淺談變壓器的局部放電問題

／北京市電力公司試驗研完院 王名遠／

淺談變壓器的局部放電問題

／北京市電力公司試驗研完院 王名遠／

本文通過對近年來發生在北京地區的220kV變壓器損壞性事件的事故實例進行分析，闡釋了變壓器抗短路能力分析的重要意義。結合電力系統變壓器現狀與上述問題實例，本文細致地分析了變壓器軸向電磁力以及輻向電磁力等造成損壞的主要形式，并且論述了由于抗短路能力不足導致電力變壓器損壞性事故的重要原因及其后果。得出結論，其對于電網構成的危害很大，嚴重地影響了首都電網的安全運行。影響變壓器的抗短路能力的因素非常復雜，它不僅涉及到變壓器的設計、選材、工藝、質量控制等方面，還與試驗驗收、以及運輸、安裝及投運前的驗收把關、運行維護和管理等諸多方面的因素密切相關。除此以外，本文還提出了目前所存在的一些實際問題，并提出了對解決這些問題應采取的方法與措施。希望能以此促進變壓器制造廠對產品的改進和完善，同時促進運行單位，使其進一步提高運行管理水平。

變壓器；抗短路能力；短路故障原因；露磁

0 引言

長期以來人們普遍認為當變壓器經過工頻、感應、沖擊試驗合格后，便可保證長期運行。但是，電力部門從大量的運行事故中發現，變壓器在沒有遭受任何過電壓的情況下也會發生絕緣故障。究其原因，主要是變壓器在長期運行過程中，其內部絕緣的某些薄弱部位由于受到長期工作電壓的作用，在高場強下發生了局部放電，從而導致該處絕緣性能下降，甚至擊穿。

20世紀90年代初，電力部門強烈地要求110kV及以上電壓的變壓器生產廠進行產品的局部放電測試（對3kV及以上干式變壓器也做了相同的要求），并作為出廠必做的試驗項目。這一規定大大地提高了變壓器的產品質量，為變壓器長期、安全、可靠的運行提供了有力的保證，但是，也給變壓器行業的產品制造帶來了較大的壓力，解決變壓器局部放電問題也隨之成為一個要研究的課題。

多年來，經過廣大工程技術人員和試驗人員的努力，逐漸摸索并掌握了變壓器產生局部放電的機理和一些影響因素，基本上解決了變壓器的局部放電問題。

1 變壓器局放的危害

在電器設備中，絕緣材料在電場的作用下，性能發生不可逆的變化，直至失效，這個過程稱之為電老化，促使絕緣材料電老化的主要原因是局部放電。局部放電會產生臭氧，臭氧是強氧化劑，使含雙鍵的大分子起加成反應，在加成反應中雙鍵斷裂，材料發生臭氧裂解，聚合度下降，喪失絕緣性能。 局部放電還產生氮的氧化物，它與潮氣結合生成硝酸，產生腐蝕作用。局部放電又能產生高速粒子，對絕緣材料表面產生樹枝放電。局部放電還使絕緣材料的介質損耗增大（根據tgδ=f（u）的游離曲線可視），材料局部過熱，造成絕緣材料的性能老化。

2 變壓器產品產生局部放電的因素

2.1 絕緣內部的氣隙

不管是油浸變壓器，還是干式變壓器，在絕緣材料的內部難免會存在一些氣隙，而這些氣隙的存在是變壓器局部放電的重要因素。從以下幾個方面逐個剖析。

（1）環氧澆注變壓器，環氧樹脂固化物中的氣隙

在環氧澆注中，通常采用的是真空澆注。不管是真空攪拌、真空混料、還是真空澆注，抽真空的目的就是抽掉環氧樹脂、固化劑、促進劑、增韌劑、色料、填料中的氣體，使之環氧固化物盡可能不存在氣泡。但是，在澆注中由于真空度不夠高、抽空的時間不夠長，不能較徹底地脫氣，使之環氧樹脂固化物中殘存著一些氣隙，在運行中這些氣泡必定會產生局部放電。尤其對于35kV及以上的產品，更應注意真空度和抽空時間，否則局部放電不會合格。因此，環氧澆注的澆注工藝是非常重要的，是防止局部放電產生的有力保證。

（2）油浸變壓器油中的氣體

在注油前需要進行真空濾油，濾油的目的是為了濾掉油中的雜質并脫水脫氣，對于110kV的產品而言，變壓器油的含水量應小于20ppm，含氣量應小于20%。

（3）層壓制品中的氣隙

層壓制品包括層壓絕緣紙板、電工層壓木、層壓玻璃布板、玻璃布筒、電木筒、紙板筒等。由于生產層壓制品的企業對層壓制品中氣泡的危害性認識不足，或生產工藝不夠完善，預浸胚布揮發物含量較高，使層壓制品中殘留氣泡，這些氣泡則會影響產品的局部放電。2000年，沈變由于紙板筒粘合處的氣隙造成了許多臺變壓器產品局部放電不合格。

對于油浸變壓器而言，由于真空注油，熱油循環的真空度不高（一般應控制在500Pa左右），注油后靜放的時間較短，層壓制品中氣泡不能被油置換出來，影響產品的局部放電。例如，衡陽變壓器220kV產品當靜放48h后，局部放電不合格；靜放72h后，同樣的產品局部放電則合格。

