含金屬微粒流動變壓器油的直流局部放電與擊穿特性研究

王金銅， 溫剛， 姜東飛， 黃志強， 張玉輝， 潘卓洪

（1.國網新疆電力有限公司超高壓分公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.華北電力大學（保定） 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引 言

換流變壓器作為高壓直流輸電系統中的關鍵設備之一，其絕緣可靠性直接影響著整個電網的安全可靠運行[1-3]。變壓器油作為換流變壓器的主要液體絕緣介質，其品質關系著變壓器絕緣性能的優劣。然而，由于機械振動、油泵損耗等原因[4-5]，實際運行變壓器油中不可避免地會混入如自由金屬微粒、纖維顆粒一類的固體顆粒污染物[6-7]。其中，金屬微粒因具有良好的導電性，極易在靠近內部導體表面時造成局部的電場畸變。若金屬顆粒在油道內聚集，會大幅縮短油隙的絕緣有效距離，導致油隙的局部放電（PD）起始電壓和擊穿電壓下降[8-9]，對變壓器油的絕緣性能危害很大。因此，金屬微粒通常被視為變壓器液相絕緣中危害最大的污染雜質之一。

國內外學者針對含金屬微粒變壓器油的PD與擊穿特性開展了大量研究。付守海等[10]對交流電場下變壓器油中自由金屬微粒引起的PD進行了深入研究，分析了微粒粒徑和材質以及油中微水含量對放電量的影響。結果表明，銅微粒的起跳電壓和PD起始電壓最高，鋁的最低，鐵的介于兩者之間，且油中微水含量對PD特性沒有明顯影響。R SARATHI等[11-12]利用脈沖電流法和特高頻（ultra high frequency，UHF）天線研究了交流和直流電場下變壓器油中自由金屬微粒導致的PD。結果發現在交流電壓下，電流脈沖上升時間只有幾個納秒，激發的電磁波信號主頻為1.0 GHz；直流電壓下PD的UHF信號幅值較高，局部放電起始電壓（PDIV）低，正、負極性直流電壓下的PD特性一致。WEI C等[13]分別在交流和直流電壓下測量了被不同尺寸和顆粒數的鐵顆粒和銅顆粒污染絕緣油的擊穿電壓。結果表明，絕緣油的擊穿電壓隨著顆粒數的增加而降低，直流電壓下的擊穿電壓低于交流電壓下的擊穿電壓，其中直徑較大的鐵顆粒污染的絕緣油擊穿電壓較低。

上述研究均在靜止變壓器油中進行，然而，實際電力變壓器常采用強迫油循環或強迫導向油循環的冷卻方式，油道間的變壓器油通常處于流動狀態[14]。文獻[15-16]針對流動變壓器油中金屬微粒引發的局部放電特性進行了初步研究。結果表明，隨著流速的增大，PD程度降低，隨著油溫的升高，放電程度降低，在80℃時出現拐點。但研究僅針對油中單顆金屬微粒進行，且對于含金屬微粒的流動油的擊穿特性研究不足。

已有研究表明，直流電壓下油隙中金屬微粒更易聚集于高電場區域，致使絕緣油的絕緣強度進一步降低[17-18]。為此，本研究構建變壓器油循環系統，分別搭建變壓器油中金屬微粒PD與擊穿特性試驗平臺，在直流電壓下開展不同流速下含微粒變壓器油的PD與擊穿試驗，提取PD特征量，獲取不同流速下擊穿電壓的Weibull分布圖，并進一步總結特征擊穿電壓隨流速的變化規律。最后，根據所捕獲的油隙微粒分布影像，針對流速對PD和擊穿特性的影響機制進行討論。

1 試驗平臺及方法

本研究搭建的變壓器油循環系統如圖1所示，主要由主油道、油泵、溫度控制單元、流速控制單元、球-球電極等部分組成。油泵驅動變壓器油在系統中循環流動。流速控制系統通過變頻器改變油泵轉速，可實現對油流速度的連續調節。依據變壓器運行規范，目前國內變壓器油道內油流速度不超過0.30 m/s[14]，故試驗過程中控制油流速度為0～0.3 m/s。溫度控制單元由溫度傳感器、加熱電阻、智能數顯溫控儀等組成，可實時監測與調節裝置內變壓器油溫度。球-球電極直徑為35 mm、電極厚度為10 mm、上下電極弧頂間距為2.5 mm，上下電極尺寸一致，施加電壓后間隙內形成稍不均勻電場。主油道上方油枕瓶與外界連通，確保試驗過程中平臺內部壓力始終與外界保持一致。

