含雜質流動變壓器油放電特性研究

趙勇進，張永澤，王革鵬，郭家元，石毛毛，唐 炬

（1. 西安西電變壓器有限責任公司，陜西 西安 710077；2. 重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

電力變壓器作為電力系統中最重要和昂貴的設備之一，其安全可靠運行對于整個電力系統的可靠性具有重要影響。變壓器油作為變壓器內部的主要電介質，其絕緣性能直接影響著整個變壓器的安全運行。變壓器油是由烷烴、環烷烴和芳香烴組成的混合物，未精煉的變壓器油內部含有較多雜質，采用高真空高精度濾油機可以濾除大于5 μm的雜質顆粒，但是在運行電壓的作用下，小粒徑雜質可能會聚合在一起，形成較大的雜質；變壓器器身在制造和裝配過程中，可能會有部分雜質顆粒沉積在器身和零部件表面，投入運行后這些雜質受變壓器振動或油流沖洗而脫落混入變壓器油中[1]；另外，在變壓器長期運行過程中，由于局部過熱[2]、局部放電（PD）[3]、火花放電等故障導致絕緣紙老化[4-5]和變壓器油分解，從而使油中雜質增多。其中危害性比較大的雜質主要包括金屬微粒雜質和氣泡，金屬微粒具有導電性，對變壓油的絕緣性能有較大的影響[6-7]；當變壓器油中存在氣泡時，由于氣泡的介電常數小于變壓器油的介電常數，氣泡中的電場高于變壓器油中的電場，且氣泡的電氣強度遠低于變壓器油的電氣強度，因此氣泡中容易誘發PD[8]，導致變壓器油分解，進而產生更多的氣泡，降低變壓器油的絕緣性能。

為了研究雜質對變壓器油絕緣性能的影響，國內外學者開展了大量的研究。M POMPILI 等[9-10]研究表明變壓器油中的PD 首先發生在氣泡或者低密度區，并提出氣泡中發生PD 是預擊穿階段的重要組成部分，通過觀察發現當氣泡以及其他顆粒接觸或靠近極板表面時，PD 幅值通常較大。LI J 等[11]研究了準均勻電場下變壓器油中直徑為0.50、0.75、1.00 mm 的自由球形導電粒子的PD 特性，發現顆粒運動會經歷從振蕩到跳躍的過程，每個運動階段中PD 行為不同，表明變壓器油中金屬微粒的運動與PD 相關。WANG Y 等[12]仿真分析了交直流復合電壓下變壓器油中銅顆粒的運動軌跡，研究發現外施電壓的直流分量通過改變金屬微粒與極板的碰撞頻次，從而影響PD頻次。

以往的研究一般只是針對氣泡和金屬微粒單獨開展研究，然而，由于不同學者試驗條件、測量裝置的差異，很難定量地比較這兩種雜質放電特性的差異，不利于實際變壓器油中PD 類型的診斷，同時也難以深入研究含雜質變壓器油的擊穿機理。在運行變壓器中，由于強迫油循環或溫差產生熱對流的存在，變壓器油常常處于流動狀態，因此研究流動狀態下變壓器油的放電特性，更加接近實際工程狀況，具有很強的工程參考意義。本課題組前期搭建流動變壓器油循環裝置，研究了油流速度對含氣泡和金屬微粒變壓器油PD 特性的影響[13-14]，發現靜止狀態與流動狀態下的PD 特性存在明顯差異，這與文獻[15]的研究結果一致。因此本研究相關實驗均在流動變壓器油中開展。

為了比較流動變壓器油中氣泡和金屬微粒對變壓器油絕緣性能的影響，本研究在模擬平臺上分別開展含金屬微粒和氣泡變壓器油的PD 和擊穿試驗，并分別采用IEC 60270:2000 推薦的RLC 檢測阻抗法、天線法和無感電阻法檢測PD 信號，比較兩種絕緣缺陷單次放電信號的異同。同時采集一段時間內的放電信號，繪制放電相位分析（phase resolved partial discharge，PRPD）圖譜，統計兩種雜質的起始放電電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）和擊穿電壓，比較兩種雜質對變壓器油絕緣性能的影響。

