于2%時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部發(fā)生故障[18]。

高萌等針對油浸紙絕緣熱致氣泡形成特性開展了研究,提出油中氣體體積分?jǐn)?shù)對氣泡生成起始溫度影響較大,但當(dāng)油中氣體接近飽和時(shí),氣泡生成起始溫度變化率降低，然而,在其實(shí)驗(yàn)中未考慮油中熱傳導(dǎo)會(huì)受到不同的介質(zhì)與體積的影響,所測得的油中溫度與實(shí)際油紙絕緣上的溫度具有一定差異[19];汪佛池等針對變壓器油紙絕緣不同水分含量情況下的氣泡生成規(guī)律及展開了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，絕緣紙板的水分含量對生成氣泡的起始溫度有明顯的影響,隨著水分含量的增大,生成氣泡的起始溫度越低[20]。

以往學(xué)者們主要圍繞典型變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)中氣泡缺陷開展研究,然而,套管油浸紙結(jié)構(gòu)與變壓器中的油紙絕緣結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別,以往油紙絕緣中氣泡研究結(jié)果并不能直接適用于套管油紙絕緣，因此,有必要針對套管油浸紙結(jié)構(gòu)開展氣泡生成特性研究[20]。

1 氣泡析出條件

在油紙絕緣結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的氣泡主要存在于絕緣紙和變壓器油交界表面。氣泡的內(nèi)、外部壓力分別為pin和pout,其中pin包括水蒸氣分壓和其他氣體分壓,pout為大氣壓強(qiáng)和液態(tài)油靜壓強(qiáng)。氣泡析出的決定條件是氣泡內(nèi)部壓強(qiáng)大于等于外部壓強(qiáng)與氣泡表面張力之和[19],可表示為

(1)

式中:σ為油中氣泡表面張力系數(shù);r為氣泡半徑。由Clausius-Clapeyron方程分析可知,氣泡內(nèi)外部壓強(qiáng)決定于環(huán)境溫度。同時(shí),變壓器套管油紙絕緣存在局部過熱情況,析出的氣體包含多種成分,在其他成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下,水蒸氣分壓是由水蒸氣含量所決定的。因此,變壓器套管油紙絕緣中氣泡析出條件決定于溫度和水蒸氣含量。本文在建立套管模型的基礎(chǔ)上,開展溫度和水蒸氣含量對套管氣泡產(chǎn)生的影響機(jī)制研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

為研究套管油紙絕緣的氣泡生成特性問題,本節(jié)結(jié)合實(shí)際10 kV高壓套管結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)并制作了套管芯子樣品,并依據(jù)實(shí)際變壓器絕緣紙?zhí)幚磉^程對試品進(jìn)行處理。同時(shí),搭建了熱致氣泡產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以模擬實(shí)際變壓器套管產(chǎn)生氣泡的過程。

2.1 材料與樣品制備

2.1.1 樣品處理 在西安工程大學(xué)高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)安全運(yùn)行仿真分析與風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展實(shí)驗(yàn)樣品的預(yù)處理工作。首先,利用鼓風(fēng)干燥箱對絕緣紙進(jìn)行鼓風(fēng)干燥處理,處理溫度100 ℃;利用真空干燥箱對ρ=0.88 g/cm3的25#變壓器油進(jìn)行干燥處理,處理溫度為85 ℃[21]。

2.1.2 套管電容芯子樣品制備 為模擬實(shí)際套管內(nèi)部結(jié)構(gòu),本文采用固定絕緣紙層數(shù)與電容屏極板長度的繞制方法,并按照10 kV套管內(nèi)部絕緣要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)樣品的極板長度差距不大,所以極板的長度選取和絕緣紙寬度一致,為96 mm。依據(jù)主流的油浸紙電容式套管制造工藝標(biāo)準(zhǔn),繞制用的絕緣紙厚度為0. 08mm,鋁箔板厚度為0.01 mm,絕緣油選用昆侖25#變壓器油,導(dǎo)桿采用直徑為10 mm的銅管。每繞制9層絕緣紙加裹一層平整鋁箔極板,共計(jì)加入3層鋁箔極板,鋁箔極板的寬度分別為38.3、44.7、56.1 mm;最后,將剩余的絕緣紙纏繞在最外層,并用細(xì)棉線將整個(gè)芯子扎緊防止其松散。油浸式套管樣品示意圖如圖1所示。

