交直流復合電壓下變壓器油中金屬微粒聚集特性和局部放電特性研究

董曼玲，寇曉適，姚德貴，姚雨杭，王偉，張洋，唐炬

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450000；2.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

我國地域遼闊，能源資源產地與負荷需求呈現逆向分布。煤炭、水力、風力等資源主要集中在我國西部地區，而能源負荷則主要集中在東部沿海地區，能源儲備和電力負荷的分布極不均衡[1-4]。高壓直流輸電由于具有大容量、遠距離輸送電能的優勢，能有效實現跨區域輸電，從而解決我國資源和負荷逆向分布的問題。高壓直流輸電系統運行經驗表明，一次設備故障是引發系統強迫停運的首要因素，其中，換流變壓器故障占一次設備故障比例最高[5]。換流變壓器故障逐漸成為影響直流輸電系統運行可靠性的重要問題之一。

CIGRE工作組發布的關于換流變壓器故障的數據表明，換流變壓器發生故障的概率約為普通電力變壓器的兩倍，而由于換流變壓器絕緣失效導致的事故約占50%，其中大部分故障發生在閥側繞組、連接器件和出線裝置等位置[6-8]。變壓器油作為換流變壓器的主要絕緣介質，其品質對變壓器絕緣性能影響重大。然而，由于機械振動、絕緣老化、油泵磨損等原因[9-10]，變壓器油中不可避免地會混入固體顆粒污染物。常見污染物主要分為如自由金屬微粒、游離碳微粒一類的導電微粒，以及如纖維顆粒、游離紙屑一類的非導電微粒[11-13]。其中，金屬微粒因具有良好的導電性，對變壓器油絕緣性能的危害最大[11]。除此之外，換流變壓器閥側繞組長期承受交直流復合電壓作用，直流分量的存在會導致雜質顆粒的析出與聚集現象更為嚴重，易誘發局部放電（partial discharge，PD）甚至介質擊穿，因此換流變壓器的閥側主絕緣故障率居高不下[14-16]。

國內外學者針對變壓器油中金屬微粒的局部放電特性做了大量研究。R TOBAZéON[17]采用靜電計和高速相機獲取了金屬微粒在平行板電極間運動時所導致的PD特性，并測量了外界條件變化時微粒的視在放電量和放電電流，研究表明，金屬微粒在靠近電極時會導致局部放電，所產生電流脈沖的脈寬大約為1 ns；外施電壓越高，視在放電量越大。LI J等[18]對交流電場下油中金屬微粒的PD特性進行了全面研究，對單顆和多顆微粒的運動過程進行了觀測，測量了不同試驗條件下的放電頻率、放電量、放電電流，構建了PRPD圖譜，研究表明，金屬微粒在起跳離開電極時PD發生相位較為隨機；在電極間往復運動時所產生的脈沖電流寬度較大，PD主要集中在外施電壓過零時發生；當金屬微粒數量增多時放電量和放電頻率均有所增加，金屬微粒半徑越大，放電量越大。付守海等[19]對交流電場下油中金屬微粒粒徑對局部放電量的影響進行了研究，結果表明，隨著外施電壓的升高，油中金屬微粒會先在電極表面滾動，該階段金屬微粒表面發生電暈放電，放電量較??；隨著外施電壓的持續升高，金屬微粒起跳，放電量相比于上一階段增大；當外施電壓達到微放電起始電壓時，金屬微粒在極板間劇烈跳動，放電量相比前兩個階段顯著增加。

由于換流變壓器閥側繞組常承受交直流復合電壓，且換流閥的閥橋數量或換流閥觸發角發生變化時，交直流復合電壓中交流分量與直流分量的比例不同[20]，金屬微粒在不同復合電壓作用下的運動情況與聚集狀態必然有所不同。針對上述問題，本文構建變壓器油中金屬微粒運動觀測與局部放電檢測平臺，開展不同復合電壓下變壓器油中自由金屬微粒的運動和聚集特性研究，同時測量金屬微粒聚集過程中PD特性，獲取不同電壓下放電量、放電頻率的變化規律。

1 試驗平臺及方法

變壓器油中金屬微粒運動觀測與局部放電檢測平臺如圖1中所示。

圖1 檢測平臺Fig.1 Test platform

圖1 中，實驗裝置部分主要由主油道、電極、溫度控制系統等組成。其中，主油道采用有機玻璃制作而成，有機玻璃無色、透光率高，便于觀察金屬微粒在電極間的運動和聚集情況；試驗系統中的半球電極參考IEC 60156-2018推薦的電極結構進行設計，同時考慮變壓器油循環流動裝置的尺寸，設計了直徑為35 mm的銅制半球電極，此外，實際變壓器繞組間油道撐條寬度分別有5、10、15 mm[21]，本研究選擇5 mm間隙開展研究；溫度控制系統主要由PT100型溫度傳感器、DRQ-21型加熱電阻以及TC-05B型智能數顯溫控儀等部件組成，用于實時監測并調節油溫，本研究中油溫為30℃；利用OWL-6型可調速離心油泵使微粒與變壓器油充分混合。采用高速相機記錄主油道中金屬微粒的運動及聚集過程，相機幀率為3000幀/s。為保證圖像清晰度，拍攝過程中需利用無頻閃LED冷光源對電極間隙進行補光處理。在開始試驗前，保證相機、電極間隙和光源處在同一水平面。

