繞組間局部電場(chǎng)集中導(dǎo)致的圍屏沿面閃絡(luò)特性

高源， 李慕子， 翁佳南， 黃猛， 趙文彬， 盧武

(1.上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.華北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要的元件之一，是電能傳遞與電壓變換的關(guān)鍵設(shè)備，其能否穩(wěn)定運(yùn)行，直接影響到電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性[1-6]。近20年間，由于變壓器圍屏沿面閃絡(luò)導(dǎo)致的變壓器爆炸事故時(shí)有發(fā)生，如：2002年2月，上海西郊變電站14號(hào)220 kV主變壓器發(fā)生爆炸；2019年11月，交流特高壓泉城站3號(hào)1 000 kV主變壓器B相發(fā)生爆炸等。每次變壓器爆炸事故都造成了不可挽回的巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的甚至造成了人員傷亡。對(duì)事故變壓器的拆解診斷表明，變壓器繞組變形所產(chǎn)生的局部電場(chǎng)集中是導(dǎo)致圍屏沿面閃絡(luò)最主要的原因之一[7-9]。

針對(duì)變壓器圍屏沿面放電的特征及影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10]證明針-板電極下油紙絕緣電壽命符合反冪函數(shù)模型，且可以劃分為5個(gè)階段，各階段局部放電特征和PRPD圖譜與放電痕跡的發(fā)展規(guī)律一一對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)[11]根據(jù)針-板電極下油紙絕緣沿面放電過(guò)程中的痕跡及放電特性將局部放電劃分為5個(gè)階段。文獻(xiàn)[12]通過(guò)高頻電流線圈、硅光電倍增管、超聲傳感器和超高頻傳感器同步測(cè)量局部放電發(fā)展各個(gè)階段下所產(chǎn)生的物理參量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果將局部放電劃分為發(fā)展階段、停滯階段和擊穿階段。文獻(xiàn)[13]指出除受潮外，油中的銅顆粒和氣泡同樣會(huì)造成更多的沿面放電。文獻(xiàn)[14]提出白斑的存在更容易引發(fā)放電，同時(shí)放電產(chǎn)生的能量會(huì)使纖維素發(fā)生碳化，加劇放電，直至閃絡(luò)，且碳化通道的形貌與放電特征具有相關(guān)性。

但針-板沿面放電模型與實(shí)際變壓器繞組的絕緣結(jié)構(gòu)相差較大，而基于變壓器繞組結(jié)構(gòu)，模擬由繞組變形導(dǎo)致的圍屏沿面閃絡(luò)故障的相關(guān)研究較少。因此，有必要建立與變壓器繞組結(jié)構(gòu)較為相似的模型，對(duì)變壓器繞組間局部電場(chǎng)集中導(dǎo)致的圍屏沿面閃絡(luò)開(kāi)展研究，為可能直接導(dǎo)致變壓器爆炸事故的放電發(fā)展階段進(jìn)行辨識(shí)。本文搭建模擬繞組間局部電場(chǎng)集中的模型，通過(guò)相機(jī)記錄施加工頻電壓時(shí)的沿面閃絡(luò)故障發(fā)展過(guò)程，記錄各階段的電壓和電流波形，并分析不同階段的脈沖電壓和電流的幅值和密度。根據(jù)各階段不同的圖像特征、電壓和電流特性及放電痕跡特征，將沿面閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程劃分為不同階段，并進(jìn)行特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)，為圍屏沿面閃絡(luò)發(fā)展階段評(píng)估提供一定的參考。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文首先對(duì)近年來(lái)51起變壓器爆炸事故原因進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析[15-16]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。可以看出，導(dǎo)致變壓器爆炸原因中繞組變形所占比例最高，為49.02%。多起事故的內(nèi)部分析報(bào)告均認(rèn)為繞組變形可能會(huì)導(dǎo)致匝間短路，形成局部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)沿面放電[17]，導(dǎo)致繞組變形加劇或繞組熔化，使繞組間產(chǎn)生局部電場(chǎng)集中，經(jīng)發(fā)展最終構(gòu)成沿面貫穿性閃絡(luò)通道，導(dǎo)致變壓器損毀。典型事故后的變壓器繞組如圖2所示。

