高壓套管油紙絕緣氣泡生成特性

張 璐,楊 昊,趙 恒,曹 雯,溫 然

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院,陜西 西安 710100;2.西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來,我國電網事業飛速發展,對電網建設也提出了更高的要求,其中電力設備的在線監測與風險評估技術顯得尤為重要[1-2]。高壓油浸紙套管廣泛應用于各種電力設備,尤其是電力變壓器的重要出入線組件[3-4],但近年來變壓器油浸紙套管事故頻發,甚至多次由套管放電故障發展成變壓器本體著火、爆炸等災難性故障,嚴重威脅電力系統安全穩定運行[5-7]。套管的主體絕緣結構為油紙絕緣結構,具有結構細長、紙層多、含鋁箔等特點[8]。在實際運行過程中,套管油浸紙絕緣結構因長期承受高電壓、大電流等諸多因素綜合作用,其絕緣性能受到嚴峻考驗[9]。在對變壓器噪聲測量分析中[10],由于各種設備之間影響較大,如開關,繼電器動作,電力設備之間的載波通訊等干擾,難以分辨噪聲干擾源及定位到設備上的具體元件,開展變壓器套管研究對提升電力設備在線監測能力有著重要的意義。

套管油浸紙絕緣結構在電場和熱場的長期作用下,紙中纖維素分解產生的水分、氣體等單個分子。在電場、熱場、油流等因素共同作用下發生聚集,并在一定條件下聚合形成微小氣泡[11]。當氣泡位于強電場區域時,可能發生局部放電,從而危害套管絕緣,甚至造成套管擊穿[12]。其中,水分含量及溫度的變化是影響變壓器套管油紙上氣泡生成的主要因素,相關領域的國內外學者圍繞油紙絕緣結構中氣泡的產生及其對絕緣性能的危害開展了一定的研究工作。

Niemeyer針對油紙絕緣中存在不同形狀氣泡時開展了仿真研究,并給出了扁平形和類球形兩種氣泡形態下電場分布情況[13];Gutfleisch等在此基礎上開展了局部放電的理論研究,并給出油紙絕緣結構中氣泡存在時局放起始電壓值[14]。文獻[15-16]開展了油紙絕緣結構中氣泡生成溫度研究,并獲得了油紙絕緣系統中氣泡形成溫度變化曲線,但在其研究中溫升速率過快,且求取方法不合理；Shiota等設計了油中氣泡實驗裝置,研究了氣泡大小與起始放電電壓之間的關系,結果表明，氣泡的大小和形狀對于氣泡局部放電特性有很大的影響[17]；Koch等研究了不同老化狀態下的油紙絕緣上氣泡的產生和發展過程,實驗結果表明，水分會加劇油紙絕緣的老化程度，水分含量增多會降低油紙絕緣性能并在高溫條件下析出氣泡,當油紙絕緣中水分含量大于2%時可能會導致變壓器內部發生故障[18]。

高萌等針對油浸紙絕緣熱致氣泡形成特性開展了研究,提出油中氣體體積分數對氣泡生成起始溫度影響較大,但當油中氣體接近飽和時,氣泡生成起始溫度變化率降低，然而,在其實驗中未考慮油中熱傳導會受到不同的介質與體積的影響,所測得的油中溫度與實際油紙絕緣上的溫度具有一定差異[19];汪佛池等針對變壓器油紙絕緣不同水分含量情況下的氣泡生成規律及展開了研究，試驗結果表明，絕緣紙板的水分含量對生成氣泡的起始溫度有明顯的影響,隨著水分含量的增大,生成氣泡的起始溫度越低[20]。

以往學者們主要圍繞典型變壓器油紙絕緣結構中氣泡缺陷開展研究,然而,套管油浸紙結構與變壓器中的油紙絕緣結構有較大區別,以往油紙絕緣中氣泡研究結果并不能直接適用于套管油紙絕緣，因此,有必要針對套管油浸紙結構開展氣泡生成特性研究[20]。

1 氣泡析出條件

在油紙絕緣結構上產生的氣泡主要存在于絕緣紙和變壓器油交界表面。氣泡的內、外部壓力分別為pin和pout,其中pin包括水蒸氣分壓和其他氣體分壓,pout為大氣壓強和液態油靜壓強。氣泡析出的決定條件是氣泡內部壓強大于等于外部壓強與氣泡表面張力之和[19],可表示為

