变压器油中电晕放电特性及产气规律

陈新岗，赵阳阳

(1.重庆理工大学，重庆 400054;2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

变压器的绝缘结构可以分为外绝缘和内绝缘，目前电力变压器故障多为发生在油箱内的绝缘故障［1］。油箱内绝缘多为由油、纸、纸板和其他固体绝缘等构成的固体－油绝缘结构，而局部放电是引起绝缘老化和劣化的主要原因之一，其持续发展会引起重大绝缘事故，造成巨大经济损失，所以探求变压器局部放电发展过程及产气机理是很好的研究课题。电晕放电是油浸式变压器局部放电的主要形式，在变压器中通常称之为油中电晕放电，它主要发生在有悬浮电位金属体、导体尖端，如引线焊接处的尖角毛刺;分接开关的螺母;多极铁心柱的边角等处［2］。油中溶解气体分析法可以得出溶解气体组分及变化规律，用以判断不同性质的故障类型［3］。本文结合变压器油纸绝缘电晕放电模型，研究了油中电晕放电的发展特性，结合放电谱图分析统计特征量的变化规律，对油中产生气体含量的变化规律进行统计分析，探索了变压器早期绝缘故障及发展机理。

1 基于电晕放电模型的局部放电模拟实验

局部放电实验平台主要由局部放电模拟系统和局部放电信号检测系统组成。实验平台示意图如图1所示。

电晕放电所用电极模型参照CIGRE MethodⅡ系统(CM－Ⅱ)模型按比例缩小制作，CM－Ⅱ是被CIGRESC15接受的用于内部局放测量的标准实验电极模型，图2为电极模型所用的针－板电极系统。放电量主要决定于电极的形状和尺寸，对于针尖电极主要决定于尖端的曲率半径。系统中针颈直径 0.2 mm，针尖曲率半径小于0.1 mm。针与板电极间放置厚度为1.0 mm的绝缘纸板，针尖到纸板距离d为10 mm。为了最大限度地与真实变压器处理条件一致，绝缘纸板在65℃以下真空干燥3 d，随后真空浸油5 d以上处理;纸板周围各边角事先打磨光滑，无尖角或毛刺并且每次按量制作，不可长时间存放［4－5］。

将事先制好的电晕放电缺陷模型浸于模拟油箱中，为更真实地模拟变压器运行环境，在模拟油箱中加入循环油泵以及油路系统，用于模拟变压器油循环系统，考虑到变压器常年运行的平均温度，使用加热器和温度控制器将油温保持在50℃左右。油箱设置取油口，可以在不断电的情况下取油做气相色谱分析。整体结构如图3所示。

图3 模拟油箱

对油中电晕放电缺陷模型进行大量实验，分析:①实验模型在外加恒定电压下的分布谱图和统计参量的特征;② 模型在外加电压匀速升高下油中溶解气体的变化规律。实验时，均匀缓慢地升高电压至观察到放电脉冲出现，记录对应的电压值，然后将电压降为零，再次升压至原电压值，若再次出现放电脉冲，此电压即为起始放电电压U0。示波器采样频率设置为10 MS/s。

2 局部放电发展特性

评定局部放电的基本参量有视在放电量、放电平均相位、放电的能量、起始电压和熄灭电压［6］。这些基本参量只能表征局放过程中单一方面特征，如放电能量反映在一次放电中所消耗的能量，最大的视在放电电荷对应于最大缺陷。局部放电的基本特征参量不能完整表现局放发展特性，而分布谱图能提供更全面的信息，这些分布谱图及特征参数更能表征局部放电的概貌。近年来研究者更加关注从相位分布图中提取统计特征量的相关应用［7－10］。因此引入局部放电最大放电量相位特征谱图Hqmax(φ)和放电次数相位特征谱图Hn(φ)，以及基于谱图的统计参量因子－偏斜度Sk、翘度Ku、不对称度Asy和分布相关系数cc来更好地评定局部放电。

电晕放电的起始放电电压为14.2 kV，把电压升高到起始电压110% ～115%，即将电压缓慢升高到16.2 V，然后保持电压稳定，加压一段时间后每隔半小时采集一组信号(每组500个)。

保持电压稳定持续加压16 h。电晕放电不同阶段谱图 Hqmax(φ)、Hn(φ)如图4所示。

图4 相位谱图Hqmax(φ)和Hn(φ)