圖1 變壓器爆燃原因統(tǒng)計(jì)圖

圖2 繞組匝間短路故障圖

為模擬繞組變形導(dǎo)致繞組間產(chǎn)生局部場(chǎng)強(qiáng)集中故障，設(shè)計(jì)制作了基于油紙絕緣的電極模型，如圖3所示。模型以1 mm厚度的絕緣紙板為底，覆蓋以0.08 mm厚度的絕緣紙。絕緣紙表面設(shè)置高壓電極、薄片電極和低壓電極，高壓電極采用曲率半徑為16～17 μm的7號(hào)醫(yī)用針頭，針尖為半錐形，尖側(cè)貼放于絕緣紙表面。薄片電極尺寸為200×10×0.5 mm，兩端做圓角處理，8只薄片電極平行布置貼于絕緣紙表面，用于模擬變壓器繞組線匝。低壓電極為指型電極，采用10 mm直徑的銅柱，一端加工為半球形，后于軸線剖開(kāi)，平面?zhèn)荣N于絕緣紙表面，用于模擬變壓器中繞組低壓端接線處接頭。電極整體置于裝滿變壓器油的亞克力容器中。由于隨著針尖曲率半徑的減小，相同電壓下針尖處場(chǎng)強(qiáng)增加[18]，為了在有限的電源容量下更好地模擬繞組間存在局部電場(chǎng)集中時(shí)故障的發(fā)展情況，選用長(zhǎng)5 mm，曲率半徑為4～6 μm的5號(hào)醫(yī)用針，布置在除最靠近低壓電極側(cè)薄片電極外的其余薄片電極一側(cè)的中間位置，保證醫(yī)用針與薄片電極接觸良好且針尖與絕緣紙貼合，以此在絕緣紙表面形成局部高場(chǎng)強(qiáng)，模型結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 電極模型結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

本文搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)包括調(diào)壓器、工頻無(wú)局放試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻、阻容分壓器、電極模型、采樣電阻及保護(hù)、相機(jī)和示波器，如圖4所示。其中，市電經(jīng)調(diào)壓器后輸入至工頻無(wú)局放試驗(yàn)變壓器，額定電壓150 kV，額定容量15 kVA，額定電壓下放電量小于5 pC。變壓器輸出端串接保護(hù)電阻RL，阻值為2 MΩ。阻容式分壓器的分壓比為1∶15 000，測(cè)量準(zhǔn)確度為1.5%，其分壓信號(hào)輸出至示波器一通道。電極模型接地側(cè)串接無(wú)感采樣電阻，阻值為50 Ω，電阻并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)用于過(guò)壓保護(hù)，電阻兩端采樣信號(hào)送至示波器二通道，示波器型號(hào)為T(mén)ektronix MDO3104。相機(jī)型號(hào)為Canon EOS 5DS，鏡頭距離放電間隙約300 mm，用于拍攝放電圖像。

圖4 試驗(yàn)回路圖

在試驗(yàn)前首先對(duì)變壓器油和絕緣紙及紙板進(jìn)行處理。變壓器油選用25號(hào)克拉瑪依變壓器油，試驗(yàn)前通過(guò)濾油機(jī)干燥過(guò)濾處理1 h，去除油中原有的水分、微粒和氣體，濾油機(jī)過(guò)濾精度為5 μm，處理后的變壓器油各項(xiàng)參數(shù)如表1所示，符合GB2536-2011中的要求。絕緣紙板在干燥箱中烘干48 h，檢測(cè)其含水量低于0.5%。隨后，將電極布置于絕緣紙表面和絕緣紙板一同浸入過(guò)濾完的變壓器油中，密封浸漬48 h，保證絕緣紙和紙板在油中充分浸泡。

表1 處理后變壓器油各項(xiàng)參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中采用階梯升壓法提高試驗(yàn)變壓器輸出電壓，在電壓幅值較低時(shí)升壓速度稍快，為1 kV/min，至觀察到放電發(fā)生開(kāi)始，降低升壓速度至0.2 kV/min，直至模型間隙完全擊穿后降壓，過(guò)程中記錄對(duì)模型施加電壓及采樣信號(hào)波形。升壓過(guò)程中試樣承受電壓大小示意圖如圖5所示。

圖5 階梯升壓法示意圖

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

繞組間局部電場(chǎng)集中模型沿面閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)所采集的光學(xué)圖像、電信號(hào)和絕緣紙上的痕跡可以將發(fā)展過(guò)程分為4個(gè)階段。