(1)

式中:σ為油中氣泡表面張力系數;r為氣泡半徑。由Clausius-Clapeyron方程分析可知,氣泡內外部壓強決定于環境溫度。同時,變壓器套管油紙絕緣存在局部過熱情況,析出的氣體包含多種成分,在其他成分不發生化學反應的情況下,水蒸氣分壓是由水蒸氣含量所決定的。因此,變壓器套管油紙絕緣中氣泡析出條件決定于溫度和水蒸氣含量。本文在建立套管模型的基礎上,開展溫度和水蒸氣含量對套管氣泡產生的影響機制研究。

2 實驗裝置與方法

為研究套管油紙絕緣的氣泡生成特性問題,本節結合實際10 kV高壓套管結構,設計并制作了套管芯子樣品,并依據實際變壓器絕緣紙處理過程對試品進行處理。同時,搭建了熱致氣泡產生實驗平臺,以模擬實際變壓器套管產生氣泡的過程。

2.1 材料與樣品制備

2.1.1 樣品處理 在西安工程大學高電壓技術實驗室與國網陜西省電力公司電力科學研究院電網安全運行仿真分析與風險評估實驗室聯合開展實驗樣品的預處理工作。首先,利用鼓風干燥箱對絕緣紙進行鼓風干燥處理,處理溫度100 ℃;利用真空干燥箱對ρ=0.88 g/cm3的25#變壓器油進行干燥處理,處理溫度為85 ℃[21]。

2.1.2 套管電容芯子樣品制備 為模擬實際套管內部結構,本文采用固定絕緣紙層數與電容屏極板長度的繞制方法,并按照10 kV套管內部絕緣要求進行設計。由于實驗樣品的極板長度差距不大,所以極板的長度選取和絕緣紙寬度一致,為96 mm。依據主流的油浸紙電容式套管制造工藝標準,繞制用的絕緣紙厚度為0. 08mm,鋁箔板厚度為0.01 mm,絕緣油選用昆侖25#變壓器油,導桿采用直徑為10 mm的銅管。每繞制9層絕緣紙加裹一層平整鋁箔極板,共計加入3層鋁箔極板,鋁箔極板的寬度分別為38.3、44.7、56.1 mm;最后,將剩余的絕緣紙纏繞在最外層,并用細棉線將整個芯子扎緊防止其松散。油浸式套管樣品示意圖如圖1所示。

圖 1 油浸式套管樣品示意圖

2.1.3 紙中水分含量控制 已有研究表明,絕緣紙的吸水能力為絕緣油的上萬倍,因此套管油紙絕緣結構中的水分主要存在于絕緣紙之中[22-24]。為研究紙中水分含量對氣泡產生的影響,需要獲得不同紙中水分含量的芯子樣品。將繞制好的套管電容芯子分別在溫度為25 ℃，濕度為48%的環境中放置不同時間,利用卡爾費休滴定法監測紙中水分含量,以獲得不同水分含量的樣品，并將樣品置于護套內,并進行注油。具體步驟:實驗前,首先將絕緣紙和絕緣油置于真空度30 Pa,120 ℃的烘箱中連續處理5 d;然后,根據實驗要求制作不同含水量的樣品,為使得水分更加均勻分布在套管芯子樣品上,將制作完成的試品置于恒溫、恒濕箱內保持24 h;最后,將最終制作完成的試品置入實驗腔體中心位置,并注入之前經過干燥祛氣處理的25#變壓器油。具體流程圖如圖2所示。

圖 2 套管樣品加工制作流程

2.2 實驗平臺與方法

利用繞制好的套管電容芯子,搭建套管油紙絕緣結構氣泡觀測實驗平臺,如圖3(a)所示。

為方便觀測油中氣泡產生過程,套管模型的護套采用透明有機玻璃。將繞制好的芯子置于有機玻璃外套軸心位置。為保證實驗過程中樣品受熱均勻,采用對側加熱棒對樣品進行加熱,加熱棒末端為溫度控制器,可實時控制加熱功率以獲得不同的加熱速度。同時,采用貼片式溫度傳感器貼置于芯子中部,并實時采集樣品溫度。樣品加熱過程中,將最大放大倍數為1 000倍的高清電子放大鏡置于觀察窗口進行拍攝。高清電子放大鏡末端接入計算機的圖像采集系統,為了能夠記錄氣泡尺寸,在實驗進行前,將標準尺寸物件置于充滿絕緣油的有機玻璃腔體中,進行圖像尺寸標定。實驗平臺拍攝到的套管芯子試品表面氣泡照片如圖3(b)所示。