1 實驗裝置及測量方法

1.1 實驗裝置

為了開展流動狀態下含金屬微粒和氣泡變壓器油的放電實驗，建立了如圖1 所示的流動變壓器油模擬油道循環裝置[16]。主油道由有機玻璃組成，其具有良好的絕緣性能，同時方便觀察金屬微粒和氣泡的運動軌跡。采用直徑為200 mm，厚度為10 mm，邊緣光滑的平板電極建立均勻電場。油道上方有法蘭盤，用以清理雜質。溫度傳感器、制冷片和加熱管控制整個裝置的溫度，本研究中設定油溫為60℃。油泵提供循環油流動力，設定流速為0.30 m/s。直徑為3.0 mm 的帶孔篩網用以輔助控制氣泡的尺寸。

1.2 測量方法

為了全面深入了解金屬微粒和氣泡PD 的異同，分別采用RLC 檢測阻抗法、天線法、無感電阻法檢測放電信號。RLC 檢測阻抗法作為IEC 60270:2000 推薦的檢測方法，是目前國際上唯一的標準PD 檢測方法，盡管其測量頻率低、頻帶窄、信息量少，但因其可以標定視在放電量的優勢，是一種不可替代的測量方法。天線法由于其獨特的抗干擾性能，逐漸應用到變壓器的在線監測中，實驗中天線分別使用實驗室設計的微帶天線和螺旋天線，能夠滿足不同頻帶放電信號的檢測。無感電阻法也是測量PD 脈沖的一種重要手段，與檢測阻抗法相比，其測量波形不受檢測阻抗RLC 參數的影響，該方法對高頻放電脈沖的響應性能更好，測量結果更加接近放電脈沖的實際波形。需要指出的是，由于測試回路電感的存在，測量得到的波形也會存在振蕩，測量結果亦并非真實的放電波形。

PD 測量系統如圖2 所示，其中Cx代表圖1 中的流動變壓器油模擬油道循環裝置，耦合電容Ck和檢測阻抗Zm組成IEC 60270:2000 推薦的脈沖電流測量回路，其中Zm為RLC型檢測阻抗。無感電阻R與瞬態抑制二極管（TVS）并聯后與試品串聯，組成無感電阻檢測回路，R=50 Ω，在試品意外擊穿時，瞬態抑制二極管可以瞬間導通，保證示波器安全。天線、無感電阻、檢測阻抗測量得到的信號以及電容分壓器信號同步輸入到DPO7104 型示波器中。高速攝像機和光源組成雜質運動軌跡記錄系統。

圖2 PD測量系統Fig.2 PD measurement system

實驗前，變壓器油首先進行過濾處理，濾除直徑大于5 μm 的雜質，并進行脫氣處理，利用標準油杯測試處理后變壓器油的擊穿電壓為75.1 kV，達到工程使用標準。在實際變壓器中，油中金屬微粒的直徑一般為5～200 μm[17]，一般認為微粒尺寸越大，對變壓器油絕緣性能的影響越嚴重，因此在金屬微粒放電實驗中，油道中放置濃度為1.0 g/L、直徑為150 μm 的鐵微粒[18]。為降低金屬微粒沉積對實驗準確性的影響，實驗周期設置為10 min，每次實驗前將邊緣沉淀的金屬微粒收集至油道中央。開展氣泡放電實驗時，油道中注入150 mL 干燥空氣，啟動油泵將大氣團打散成為小氣泡，通過3 mm 定目篩網后，形成分布相對均勻的懸移氣泡。

2 結果與討論

2.1 局部放電起始電壓（PDIV）

PDIV 實驗中，以1 kV/s 的速率勻速升高電壓，當示波器檢測到放電量大于100 pC 的PD 時，記錄外施電壓為當前實驗條件下的PDIV。由于金屬微粒的運動和氣泡的運動及變形均存在較大的隨機性，因此取10 次測試結果的平均值作為PDIV。實驗發現，金屬微粒和氣泡的PDIV 分別為8.4 kV 和23.2 kV。很明顯，當兩種缺陷同時存在時，金屬微粒更容易引起PD。鑒于兩者PDIV 差距較大，后續PD 信號的采集均在各自1.2 倍PDIV 下進行，即金屬微粒PD實驗的外施電壓為10.0 kV，氣泡PD實驗的外施電壓為27.8 kV。