第一階段：高壓側(cè)針尖處微弱放電。

隨外施電壓從0提高至23 kV，高壓側(cè)針電極尖端處首先發(fā)生微弱放電，如圖6(a)中t=23 min圖所示。隨著時(shí)間的增加，放電處由針尖向周圍發(fā)展，如圖6(a)中t=48 min圖及t=88 min圖所示。本階段檢測(cè)到的電壓波形未見(jiàn)明顯畸變，檢測(cè)到的電流波形出現(xiàn)周期性的密集脈沖信號(hào)，如圖6(b)中第一階段電壓電流波形圖所示，此階段檢測(cè)到的放電電流值最高為12 mA。圖6(c)第一階段為本階段內(nèi)高壓側(cè)針電極處出現(xiàn)的典型白痕圖像，觀察到放電位置處于白痕的最前端，并隨外施加電壓幅值提高而向第一薄片電極發(fā)展。

第二階段：針尖處出現(xiàn)碳化痕跡。

白痕在放電發(fā)展過(guò)程中不斷向前生長(zhǎng)，隨著外施電壓提高至37 kV左右時(shí)，在白痕的根部開(kāi)始出現(xiàn)黑色樹(shù)枝狀碳化痕跡，此時(shí)放電圖像如圖6(a)中t=89 min圖和t=138 min圖所示，可以看出此時(shí)所形成的電弧為樹(shù)枝狀。當(dāng)外施電壓提高至53 kV左右時(shí)，高壓側(cè)針電極尖端產(chǎn)生的放電延伸至第一薄片電極，如圖6(a)中t=173 min圖所示。

從圖6(b)中第二階段電壓電流波形圖可以看出，本階段檢測(cè)到的電壓波形仍未見(jiàn)明顯畸變，脈沖電流信號(hào)幅值和頻率均小于第一階段，此階段檢測(cè)到的放電電流值最高僅為1.9 mA。從高壓側(cè)針電極開(kāi)始發(fā)展的放電延伸至第一薄片電極時(shí)，所記錄到的黑色樹(shù)枝狀碳化痕跡與周圍的白痕如圖6(c)中第二階段所示。

第三階段：高、低壓側(cè)間隙強(qiáng)烈電弧放電。

隨著外施電壓幅值進(jìn)一步提高，高壓側(cè)針電極與第一薄片電極之間電弧放電程度加劇。此時(shí)，低壓側(cè)指型電極上端出現(xiàn)向上發(fā)展的放電，直到最后一段間隙形成電弧，過(guò)程中伴隨著薄片電極間隙發(fā)生不穩(wěn)定電弧放電，隨著電壓的增加，發(fā)生放電的薄片電極間隙逐漸增多，如圖6(a)中第三階段放電圖像所示。15次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，本階段薄片電極間隙放電順序及規(guī)律取決于模型的精度，由于制作模型時(shí)存在的間隙距離誤差、薄片電極周圍存在毛刺等不可控的原因，導(dǎo)致重復(fù)試驗(yàn)中觀測(cè)到薄片電極間隙放電發(fā)展順序不同。重復(fù)試驗(yàn)共出現(xiàn)了三種情況，其中：電弧由低壓側(cè)向高壓側(cè)發(fā)展的情況出現(xiàn)了8次，占總次數(shù)的53.3%；電弧由高壓側(cè)向低壓側(cè)發(fā)展的情況出現(xiàn)了5次，占總次數(shù)的33.3%；電弧由高壓側(cè)和低壓側(cè)幾乎同時(shí)發(fā)展的情況出現(xiàn)了2次，占總次數(shù)的13.3%。但不論出現(xiàn)哪種情況，對(duì)于其余參數(shù)測(cè)量結(jié)果均沒(méi)有明顯的影響，因此，此處選擇出現(xiàn)次數(shù)最多的電弧由低壓側(cè)向高壓側(cè)發(fā)展的情況進(jìn)行展示。

本階段檢測(cè)到的電壓波形產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)了與脈沖電流相位相同的脈沖電壓，檢測(cè)到的脈沖電流幅值及頻率均大于第一階段，如圖6(b)中第三階段電壓電流波形圖所示。此階段檢測(cè)到的放電電流值最高為800 mA。圖6(c)中第三階段為本階段絕緣紙上形成的碳化痕跡圖像，低壓側(cè)與薄片電極之間的電弧放電使該處絕緣紙受到了燒蝕。

第四階段：間隙貫穿性閃絡(luò)。

本階段發(fā)生了貫穿所有間隙的放電。放電首先發(fā)生在場(chǎng)強(qiáng)集中處(圖中虛線位置)，隨著放電時(shí)間的增加，電弧位置發(fā)生了改變，如圖6(a)中第四階段放電圖像所示。