(a) 實驗平臺示意圖

3 結果分析

本節研究了不同因素對氣泡的生成的影響規律,首先給出了氣泡溫升速率與加熱功率之間的關系,并進一步研究了溫升速率與氣泡起始溫度之間的關系。并針對實際中套管油紙絕緣結構存在水分的情況,通過實驗研究了不同水分含量下的氣泡起始溫度規律。

3.1 加熱功率與樣品溫升

將套管芯子在絕緣油中充分浸潤后再開始加熱進行實驗。同時,為保證芯子受熱均勻,實驗中電熱棒的施加功率較低,為確保整個油紙絕緣結構進行充分的熱交換,實驗中加熱時間一般為50～80 min。在實驗過程中,可以控制電熱棒的輸入功率來獲得不同的溫度升高速率。但由于油中熱傳導存在時間常數,且不同的介質與體積對傳熱效率的影響巨大,因此實驗中的電熱棒輸入功率與樣品溫升速率之間需要通過實驗來進行確定。首先研究了2個典型輸入功率下,樣品溫升ΔT與加熱時間t之間的關系,如圖4所示。

圖 4 溫升ΔT與加熱時間t關系圖

如圖4所示，樣品值ΔT與t之間并非成線性關系,在電熱棒的持續熱量輸出過程中，ΔT首先隨著t呈指數上升趨勢。當系統的輸入能量與熱量耗散達到平衡時,ΔT進入平穩階段。由于電熱棒與試品之間通過絕緣油實現熱交換,溫度控制器的溫度不能實時反映試品上的溫度。為方便后續研究溫升速率vT與氣泡生成起始溫度Ti直接的關系,需要明確加熱功率與溫升速率之間關系。本文將加熱過程最后到達的平穩階段溫度定義為目標溫度T0，分別將溫度達到0.2T0和0.8T0的時間定義為t80和t20,獲得某一功率下到達0.2T0和0.8T0的時間,即可確定該功率下的溫升速率。通過改變不同功率即可獲得不同溫升速率,以此實現研究不同溫升速率下氣泡起始溫度的目的,定義溫升速率的表達式為

(2)

同時,為明確不同輸入功率P與穩定溫度T0之間的關系,并獲得輸入功率P與vT之間的關系,分別施加不同輸入功率對試品進行加熱實驗。在實驗中,熱量來源是通過導體通電后產生的熱效應,當施加輸入功率后,隨著時間的推移,電容芯子處的溫度趨于一個穩定值,此時的溫度與初始環境溫度差值即為該輸入功率下的穩態溫升。本文認為經過一段時間到達穩態溫升后,vT達到3 ℃/min時為高溫升速率,結果如圖5所示。

圖 5 加熱輸入功率P與溫升ΔT、溫升速率vT關系圖

從圖5中可以看出,電偶的輸入功率P與T0、vT之間近似呈線性關系。下文利用這一關系開展溫升速率對氣泡生成起始溫度影響研究。

3.2 溫升速率對氣泡生成起始溫度影響

利用圖3(a)實驗平臺研究不同溫升速率下氣泡生成起始溫度，試品采用未在空氣中放置的6組樣品進行實驗。在實驗過程中,為保證可以更加清晰地拍攝到油中氣泡,采用無頻閃LED對裝置進行補光。利用電子放大鏡和圖像采集系統同步對油中氣泡進行圖像采集。

選取在空氣中放置8 h的樣品開展實驗,利用3.1的溫度控制方法對不同溫升速率下開展10組有效實驗。結果表明:在溫升速率小于3 ℃/min范圍內,氣泡生成起始溫度測試結果數據分散性較大。例如當溫升速率為1. 6 ℃/min時,樣品1～10氣泡生成的起始溫度分別為100.4、108.2、109.6、115.8、117.1、119.0、119.5、129.1、131.2、132.4 ℃,氣泡起始溫度最大相差可達32 ℃。

為得到數據分布規律,利用數理統計方法對溫度的分布規律進行分析。鑒于樣本數少于50個,采用少樣本數據正態分布檢驗方法(即W檢驗法)對電子溫度分布進行正態性檢驗。W檢驗法的統計量表達式為

