干式變壓器絕緣層閃絡放電研究

徐林峰，潘必超，俞天波

(杭州錢江電氣集團股份有限公司，杭州 311243)

我國在電力變壓器技術研究方面取得了很大進步，研發了質量更輕、體積更小、電壓級別更高的干式變壓器。干式變壓器在自然空氣冷卻時能夠在額定容量下長期穩定地運行，強迫風冷時，變壓器輸出容量能夠提升一半以上，適合斷續超荷載運行或應急事故的超荷載運行。與油浸式變壓器相比，干式變壓器具有防火、無污染、重量輕、安裝成本低、安全等特點，多用于防火標準較高場所。

1 干式變壓器絕緣層閃絡放電檢測的作用

如果干式變壓器所處條件比較惡劣，絕緣承受的電場強度會不斷增強，導致閃絡放電問題，而閃絡放電會導致熱電變化，將大大降低變壓器的絕緣性能，影響變壓器的正常運行。變壓器絕緣層老化主要是因為內部發生閃絡放電造成的，如果這種放電狀態長期發生，會加速絕緣老化，極易造成短路或擊穿等現象，因此強化干式變壓器的閃絡放電檢測至關重要[1]。

2 干式變壓器絕緣層閃絡放電檢測方法

2.1 脈沖電流法

此方法運用廣泛，是與國際標準銜接的變壓器定量檢驗方式，但分析時間較長，需設干式變壓器為電容，若變壓器發生閃絡放電情況，則檢測回路中會出現脈沖電流信號，可利用方波對其進行定量校正，以準確測算放電量數值。檢測時一般需控制頻率在1MHz以下，具有較高的靈敏性，但極易因為外界因素的干擾而造成一定的影響，因此存在一定的局限性，目前主要用于現場實驗或室內檢測中，但現場條件與室內條件影響因素眾多，此種干擾因素會把原本電流信號覆蓋，故而如何避免外界干擾是重點。

2.2 超高頻檢測法

與脈沖電流法相比，此方法在抵御外界干擾方面具有顯著優勢。若干式變壓器出現閃絡放電問題，通常會發生抖動電流脈沖，在正負電荷中和環境下對外界釋放電磁輻射，而放電間隙絕緣強度與閃絡放電中的電磁波頻譜特性具有相關性，如果放電速率過快，則證明放電間隙小，還會出現高頻電磁波，說明電流脈沖有著一定的抖動，若在檢測中絕緣強度高，放電則會加速擊穿現象，發生明顯的脈沖抖動情況并對外輻射電磁波，對電磁波展開檢測就能對放電現象進行檢測。閃絡放電檢測頻率一般在1 MHz內，與檢測平臺、電網載波平臺等接近，極易因外部因素造成干擾，若干擾比較嚴重，就不能對閃絡放電與背景干擾進行有效區分。超高頻檢測頻段控制在300～3 000 MHz，對閃絡放電中的超高頻電充信號展開檢測，可進一步防止干擾[2]。

2.3 超聲波檢測法

該方法是通過超聲換能設備，用電氣信號替代原本信號，完成檢測。變壓器發生閃絡放電后會產生超聲波信號，因此可運用此方法對放電展開檢測，但變壓器結構比較煩瑣，傳播中會受到介質影響，如聲波從內到外傳播時會受到鐵芯與線圈影響，導致降低信號，因此只利用超聲波無法做到定量檢測。若放電位置與傳感器間距較近或傳輸時受到的影響較小，則檢測靈敏性較高。若放電處與檢測處間距較遠，則會造成聲波傳播衰減，無法利用此方式展開檢測，也不能精準定位放電缺陷。

3 案例分析

某中心站工作人員在巡查變電站1號干式變壓器時，了解到高壓繞組A相表層絕緣有15 cm長的閃絡放電跡象，如圖1所示。通過紅外測溫看出，此區域溫度異常，爬電處最高溫度達到近45℃。通過檢查發現，此變電站2號與3號干式變壓器在相同位置出現裂痕，可輕微放電。此變電站3臺干式變電器都是某企業于2008年生產、于2009年投運的，按照主變室抽濕機顯示，溫度在28℃，濕度在55℃，處在正常指標內。

3.1 缺陷分析

針對干式變壓器閃絡放電展開分析，能夠看出，1號主變高壓繞組表層絕緣損壞位置是有載調壓的最低電壓抽頭處，與2號與3號相對，干式變壓器在同一位置存在高壓繞組表層絕緣層相應程度的破壞。對變壓器結構與運行條件進行分析，主要原因有以下兩個方面：

