油浸式電力變壓器局部放電預防工藝研究

彭 磊，周 璘，袁 靜

(國網隴南供電公司，甘肅 隴南 746000)

0 引 言

油浸式電力變壓器是電力系統中的重要組成部分，其設備穩定性直接影響電網系統穩定性。在油浸式電力變壓器運行過程中，可能發生局部放電現象，并引起設備故障[1]，因此，加強變壓器局部放電量控制，尤其是加強油浸式電力變壓器出廠前試驗驗證是預防和控制變壓器故障的重要舉措，但由于出廠前試驗測試僅能減少變壓器故障，無法有效消除局部放電問題，因此，應加強油浸式電力變壓器生產工藝過程環節質量控制，尤其是變壓器生產中易被忽視的質量控制點，以此提高變壓器產品質量。

1 油浸式電力變壓器在局部放電影響因素研究

油浸式電力變壓器生產過程中，由于生產工藝原因會形成一些絕緣空隙，如變壓器油因處理不合理而存在氣泡，或變壓器內部存在金屬毛刺，可能造成異常部位電場強度較高，引起電場畸變，造成變壓器中電場不均勻分布，進而引發放電擊穿現象。如周圍絕緣性能良好，未發生徹底擊穿，則形成局部放電現象。結合上述原因，造成油浸式電力變壓器局部放電的主要原因包括以下幾個方面。

1.1 絕緣件絕緣性能

變壓器絕緣件制作一般采用絕緣紙板、層壓紙板等材料，其中，絕緣紙板電氣性能優異，其化學純度高，局部放電電壓高。如因結構或裝配式故障同樣容易產生局部放電。層板紙板一般采用粘合劑和絕緣紙張黏合制成，黏合劑多為1 411酚醛樹脂[2]，刷膠工藝包括雙面上膠和紙板單片刷膠工藝。在圓環類紙板單片刷膠工藝中，刷膠后涼制12 h。層壓端圈、靜電環骨架等采用疊放晾制方法，晾制時間長達4～7天[3]。層壓紙板雙面上膠碼紙，將酚醛樹脂涂刷在紙板表面并硬化形成一層膠膜，受紙板幅面寬度限制，其寬度一般為620 mm、960 mm，針對較大的圓環類絕緣件，如托板、壓板、層壓端圈、靜電環骨架等絕緣件，應盡量避免采用碼紙工藝，避免因雙面涂膠工藝幅面不足、多次對接而影響絕緣件質量。針對導線夾、在直撐條、墊塊等絕緣件可采用碼紙工藝[4]。同時，由于雙面涂膠制作時已形成一層固化膠膜，增加了層壓紙板開裂風險，因此，碼紙工藝制作的層壓紙板開裂風險大于刷膠制作的層壓紙板。在刷膠制作層壓紙板時，其生產工藝應采用滾刷蘸取膠液依次單面刷膠(如圖1所示)。為避免出現氣泡，刷膠應沿單向均勻涂刷，并確保膠量均勻，盡量避免出現氣泡而影響絕緣件絕緣性能[5]。

圖1 絕緣件刷膠示意圖

1.2 真空干燥過程

油浸式電力變壓器生產過程中，為充分清除變壓器中水分，需借助干燥工藝對絕緣件、線圈、線圈和器身消除水分，干燥工藝包括真空干燥、變壓器法干燥和氣相干燥等[6]。真空干燥法是以空氣為介質，在標準大氣壓力下將變壓器預熱至105 ℃左右后開始抽真空處理。真空干燥過程中干燥溫度不宜過高，傳熱緩慢，可能存在內外受熱不均勻情況[7]，且預熱周期長達幾十至上百小時，存在生產周期長、干燥不徹底的問題，難以滿足大型油浸式電力變壓器含水率控制要求。當前，真空干燥方法其應用優勢在于干燥成本低、操作簡單，適用于小容量油浸式低電壓等級變壓器干燥工藝。在真空干燥過程可分為預熱階段、過渡階段、主干階段、終干階段及終點判斷階段，其中，主干階段排出水分占比約為50%，終干階段持續抽真空，排出變壓器絕緣件深層水分，終點判斷階段時根據干燥罐單位時間內壓力變化判斷干燥是否合格。如主干階段主閥門關閉時間過長，則罐內水分不能及時排出[8]，可能造成變壓器鐵芯銹蝕，如主干階段主閥門關閉時間過短，即在水分未充分釋放情況下開始抽真空，將影響真空干燥效果。因此，真空干燥方法多用變壓器線圈干燥。