圖 1 油浸式套管樣品示意圖

2.1.3 紙中水分含量控制 已有研究表明,絕緣紙的吸水能力為絕緣油的上萬倍,因此套管油紙絕緣結(jié)構(gòu)中的水分主要存在于絕緣紙之中[22-24]。為研究紙中水分含量對氣泡產(chǎn)生的影響,需要獲得不同紙中水分含量的芯子樣品。將繞制好的套管電容芯子分別在溫度為25 ℃，濕度為48%的環(huán)境中放置不同時(shí)間,利用卡爾費(fèi)休滴定法監(jiān)測紙中水分含量,以獲得不同水分含量的樣品，并將樣品置于護(hù)套內(nèi),并進(jìn)行注油。具體步驟:實(shí)驗(yàn)前,首先將絕緣紙和絕緣油置于真空度30 Pa,120 ℃的烘箱中連續(xù)處理5 d;然后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求制作不同含水量的樣品,為使得水分更加均勻分布在套管芯子樣品上,將制作完成的試品置于恒溫、恒濕箱內(nèi)保持24 h;最后,將最終制作完成的試品置入實(shí)驗(yàn)腔體中心位置,并注入之前經(jīng)過干燥祛氣處理的25#變壓器油。具體流程圖如圖2所示。

圖 2 套管樣品加工制作流程

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

利用繞制好的套管電容芯子,搭建套管油紙絕緣結(jié)構(gòu)氣泡觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖3(a)所示。

為方便觀測油中氣泡產(chǎn)生過程,套管模型的護(hù)套采用透明有機(jī)玻璃。將繞制好的芯子置于有機(jī)玻璃外套軸心位置。為保證實(shí)驗(yàn)過程中樣品受熱均勻,采用對側(cè)加熱棒對樣品進(jìn)行加熱,加熱棒末端為溫度控制器,可實(shí)時(shí)控制加熱功率以獲得不同的加熱速度。同時(shí),采用貼片式溫度傳感器貼置于芯子中部,并實(shí)時(shí)采集樣品溫度。樣品加熱過程中,將最大放大倍數(shù)為1 000倍的高清電子放大鏡置于觀察窗口進(jìn)行拍攝。高清電子放大鏡末端接入計(jì)算機(jī)的圖像采集系統(tǒng),為了能夠記錄氣泡尺寸,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前,將標(biāo)準(zhǔn)尺寸物件置于充滿絕緣油的有機(jī)玻璃腔體中,進(jìn)行圖像尺寸標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拍攝到的套管芯子試品表面氣泡照片如圖3(b)所示。

(a) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3 結(jié)果分析

本節(jié)研究了不同因素對氣泡的生成的影響規(guī)律,首先給出了氣泡溫升速率與加熱功率之間的關(guān)系,并進(jìn)一步研究了溫升速率與氣泡起始溫度之間的關(guān)系。并針對實(shí)際中套管油紙絕緣結(jié)構(gòu)存在水分的情況,通過實(shí)驗(yàn)研究了不同水分含量下的氣泡起始溫度規(guī)律。

3.1 加熱功率與樣品溫升

將套管芯子在絕緣油中充分浸潤后再開始加熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí),為保證芯子受熱均勻,實(shí)驗(yàn)中電熱棒的施加功率較低,為確保整個(gè)油紙絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的熱交換,實(shí)驗(yàn)中加熱時(shí)間一般為50～80 min。在實(shí)驗(yàn)過程中,可以控制電熱棒的輸入功率來獲得不同的溫度升高速率。但由于油中熱傳導(dǎo)存在時(shí)間常數(shù),且不同的介質(zhì)與體積對傳熱效率的影響巨大,因此實(shí)驗(yàn)中的電熱棒輸入功率與樣品溫升速率之間需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行確定。首先研究了2個(gè)典型輸入功率下,樣品溫升ΔT與加熱時(shí)間t之間的關(guān)系,如圖4所示。