本研究采用高壓設備中常用的克拉瑪依25#變壓器油。在注入裝置前，需要對變壓器油進行過濾、干燥、脫氣、真空冷卻等處理，濾除油中的氣體與固體雜質。將處理后的變壓器油真空注入裝置后，通過注油口放入6.3 g直徑約為150 μm的鐵微粒。開啟油泵使微粒與變壓器油充分混合。此時油中微粒的濃度為30顆/mL。關閉油泵靜置20 min后，方可開始試驗。試驗過程中所需復合電壓由高壓放大器（TREKMODEL 610E型，放大倍數為1000倍）與任意波形發生器（Agilent 33522A型）共同產生。為捕獲微粒運動過程中的局部放電信號，在裝置接地線上套入高頻電流傳感器（HFCT）。傳感器經衰減探頭接入高速數字存儲示波器（泰克DPO7104型），其采樣頻率為10 M/s。

2 不同電壓下的聚集試驗

通常，復合電壓中交流分量與直流分量的比例定義為交流電壓有效值與直流電壓幅值的比值[20]。試驗時，外施交、直流復合電壓的交、直流分量的比例分別為1∶3、1∶1、3∶1，并同時開展了交流電壓和直流電壓下的聚集試驗作為對比。外施電壓中直流分量為負極性，交流分量頻率為工頻50 Hz，外施電壓峰值為10 kV。在進行聚集特性試驗過程中，電壓施加總時間為1200 s，每隔300 s記錄一次圖像。

2.1 交流電壓

交流電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖2所示。從圖2可以看出，施加交流電壓時，金屬微粒會在下電極表面形成定向排列，呈“胡須”狀，“胡須”的方向與電場線方向相同，微粒的聚集區域局限在電極附近，間隙中部幾乎無金屬微粒。值得注意的是，極板附近沿同一方向排列的金屬微粒之間會不斷發生相互碰撞。隨著時間的推移，電極邊緣的少數金屬微粒會從電極上脫落，致使在電極表面定向排列的微?？倲禍p少。

圖2 交流電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.2 Aggregation behavior of metal particles under AC voltage

2.2 1∶3交直流復合電壓

施加1∶3交直流復合電壓時，金屬微粒在電極間隙內往復運動，并不斷與上、下電極發生碰撞。1∶3交直流復合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖3所示。從圖3可以看出，相比于交流電壓的情況，施加1∶3交直流復合電壓時金屬微粒的聚集區域貫通上、下極板，在整個間隙內均有分布。在電壓施加初期，金屬微粒在電極間隙內的分布較為均勻，但隨著時間的增加，在電極間隙內維持往復運動的微?？倲涤兴鶞p少，球電極外側區域部分金屬微粒會從電極間脫落，金屬微粒數明顯減少，但在球電極弧頂附近高場強區域處，在間隙內維持往復運動的金屬微粒數量逐漸增多。

圖3 1∶3交直流復合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.3 Aggregation behavior of metal particles under 1:3 AC/DC composite voltage

2.3 1∶1交直流復合電壓

1∶1交直流復合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖4所示。從圖4可以看出，在電壓施加初期，金屬微粒在間隙內分布較為均勻。隨著時間的增加，除電極邊緣處的部分金屬微粒會從電極間脫落外，在間隙內均勻分布的金屬微粒還會逐漸向電場集中區域遷移，在球電極弧頂高場強區域附近形成動態聚集區域，聚集區域內的金屬微粒處于在極板間不斷往復運動的狀態。金屬微粒在球電極弧頂處聚集區域的寬度比施加1∶3交直流復合電壓時略大。

圖4 1∶1交直流復合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.4 Aggregation behavior of metal particles under 1:1 AC/DC composite voltage

2.4 3∶1交直流復合電壓

施加3∶1交直流復合電壓時，多數金屬微粒在電極間隙內往復運動，少部分金屬微粒則在電極表面彈跳運動，不斷與電極表面發生碰撞。3∶1交直流復合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖5所示。從圖5可以看出，隨著時間的增加，大量金屬微粒在電極間隙內出現聚集。在施加3∶1復合電壓時金屬微粒聚集得最為緊密，金屬微粒間的相互碰撞頻率較高，出現形成“小橋”的態勢。

圖5 3∶1交直流復合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.5 Aggregation behavior of metal particles under 3:1 AC/DC composite voltage

2.5 直流電壓

施加直流電壓時，金屬微粒在電極間隙內沿電場線方向往復運動。直流電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖6所示。從圖6可以看出，隨著時間的增加，金屬微粒逐漸在電極弧頂附近出現動態聚集，此時金屬微粒聚集區域的寬度最大，間隙內持續往復運動的金屬微粒數量最多。