本研究搭建的流動變壓器油PD特性試驗平臺如圖2所示，采用TRC2025型高壓直流電源向高壓極施加直流高壓。從分壓器引出的電壓信號通過衰減探頭接入Tektronix DPO7104型數字示波器。采用并聯法測量PD。Ck（1 053 pF）為耦合電容，Z為實驗室常用測量阻抗。在研究流動油的擊穿特性時，為記錄油隙擊穿過程中產生的放電信號并保護試驗設備，在原有回路中拆除耦合電容與匹配阻抗，改為接入HFCT 39型高頻CT傳感器，并通過衰減探頭（衰減倍數為20倍）接入示波器。試驗過程中采用高速攝像機記錄微粒分布情況，攝像機幀率為5 000 fps，并利用高強度無頻閃LED冷光源對油道內部進行補光，確保圖像的清晰度，捕捉到的影像傳輸至計算機進行保存。

試驗變壓器油為實際變壓器中常用的克拉瑪依25#變壓器油。試驗前，先對變壓器油進行過濾、脫氣、干燥等處理，并通過注油口將處理后的變壓器油充滿油道。實際運行變壓器油中金屬顆粒粒徑為50～200 μm，而直徑大于100 μm的金屬微粒對于絕緣油的危害巨大，故選取平均直徑為150 μm的金屬微粒進行研究。本研究通過注油口向裝置內注入7 g直徑為150 μm的鐵微粒，控制裝置內部微粒濃度為約40顆/mL，以有效模擬微粒的實際污染等級。開啟油泵10 min，使油道內的金屬微粒與變壓器油充分混合后開始試驗。

根據IEC 62539-2007，本研究采用雙參數Weibull模型對不同流速下含微粒變壓器油的擊穿電壓進行分析[19]。雙參數Weibull分布模型的失效分布函數如式（1）所示。

式（1）中：t為變量，此處為試驗獲得的流動變壓器油擊穿電壓，隨著t的增大，變壓器油的失效概率增大；α為尺度參數，當外加電壓為α時，絕緣油的累計擊穿概率達到63.2%，用于描述絕緣油的特征電場強度；β為形狀參數，其數值決定了Weibull分布曲線的形狀，代表擊穿概率隨外加電壓增大的變化速率。尺度參數α和形狀參數β可利用文獻[19]中的方法獲取。

2 實驗結果

2.1 PD特性

采用逐步升壓法，測量了不同油流速度下含微粒變壓器油的PDIV，每組試驗重復10次并求取平均值，結果如圖3所示。從圖3可以看出，當變壓器油處于靜止狀態時，其PDIV僅為19.1 kV；隨著油流速度的增大，起始電壓整體呈升高趨勢，當油流速度為0.30 m/s時，PDIV達到25.0 kV，相較于靜止狀態時PDIV上升了30.9%。可見對于含金屬微粒的變壓器油而言，流動狀態時的PDIV高于靜止狀態。

圖3 PDIV隨油流速度的變化Fig.3 Change of PDIV with oil flow velocity

眾所周知，PD發生是一個隨機過程，其放電量、放電次數等特征量均存在明顯的隨機特征。而金屬微粒進入電場區域時位置也是隨機分布，進一步導致含金屬微粒變壓器油的PD特性存在隨機性。因而研究含金屬微粒流動變壓器油中的單次PD信號意義不大，必須統計分析PD特征量，以揭示PD特性隨油流速度的變化規律。為了進行有效統計分析，須保證測得的PD信號中包含足夠多的放電數據。同時為了獲得穩定的PD信號且保證絕緣油不發生擊穿，本研究選擇29 kV的正極性直流電壓進行PD試驗。每個流速下連續采集10 min PD信號，重復試驗5次。根據放電數據提取放電重復率、平均放電量和每分鐘累積放電量3個典型特征量隨油流速度的變化，結果如圖4所示。

圖4 PD特征量隨油流速度的變化Fig.4 Change of PD characteristic quantities with oil flow velocity

從圖4(a)可以看出，當變壓器油靜止時，放電重復率約為335次/min，隨著油流速度從0.06 m/s增大至0.30 m/s，放電重復率從255次/min大幅降低至150次/min，可見放電重復率隨著油流速度的增大顯著降低。油流速度由0 m/s增大到至0.30 m/s時，放電重復率降低了55.2%。從圖4(b)可以看出，靜止變壓器油中平均放電量為107 pC，而當變壓器油開始流動后，平均放電量變化較小，最大變化幅值僅為12 pC，考慮到放電量的隨機分散性，可以認為油流速度對平均放電量無影響。從圖4(c)可知，隨著油流速度的增大，單位時間累積的放電量逐漸降低，其變化趨勢與放電重復率一致。油流速度由0 m/s增大到至0.30 m/s時，單位時間累積放電量降低了56.9%。

2.2 擊穿特性

本研究開展了不同流速下流動變壓器油的擊穿特性試驗。試驗過程中以2 kV/s的速度逐步升壓，記錄擊穿電壓和放電信號。每個流速下的擊穿測試重復5次，兩次試驗間隔不少于5 min，以減少空間電荷和擊穿產物的影響。

