變壓器強迫油循環中的油流帶電現象

劉熒　蔣松柏（無錫供電公司，江蘇無錫　214028）

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變壓器強迫油循環中的油流帶電現象

劉熒蔣松柏
（無錫供電公司，江蘇無錫214028）

【摘 要】隨著電力系統的發展，變壓器的容量和電壓不斷增大，制造廠為了降低制造成本，一般都采用強迫油循環冷卻方式。而變壓器運行時內部絕緣損壞的原因是很難一概歸結于絕緣強度不足的。即使進行油中氣體分析也很難斷定。靜電的諸方面因素（主要是油流帶電）對變壓器正常運行的影響，在國內外引起了大家廣泛注意。本文主要論述變壓器強迫油循環冷卻中的油流帶電粒子的產生、對變壓器的影響、采取的措施。

【關鍵詞】帶電粒子靜電流速碰撞

1　靜電電荷產生機理

靜電電荷的產生，主要有激發、電離等。在電離中又有電子碰撞電離、光電離和熱電離，另外還有場致發射。其中與流動油有關的是碰撞電離。

電子碰撞電離：由于某種原因，在變壓器油中肯定會有電子（帶電粒子）的存在。這些電子在電場中受到電場力的作用被加速，自由行程長的電子獲得足夠大的動能（超過其電離能量）以至于與分子碰撞就會電離。

熱電離：當周圍介質的溫度上升時，則分子也能獲得其大于電離的能量，于是分子間的碰撞引起的電離也就多起來了。

場致發射：當電極表面的場強達到一個相當大的數值時，即使溫度很低的情況下，電離也可能產生。

2　變壓器油中帶電粒子的產生

水分的影響：變壓器油和絕緣件中總是有水分存在的。水在變壓器中有兩種方式存在，一種是懸浮狀（一些大小不同的水珠懸浮油中），另一種是溶解狀（以分子的形式分散于油中）。一般認為，對油的擊穿電壓有影響的是懸浮狀的水。而溶解狀的水，因高度分散，不能形成“小橋”，對油的擊穿電壓影響甚微。

由于變壓器絕緣件在加工過程中吸潮，干燥得不夠，在空氣中暴露的時間過長，灰塵和其他雜物沉淀在其表面上，都會吸附有水和帶電粒子。

變壓器油中的絕緣件含量為2%時，也不會使其絕緣強度下降10%。沒有形成“小橋”的水珠，不能促使絕緣強度馬上降低，但是能夠使放電起始電壓急劇下降，如圖1所示。當油浸紙的含水量達到1%時，起始放電電壓將下降一倍。因為變壓器中到處都存在著電場的作用，水分中的一些分子被電離成H+和OH-，而成為帶電粒子。由于H+和OH-具有遷移率大，體積小的特點，容易移動于介質表面，使放電起始電壓降低。所以，盡量除去微量水分，對降低局部放電量來說是十分重要的。

在相互摩擦的兩種介質表面，溫度會上升。特別是變壓器油和絕緣紙都是對熱的絕緣體，會產生熱點。隨著摩擦的次數增加，帶電量也隨之增加，到達飽和值時，摩擦也能引起分子的機械分裂，這也會使帶電粒子增加。

油在管內流動引起的帶電：

油浸變壓器是通過油循環把變壓器芯體發出的熱量帶到冷卻器進行冷卻的。油在管內的流動會產生帶電粒子，如圖2b所示。在變壓器中，油和輸油管的管壁界面上存在的負離子被管壁吸附，這種離子的移動如圖2a所示。在絕緣紙板上也是同樣性質的離子被吸附。這樣就形成了電偶層。在界面上產生的電荷是不均勻分布的。因此，變壓器油的帶電粒子從一開始就在其中。

隨著變壓器的油流動，電偶層分離并帶走，形成電流。這個電流可稱為沖流電流或線電流。另一方面，粘附在管壁上的離子由于它相對應的離子完全消失，而從束縛中被釋放出來。一部分在復合過程中被中和，另一部分殘留的過剩離子通過管壁和接地線通向大地。

在變壓器中油流的路徑有二部分，一部分在變壓器繞組中，或芯體與外殼之間。一部分在連管與散熱器內。想通過減少油路長度，來減少沖流電流（帶電粒子）是根本不可能的。只有減少油的流速才能取得降低沖流電流的理想效果。

圖1　

圖2　管內的電偶層形成及其分離

油流速度的影響：油的平均流速和泄漏電流的關系如圖3所示。泄漏電流和油流產生的靜電電荷分離時聚積在油中的帶電粒子的沖流電流相當。從圖3中可看出，在低流速內產生的帶電粒子數隨速度成正比增加，而在高流速時，它隨油速的平方成比例增加。另外，油的平均流速越大也就是潛油泵的轉速越高，其軸承的磨損就更加嚴重。軸承磨損產生的金屬粉末會增加變壓器油的導電性，使變壓器油的起始放電電壓降低，給變壓器正常運行帶來影響。所以，采用低轉速的潛油泵是一個好辦法。目前在某些重要的變電所里，直接采用油浸自冷式變壓器。