观察图4可以发现:放电主要出现在工频负半周，随着加压时间的增加正半周会出现少量放电脉冲，在加压前期，放电幅值较高，油中电晕放电较为剧烈，随后放电幅值变小，放电次数也减小;加压中期，放电脉冲十分稳定，相位固定在45°～90°和180°～270°，且放电量变化不大。

若将φ－q谱图视为统计分布中的概率密度分布图形，则偏斜度Sk用于描述某种形状的分布对比于正态分布形状的偏斜程度，陡峭度Ku用于描述某种形状的分布对比于正态分布形状的突起程度。不对称度Asy反映了负半周和正半周局部放电总能量的比值，互相关系数cc表示正负半周分布形状的差异［11］。根据油中电晕放电相位特征谱图Hqmax(φ)、Hn(φ)计算(保留2位小数)出在正、负半周期上的偏斜度和陡峭度，以及不对称度Asy、互相关系数。结果见表1。(“+”“－”表示正负半周数据)

由表1可知:谱图Hqmax(φ)的Sk变化没有规律性，Hn(φ)的偏斜度、变化相反，说明正半周谱图相对于正态分布左偏且渐向正态分布靠拢，负半周相对于正态分布右偏。Hqmax(φ)的Ku逐渐增大，说明正负半周谱图相对于正态分布陡峭，Hn(φ)的正负半周陡峭度变化相反，说明正负半周谱图相对于正态分布偏离方向相反。

谱图Hqmax(φ)和Hn(φ)的Asy逐渐减小，显然负半周放电剧烈程度逐渐减弱，说明随着放电时间增长，正半周的放电次数逐渐增加。表示正负半周分布形状的差异，如果等于1则正负半周分布形状相同;如果等于0则正负半周分布形状完全不同。谱图Hn(φ)的互相关系数由0.08增大到0.61，说明放电初期正负半周放电次数具有较大差异，到放电后期正负半周放电次数接近，这也与不对称度分析结果吻合。

3 油中溶解气体随电压升高的变化特性

气相色谱分析具有选择性好、分离性能高、适用范围广等优点［12－14］。本文利用色谱分析研究了溶解气体随电压升高的变化特性。实验时采集的油样要尽快分析，不宜长期保存。

油纸绝缘电晕放电的起始电压为U0=14.2 kV，击穿电压为Ub=26 kV。实验时，抽取起始油样后，每次升高0.5 kV电压，放电5 min后取一组油样进行色谱分析。每千伏电压之间的时间间隔为10 min。在不断电条件下，不同电压等级取油样做色谱分析得到各种气体含量如表2所示。

表1 不同放电时间电晕放电统计参量分析结果

表2 不同电压等级下电晕放电的气体含量 单位:μL/L

放电开始阶段产生的气体主要是H2、CO和C2H2，同时含有有微量 CH4、C2H4和 C2H6气体。随电压等级的升高，电压14 kV时H2占总烃的10.36%，电压18 kV时H2占总烃的48.12%，电压22 kV时H2占总烃的45.86%，电压26 kV时H2占总烃的51.27%;电压14 kV时C2H2占总烃的15.41%，电压 18 kV时 C2H2占总烃的24.89%，电压22 kV时C2H2占总烃的22.37%，电压26 kV时C2H2占总烃的26.68%;随电压等级的升高，3种主要气体含量在气体总量中占比重增大，最后达到95%以上，CH4和C2H4含量略有增加，C2H6体积分数基本保持不变。各种气体含量变化曲线如图5所示。

图5 电晕放电气体含量随电压变化曲线

由图5可以看出:电晕放电的油中溶解气体含量随电压升高变化有大致相似的趋势，在施加电压较低时气体含量先快速增长到一定数值;中间发展阶段气体含量变化微弱;临近击穿时各气体含量急速增加;整个放电发展过程中CO含量增长缓慢并未有剧烈变化。

4 结论

1)油中电晕放电模型在承受120%起始电压的恒定电压作用下，起始阶段放电剧烈，放电幅值较大，最大幅值达到1V左右;放电几小时后放电强度慢慢减弱，后期放电量变化不大。相位特征谱图Hqmax(φ)、Hn(φ)如图的统计参量随时间增长个有不同的变化规律。

2)电晕模型在匀速升压法下油中溶解气体含量呈现先快速增长后保持稳定、达到击穿电压时急剧增长的趋势。实验结束后观察到绝缘纸板除击穿小孔外没有大范围的横向炭化痕迹，说明电压等级逐步升高使油流增大加快油的分解，故而H2、C2H2含量较大。

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