阶梯电压下变压器匝间绝缘局部放电试验研究

魏新劳 裴震 聂洪岩 李林骜 王永红 陈庆国

摘要：对于变压器绕组而言，轻微匝间放电的发展可能会造成匝间短路甚至更严重的后果。因此，对变压器绕组匝间局部放电的发展进行深入研究具有重要意义。在实验室内构建了变压器匝间绝缘局部放电试验平台，参照500kV电力变压器线圈绝缘处理工艺要求，设计并制作了匝间绝缘局部放电试验模型线圈，采用逐级升压法对模型线圈施加试验电压，利用数字式局部放电检测仪进行局部放电信号采集，在室温下对变压器匝间绝缘局部放电特征量和二维图谱信息进行了系统的研究。得出了不同加压持续时间下脉冲最大幅值、脉冲平均幅值、脉冲重复频率和脉冲功率的变化特征以及二维图谱的相位分布信息。

关键词：电力变压器；匝间绝缘；局部放电；特征参量；二维图谱

DOI：10.15938/j.emc.

中图分类号：TM85文献标志码：A文章编号：

Partial discharge tests and researches in power transformer interturn insulation under step-stress

WEI Xin-lao，PEI Zhen，NIE Hong-yan，LI Lin-ao，WANG Yong-hong，CHEN Qing-guo

（College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：For the transformer winding， slight inter turn discharge may cause inter turn short circuit or even more serious consequences. Therefore， it is significant to study the development of partial discharge in transformer windings.Transformer turn to turn insulation partial discharge test platform was constructed in this paper， reference 500kV power transformer coil insulation processing requirements， designed and fabricated interturn insulation partial discharge test model coil， step-stress tests were applied to coil models， the digital partial discharge detector was used for partial discharge signal acquisition， interturn partial discharge characteristics， two-dimensional phase distribution were studied at room temperature.From the results， the variable characteristics of the pulse maximum magnitude and average magnitude， pulse repetition rate， pulse power and partial discharge messages of two-dimensional phase distributioncan be obtained in step-stress tests of different step-up keeping time.

Key words：power transformer；interturn insulation；partial discharge；characteristic parameter；two-dimensional phase distribution

0引言

大型电力变压器在电力系统中处于核心地位，其安全稳定运行对于整个电网及社会生活至关重要[1]。大量统计表明，绝缘缺陷是造成变压器故障的主要原因[2-4]。对于绕组内绝缘，绝缘缺陷发展迅速，一旦发生事故将对整个电网带来难以估量的后果[5]。

采用局部放电对绝缘状态进行检测已得到了国内外行业的普遍认同[6-8]。传统局部放电特征参量（脉冲最大幅值、脉冲平均幅值、脉冲重复频率等）已得到广泛研究，随着计算机及数字化技术的发展，局部放电图谱及相关统计参数研究受到了国内外学者越来越多的关注[9-10]。意大利R.Schifani，M. D. L. Del Casale对环氧树脂的老化进行了研究，对比了在不同温度下局部放电脉冲幅值的分布，指出Hqn（φ）的正半周和负半周偏斜度轨迹可用来推断试样的老化程度[11-12]；英国Dai J， Wang Z D等人基于针板电极模型，对油中不同含水量纸板的沿面爬电特性进行了研究，结论认为：高含水量的纸板不仅显著降低了沿面爬电的起始放电电压，同时更易于气体放电通道的形成和发展[13]。在国内：文献[14]分析了不同电压类型对油纸绝缘起始放电特性影响，得出了不同电压类型下局部放电起始放电电压的相关信息；文献[15-16]从局部放图谱及相关统计参量的角度分析了绝缘老化状态，得出了局部放电相位、图谱偏斜度、翘度与老化时间的相关联系；文献[17]设计了变压器匝间绝缘局部放电缺陷模型，对电热联合老化试验过程中缺陷模型的局部放电信号进行了采集，采用主成分因子分析方法从传统的局部放电统计算子中提取了新的主成分因子向量；文献[18]研究了变压器匝间绝缘在加速电劣化下炭化通道发展的统计性规律，得出了在恒压加速电劣化作用下，匝间油纸绝缘局部放电缺陷即炭化通道沿宏觀电场的发展规律。

