電極覆紙時流動變壓器油中金屬微粒局部放電特性研究

江 翼，楊 旭，張 靜，文 豪，周正欽，程 林，劉 詣

（1. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；2. 南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇 南京 211006）

0 引言

在換流變壓器的制造與運行中，變壓器油不可避免地會受到自由金屬微粒的污染[1-3]。由于具有良好的導電性，自由金屬微粒的存在極易導致油中局部電場畸變，引起局部放電（partial discharge，PD），甚至誘發絕緣擊穿[4]。此外，換流變壓器常采用油紙復合絕緣，變壓器油道表面通常覆蓋有絕緣紙漿、絕緣紙和絕緣紙板等不同種類的固體絕緣介質，以增強換流變壓器的絕緣性能，提高運行可靠性。

變壓器油中自由金屬微粒導致的PD 與其運動規律關系密切，研究者們已對金屬微粒存在固體絕緣介質情況下的運動特性和PD 特性展開了深入研究。R TOBAZéON 等[5]采用靜電計和高速相機研究了金屬微粒在平行板電極間運動時的PD 特性，測量了外施電壓和微粒尺寸等條件發生改變時的視在放電量和脈沖電流，探索了視在放電量和微粒帶電量的關系。LI J 等[6]針對準均勻交流電場下含自由金屬微粒變壓器油的PD 特性開展了研究，發現隨場強的增大，粒子運動將經歷從振蕩到跳躍的轉變，每個運動階段的局部放電行為不同。SHA Y C 等[7]初步研究了交直流復合電壓下變壓器油中電極覆蓋絕緣紙板時自由金屬微粒的PD 特性，結果表明外施電壓中直流分量極性不影響局部放電起始電壓（PDIV）；當直流分量增大或減小時，要使得金屬微粒發生放電，交流分量必須對應地減小或增大。

值得注意的是，現有研究主要圍繞靜止變壓器油展開，然而在實際換流變壓器中，由于冷卻系統和溫度梯度的存在，油道中變壓器油始終處于流動狀態[8]，且油道表面覆蓋有固體絕緣介質，絕緣介質的存在會使得金屬微粒帶電特性發生改變，進而影響金屬微粒運動規律，導致PD 的誘發機制與現有研究結果存在不同。近年來，針對含金屬微粒流動變壓器油，唐炬等[8-9]搭建含金屬微粒流動變壓器油的PD 實驗平臺，初步研究不同條件下的PD 特性。結果表明，油流速度越快，PDIV 越高，放電次數越少，PD 強度越弱。然而，在油道表面覆蓋有固體絕緣介質時的PD特性尚未開展研究。

本研究利用搭建的變壓器油循環流動裝置，開展不同覆紙情況下含金屬微粒流動變壓器油的PD實驗，并提取PD 特征量，然后結合流動油中金屬微粒的運動特性，討論電極覆紙情況對PD 的影響機制。

1 實驗

1.1 變壓器油循環流動裝置

變壓器油循環流動裝置如圖1所示。該裝置主要由油泵、有機玻璃油道、銅制平板電極、溫控系統以及壓力計等設備構成[9]。油道入口處安裝的超聲波流量計可實時測量油流速度，在本研究中，始終控制油流速度為0.06 m/s。將兩個平板電極平行放置于有機玻璃油道中心，銅制平板電極直徑為100 mm，厚度為10 mm，其間距設置為10 mm。當進行電極覆紙的研究時，將3 層厚度為60 μm 的標準牛皮絕緣紙交替覆蓋于電極表面。絕緣紙層與層之間密封貼合，以防止金屬微粒滯留于電極與絕緣紙之間，對結果造成不利影響。溫控系統主要由溫控儀、溫度傳感器、加熱管與制冷片等設備組成，用于控制油溫。本研究采用的變壓器油為實際變壓器中常用的克拉瑪依25#變壓器油[10]。從進油口向注滿變壓器油的循環裝置內倒入9 g直徑為150 μm 的鐵粉，裝置內的污染變壓器油顆粒度達到約3 600顆/100 mL。采用最高幀頻達225 000 幀/s 的高速攝像機觀察油中微粒運動，并使用可調式LED 光源為高速攝像機進行補光。