圖5為不同流速下含微粒變壓器油的擊穿電壓威布爾分布結果，相關參數如表1所示。從圖5可以看出，油流靜止時含金屬微粒變壓器油的擊穿電壓Weibull分布曲線分布于最左側，表明此時變壓器油的擊穿電壓最低，耐受能力最差；隨著油流速度的增大，擊穿電壓Weibull曲線呈現右移的趨勢，即油流動提升了變壓器油的絕緣性能，提高了擊穿電壓。從表1可以看出，隨著油流速度的增大，變壓器油的擊穿電壓先迅速升高后達到穩定，油靜止時變壓器油的特征擊穿電壓最低，僅為47.30 kV，當油流速度達到0.30 m/s時，特征擊穿電壓提高了15.6%。流動時變壓器油擊穿電壓的形狀參數β大于靜止時，表明油流動對電壓的升高影響較為明顯。

表1 變壓器油直流擊穿電壓的Weibull分布參數Table 1 Weibull distribution parameters of DC breakdown voltage of transformer oil

3 分析與討論

現有研究表明，含金屬微粒變壓器油的PD和擊穿特性與油中微粒的分布行為緊密相關，微粒在油中的積聚會顯著降低其PDIV與擊穿電壓[8-9]。本研究利用高速相機捕獲了不同油流速度下電極間油隙的金屬微粒分布影像，結果如圖6所示。從圖6可以看出，施加電壓后油靜止時，金屬顆粒會在球-球電極間匯聚，顆粒間距離較近，且濃度較高；當油流度為0.10 m/s時，油隙內的顆粒濃度顯著低于油靜止時，顆粒分布變得稀疏，聚集區域變小；當油流速度增大至0.30 m/s后，油隙內顆粒數量變得極少。由于金屬微粒的導電性極好，大量顆粒在高電場區匯聚時將導致電極油隙內電場發生嚴重畸變，引發局部放電。因此當油靜止時放電重復率最高，單位時間累積放電量最大。當變壓器油流速度增大后，油隙內聚集的微粒數量減少，油隙內電場畸變程度減弱。同時微粒數量的減少也減小了其與電極發生碰撞的概率，致使放電頻率下降，累積放電量降低。

圖6 不同油流速度下油隙的金屬顆粒分布Fig.6 Particle distributions between oil gap under different oil flow velocity

此外，利用高頻CT與示波器捕獲并記錄了含微粒流動變壓器油發生擊穿時的放電信號。流動變壓器油（油流速度為0.10 m/s）中典型擊穿波形如圖7所示。從圖7可以看出，油隙的貫穿性擊穿在0 ms時刻發生，在擊穿前1 μs、0.206 ms、0.921 ms等時刻發生了數次大小不一的局部放電，而擊穿發生后，放電信號幅值出現間歇性波動，這是由于在氣象通道中存在大量正負離子相互中和，引發數次電弧放電，誘使信號劇烈波動。由此可見，油隙的完整擊穿是由金屬微粒導致的局部放電引發的，PD發生后油隙的絕緣強度降低，大幅提升了擊穿發生的可能性。即金屬微粒在高電場區匯聚將導致油隙內電場發生嚴重畸變，使得發生電荷轉移、電極附近微放電以及電暈放電的次數有所增加，變壓器油耐電能力減弱，更易發生擊穿。當油流速度增大后，間隙間微粒數量減少，局部放電頻率和累積放電量下降，從而降低了油隙擊穿的發生概率，提高了特征擊穿電壓。

圖7 流動變壓器油中典型擊穿信號波形Fig.7 Breakdown signal waveform in flowing transformer oil

4 結 論

（1）相比流動變壓器油，靜止變壓器油的PDIV最低；油流速度由0 m/s增大至0.30 m/s，含金屬微粒變壓器油的PDIV上升了30.9%，放電重復率降低了55.2%，平均放電量不變，單位時間累積放電量降低了56.9%，即含金屬微粒變壓器油的PD程度隨著油流速度的增大而減弱。

（2）油靜止時含金屬微粒變壓器油的擊穿電壓Weibull分布曲線分布于最左側，隨油流速度的增大，擊穿電壓Weibull曲線呈現右移的規律。當油流速度由0 m/s增大至0.30 m/s時，特征擊穿電壓提高了15.6%，即油流動提升了變壓器油的絕緣性能。

（3）油中PD與擊穿特性和金屬微粒的聚集行為相關。顆粒在高電場區匯聚將導致油隙內電場發生嚴重畸變，引發局部放電。當油流動后，間隙內的顆粒濃度顯著低于油靜止時，顆粒分布變得稀疏，因此當油靜止時放電程度最高。油隙擊穿是由金屬微粒導致的局部放電引發的，油流速度增大，PD強度降低，降低了擊穿發生的概率。