(3)

式中:n為樣本數量;ωi(W)為統計量的W系數;xi為樣本值。計算可得W大于99%置信率下的α分位數。因此,不拒絕數據服從正態分布的假設,即可以認為低于3 ℃/min溫升速率下氣泡生成起始溫度服從正態分布,并以數據期望值表征數據。

由于變壓套管內部溫升范圍主要分布在0～6 ℃/min之間,故在不同溫升階段選取5個典型溫升速率值,分別在0.3、1、3.3、4.44、5.42 ℃/min下開展氣泡生成起始溫度測試實驗。當溫升速率低于3 ℃/min時,氣泡生成起始溫度選用數據期望值來表示;當溫升速率達到3 ℃/min后,氣泡生成起始溫度選用數據平均值來表示,結果如圖6所示。隨著溫升速率的增加，氣泡形成起始溫度呈快速下降的趨勢，這是因為水蒸氣、溶解氣體和吸附水主要存在于絕緣紙的縫隙內,快速升溫將導致吸附水迅速蒸發,孔隙從紙內得到更多的水蒸氣,內部的水蒸氣和氣體壓強增加,氣隙膨脹。當內部壓強大到足以排出絕緣紙孔隙內的油時,則釋放出一個自由氣泡。而較慢的升溫過程則可能使得氣隙膨脹變緩,難以達到產生氣泡的壓強,氣泡生成起始溫度升高。當套管內部油紙存在水分時,如果變壓器負荷急劇攀升,套管油紙絕緣結構中更容易產生氣泡,威脅設備安全運行。

圖 6 溫升速率與氣泡生成起始溫度關系

3.3 水分含量對氣泡生成起始溫度影響

套管油浸紙絕緣中如果存在水分時,水分會在高溫的作用下析出并以氣泡形式出現在油紙絕緣中,影響內部絕緣性能。由于運行年限和負載不同,不同套管油紙絕緣內部的水分質量分數存在較大差異,本文研究了不同絕緣紙水分含量下氣泡生成起始溫度變化規律。

將套管芯子樣品置于空氣中進行受潮處理,不同放置時間下油紙水分含量w如表1所示。從表1可以看出,紙中含水量隨著放置時間增長而迅速增高。而且如若長期放置,油紙中的水分含量將達到飽和狀態。實驗中每組樣品個數為3個,利用受潮后的樣品分別進行氣泡生成起始溫度實驗研究。

通常情況下,變壓器套管故障發熱時的溫升速率約為5.2 ℃/min,在不同受潮等級下選取表中的5個水分平均含量值,在5.2 ℃/min的高溫升速率下開展實驗,實驗結果如表2所示。從表中可以看出,氣泡生成起始溫度Ti隨水分質量分數w的增加而迅速下降。這是由于當紙中水分增加時,絕緣紙孔隙中的吸附水含量顯著增加,當環境溫度升高時,從孔隙中析出的水蒸氣量增加,更容易排出絕緣紙孔隙內的絕緣油,從而形成氣泡。

表 2 5.2 ℃/min時氣泡生成起始溫度隨水分含量的變化

4 結 論

針對高壓套管中存在的氣泡缺陷問題,開展了高壓套管油浸紙絕緣結構中氣泡生成特性研究,獲得了氣泡生成起始溫度與溫升速率和絕緣紙中水分含量的變化關系,主要結論如下:

1) 對0～6 ℃/min溫升速率范圍內對氣泡起始溫度影響進行了探究,結果表明：溫升速率對氣泡生成起始溫度具有一定的影響，隨著溫升速率的增加氣泡生成起始溫度呈快速下降的趨勢；當溫升速率低于3 ℃/min時,氣泡生成起始溫度值不易確定,分散度較大,但滿足正態分布規律；在溫升速率高于3 ℃/min階段,氣泡起始溫度顯著降低。

2) 對0.4%、2.7%、3.9%、6.8%、7.6% 5種水分質量分數套管樣品進行氣泡生成實驗,發現絕緣紙中的水分含量對氣泡生成起始溫度具有顯著影響。隨著絕緣紙中水分質量分數的增加,氣泡生成起始溫度降低,說明在受潮嚴重的套管內部極有可能形成氣泡。