電力變壓器的局部放電典型模型試驗

鄧雨榮，孫志銳，張煒，郭麗娟，韋福安，張鵬翔

(1.廣西電網公司電力科學研究院，南寧市 530000;2.寧波理工監測科技股份有限公司，浙江省寧波市 315800)

0 引言

局部放電是絕緣介質由于高強度的電場存在而產生局部橋接的過程。一般來說，局部放電不會影響介質的宏觀絕緣性質，但是放電產生的擊穿、電荷積累、發熱和活性物質氧化會使絕緣介質迅速劣化，使變壓器的壽命迅速降低［1-2］，如果不能及時排除則會產生絕緣事故。統計數據［3］表明，在我國110 kV及以上的變壓器事故中，由于絕緣缺陷而產生的事故占81%，線圈匝間絕緣事故占50%，因此變壓器內部的局部放電是一個需要注意的問題。

1 放電機制

大多數穩定的局部放電為氣泡放電，但是氣泡的產生機制和氣泡周圍的雜質、放電類型有關。油絕緣變壓器的主、縱絕緣主要由高介電常數的油浸絕緣紙和低介電常數的絕緣油組成，其中絕緣油的相對介電常數為2～2.4，絕緣紙本身的介電常數為6.5，而油浸絕緣紙的相對介電常數與浸油率有關，為3.2～4［4-5］，二者都遠高于空氣的相對介電常數。

電場強度的分布與介質材料的相對介電常數有關，相對介電常數越低則介質中存在的電場強度越高，絕緣油中如果存在氣泡，則電場強度如圖1所示。設E1為油電場，E2為雜質電場，有

式中:ε1為油的相對介電常數;ε2為油中空氣的相對介電常數。

假設相對介電常數絕緣油為2.2，空氣為1，則氣泡中電場為油中的1.22倍;5 mm間隙的擊穿電壓如圖2所示，可以看出局部放電首先在氣泡中產生。

另外一種常見的局部放電是懸浮金屬顆粒。變壓器由于磨損或者維護過程中容易產生金屬碎屑，并隨著冷卻循環分布在變壓器內部的不同部位。由于金屬的電磁屏蔽作用，懸浮顆粒內部電場為0，但顆粒表面會產生如圖3所示的電場畸變，此時油中最大場強出現在C、D點，可表示為

式中ε3為金屬顆粒的相對介電常數。

由于金屬的相對介電常數為無窮大，可知油中最大場強為正常情況下的3倍，當達到絕緣油的擊穿場強時會在金屬顆粒表面發生電暈放電。

圖3 變壓器油中的金屬顆粒對電場的影響FIG.3Influence of metal particles in transformer oil on electric field

根據變壓器內部局部放電的位置，放電可分為以下幾種:繞組中部油、隔板絕緣中的油隙放電;繞組端部的絕緣間隙放電;接觸絕緣導線和電工紙中的油隙放電;引線搭接線等絕緣放電;線圈間縱絕緣放電;電工紙表面沿面放電;匝間絕緣擊穿等。從電擊穿角度可分為間隙放電、沿面放電、針板放電、懸浮電極放電、自由顆粒放電。

2 標準模型

對應于以上5種放電類型，分別用如下的結構創建標準模型。

油中氣隙模型:絕緣層采用2層厚度為2 mm、直徑為20 mm的環氧樹脂絕緣板，中間夾著1層直徑為2 mm通孔的絕緣板，為了防止絕緣油浸入氣隙，3層絕緣板使用環氧樹脂膠合。分別采用直徑為15、10 mm的銅圓柱平臺作為高壓電極和接地電極，壓緊帶氣隙的絕緣板后浸泡在變壓器油中，如圖4(a)所示。

懸浮電極模型:高壓電極為直徑為3 mm的圓柱銅電極，懸浮電極是底面直徑為3 mm、高為5 mm的圓錐形電極，尖端指向高壓電極，間距為3 mm，接地電極不銹鋼外殼距離高壓電極30 mm，如圖4(b)所示。

自由金屬顆粒模型:高壓電極使用不銹鋼材料，直徑為10 mm，前端為半球形，頂端距離低壓電極10 mm。低壓電極為光滑不銹鋼平面，其上放置1個可自由滑動的直徑為1 mm的銅球，如圖4(c)所示。

圖4 放電模型Fig.4Discharge model

針板模型:在直徑為10 mm的不銹鋼高壓電極中心固定1根長度為20 mm的鋼針，距離底面的低壓電極為10 mm，在低壓電極上方覆蓋1層厚度為2 mm絕緣板，如圖4(d)所示。