关于变压器匝间绝缘局部放电研究还存在如下问题：

1）目前变压器匝间绝缘试验多以最简单的两个线段作为试验模型进行研究，但是，这样的试验模型与实际变压器线圈的形状差异太大，而且没有考虑变压器线圈线饼间电场的作用；而实际变压器线圈的匝间绝缘在工作过程中是要受匝间电场和线饼间电场的联合作用的。

2）油纸绝缘局部放电试验现象与外加电压的方式、幅值、持续时间等试验条件有关，绝缘的加速老化试验方法主要分为恒压法与逐级升压法，逐级升压法可以在相对较短的时间内获得大量试验数据，在局部放电试验中被广泛应用。目前关于变压器匝间绝缘局部放电现象的研究多是在实验室中采用恒定电压进行的，实验室阶梯升压条件下变压器匝间绝缘局部放电发展规律是值得探讨的问题。

本文参照500kV电力变压器线圈绝缘处理工艺要求，设计并制作了变压器匝间绝缘局部放电试验线圈模型，采用逐级升压法，系统研究了局部放电脉冲最大幅值、脉冲平均幅值、脉冲重复频率、脉冲功率等参量随试验电压的变化规律，并对（φ-q）、（φ-n）二维图谱进行了深入分析。

1试验平台与研究方法

1.1试验平台

试验系统搭建在局部放电屏蔽室内，试验系统主要由无局放试验变压器、保护电阻、局部放电检测系统、试验模型及试验用油箱组成。

局部放电检测采用HIPORRONICS DDX-7000数字式局部放电检测仪，通过DDX-DA3分析模块对局放信号进行处理，局放仪采样速率为80MHz，检测灵敏度为0.1PC。正式试验前经测试，在试验记录最高电压42 kV下背景干扰不大于2PC。图1为试验系统简图。

1.2试验线圈模型及试样处理

1.2.1 试验线圈模型

试验线圈模型用于研究500kV线圈匝间绝缘局部放电特征，线圈绕制用导线为单根扁铜导线，线规尺寸为2x10（mm），对应的标准圆角半径0.65mm，导线匝绝缘厚度2.45mm。

线圈绕制方式如图2所示，线圈共2饼，每饼8匝，引出线为2根，呈对称分布。线圈内径274mm，线圈外径346mm，线圈厚度30mm。在线圈饼间均匀布置8个垫块，垫块厚度4.5mm并用白布带进行饼间紧固。模型线圈整体示意图如图3所示。

图2模型线圈绕制方法

Fig.2 Wingding way of coil model

1-高压出线端；2-低压出线端；3-高压线圈；4-低压线圈；

图3模型线圈整体示意图

Fig.3Overall Schematic of coil model

1.2.2试样处理

试验用油为昆仑牌25#变压器油，新油经过滤油机加热过滤后，其性能参数如表1所示。

理论上讲，试样的绝缘处理工艺应该按照实际500kV电力变压器线圈处理过程进行。考虑到线圈绝缘处理的主要目的是将线圈绝缘中的水分及气隙限制在一个合理的水平[19]，同时考虑到试样与实际电力变压器在体积方面的巨大差异，决定以线圈绝缘中的含水量作为特征量，用它对试样的绝缘处理过程进行控制。具体的操作流程为：将线圈模型放入真空干燥罐中加热到105℃进行真空干燥，当线圈绝缘含水率符合真实变压器要求时在90℃下进行真空注油，静置24小时后密闭封存。