圖1 變壓器油循環流動裝置Fig.1 Circulation flow device of transformer oil

1.2 PD測量系統

實際換流變壓器閥側繞組常承受著復合電壓，其中以1∶3 交直流復合電壓為主[11]。本研究采用50/12型高壓功率放大器與33522A型任意波形發生器共同作用，產生交直流復合電壓，復合比為1∶3。根據IEC 60270:2015 規定的脈沖電流法，搭建如圖2 所示的PD 實驗平臺，其中Ck（1 053 pF）為耦合電容，Z為測量阻抗。PD測量信號由DPO7104型高速數字存儲示波器記錄。

圖2 PD實驗平臺Fig.2 PD experimental platform

2 局部放電特性實驗結果

為了研究電極覆紙時含金屬微粒流動變壓器油的PD 特性，分別開展了在雙電極裸露、僅下電極覆紙和雙電極覆紙條件下的PD 實驗，記錄放電數據。

首先，分別在電極裸露、僅下電極覆紙和雙電極覆紙條件下進行了局部放電起始電壓的測量實驗，每組實驗重復進行10次，并對結果求取平均值，如圖3 所示。從圖3 可以看出，當雙電極裸露時，PDIV 約為22 kV；僅下電極覆紙時PDIV 增大至約24 kV；當雙電極覆紙時，PDIV最高，約為28 kV。

圖3 不同覆紙情況下的PDIVFig.3 PDIV under different paper covering cases

在外施電壓峰值為29 kV 的條件下，利用構建的局部放電實驗平臺，采集了含金屬微粒流動變壓器油在不同覆紙情況下的PD 信號。每組實驗采集時間為10 min，重復5 次。實驗結束后，根據放電數據分別提取了放電次數、放電量和相位等PD 特征量，構建局部放電相位分布（phase resolved partial discharge，PRPD）圖譜，結果如圖4 所示。由圖4 可知，當雙電極裸露時，放電相位點集中在0°～90°和300°～360°，在此區間內放電頻繁且放電量大；當僅下電極覆紙時，放電集中區間與雙電極裸露時相同，但比電極裸露時放電弱些，放電量小些。在雙電極覆紙情況下，放電相位點集中在45°和160°附近，放電程度更弱。

圖4 不同覆紙情況下的PRPD圖譜Fig.4 PRPD patterns under different paper covering cases

基于圖4 中數據，統計了不同覆紙情況下的放電重復率、平均放電量和單位時間累積放電量，結果如圖5 所示。由圖5 可知，雙電極裸露時的放電重復率約為170 次/min，平均放電量約為70 pC；僅下電極覆紙時，放電重復率降至約40 次/min，遠低于雙電極裸露時，且平均放電量也有所減小，約為40 pC；而在雙電極覆紙情況下，放電重復率約為30次/min，平均放電量也減小至約30 pC。由于放電重復率和平均放電量的變化趨勢一致，因此單位時間累積放電量的變化趨勢與二者相同。

圖5 不同覆紙情況下的放電特征量Fig.5 Discharge characteristic quantities underdifferent paper covering cases

3 電極覆紙對PD的影響機制分析

含金屬微粒變壓器油的局部放電特性與油中金屬微粒的運動規律密切相關，為了解電極覆紙時油中帶電自由金屬微粒的運動規律，對不同條件下流動油中金屬微粒的運動情況進行逐幀記錄，并繪制運動軌跡，如圖6所示。

雙電極裸露情況下，單顆金屬微粒的運動軌跡如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出，金屬微粒在A點與下極板發生碰撞，隨后向上極板方向運動至B 點與上極板發生碰撞，碰撞過程迅速完成、無滯留，然后再向下電極運動至C 點與下極板發生碰撞，完成一次電極間的往返運動。隨后不斷重復前述運動模式，且此過程中金屬微粒在水平方向上隨油流運動。

圖6 不同覆紙情況下的微粒運動軌跡Fig.6 Particle trajectories under different paper covering cases