圖3　平均流速與泄漏電流

圖4　擊穿電壓與油流速度的關系交流為有效值　 直流為平均值　沖擊為峰值

油溫的影響：變壓器內部油溫是不斷變化的。油溫的升高，對帶電粒子起促進作用。兩種不同溫度下的泄漏電流是不同的。另外，在低流速低溫度的泄漏電流反而比高溫度時大。這是因為流速低時帶電粒子的復合作用較大，同時帶電粒子有向低溫滲透的作用。這一點說明了變壓器的底部更容易出現靜電電場的作用。為此有的變壓器散熱器離變壓器底部有一段距離。另外，油，特別是絕緣紙板的固有電阻隨著溫度的升高而急劇降低。為此變壓器運行的溫度不宜過高，但也不能讓變壓器的運行溫度過低，一般在40~60℃左右。

②工程在運行初期的供水價格應充分體現工程的公益性，主要滿足工程正常運行維護以及償還工程貸款的要求，并減免征收營業稅及其附加。在工程運行初期，除計提工程正常運行維護費用外，固定資產折舊按照還貸要求計提；固定資產折舊滿足還貸需求，將不計提利潤；如果固定資產折舊不足以償還貸款本金，按照滿足歸還貸款本金需要計提利潤，但上限不能超過《水利工程供水價格管理辦法》規定的上限。

3　帶電粒子對變壓器的影響

對擊穿電壓的影響：在板對板的電極下，測得擊穿電壓與油流速的關系。在流速5cm/s左右，稱為低流速；流速為10～20cm/s時為中流速；流速在30～50以上cm/s時稱為高流速。它們的擊穿電壓有如下關系：

低流速時的擊穿電壓>中流速擊穿電壓>高流速擊穿電壓。

當油的流速接近或等于零時，在交、直流電壓作用下，微量的氣體、雜質容易形成“小橋”，使其電氣強度下降。流速開始增加時，油中形成“小橋”的可能性逐漸減小，同時產生的帶電粒子也較少，此時電氣強度有所提高。但是，隨著流速的再增加，產生的帶電粒子數馬上增加，這時，影響電氣強度的主要是帶電粒子，油的電氣強度又開始下降。流速與油的電氣強度的關系中有一個極大值，同時，在一定流速下，油的電氣強度與靜止不動的油相同。從圖4可以看出，油的流速對擊穿電壓是有影響的。

對局部放電的影響：由于靜電產生的帶電粒子的積聚，將產生直流電場。當這個電場強度大于附近電介質的擊穿場強時，就會產生局部放電。

靜電電荷的積聚，將在交流電場強度較低的區域里產生靜電場。當這個靜電場場強達到一定值時就會產生局部放電。局部放電使分子分離，又產生電子和離子電子被電場加速向帶正電部分移動，在被中和后放電終止。但是，由于靜電作用將再次引起帶電電荷的積聚。當電場強度達到一定時，又產生局部放電。這種過程一經開始就會反復地進行。絕緣機能喪失，導致變壓器事故。

雖然靜電電荷積累的能量有限，很少能達到急劇放電的程度，但是變壓器的引線和繞組中具有可觀的電流值，當靜電引起的局部放電使附近絕緣體的絕緣機能受到損傷時，就會產生擊穿。繞組或引線將繼續給該部分提供較大的功率，就會產生大電流放電，導致變壓器運行事故。

另外，過去認為，運行的變壓器油的老化，其主要原因是空氣的氧化作用引起。但是，由于采用了隔膜式密封儲油柜以后，變壓器油已不再與空氣接觸了。但油仍然有老化現象，這種老化的原因主要是油中帶電粒子的作用。

實例：

唐頭變OSFPSZ7—120000/220 原來是YF—80 10臺的散熱器，電動機是高轉速，出口壓力高，絕緣油的流速高。經改造后使用改用為YF—200 4臺的低流量，高效率，低轉速的散熱器。散熱的效果與YF—80 10臺的散熱器一樣。

改造后前油中帶電大于200μc/mL 改造后為50μc/mL。

揚名變SFPS7—120000/220原來是YF—80 12臺的散熱器，電動機是高轉速，出口壓力高，絕緣油的流速高。經改造后使用改用為YF—250 4臺的低流量，高效率，低轉速的散熱器。散熱的效果與YF —80 12臺的散熱器一樣。

改造后前油中帶電大于250μc/mL 改造后為40μc/mL。

4　結語

從以上分析可知，如果能做到以下幾個方面，變壓器運行的可靠性會有一定提高。

（1）改變高流速，小流量和高轉速的冷卻系統，采用低流速，高效率和低轉速的冷卻系統。

（2）在產品的生產全過程中，應當縮小絕緣件在空氣中暴露時間。絕緣件應放在恒溫恒濕度的干凈庫房里。

（3）定期對變壓器油進行靜電電荷（帶電粒子數）的抽樣檢查。這可能是確保變壓器正常運行的有效措施之一。

（4）靜電放電一般發生在有效流速25cm/s以上的區域，在20cm/ s以下的流速中一般不發生放電，但為了安全起見對此留有余裕度，一般在10～5cm/s為好。

參考文獻：

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［2］萬達.分析絕緣電阻的吸收過程提高判斷變壓器絕緣狀況的能力.《高電技術》，1985，No1.46～51.

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［4］Ke.dzia，J.….以變壓器油的靜電量作為其老化的量度《IEEE Trans.on EI》，1984，19，No.2，101～106.

［5］張圓貴.氣相色譜法測定絕緣油中測量水分.《安徽電力》，1984，No.2，33～34.

作者簡介：劉熒（1962—），男，工程師，無錫市益能電力電器有限公司總經理；蔣松柏（1951—），男，江蘇無錫人，無錫供電公司變壓器檢修高級技師。