沿面模型:高壓和接地電極都為前端直徑為20 mm的銅圓柱平臺，中間夾緊1個直徑為20 mm的絕緣板，如圖4(e)所示。

以上5種模型，除了油中氣隙模型以外，其他4種模型中尺寸、材料完全一致的有2套，1套使用常壓空氣介質，1套使用變壓器絕緣油為絕緣介質。試驗測量局部放電產生的閾值電壓、峰值放電強度、平均放電強度、放電次數、放電幅值、放電譜圖，同時接入XD2012型數字脈沖局部放電檢測儀標定視在放電量。

放電回路采用75 kV升壓變壓器，步長精確到500 V。信號接收盤式耦合傳感器3個，置于放電模型等距離的圓周上，分別將信號引出到數字脈沖局部放電檢測儀、20 GHz采樣頻率示波器和本底噪聲－85 dBm頻譜儀。實驗環境為高壓電磁屏蔽室，視頻、廣播信號完全屏蔽，GSM信號不大于－75 dBm。

3 試驗結果分析

對上述局部放電模型的試驗結果進行對比和模式識別分析，得出以下結論。

(1)油中氣隙模型的放電閾值電壓為7 kV，經過持續5 min的放電穩定后示波器讀取到的信號電壓為13 mV，頻譜儀獲取的信號峰值強度為－72 dBm，平均局部放電次數為50次/s，放電信號強度為－75 dBm，脈沖檢測儀獲得視在放電量為400～500 pC。電壓超過閾值加到10 kV時，信號電壓強度為30 mV，能量峰值強度為－67 dBm，平均放電次數為130次/s，信號平均強度為－70 dBm，視在放電量大于量程1 300 pC。

氣隙放電的三維譜圖如圖5所示，其中測量系統引入相位偏移－90°。可以看出氣隙放電相位集中在60°～120°和240°～300°，放電強度很弱，不具有正負極性，分布較集中。隨著電極電壓增加，強度增加不明顯，但放電次數明顯增加，相位幾乎不變。總體來說，氣隙放電的閾值電壓較低，輻射電磁波信號較弱，電壓加大后的放電增強主要靠放電次數增加實現。

圖5 油中氣隙放電三維譜圖Fig.53-D spectrogram of discharge of air gap in oil

(2)懸浮電極模型在空氣中的放電閾值為11 kV，放電穩定后示波器獲取的信號電壓為25 mV，頻譜儀獲取的信號峰值強度為－50 dBm，平均局部放電次數為16次/s，信號平均強度為－55 dBm，視在放電量大于量程600 pC。換絕緣油介質模型測得閾值電壓為20.5 kV，放電穩定后示波器讀取的信號電壓為5 mV，接近本底噪聲水平，信號峰值強度為－71 dBm，平均局部放電次數為17次/s，放電平均強度為－77 dBm，視在放電量約為500 pC。加壓到21 kV后，信號電壓為11 mV，信號峰值強度為－60 dBm，平均放電次數為61次/s，放電平均強度為－70 dBm，視在放電量超量程600 pC。

空氣中懸浮電極放電譜圖如圖6(a)所示，放電次數較少，但單次放電強度較高，放電相位集中于75°～105°和255°～285°的狹窄區域內，且沒有明顯的正負極性。變壓器油中懸浮電極的放電譜圖在閾值電壓為20.5 kV下的放電譜圖如圖6(b)所示，與空氣中的懸浮電極放電類似，放電次數較少、分布較集中、沒有明顯的正負極性，但是放電強度較弱，明顯低于空氣中放電。增加電壓到21 kV后放電譜圖如圖6(c)所示，放電區域向兩側略有擴展，分布于60°～120°和240°～300°，放電次數和放電強度明顯增強，同樣沒有明顯的正負極性。

圖6 懸浮電極放電譜圖Fig.63-D spectrogram of discharge of suspended electrode

(3)自由金屬顆粒模型在空氣介質中的放電閾值為5 kV，放電穩定后信號電壓為21 mV，信號峰值強度為－60 dBm，平均放電次數為103次/s，信號平均強度為－68 dBm，視在放電量約為250 pC。更換絕緣油介質后閾值電壓為10 kV，此時信號電壓為12 mV，信號峰值強度為－58 dBm，平均放電次數為66次/s，信號平均強度為－69 dBm，視在放電量為184 pC。加壓到11 kV后，信號電壓為35 mV，信號峰值強度為－50 dBm，平均放電次數106次/s，放點平均強度為－58 dBm，視在放電量超量程為600 pC。