2.2 放電波形

2.2.1 RLC檢測阻抗法

通過比較檢測阻抗法采集到的PD 信號，發現同一種缺陷產生的PD 信號波形特征比較類似，放電的隨機性主要體現在幅值和極性方面。圖3和圖4 分別為利用檢測阻抗法測量得到的金屬微粒PD信號和氣泡PD信號。

圖3 金屬微粒PD信號Fig.3 PD signal induced by metal particles

圖4 氣泡PD信號Fig.4 PD signal induced by bubbles

通過比較圖3～4可以發現，兩種放電均具有一個上升沿（或下降沿）為40 ns左右的脈沖，隨后伴隨有約200～300 ns 的振蕩衰減。由于正負極性放電信號除極性不同外，波形特征沒有明顯的差別，這里僅列出了負極性放電信號。

2.2.2 天線法

圖5 和圖6 分別為金屬微粒PD 和氣泡PD 所激發的電磁波信號及相應的快速傅里葉變換（FFT）分析。

圖5 金屬微粒PD信號及其FFT分析Fig.5 PD signal induced by metal particles andFFT analysis

圖6 氣泡PD信號及其FFT分析Fig.6 PD signal induced by bubbles and FFT analysis

比較圖5～6 可知，金屬微粒PD 可以激發出300 MHz～2.3 GHz 的信號，屬于特高頻（ultra high frequency，UHF）頻段，而氣泡PD 僅能激發出200 MHz 以下的信號，屬于甚高頻（very high frequency，VHF）頻段，說明金屬微粒PD 所激發電磁波信號的強度遠高于氣泡PD，因此采用UHF 天線檢測變壓器內部PD 時可能無法發現氣泡放電。目前不同類型PD 所激發出電磁波的頻段并未完全清楚，根據文獻[19]的研究結果，PD 所激發電磁波信號的頻段與放電脈沖的上升沿有關。因此，進一步采用50 Ω無感電阻測量了放電脈沖信號。

2.2.3 無感電阻法

圖7和圖8分別為無感電阻測量的金屬微粒PD脈沖和氣泡PD 脈沖。從圖7～8 可以看出，兩種類型缺陷放電產生的脈沖電流信號上升沿有明顯差異，金屬微粒PD 脈沖電流的上升沿時間約為3.1 ns，而氣泡PD 脈沖電流的上升沿時間約為25.1 ns。脈沖電流越陡峭，激發出的電磁波信號頻率越高，這就很好地解釋了金屬微粒PD 可以激發出UHF 信號，而氣泡PD 僅能激發VHF 信號的原因。

圖7 無感電阻測量的金屬微粒PD脈沖Fig.7 PD pulse of metal particles measured by non-inductive resistance

圖8 無感電阻測量的氣泡PD脈沖Fig.8 PD pulse of bubbles measured by non-inductive resistance

2.3 PRPD圖譜

為了進一步對比金屬微粒PD 和氣泡PD 相位分布的差異，統計了30 min 內兩種雜質的PD 信號，繪制了如圖9 和圖10 所示的PRPD 圖譜。從圖9～10 可以看出，金屬微粒放電基本遍布整個工頻周期，在90°和270°附近放電最強烈，正負半周的放電頻率和幅值都比較類似，沒有明顯的區別。氣泡PD的相位分布則相對較小，主要分布在60°～104°和236°～305°，負半周放電數量遠高于正半周放電數量。

圖9 金屬微粒PRPD圖譜Fig.9 PRPD spectrum of metal particles

圖10 氣泡PRPD圖譜Fig.10 PRPD spectrum of bubbles

2.4 擊穿電壓

擊穿電壓是評估氣泡和金屬顆粒對變壓器油絕緣性能影響的重要參數。擊穿試驗中的試驗條件與PD試驗條件相同，外施電壓以2 kV/s的速率持續升高直至擊穿，取10次擊穿實驗的平均值作為擊穿電壓。試驗得到含金屬顆粒和氣泡變壓器油的擊穿電壓分別為42.0 kV 和31.6 kV。由此可見，氣泡對變壓器油擊穿電壓的影響更為嚴重。

2.5 討論與分析

2.5.1 運動軌跡

金屬微粒和氣泡是兩種完全不同的雜質，其在絕緣油中的PD 特性差異與它們的運動特性和物性有關，本研究利用高速攝像機觀測了兩種雜質在變壓器油中的運動軌跡。圖11 和圖12 分別為金屬微粒與氣泡的運動軌跡。