圖6 直流電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.6 Aggregation behavior of metal particles under DC voltage

3 變壓器油中金屬微粒的PD特性

不同比例交、直流復合電壓下金屬微粒的運動與聚集行為存在明顯差異，這必然導致其PD特性發生改變。為此，本研究在進行運動觀測試驗的同時利用HFCT傳感器檢測所產生的PD信號，每組試驗重復5次，采集間隔為300 s，每次試驗時間為60 s。

不同外施電壓下的放電頻率隨時間的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，放電頻率先隨時間迅速降低，隨后在某一頻率保持穩定。當外施電壓中交流分量占主導時，含金屬微粒變壓器油的PD放電頻率遠大于直流分量主導時，超過4000次/min。當外施電壓為交流電壓時，放電頻率最高達到約15000次/min，放電十分劇烈。當外施電壓為直流電壓時，PD放電頻率略高于1∶3交直流復合電壓時。

圖7 不同電壓下PD放電頻率Fig.7 PD discharge frequency under different voltages

不同外施電壓下的平均放電量隨時間的變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，除施加3∶1復合電壓外，油中金屬微粒所產生的平均放電量均隨時間近似不變，此時含金屬微粒變壓器油的PD平均放電量均維持在150～450 pC，其中當外施電壓為1∶3交直流復合電壓時放電量的衰減程度最弱。而外施電壓為3∶1復合電壓時，平均放電量遠大于其他4種情況，在電壓施加初期放電量高達920 pC；且此時的PD平均放電量隨時間呈先減小后增大的趨勢，最終在加壓時間為900 s時達到約700 pC并保持穩定。

圖8 不同電壓下PD平均放電量Fig.8 Average discharge magnitude under different voltages

4 變壓器油中金屬微粒的聚集特性及PD特性機理分析

4.1 聚集特性分析

金屬微粒在不同比例交直流復合電壓下表現出不同聚集特性。直流分量對金屬微粒聚集狀態的作用效果表現為分散型，聚集區域面積大，顆粒聚集較為松散；交流分量占比較高時（如3∶1交直流復合），聚集狀態表現為緊密型，聚集區域面積小，顆粒聚集緊密。直流分量對金屬微粒的作用效果表現為使微粒在電極間往復運動，金屬微粒可在較大范圍內發生運動，金屬微粒聚集狀態發散；而交流分量對金屬微粒的作用效果表現為使金屬微粒在電極附近區域內發生往復運動，金屬微粒的運動范圍被限制，隨著微粒的累積，聚集狀態逐漸緊密。

4.2 PD特性機理分析

含金屬微粒變壓器油的PD特性與金屬微粒的運動行為緊密相關。當帶電金屬微粒運動至電極附近時，由于金屬微粒的強導電性極易使金屬微粒與電極間隙內電場發生嚴重畸變；當多顆金屬微粒發生聚集時，可將顆粒團等效為較大尺寸的金屬微粒，攜帶更多的電荷，同樣會改變油中電場分布。金屬微粒的存在畸變了油中電場，大幅提高了PD發生概率。

不同電壓下PD放電頻率與放電量的變化規律歸因于金屬微粒聚集情況的變化。在電壓施加初期，金屬微粒在間隙內分布較為均勻，在靠近電極時引發電場局部畸變，誘發多次局部放電。隨著時間的增加，部分金屬微粒從電極間脫離，金屬微粒與電極的碰撞頻率降低，放電頻率隨之降低。當外施電壓中交流分量增大時，金屬微粒與電極之間的碰撞頻率增加，放電頻率逐漸增加。當施加交流電壓時，由于金屬微粒與電極之間頻繁發生碰撞，從而出現極高的放電頻率。根據2.4節所述，在施加3∶1復合電壓時，金屬微粒在電極間隙內的聚集最為緊密，導致油隙內電場畸變程度最為嚴重。因此，在經歷部分微粒脫離極板導致的放電量下降后，放電量又會因微粒聚集導致的電場畸變程度增大而不斷增大。

5 結論

（1）對于純交流、1∶3交直流復合、1∶1交直流復合、3∶1交直流復合以及純直流5種電壓類型，當外施電壓為3∶1交直流復合電壓時，金屬微粒在電極間聚集的最緊密，外施電壓為直流時，聚集最為松散。

（2）不同外施電壓下，放電頻率均先隨時間迅速降低，隨后在某一頻率維持不變；外施電壓中交流分量增加時，放電頻率明顯增大；當外施電壓為3∶1交直流復合電壓時，平均放電量最大，其余外施電壓下的平均放電量則隨時間延長近似不變。

（3）油中PD的放電頻率與平均放電量的變化與金屬微粒的聚集行為相關。隨著時間的增加，電極間金屬微粒聚集程度削弱，導致金屬微粒與電極的碰撞頻率降低，放電頻率隨之降低；當外施電壓為3∶1復合電壓時，金屬微粒的聚集最為緊密，油隙內電場畸變最為嚴重，放電量最大。