另外，只有在電工層壓木、層壓絕緣紙板充分吸油后，才能使之電氣性能提高（主要是起始游離電壓提高），介電常數減小，不均勻電場得到改善，減小局部放電產生的可能性。

（4）注射材料中的氣隙

在注射材料制品中，如尼龍、PBT、注射成型的絕緣螺桿、絕緣螺母、壓釘碗等，它們中間的殘留氣隙使變壓器產品局部放電不合格。1996年由于PBT注射的絕緣螺桿、壓釘碗的氣隙，使沈變多臺220kV變壓器產品局部放電不合格。2005年由于尼龍注射絕緣螺桿的氣泡使衡陽變壓器廠220kV變壓器局部放電不合格。

一般來說，110kV及以上的變壓器產品盡量不要采用尼龍或PBT注射的絕緣螺桿，應使用3725酚醛絕緣螺桿或電工層壓木絕緣螺桿，絕緣螺母應使用3025酚醛層壓布板加工的絕緣螺母。

（5）包繞絕緣材料的干式變壓器和電抗器中的氣隙

在包繞絕緣的干式變壓器和電抗器中，浸漬玻璃纖維固化后復合絕緣的熱膨脹系數與銅鋁導線熱膨脹系數存在差異，從而造成一些氣隙。

（6）待浸漆的線圈或待澆注的線圈干燥的不徹底

許多生產干變的企業對待浸漆線圈的干燥采用常壓干燥的形式，這種干燥形式需干燥時間長，且效果不好，只有采用真空干燥，充分地脫水脫氣，才能使浸漆后或澆注后的繞組的殘存氣泡減小。

（7）浸漬式的干式變壓器

例如，敞開式、半包封、隔爆變浸漆工藝不合理、漆的粘度過高、真空度不高、壓力偏低、時間較短，浸漬漆不能將匝絕緣或層絕緣內部氣體全部置換出來，還殘留著一些氣隙。

眾所周知，在交流電場作用下，復合絕緣分擔的場強與材料的介電系數成反比，即ε1／ε2= E2／E1，空氣的介電常數為1.00058，近似于1。假如絕緣體中有氣隙存在，則電場非常不均勻，大部分場強集中到氣隙上，而氣體的起始游離電壓只有500V／mm左右，氣體則會首先游離放電。因此，解決變壓器絕緣中氣隙問題是非常重要的，變壓器絕緣內部的氣隙是引起變壓器局部放電的重要因素。

2.2 結構方面的原因

變壓器的設計人員在變壓器的結構設計上不夠合理，例如，復合絕緣中介電系數相差較大，電場分布不均勻，圓筒式線圈選擇層間電壓偏高，段間距離偏小等，從而造成某部位電場強度高于此部位絕緣材料的起始游離電壓的水平，則會產生局部放電。例如，某臺用NOMEX紙作為層絕緣的產品，當層間電壓為1227V時，局部放電量為10pC；當層間電壓為2933V時，局部放電量則為255pC。

另外，由于引線布置的不合理，也是產生局部放電的因素。

2.3 材料方面的原因

銅鋁導線、銅箔、鋁箔表面不光滑、有毛刺，絕緣材料的電氣性能不合格，起始游離電壓值偏低，設計選用值高于實際材料的起始游離電壓值也是產生局部放電的重要因素。

2.4 加工制造方面的問題

① 金屬部件，如夾件等，加工制造過程中未能徹底去掉夾件毛刺，地屏、磁屏、接地不良、高壓引線接觸不好、有懸浮電位。② 絕緣件未倒角或去掉毛刺。③ 繞組內部導線和引線焊接部位處理的不光滑，有尖角毛刺。多級鐵心柱的邊角及鐵心剪切時形成的毛刺等，均會造成電場集中，產生局部放電。

2.5 變壓器器身的潔凈度

由于在生產制造過程中金屬顆粒，焊接油箱時遺留的金屬渣子，生產環境的降塵量，操作人員身上的灰塵都可能落入變壓器的繞組和器身。對于油浸變壓器，器身注油后，油中的導電顆粒通過油的循環流落到器身的各處，如果流落到高電場處，則會引起局部放電。一般規定器身裝配及繞組的環境降塵量控制在20mg/m3；500kV變壓器的變壓器油5μm及以上顆粒度不多于3000個。近幾年來通過控制變壓器油的5μm的顆粒度，減小500kV變壓器的局部放電取得了良好的效果。

為了保證器身的潔凈度，不管是ABB公司，西門子公司還是國內一些企業都在焊縫部位使用焊縫密封膠，以封閉遺留的焊渣。

3 結束語

變壓器的局部放電問題是一個非常復雜的問題，影響的因素非常多，上述的分析仍不夠完全。排除變壓器局部放電位置除使用儀器定位判斷外，主要還是依靠有經驗的工程技術人員和試驗人員去分析研究。干式變壓器局部放電的產生，主要原因是絕緣體內部的氣隙和層間、段間所選用的場強值過高，設計人員選用的場強值如果低于此種材料起始游離電壓值，局部放電問題則不易產生。如果將所用的絕緣材料的起始游離電壓值全部測試，并提供給設計人員科學數據，則在設計源頭上可以有效地控制局放的產生。加強干式變壓器中的澆注工藝、浸漬工藝的研究，并強化工藝過程控制，使之工藝能保證設計的要求。加強材料的質量控制，其中包括絕緣材料、銅線、鋁線、銅鋁接頭、銅排、鋁排等材料的檢查，堵住產生局部放電的源頭。加強工人的培訓和素質教育，提高技工人員的技術水平，使每個人都懂得變壓器產生局部放電的因素。生產人員一定要按圖紙、按工藝、按操作規程進行生產。完善自檢、互檢和專檢相結合的檢查制度，避免由于加工制造方面的問題產生局部放電。