圖11 金屬微粒典型運動軌跡Fig.11 Typical trajectories of metal particles

圖12 氣泡典型運動軌跡Fig.12 Typical trajectories of bubbles

由圖11 可知，金屬微粒隨油流向右運動的同時，在豎直方向上不斷跳躍與回落，這是由于金屬微粒作為導體，與極板碰觸后攜帶一定量的電荷，帶電金屬微粒在交變電場的作用下上下跳躍。氣泡的運動與金屬微粒表現出完全不同的運動軌跡，如圖12 所示，氣泡在油道中隨油流向右運動，并逐漸靠近上極板，最終沿上極板下表面水平運動出高場強區域，這是由于氣泡是非導電體，在高場強區域的運動主要受油流曳力、浮力的作用，因此氣泡上浮至極板附近后保持水平運動。

2.5.2 放電機理

金屬微粒和氣泡的存在均會引起局部電場的畸變，由于兩種雜質的物性不同，所導致的電場畸變特性也存在較大差異。根據文獻[20]研究結果，可以估算出直徑為150 μm 的金屬微粒與極板接觸所攜帶的電荷為3.7 pC，進而可以利用有限元仿真軟件計算金屬微粒導致的電場畸變。圖13給出了金屬微粒在距離極板不同位置時導致的電場畸變。

圖13 最大電場強度隨金屬微粒與極板距離的變化Fig.13 Variation of maximum electric field intensity with distance between metal particles and electrode plate

從圖13 可以看出，微粒距離金屬極板越近，電場畸變越嚴重，當微粒與極板間的距離為2 μm 時，最大電場強度達到0.7×108/m，已經達到文獻[21]中給出的微放電場強閾值。由此可以推測當金屬微粒與極板無限靠近時，兩者之間的電場將超過絕緣油的擊穿強度，因此當金屬微粒碰撞極板時容易引起PD，結合圖11 給出的金屬微粒運動軌跡，可以很好地解釋金屬微粒導致高頻次PD的原因。

圖14為油中氣泡靜電場畸變仿真結果。

圖14 氣泡導致的電場畸變Fig.14 Electric field distortion caused by bubbles

從圖14 可知，最大電場出現在氣泡內部，約為油中電場強度的1.3 倍，因此由氣泡導致的PD 實際是發生在氣體中的擊穿，與空氣中的電暈放電類似，利用無感電阻法測量得到的放電波形也可以發現氣泡PD 脈沖上升沿陡峭程度遠低于金屬微粒，因此氣泡PD 不能激發出UHF 信號，而金屬微粒PD可以激發UHF信號。

值得關注的是，氣泡PD 主要集中在工頻負半周，這可能與氣泡的運動軌跡有關。圖12表明氣泡在油道中大部分時間處在上極板下表面附近，氣泡與金屬極板直接接觸，在工頻負半周中，金屬極板表面發射的陰極電子可以提供氣泡內部PD 所需的初始電子，因而導致氣泡PD 主要集中在工頻負半周。

與金屬微粒相比，氣泡對變壓器油擊穿電壓的影響更嚴重，這可能與兩種缺陷的物性及PD 放電量差異有關。根據圖9 和圖10 中統計的PD 信號可以發現，氣泡PD 的放電量遠高于金屬微粒PD 的放電量，氣泡PD 可能導致氣泡發生膨脹和破裂，破裂形成的微氣泡群容易導致整個油隙發生擊穿，因此氣泡對油隙擊穿電壓的影響更嚴重。

3 結論

（1）與氣泡PD 相比，金屬微粒的起始放電電壓更低，放電頻次更高。金屬微粒PD 遍布整個工頻周期，主要集中在90°和270°附近，而氣泡PD 主要發生在工頻負半周，負半周放電數量遠高于正半周。

（2）金屬微粒PD 可以激發出UHF信號，而氣泡PD 僅能激發VHF 信號，這與兩者脈沖電流的上升時間有關。在采用UHF天線監測變壓器內部PD 時應特別注意其對氣泡PD檢測的有效性。

（3）氣泡對變壓器油擊穿電壓的影響比金屬微粒的影響更為嚴重，在實際變壓器中應嚴格控制，避免油中產生氣泡。