圖 4 溫升ΔT與加熱時(shí)間t關(guān)系圖

如圖4所示，樣品值ΔT與t之間并非成線性關(guān)系,在電熱棒的持續(xù)熱量輸出過程中，ΔT首先隨著t呈指數(shù)上升趨勢。當(dāng)系統(tǒng)的輸入能量與熱量耗散達(dá)到平衡時(shí),ΔT進(jìn)入平穩(wěn)階段。由于電熱棒與試品之間通過絕緣油實(shí)現(xiàn)熱交換,溫度控制器的溫度不能實(shí)時(shí)反映試品上的溫度。為方便后續(xù)研究溫升速率vT與氣泡生成起始溫度Ti直接的關(guān)系,需要明確加熱功率與溫升速率之間關(guān)系。本文將加熱過程最后到達(dá)的平穩(wěn)階段溫度定義為目標(biāo)溫度T0，分別將溫度達(dá)到0.2T0和0.8T0的時(shí)間定義為t80和t20,獲得某一功率下到達(dá)0.2T0和0.8T0的時(shí)間,即可確定該功率下的溫升速率。通過改變不同功率即可獲得不同溫升速率,以此實(shí)現(xiàn)研究不同溫升速率下氣泡起始溫度的目的,定義溫升速率的表達(dá)式為

(2)

同時(shí),為明確不同輸入功率P與穩(wěn)定溫度T0之間的關(guān)系,并獲得輸入功率P與vT之間的關(guān)系,分別施加不同輸入功率對試品進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,熱量來源是通過導(dǎo)體通電后產(chǎn)生的熱效應(yīng),當(dāng)施加輸入功率后,隨著時(shí)間的推移,電容芯子處的溫度趨于一個(gè)穩(wěn)定值,此時(shí)的溫度與初始環(huán)境溫度差值即為該輸入功率下的穩(wěn)態(tài)溫升。本文認(rèn)為經(jīng)過一段時(shí)間到達(dá)穩(wěn)態(tài)溫升后,vT達(dá)到3 ℃/min時(shí)為高溫升速率,結(jié)果如圖5所示。

圖 5 加熱輸入功率P與溫升ΔT、溫升速率vT關(guān)系圖

從圖5中可以看出,電偶的輸入功率P與T0、vT之間近似呈線性關(guān)系。下文利用這一關(guān)系開展溫升速率對氣泡生成起始溫度影響研究。

3.2 溫升速率對氣泡生成起始溫度影響

利用圖3(a)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究不同溫升速率下氣泡生成起始溫度，試品采用未在空氣中放置的6組樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中,為保證可以更加清晰地拍攝到油中氣泡,采用無頻閃LED對裝置進(jìn)行補(bǔ)光。利用電子放大鏡和圖像采集系統(tǒng)同步對油中氣泡進(jìn)行圖像采集。

選取在空氣中放置8 h的樣品開展實(shí)驗(yàn),利用3.1的溫度控制方法對不同溫升速率下開展10組有效實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:在溫升速率小于3 ℃/min范圍內(nèi),氣泡生成起始溫度測試結(jié)果數(shù)據(jù)分散性較大。例如當(dāng)溫升速率為1. 6 ℃/min時(shí),樣品1～10氣泡生成的起始溫度分別為100.4、108.2、109.6、115.8、117.1、119.0、119.5、129.1、131.2、132.4 ℃,氣泡起始溫度最大相差可達(dá)32 ℃。

為得到數(shù)據(jù)分布規(guī)律,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對溫度的分布規(guī)律進(jìn)行分析。鑒于樣本數(shù)少于50個(gè),采用少樣本數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)方法(即W檢驗(yàn)法)對電子溫度分布進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。W檢驗(yàn)法的統(tǒng)計(jì)量表達(dá)式為

(3)

式中:n為樣本數(shù)量;ωi(W)為統(tǒng)計(jì)量的W系數(shù);xi為樣本值。計(jì)算可得W大于99%置信率下的α分位數(shù)。因此,不拒絕數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的假設(shè),即可以認(rèn)為低于3 ℃/min溫升速率下氣泡生成起始溫度服從正態(tài)分布,并以數(shù)據(jù)期望值表征數(shù)據(jù)。