相較于直接真空干燥方法，真空氣相干燥是一種借助特種煤油蒸汽為載熱介質的干燥方法。基于煤油蒸汽相變換熱原理，由于煤油飽和壓力介于水的飽和壓力和變壓器油飽和壓力之間[9]，因此，真空氣相干燥方法可順利將變壓器中水分排除。同時，由于該過程可預熱和真空干燥同步進行，可將真空預熱溫度提升至125～130 ℃，且不會引起絕緣設備老化問題。此外，除用于油浸式電力變壓器真空干燥外，可采用特種煤油蒸汽對流換熱方式加熱絕緣材料外，煤油蒸汽冷凝后形成的液態煤油可在絕緣材料表面形成油膜進行換熱，從而提高了加熱效率，冷凝后的液態煤油滲透至絕緣件內部，加速變壓器內部絕緣材料熱傳導，確保了變壓器均勻加熱[10]，為真空干燥提供了良好條件。此外，煤油冷凝后形成的液態煤油是一種良好的安清洗溶劑，可用于變壓器內雜質、臟污清理，尤其是可用于油浸式電力變壓器返修清理和氣相干燥處理。當前，真空氣相干燥工藝干燥徹底，但設備成本較高，系統較為復雜，一般大型的變壓器生產企業普遍采用真空氣相干燥方法，部分企業采用該方法用于變壓器線圈干燥處理。

1.3 真空注油、熱油循環與靜放

在變壓器器身緊固和壓裝處理后，需將其吊裝入變壓器油箱內，完成儲油柜、套管等部件安裝和注油工序。一般而言，小容量低電壓等級變壓器可在常壓下注油，但大容量高電壓等級變壓器絕緣件較大，為確保絕緣件浸入變壓器油，增強絕緣強度，需在真空條件下進行注油。在真空狀態下，絕緣紙板內部變壓器油處于負壓狀態，有利于變壓器油浸入紙板內部。同時，高等級變壓器主絕緣距離較大，一般為多層絕緣紙板在撐條端部角環結構，當外側絕緣紙板壓強達到低值且油箱整體未達到高真空狀態時，紙板撐條處壓強較大，不利于變壓器油浸潤絕緣紙板[11]，尤其是絕緣紙板角環內側轉角部位，如抽真空處理不到位，極易形成氣泡引起局部放電問題。因此，為避免此類問題發生，需在變壓器總裝后真空注油，并合理控制注油速度，防止因注油過快而導致氣泡產生。在注油過程中，應維持真空度穩定，注油結束后補油應在相同真空狀態下進行。

油浸式電力變壓器生產過程中需兩次靜放，首次靜放在變壓器本體真空浸油前，按變壓器等級靜放12～48 h[2]。第二次靜放在變壓器本體注油后，按變壓器等級靜放24～240 h。通過靜放過程，能夠促進變壓器內部絕緣件浸透變壓器油，從而確保絕緣件絕緣性能。如30 mm厚絕緣紙板在20 ℃溫度下需浸潤80 h以上才能完全浸透。在變壓器生產中，局部放電現象多因在靜放時間不符合要求，且大部分變壓器繼續靜放后再次試驗后局部放電減少直至消失，其原因在于變壓器油并未完全浸透絕緣件，導致絕緣件介質密度不均勻，進而引發局部放電現象。

2 油浸式電力變壓器局部放電預防工藝研究

針對油浸式電力變壓器局部放電影響因素，為減少變壓器故障，保障變壓器生產質量，提高電力電網穩定安全運行，應從絕緣件制作工藝改進、絕緣件真空干燥工藝改進、真空注油工藝改進、清潔度控制和金屬懸浮控制等方面改進工藝，提高油浸式電力變壓器生產質量。