本階段檢測(cè)到的電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生了周期性的密集脈沖信號(hào)，且在發(fā)生擊穿的時(shí)刻電壓降為0，隨后重新上升，當(dāng)電壓升至擊穿閾值時(shí)，再次降為0，并發(fā)生擊穿，檢測(cè)到的電流波形脈沖頻率略微上升，但幅值遠(yuǎn)大于前三個(gè)階段，放電電流最高值為8 A，如圖6(b)中第四階段電壓電流波形圖所示。圖6(c)中第四階段為本階段絕緣紙上形成的碳化痕跡圖像，發(fā)生閃絡(luò)處的絕緣紙均受到嚴(yán)重?zé)g。

圖6 繞組間局部電場(chǎng)集中模型放電發(fā)展過(guò)程

2.2 沿面閃絡(luò)各階段特性分析

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析了試驗(yàn)觀察到的脈沖電壓幅值(中值)、脈沖電流幅值(中值)、脈沖電流頻次、碳化痕跡面積以及電弧長(zhǎng)度等參數(shù)，各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。隨著時(shí)間增加，外施加交流電壓幅值逐漸提高，觀察到的各參數(shù)也隨之變化，根據(jù)參數(shù)的突變特征，將沿面放電過(guò)程劃分為四個(gè)階段，其中最后階段表示貫穿性閃絡(luò)發(fā)生。具體如下：

圖7 繞組間局部電場(chǎng)集中模型放電發(fā)展過(guò)程階段劃分

第一階段：本階段為起始階段，時(shí)間為23～88 min。在這一階段，電壓沒(méi)有出現(xiàn)脈沖信號(hào)；脈沖電流幅值較小，平均中值為5.62 mA，最大值為11.91 mA；脈沖電流頻次較高，平均為193次/周期；此時(shí)沒(méi)有碳化痕跡出現(xiàn)；電弧長(zhǎng)度增長(zhǎng)極為緩慢，平均增長(zhǎng)速度為0.013 mm/min。

第二階段：本階段時(shí)間為84～173 min。在這一階段，電壓仍未出現(xiàn)脈沖信號(hào)；脈沖電流幅值小于第一階段，平均中值為1.13 mA，最大值為2 mA；脈沖電流頻次為24次/周期，遠(yuǎn)小于第一階段；碳化痕跡面積增加極慢，平均為0.004 mm2/min；電弧長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度相比第一階段有所增加，平均為0.117 mm/min。

第三階段：本階段所持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，為174～453 min。在這一階段，電壓出現(xiàn)與電流相位一致的脈沖信號(hào)，脈沖電壓的平均幅值中值為27.01 kV，最大值為50 kV；脈沖電流幅值較上兩個(gè)階段明顯上升，平均中值為349.26 mA，最大值為800 mA；脈沖電流頻次略大于第二階段，平均為41次/周期；碳化痕跡面積增長(zhǎng)速度相較于第二階段明顯變快，平均為0.04 mm2/min；電弧長(zhǎng)度平均增長(zhǎng)速度小于第二階段，為0.075 mm/min，但是在本階段后期出現(xiàn)了階躍式的增加。

第四階段：隨著外施電壓的不斷增加，故障貫穿了整個(gè)間隙，發(fā)生貫穿性閃絡(luò)，本階段具有突發(fā)性。在這一階段，脈沖電壓幅值遠(yuǎn)大于第三階段，平均中值為168.58 kV，最大值可達(dá)326 kV；脈沖電流幅值也遠(yuǎn)大于前三個(gè)階段，平均中值為3.62 A，最大值可達(dá)8.7 A；脈沖電流頻次略大于第二、三階段，平均為84次/周期；碳化痕跡面積增加速度遠(yuǎn)大于前三個(gè)階段，平均為26.97 mm2/min；電弧貫穿了整個(gè)間隙，長(zhǎng)度大于50 mm。

上述結(jié)果表明，繞組間局部電場(chǎng)集中模型放電發(fā)展階段與各參數(shù)呈現(xiàn)較好的映射關(guān)系，將其歸納為表2所示。其中第四階段具有突發(fā)性，因此需要格外關(guān)注故障前三個(gè)階段的各參數(shù)變化趨勢(shì)。

表2 繞組間局部電場(chǎng)集中模型放電各階段參數(shù)特征

3 結(jié)果及討論

現(xiàn)對(duì)繞組間局部電場(chǎng)集中模型的放電發(fā)展過(guò)程與機(jī)理進(jìn)行討論分析：

第一階段：當(dāng)對(duì)模型施加高壓時(shí)，模型內(nèi)針尖處場(chǎng)強(qiáng)為最高，此處首先發(fā)生局部放電。由于外施加電壓幅值較低，放電強(qiáng)度較弱，因此所測(cè)得放電脈沖電流信號(hào)幅值較小，根據(jù)階段內(nèi)典型的放電電流脈沖測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到放電的電荷量ΔQ≈2.248×10-3μC，阻容式分壓器總電容約為0.75 μF，根據(jù)外施加電壓計(jì)算得此時(shí)阻容式分壓器中電容持有的電荷量Q≈1.5 μC，ΔQ<