空氣中自由金屬顆粒放電譜圖如圖7(a)所示，放電次數較多，單次放電強度較高，明顯強于氣隙放電但弱于空氣中懸浮電極放電，而且放電相位較寬，分布于30°～150°和210°～330°，無明顯正負極性。變壓器油中的自由金屬顆粒放電如圖7(b)所示，放電密度較高，而且單次放電強度較大，與空氣中放電相比相位較窄，集中于90°～135°和225°～315°，有微弱的負極性，即負半周期放電強于正半周期。當電極電壓從閾值10 kV增加到11 kV時，放電次數增加，放電強度顯著增強，相位分布幾乎在0°～360°的全空間，且正負極性不明顯，如圖7(c)所示。

圖7 自由金屬顆粒放電譜圖Fig.73-D spectrogram of discharge of free metal particles

(4)針板模型放電在空氣中的放電閾值約為10 kV，由于選用的不銹鋼針直徑較細，開始放電后迅速發出強電弧，脈沖檢測儀和頻譜儀出現限幅現象，示波器不能有效抓取信號;迅速降壓熄滅電弧后發現鋼針長度縮短，有明顯的氧化發黑痕跡。

(5)沿面放電模型在空氣中的放電閾值電壓為8 kV，達到8 kV后產生強烈電弧放電，頻譜儀和脈沖檢測儀產生明顯的限幅現象;降壓后發現環氧樹脂絕緣層已經產生貫穿性炭化痕跡，如圖8所示。此時絕緣性能已破壞，超出局部放電的定義范圍。

圖8 沿面放電后環氧樹脂絕緣板上的炭化痕跡Fig.8Carbonized trace in epoxy resin insulating plate because of surface discharge

其中針板放電模型開始放電后劇烈燃燒，不滿足局部放電的條件，沿面放電產生明顯的擊穿，無法完成輻射信號的測量工作，需要進一步改進模型來實現這2種放電的輻射信號研究。

油中氣隙、懸浮電極、自由金屬顆粒放電的數據表明:油中氣隙放電閾值較低、放電次數較多、強度較弱、相位集中、無明顯正負極性，對電極電壓變化不敏感，隨著電壓增加放電次數和強度都會緩慢增加，相位幾乎不變;懸浮電極的放電閾值較高、局部放電信號次數很少、強度很高且沒有正負極性，電極電壓超過閾值繼續上升時，放電次數和強度急劇上升，放電相位略有擴展;自由金屬顆粒放電閾值最低，但是放電次數最多、放電強度最高、相位分布非常分散，當電極電壓超過閾值后，放電次數和強度顯著增強，且放電相位迅速布滿整個周期。

4 結論

(1)針板放電模型在達到閾值電壓后由于放電燃燒效果嚴重，無法獲取穩定的放電信號，因此需要更換設計，選擇耐氧化的金屬(如鎢針)，同時增大針的直徑以保證在放電情況下能夠保持表面穩定性。

(2)沿面放電達到閾值后迅速擊穿，破壞絕緣層特性，因此如果變壓器中產生沿面放電將對絕緣結構造成永久性損傷，危害較大。模型試驗需要修改沿面結構設計，滿足產生放電的同時不影響絕緣層的宏觀性能。

(3)油中氣隙放電在2 mm氣隙條件下的閾值電壓為7 kV，容易產生放電，且放電具有單次信號強度弱、放電次數較多、相位集中程度較高。隨著電壓增加放電信號次數和強度緩慢增加，相位保持不變。

(4)3 mm間隙條件下的懸浮電極放電，空氣中的閾值電壓為11 kV，油中為20.5 kV，閾值電壓較高，不易產生放電，但是放電產生次數較少，單次放電強度很高，油中放電明顯弱于空氣中放電，隨著電壓繼續增加，放電次數增加較快，放電強度和放電相位增加較慢。

(5)2～3 mm間隙條件下的自由顆粒放電，空氣中的閾值電壓5 kV，油中為10 kV，明顯低于其他類型，極易產生放電，產生放電次數最多、強度較大，且油中放電強度近似等于空氣中放電，隨著電壓增加，放電次數增加較慢，信號強度和相位增加較快，迅速充滿0°～360°相空間。

(6)懸浮電極、油中氣隙放電的放電結構兩側均為同種材料，因此沒有明顯的正負極性，而自由顆粒一端為不銹鋼，另一端為銅，在油中放電時有微弱的極性，因此局部放電的正負極性與產生放電的材料有關。

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(編輯：張磊)