僅下電極覆紙情況下，單顆金屬微粒的運動軌跡如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，金屬微粒在A點和C 點與覆紙電極發生碰撞。不同的是，金屬微粒在接觸下電極后，會在絕緣紙表面停留一段時間，隨后緩慢從覆紙電極表面起跳，向上極板運動。由于微粒在B 點不發生停留現象，微粒所帶電荷極性瞬時反轉，金屬微粒逐漸回落至C 點完成一次電極間的上下往返運動。隨后金屬微粒不斷重復前述往復過程直至離開觀測區域。同時在整個運動過程中金屬微粒在水平方向沿油流運動方向緩慢遷移。金屬微粒單次往復運動包含滯留、上升和下降3 個階段，上升階段水平位移要明顯較下降階段更長，運動軌跡也更為平緩。

雙電極覆紙情況下，單顆金屬微粒的運動軌跡如圖6(c)所示。從圖6(c)可以看出，微粒分別在A點和B點與覆紙電極發生碰撞。與電極裸露情況不同的是，金屬微粒會在覆紙電極表面滯留一段時間，且上升和下降過程的水平位移近似相同，但兩個階段軌跡仍不對稱。對比不同覆紙情況下相鄰兩次落點的間距可知，在電極覆蓋絕緣紙時的落點間距要遠大于電極裸露時。

由于含金屬微粒變壓器油中的局部放電一般是在金屬微粒與電極靠近時發生，可認為金屬微粒與電極的碰撞頻率與放電頻率近似相同。本研究統計了1∶3 交直流復合電壓下60 s 內金屬微粒與電極間的碰撞次數，并計算了碰撞頻率，結果如圖7所示。從圖7可以看出，雙電極裸露情況下，金屬微粒與電極的碰撞頻率遠高于其余兩種條件下的碰撞頻率。

圖7 不同覆紙情況下的碰撞頻率Fig.7 Collision frequency under different paper covering cases

利用有限元分析軟件計算了金屬微?？拷姌O時的電場分布，結果如圖8所示，金屬微粒與電極的間距為50 μm。

圖8 微粒周圍的電場分布Fig.8 Electric field distribution around the particle

由圖8可知，相比于電極裸露的情況，電極覆紙時油中電場強度減小，導致金屬微粒接觸電極后的帶電量下降，從而使帶電金屬微粒所受的電場力減小，進一步導致金屬微粒垂直速度減小。由于電極間距固定，當微粒垂直速度變小時，微粒與極板的碰撞時間間隔將會增加，碰撞頻率減小。此外，電極覆紙會導致微粒在覆紙電極上滯留一段時間，進一步增加了碰撞時間間隔，降低了碰撞頻率。因此，電極覆紙情況下金屬微粒碰撞頻率相比電極裸露時顯著降低，減小了局部放電次數，削弱了放電程度。

此外，當微粒與極板的碰撞集中在某些特定的相位區間時，該相位區間將出現較多的局部放電，從而使PRPD 圖譜的分布特性發生變化。本研究定義某一相位的微粒碰撞密度為該相位的碰撞次數與總碰撞次數的比值，可知PRPD 圖譜與碰撞密度相位分布關系密切。根據PD 實驗數據統計60 s 內不同相位的碰撞次數，可計算得到不同電極覆紙情況下金屬微粒與電極的碰撞密度隨相位的變化如圖9 所示。從圖9 可以看出，在雙電極裸露時，金屬微粒與極板的碰撞主要發生在0°～72°和306°～360°，此時的碰撞密度較高；對于單電極覆紙的情況，18°～54°和342°～360°兩個相位區間的碰撞密度較高；在雙電極覆紙時，碰撞密度較高值出現在36°～72°和144°～180°兩個相位區間。此分布特性與PD的相位分布特性幾乎吻合。

圖9 不同覆紙情況下微粒碰撞密度隨相位的變化特性Fig.9 Phase characteristics of particle collision density under different paper covering cases

4 結論

（1）在雙電極裸露和僅下電極覆紙情況下，放電集中在0°～90°和300°～360°兩個相位區間。在雙電極覆紙情況下，放電相位集中在45°和160°附近，且放電重復率與放電量均小于電極裸露情況。

（2）絕緣紙的存在會使金屬微粒在紙上滯留一段時間，并導致兩個相鄰碰撞點之間的水平距離增加。此外在電極覆紙后，微粒帶電量和油中電場減小，使得微粒垂直速度減小，降低了微粒與極板的碰撞頻率。這些因素的共同作用導致局部放電強度有所削弱，放電相位分布發生改變，放電頻率減小。