第二階段：隨電壓提高，白痕內(nèi)部放電愈加強(qiáng)烈，伴隨放電產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致絕緣紙纖維鏈斷裂，沿放電通道觀察到碳化痕跡。碳化痕跡構(gòu)成的高電導(dǎo)率通道削弱了針尖處的電場(chǎng)，計(jì)算得到放電電荷量ΔQ≈4.52×10-4μC，與前一階段相比，放電頻次和強(qiáng)度均有所下降，并且未觀察到明顯的脈沖電壓信號(hào)。伴隨著白痕及碳化通道的發(fā)展，絕緣紙上越來(lái)越多孔隙中的油被氣體所取代，在這些氣隙中放電通道穩(wěn)定存在，電弧鋒面向前發(fā)展，碳化通道向前延伸，直至第一段薄片電極。

第三階段：白痕及碳化通道的發(fā)展，使得針尖附近電場(chǎng)強(qiáng)度不斷下降，模型中場(chǎng)強(qiáng)最高處轉(zhuǎn)移至尾部指型電極附近，因此觀察到指型電極附近開(kāi)始出現(xiàn)放電，本階段內(nèi)計(jì)算得到ΔQ≈1.3 μC，Q≈2.7 μC，此時(shí)放電電荷量與分壓器電容持有電荷量達(dá)到同一數(shù)量級(jí)，因此觀察到明顯的電壓波形脈沖。當(dāng)指型電極附近形成穩(wěn)定的電弧之后，模型中場(chǎng)強(qiáng)最高位置轉(zhuǎn)移到薄片電極的間隙中，各間隙陸續(xù)出現(xiàn)可觀察的電弧，電弧長(zhǎng)度持續(xù)增加，導(dǎo)致絕緣紙表面碳化痕跡增加，本階段內(nèi)碳化痕跡增加速度要高于前兩個(gè)階段。

第四階段：外施加電壓達(dá)到110 kV左右時(shí)，模型發(fā)生貫穿性閃絡(luò)。由于試驗(yàn)回路中存在的電感及電容，導(dǎo)致電壓及電流出現(xiàn)振蕩，因此觀察到很高的脈沖電壓和脈沖電流幅值，且測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大波動(dòng)，強(qiáng)烈的高能電弧放電導(dǎo)致絕緣紙表面碳化痕跡迅速增加，電弧通道大量放熱，導(dǎo)致氣體析出，通道不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出相對(duì)第二、三階段較高的脈沖電流頻次。當(dāng)所有間隙均構(gòu)建電弧后，電弧長(zhǎng)度將趨于穩(wěn)定，本階段所產(chǎn)生的大量氣體將嚴(yán)重危害變壓器的安全運(yùn)行。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)繞組間局部電場(chǎng)集中模型沿面閃絡(luò)的模擬試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1)繞組變形導(dǎo)致繞組間形成局部場(chǎng)強(qiáng)集中時(shí)，沿面閃絡(luò)可以根據(jù)脈沖電壓幅值(中值)、脈沖電流幅值(中值)、脈沖電流頻次、碳化痕跡面積以及電弧長(zhǎng)度等參數(shù)劃分為四個(gè)階段，且貫穿性閃絡(luò)階段具有突發(fā)性。

2)第一階段電弧增長(zhǎng)速度極慢，脈沖電流頻次較高且脈沖電流幅值較小；第二階段開(kāi)始出現(xiàn)碳化痕跡且增長(zhǎng)極慢，脈沖電流頻次很低且脈沖電流幅值?。坏谌A段出現(xiàn)脈沖電壓，脈沖電流頻次低且脈沖電壓、電流幅值較大；第四階段脈沖電壓、電流幅值極大，碳化痕跡面積迅速增加，脈沖電流頻次略有增加。

3)對(duì)繞組間局部電場(chǎng)集中模型圍屏沿面閃絡(luò)發(fā)展階段劃分及特征分析的研究結(jié)果可應(yīng)用于變壓器故障診斷及在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，用來(lái)識(shí)別變壓器早、中期絕緣缺陷，通過(guò)對(duì)各電量及非電特征參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的縱向比較和分析，為變壓器健康狀態(tài)診斷和爆燃故障預(yù)警提供參考。