1.3试验方法

本文采用逐级升压法。为了准确观察试样线圈在局部放电起始阶段的变化并尽量缩短试验周期，根据预试验的结果，设定6kV为起始电压，6～18kV范围内电压级差为2kV，18kV以上电压级差为6kV，在每级电压下设置不同的加压持续时间，共设定6、18、30、42、54min5种不同的加压持续时间。在每种加压持续时间进行10次重复性試验，共计50个试验。利用局放仪在每级电压加压结束前进行10组BLOCK（区块）的数据记录。

2试验结果及分析

由于试样击穿时可能对局放仪造成损坏，所以在正式试验前，作者进行了5次加压持续时间为60min的预试验以确定试验记录截止电压，试验结果如表2所示，最低击穿电压为48kV，所以实际试验时设定局放记录截止电压为42kV。

2.1局部放电特征量分析

2.1.1脉冲最大幅值和脉冲平均幅值

在不同的加压持续时间下，局部放电脉冲最大幅值与脉冲平均幅值随试验电压的变化情况如图4和图5所示。从中可见：脉冲最大幅值与脉冲平均幅值整体上随试验电压的增加而增大，变化趋势基本一致，增长方式类似指数型。

实际试验过程中，脉冲最大幅值变化趋势存在如下特点：1）当试验电压比较小时，部分试样脉冲最大幅值出现忽大忽小的波动式变化，但放电幅值相对较小，说明此时局部放电不仅强度小，而且放电不稳定；2）随着试验电压升高，几乎所有试样的局部放电脉冲最大幅值都出现了一个显著增大的现象，即在某一电压下（该电压在不同试样中并不相同）放电最大幅值出现明显拐点，出现“突增”现象，此现象说明在某一电压（即出现拐点的电压）之前，试样整体绝缘性能较好，出现局部放电的位置较少且放电较弱，达到此电压后，局部放电点的数量迅速增加，放电也随之增强，导致局放量出现“突增”；3）在“突增”现象之后，随着试验电压继续升高，相当一部分试样局部放电脉冲最大幅值增长率放缓，甚至个别试样的局部放电脉冲最大幅值出现下降趋势，说明此时放电已达到一个新的平稳阶段，已无大量新放电点增加，同时碳化通道的形成可能使局部电场均匀化，导致放电量较大的放电点放电熄灭[18]，所以个别试样局放量出现下降趋势。

2.1.2脉冲重复频率

不同加压持续时间下局部放电脉冲重复频率随试验电压的变化情况如图6所示。

由图可见：当施加电压比较低时，所有试样的脉冲重复频率都会随着电压的升高而增大，当电压超过某个数值（此数值随试样的不同而不同）以后，所有试样的脉冲重复频率又会随着试验电压的升高而降低。

笔者认为出现以上现象的原因在于：在电压较低时，出现局部放电的点较少，随着电压升高，出现了新的局部放电点，从而使测量到的局部放电脉冲更加密集，所以脉冲重复频率会随着电压的升高而增大。当电压升高到足够高时，试样中几乎所有的绝缘薄弱点都出现了强烈的局部放电，这就导致脉冲重复频率达到很高的数值，但是，当电压继续升高时，不仅不再有新的局部放电点出现，而且，由于强烈的局部放电所产生的热量有可能使原来产生局部放电的绝缘缺陷处的纸质绝缘材料出现碳化，降低了绝缘缺陷处承担的局部电压甚至短路了绝缘缺陷，导致这些地方的局部放电强度减弱甚至熄灭，从而使脉冲重复频率不仅不再随电压升高而增大，反而会下降。

在脉冲重复频率经过了随电压升高而下降的过程以后，一些试样的脉冲重复频率随电压的进一步升高继续进一步降低，这表明上面分析的过程随着电压的升高仍然在继续。但是另一些试样的脉冲重复频率则随电压的进一步升高而增大，这表明有可能有新的、在更高电压下才出现局部放电的绝缘薄弱点出现了局部放电。