2.1 絕緣件制作工藝改進

絕緣件制作工藝改進包括絕緣介質均勻度和消除氣泡兩個方面。

2.1.1 絕緣件均勻度工藝改進

油浸式電力變壓器導線夾介質材料為層壓紙板，通過在紙板之間涂刷酚醛樹脂黏合紙板，經熱壓黏合。在紙板生產過程中，可能因操作方法不當造成刷膠不均勻、厚度不一等情況，如局部膠量過大，導致紙板介質不均勻形成膠瘤，可能引發變壓器局部放電問題。因此，合理控制絕緣件均勻度是工藝改進的關鍵。同時，由于層壓紙板電氣性能良好，其安裝位置為高場強區域，對層板紙板潔凈度要求高，需要加強紙板生產過程中酚醛樹脂膠潔凈度控制，防止異物進入膠體中。針對兩方面需求，可在層板碼放過程中，在將一層雙面上膠紙板置于兩層單張紙板中，并進行熱壓黏合，減少因絕緣件不均勻造成的工藝故障。在絕緣件紙板清潔度控制時，應從人員管理、環境清潔、工裝設備、材料控制、制作過程控制等方面加強控制，防止層壓紙板在生產過程沾染灰塵。①人員管理方面，出入生產區域必須穿戴整齊工作服，不得地不得佩帶金屬飾品、鑰匙及手機等物品；制作雙面上膠紙的人員在工作時必須正確佩戴白色手套，保持手套清潔無污跡；②環境清潔管理方面，可在進出口處需鋪上地毯或地墊，地毯或者地墊必須保證定期清潔、清洗，咋每日咋清掃工作區域，保持地面干凈清潔、無污物。區域清潔時采用清潔、半干拖布，防止塵土飛揚。每周進行一次徹底清掃，并開啟排風扇通風，防止塵土飛揚；工裝設備方面，層壓紙板生產前應對生產設備進行徹底檢查，不得使用漏油、不清潔的設備。、每日生產前必須清潔保養生產設備，尤其是涂膠機膠槽、上輥、刮膠輥、烘箱、收料輥等易存在灰塵區域，確保層板紙板生產設備清潔干凈。每日生產完成后，經設備清理清潔后采用干凈苫布遮蓋，防止設備閑置時間區段吸附灰塵；③生產材料方面，層壓紙板生產所有原材料均采用干凈塑封裝，并以苫布遮蓋，每打開一卷紙板和塑料膜時，必須清理外層受污染電纜紙；層壓紙板生產過程中，應定期檢查現場通風系統、烘干系統運行狀態，經設備檢查無誤后向桶內導入適量樹脂膠，并嚴格控制膠體比重，將膠體比重控制在1.05～1.07 g/cm3范圍內，確保紙板黏結熱壓均勻。當樹脂比重較大時，可采用在無水酒精稀釋處理；生產前，應對層板紙板電纜紙厚度進行檢查，其厚度應控制在0.12～0.13 mm范圍內。

刷膠生產過程中，清潔控制主要集中在酚醛樹脂膠清潔度控制方面進行工藝改進。樹脂膠配制前，配膠使用的膠槽、比重計等設備均使用酒精擦拭干凈，并經現場檢查無灰塵后使用。膠輥在使用前后須用酒精清洗，防止層壓紙板沾染灰塵，并在紙板局部集中形成膠瘤。樹脂膠配制完成后，應將膠槽蓋等設備使用酒精清潔干凈后遮蓋，防止吸附灰塵。膠液配制時，應先取適量膠液和酒精分別倒入膠槽內，注膠量小于膠槽2/3，酒精量小于膠槽高度1/3，防止膠體沾染異物。經現場檢查無誤后，使用清潔容器將酒精舀入膠槽內，按設計配比和比重控制要求加入適量酒精，經攪拌均勻后放入比重計讀數濃度。由于膠液存放一定時間后會形成大量氣泡，因此，膠液應隨拌隨用，最長存放時間不得超過48 h，確因客觀原因導致膠液超過48 h時應棄用。

經上述工藝改進措施后，可有效控制油浸式電力變壓器絕緣件均勻度和清潔度，防止因層壓紙板介質不均勻而引起局部放電現象發生。

2.1.2 紙板氣泡控制工藝改進

為合理預防、控制層壓紙板生產中形成氣泡，應結合層壓紙板氣泡產生位置區域進行預防性工藝改進，尤其是針對容易形成氣泡的位置提前預留跑氣通道，避免形成封閉空間，阻礙抽真空狀態形成。針對常見的層壓紙板氣泡問題，可對壓板進行工藝改進，對其表面螺桿進行鉚接加工處理，防止螺桿孔內氣體抽離，以此預留孔內跑氣通道，防止層壓紙板壓板過程中形成氣泡。在粘結絕緣件時，應注意粘結防水，必須采用花粘、點粘方式，注意預留跑氣通道，防止形成封閉區域，阻礙氣體逸出。通過工藝改進可有效預防和控制安紙板形成氣泡，經紙板生產實踐，紙板生產后無氣泡形成，有效預防和控制了局部放電問題。

2.2 絕緣件真空干燥工藝改進

絕緣件真空干燥處理時，絕緣件材質中水分清除不徹底易形成局部放電問題，因此，需加強真空干燥工藝改進提高水分去除率。為避免該問題發生，可對在絕緣件進行多次入爐干燥處理。在絕緣件生產完成后，即對其進行烘干淋油處理，使用煤油封堵其斷面防止水分浸入。線圈繞制完成后，應將絕緣件再次入爐烘干處理。針對高電壓等級變壓器絕緣件整體處理時，應在線圈包繞制鐵芯柱前將絕緣件入爐烘干，并在變壓器整體裝配完成后長時間入爐抽真空干燥烘干。