由于變壓套管內(nèi)部溫升范圍主要分布在0～6 ℃/min之間,故在不同溫升階段選取5個(gè)典型溫升速率值,分別在0.3、1、3.3、4.44、5.42 ℃/min下開展氣泡生成起始溫度測試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)溫升速率低于3 ℃/min時(shí),氣泡生成起始溫度選用數(shù)據(jù)期望值來表示;當(dāng)溫升速率達(dá)到3 ℃/min后,氣泡生成起始溫度選用數(shù)據(jù)平均值來表示,結(jié)果如圖6所示。隨著溫升速率的增加，氣泡形成起始溫度呈快速下降的趨勢，這是因?yàn)樗魵狻⑷芙鈿怏w和吸附水主要存在于絕緣紙的縫隙內(nèi),快速升溫將導(dǎo)致吸附水迅速蒸發(fā),孔隙從紙內(nèi)得到更多的水蒸氣,內(nèi)部的水蒸氣和氣體壓強(qiáng)增加,氣隙膨脹。當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)大到足以排出絕緣紙孔隙內(nèi)的油時(shí),則釋放出一個(gè)自由氣泡。而較慢的升溫過程則可能使得氣隙膨脹變緩,難以達(dá)到產(chǎn)生氣泡的壓強(qiáng),氣泡生成起始溫度升高。當(dāng)套管內(nèi)部油紙存在水分時(shí),如果變壓器負(fù)荷急劇攀升,套管油紙絕緣結(jié)構(gòu)中更容易產(chǎn)生氣泡,威脅設(shè)備安全運(yùn)行。

圖 6 溫升速率與氣泡生成起始溫度關(guān)系

3.3 水分含量對氣泡生成起始溫度影響

套管油浸紙絕緣中如果存在水分時(shí),水分會(huì)在高溫的作用下析出并以氣泡形式出現(xiàn)在油紙絕緣中,影響內(nèi)部絕緣性能。由于運(yùn)行年限和負(fù)載不同,不同套管油紙絕緣內(nèi)部的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在較大差異,本文研究了不同絕緣紙水分含量下氣泡生成起始溫度變化規(guī)律。

將套管芯子樣品置于空氣中進(jìn)行受潮處理,不同放置時(shí)間下油紙水分含量w如表1所示。從表1可以看出,紙中含水量隨著放置時(shí)間增長而迅速增高。而且如若長期放置,油紙中的水分含量將達(dá)到飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中每組樣品個(gè)數(shù)為3個(gè),利用受潮后的樣品分別進(jìn)行氣泡生成起始溫度實(shí)驗(yàn)研究。

通常情況下,變壓器套管故障發(fā)熱時(shí)的溫升速率約為5.2 ℃/min,在不同受潮等級下選取表中的5個(gè)水分平均含量值,在5.2 ℃/min的高溫升速率下開展實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,氣泡生成起始溫度Ti隨水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的增加而迅速下降。這是由于當(dāng)紙中水分增加時(shí),絕緣紙孔隙中的吸附水含量顯著增加,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),從孔隙中析出的水蒸氣量增加,更容易排出絕緣紙孔隙內(nèi)的絕緣油,從而形成氣泡。

表 2 5.2 ℃/min時(shí)氣泡生成起始溫度隨水分含量的變化

4 結(jié) 論

針對高壓套管中存在的氣泡缺陷問題,開展了高壓套管油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)中氣泡生成特性研究,獲得了氣泡生成起始溫度與溫升速率和絕緣紙中水分含量的變化關(guān)系,主要結(jié)論如下:

1) 對0～6 ℃/min溫升速率范圍內(nèi)對氣泡起始溫度影響進(jìn)行了探究,結(jié)果表明：溫升速率對氣泡生成起始溫度具有一定的影響，隨著溫升速率的增加氣泡生成起始溫度呈快速下降的趨勢；當(dāng)溫升速率低于3 ℃/min時(shí),氣泡生成起始溫度值不易確定,分散度較大,但滿足正態(tài)分布規(guī)律；在溫升速率高于3 ℃/min階段,氣泡起始溫度顯著降低。

2) 對0.4%、2.7%、3.9%、6.8%、7.6% 5種水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)套管樣品進(jìn)行氣泡生成實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)絕緣紙中的水分含量對氣泡生成起始溫度具有顯著影響。隨著絕緣紙中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,氣泡生成起始溫度降低,說明在受潮嚴(yán)重的套管內(nèi)部極有可能形成氣泡。