由以上分析可知，脉冲重复率是多点放电共同作用的结果，当1个或几个放电点放电熄灭、其它缺陷处放电又相对较弱时，脉冲重复率会显著下降，反之，先出现的放电点的放电并未完全熄灭，新产生的放电点的放电已达到较强水平，脉冲重复率便得到加强。

2.1.3脉冲功率

不同加压持续时间下局部放电脉冲功率（单位时间内电压与幅值乘积绝对值的总和）随试验电压的变化情况如图7所示。从图7可见：脉冲功率整体上呈上升趋势，变化趋势类似指数型。

在实际试验中，发现个别试样的脉冲功率幅值在试验电压较小时随着电压的升高而增大，但是当电压增加到一定幅值以后脉冲功率幅值出现下降趋势，而后随着试验电压的增加脉冲功率幅值又迅速上升；另有个别试样的脉冲功率幅值从试验开始就长期维持在较低水平，但是当试验电压超过某一数值后（不同试样中该数值并不相同），脉冲功率幅值出现“突增”。

2.2二维图谱分析

在试验过程中，记录了不同加压持续时间下局部放电的二维图谱信息（主要包括Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ））。图8为加压持续时间24min时8号试样典型二维图谱变化趋势，图中从上至下施加电压依次为16、18、24、30、36、42kV。

实际试验过程中Hqmax（φ）图谱分布曲线形状多为“簇状”脉冲较为连续且分布密集，在起始局部放电电压下，脉冲信号主要分布在0°～65° 、105°～245°、280°～360° 之间，随着试验电压的升高，脉冲相位宽度略有增大，但变化并不十分明显，在试验记录后期有部分试样脉冲相位宽度出现略微缩小趋势。

Hqn（φ）图谱分布曲线形状多为“竖条”形，脉冲宽度较窄且分布较为稀疏；在起始局部放电电压下，高幅值脉冲主要分布在50°～70°、100°～120°、240°～260°、280°～300°之间，随着试验电压的升高，脉冲相位宽度几乎没有变化；在试验记录后期，随着试验电压的进一步增加，脉冲信号宽度与脉冲密集程度明显增大，放电脉冲主要分布在1、3象限45°～90°和225°～270°；部分试样脉冲在2、4象限上也有分布，主要集中在90°～135°和270°～315°，但脉冲分布较为间断。

Hn（φ）图谱分布曲线形状总体由“簇状”和 “Δ”形组成；在起始局部放电电压下，脉冲信号在1、3象限主要分布在0°～55°和180°～235°，脉冲幅值低矮平坦；2、4象限主要分布在105°～180°和280°～360°，脉冲幅值相对较高且较为陡峭。

在试验记录过程中，脉冲相位并没有明确的发展方向， 但在试验记录前期与中期，几乎所有试样相位随试验电压的增加逐渐由55°和235°向-90°和90°方向发展，试验记录后期不同试样表现出了不同的发展趋势，有的朝此方向繼续发展，有的则基本保持不变，但多数试样表现出与此方向相反的发展趋势。整个试验期间，Hn（φ）图谱在1、2象限和3、4象限交界处附近，始终存在类似“U”型的真空区域。

3结论

本文通过对变压器匝间绝缘局部放电特征量、二维图谱进行分析，初步得到以下结论：

1）在不同加压持续时间下，脉冲最大幅值、脉冲平均幅值、脉冲功率总体上随施加电压的增大而增大，变化规律较为一致，呈类似于指数型增加；

2）在不同加压持续时间下，脉冲重复频率随施加电压的增大会出现先增大而后又下降的变化规律，使脉冲重复频率随施加电压升高出现局部极大值；

3）放电脉冲最大幅值、脉冲平均幅值随电压升高出现的“突增”现象是局部放电由平稳放电阶段向快速发展阶段过渡的标志；

4）Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）图谱随试验电压的增加，脉冲相位并未出现明显的变化趋势，但在起始局部放电电压下，Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）图谱中放电脉冲信号分布出现明显相位区域，各放电相位区域中脉冲信号波形表现出明显的形状特征。

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