1) 干式變壓器結構原因。主變結構見圖1，它是對稱結構，即使前后環境具有顯著差異，但總體差別不大，其制造工藝與絕緣材料對于電場強度具有極大的影響。變壓器運行時，電場強度較高的位置更易吸附粉塵顆粒，通常附著在高壓繞組套筒表層，導致溫度持續上升。當粉塵積攢到一定量、溫度達到一定值時，套筒表層會出現小橋，發生沿面放電并不斷惡化，沿面放電時高壓氣體會造成絕緣層裂縫，出現新的放電點，從而構成閃絡放電，對變壓器運行產生影響，甚至引發事故。綜合此次出現問題的變壓器，有載調壓一共分成9個檔位。9擋位有載抽頭電壓較低，總體絕緣表層電壓差較小和較大的位置是出現閃絡放電的位置，有載抽頭絕緣部件上方是抽頭線圈，下方是高壓繞組，絕緣部件兩端出現的電位差是導致閃絡放電的關鍵因素。有載抽頭位置點位差如圖2所示，能夠看出閃絡放電的原因。此變壓器高壓繞組抽頭的調壓與帶單獨調壓繞組中性點的調壓和高壓繞組某段抽頭中性點的調壓相比，調壓裝置、繞組與引線均在高電壓中，對絕緣有更高的要求，此外，有載1擋為全電壓，9擋為最小電壓，導致圖3高壓電差位置的壓差為總體絕緣外層最大的位置，而高電壓差造成高電場強度，為沿面放電提供了可能性，存在一定的安全隱患[3]。

2) 環境原因。此變電站已經投運10余年，表層有一定的灰塵堆積，而3臺變壓器高壓繞組絕緣層閃絡放電處和安全阻隔網間距為28 cm，易出現電暈積灰，這是導致閃絡放電的另一因素。在絕緣層表層粉塵長期附著的情況下，因干式變壓器結構原因造成電位差，使得粉塵有序排列，發熱、積灰、放電不斷循環，形成沿面局部放電路徑，沿面放電發展為氣體與液體的損壞性放電，從而發生閃絡放電[4]。

圖1 干式變壓器結構圖Fig.1 Structure chart of dry type transformer

圖2 電位差示意圖Fig.2 Schematic diagram of potential difference

3.2 缺陷處理

對變壓器展開一次保養，在變壓器繞組表層添加防水絕緣材料。對1號干式變壓器展開診斷性實驗，項目包括直流電阻、絕緣電阻實驗，對閃絡放電沿面展開遙測，間距為20 cm爬距時，絕緣電阻為3 MΩ，高壓端對放電跡象為1 080 MΩ。利用砂紙清除表層炭黑等放電跡象后再開展檢測，沿面數據提升至12 MΩ，端對表層依舊，從而排除線圈對放電位置有貫穿性破壞[5]。利用砂紙對筒體表層展開打磨，清潔粉塵，用丙酮去濕之后涂抹防水絕緣材料，痕跡位置進行加厚處理，放電位置開展絕緣處理。由于3臺變壓器繞組絕緣層放電處和安全阻隔網距離較近，為避免電暈造成灰塵小范圍集中堆積，在繞組與防護網中間安裝絕緣擋板，減少電暈的發生。消除后，對放電痕跡位置展開診斷性檢測，獲得數據為沿面13 500 MΩ，檢測達標。

4 缺陷處理理論分析

4.1 絕緣層厚度對電場強度的影響

絕緣澆注時，因為工藝等因素，無法做到各部位厚度的高度統一，不能做到零氣隙出現。絕緣層較薄時，假設氣隙大小與樹脂層厚度a相同，那么氣隙的場強為U/a；絕緣層較厚時，假設厚度加厚了b，U=W+V，在a上得到的電壓是W，氣隙的場強是W/a。因為U>W，W/a

4.2 高低壓繞組場強分析

高低壓繞組類似于兩個圓筒形電極，其兩端的電場強度不均勻分布。兩個繞組等高與不等高電場分布如圖3所示。圖3(a)中，電場聚集到一點，圖3(b)中，電場分散在2個點，因此，圖3(a)中的電場分布并不均勻，即高壓繞組與低壓繞組高度相同時，端部電場比不等高時呈現均勻分布。真空澆注并非做到絕對真空狀態，澆注時極易出現細微氣隙，若絕緣層較薄(通常設計高壓繞組外層數值絕緣層厚度為1～2 mm)或絕緣層堆積粉塵較多時，電場強度過大的位置會令局部放電可能性顯著提升，加厚絕緣層可使電場強度明顯減少，令局部放電可能性大大降低。此外，高低壓繞組需設計成相同高度，否則會導致電場分布不均勻，對干式變壓器的各種性能造成不良影響。

圖3 繞組端部電場分布Fig.3 Electric field distribution at winding end

5 結束語

對干式變壓器結構進行分析發現，在電場強度過大的位置合理增加絕緣層厚度，可明顯降低氣隙中場強與灰塵吸附后的沿面放電概率，針對其運行條件，在絕緣層閃絡放電處和安全阻隔網之間安裝絕緣擋板，可避免電暈造成粉塵小范圍的集中堆積。在制造工藝方面，盡可能減少澆筑時出現的絕緣層氣隙，增厚絕緣涂層，保證高低壓繞組高度相等，均勻分布電場，以實現干式變壓器的良好運行。干式變壓器在通風干燥條件下使用期限較長，因此檢測維護有效期也可延長，但是如果運行條件較為惡劣，如濕度大，空氣中灰塵等極易吸附在變壓器上，則需合理縮減變壓器的維護檢測時間間隔，及時進行維護、清潔，以保證干式變壓器的穩定運行。