抽真空干燥的過程是在真空狀態下將絕緣件中的細小水分自絕緣材料中抽離，確保絕緣材料干燥，該過程主要取決于水分子與周圍空間壓差，如壓差較大時，水分子蒸發、擴散和遷移加速，從而達到快速干燥的目的。提高絕緣件與周圍空間壓差可通過兩種途徑解決，即提高絕緣材料預熱溫度和提高真空度，預熱溫度每提高20℃，水分子分壓越高，且真空度越高水分子也越容易蒸發。絕緣件經多次入爐烘干后應及時裝配，如因特殊原因未及時完成裝配時應重新入爐烘干后裝配，且存放待裝配時間段內應盡量避免絕緣件暴露在外部空氣中。結合抽真空干燥工藝應用優勢，建議在絕緣件裝配后采用真空氣相干燥法進行抽真空干燥。為對比真空干燥法與真空氣相干燥法兩種工藝干燥效果，經筆者對比10組試驗研究，在相同層壓紙板烘干情況下，分別采用真空干燥法與真空氣相干燥法進行干燥處理，并對絕緣件中部表層、中心部位進行含水率采樣檢測，經檢測，抽真空干燥后絕緣件含水率均值為1.0%，而采用真空氣相干燥方法后絕緣件含水率均值為0.2%，因此，真空氣相干燥方法干燥效果更為優異，可有效降低油浸式電力變壓器絕緣件含水率，防止變壓器局部放電問題發生。

2.3 真空注油工藝改進

在變壓器生產中，端部出線結構變壓器高壓線圈端部電壓中部出線結構變壓器線圈端部電壓一致，但不同電壓等級變壓器真空注油真空度要求存在一定差異如表1所列。

表1 不同電壓等級下變壓器產品真空度要求及真空注油時間

在真空注油時，應達到注油要求真空度后維持前真空度處理時間，并該真空度下注入變壓器油。注油管道應排除氣泡，如發現存在氣泡則應減緩注油速度或暫停注油。注油速度以6 000 L/h為宜，油溫控制在45～55 ℃范圍內。注油時，220 kV以下電壓等級變壓器真空度應維持在300 Pa以內，500 kV電壓等級變壓器注油真空度應控制在133 Pa以內。真空注油結束后，應自上而下開啟放氣塞充分放氣，并將變壓器與真空濾油機之間的管路可靠連接，在對循環管路和濾油機充分抽真空后啟動濾油機。濾油過程中，在濾油機出口油溫控制在45～55 ℃范圍內，并注意控制變壓器油勻速流動，注意觀察在濾油機出口油溫、真空度和儲油柜液面。真空注油循環量應不小于變壓器油3倍油量，并對循環后變壓器油工藝指標進行檢測，包括擊穿電壓、介質損耗因數、顆粒度、含水量、含氣量等。

油浸式電力變壓器真空注油和熱循環處理后，可有效減少變壓器油內氣泡，確保變壓器油與絕緣件充分接觸、浸油，從而消除變壓器局部放電現象。

2.4 清潔度控制工藝改進

在變壓器維護維修和生產過程中，對現場清潔度要求較高，其原因在于高電場情況下細小金屬顆粒即可引起局部放電并造成變壓器擊穿問題，因此，在變壓器生產和維修過程中應加強清潔度控制。原材料存放和使用應全過程無塵處理，絕緣件應使用苫布覆蓋或保鮮膜嚴密包裹后存放。現場操作人員應正確穿戴工作服、手套后進行操作。大容量高電壓等級變壓器生產和維修維護需穿戴連體工作服后操作，防止灰塵、雜物進入變壓器內部，尤其是防止金屬異物進入變壓器內部。同時，嚴格控制生產現場環境清潔度，生產和維修前可借助降塵量測試方法對現場環境進行測量，必要時可在現場搭設防塵棚，降低外界環境對施工環境的影響。通過提高生產和維修現場清潔度，保持材料、人員、生產過程和生產環境清潔，能夠避免金屬異物、灰塵進入變壓器內部，預防和控制變壓器局部放電問題。

2.5 金屬懸浮物控制工藝改進

在變壓器生產和維修過程中，如變壓器內部存在金屬碎屑可能引起局部放電、擊穿問題，進而造成變壓器故障。因此，在變壓器生產過程中應避免出現懸浮金屬碎屑和金屬零件，如出現金屬零件懸浮問題則表明該零件接地失效，極易在該零件上形成、積累大量電荷，并與接地電位之間形成電位差，當電位差較大時，容易引發局部放電問題。為防止該問題發生，變壓器生產和維修過程中應度使用搖表對各螺桿接地電阻進行測量，以接地電阻應為0，夾件電阻應達到500 MΩ，如出現電阻不合格現象，即表明存在金屬懸浮問題，需緊固處理。

3 結 語

油浸式電力變壓器局部放電現象形成主要由于水分、絕緣件均勻度、氣泡等問題導致，要求生產維修企業采取針對性措施，改進生產工藝，優化各環節生產質量控制，采取提高變壓器生產過程清潔度，采用真空氣相干燥法排除水分，檢查變壓器懸浮物在電阻等措施，預防和控制變壓器局部放電問題。