強油冷卻式變壓器油流帶電分析
發布時間：2011-09-30 共1頁
〔摘 要〕 高強度的絕緣油在干燥的油道中流動時，就會在油紙界面上產生電荷分離，形成油道中局部電荷的積累，進而產生閃絡放電，引起變壓器故障。分析電荷積累與油流的速度、溫度、變壓器的結構形式、絕緣材料的表面情況，油的絕緣程度、油嘴等方面有關。建議對新設計的、正在安裝的及未投運的變壓器進行油流帶電測試，以避免或減少變壓器事故。
〔關鍵詞〕 變壓器；絕緣油；油流帶電
由于變壓器的容量和電壓等級不斷增大，對強油循環冷卻要求的提高，絕緣結構的緊湊化，材料干燥度的增加，使得絕緣油流過油道時，就會在油紙界面上產生電荷分離，進而形成油道中局部電荷的積累，即出現油流帶電現象。這種積聚達到一定程度，在油中產生浮云狀的直流勢差，產生閃絡放電，破壞油道的絕緣性能，因此油流帶電成為引起變壓器故障的因素之一。
近些年來，國內運行中的500 kV變壓器相繼發生數起重大事故，據有關資料報道，安徽洛河、山東濰坊的故障變壓器就存在著明顯的油流帶電情況，部分500 kV變壓器在出廠實驗時也發現有油流放電的跡象，甚至在個別運行中的220 kV變壓器也曾有類似的油流放電現象出現。因此，油流帶電問題應引起我們的高度關注。
1 油流帶電的機理
變壓器中的流體帶電不同于其它的流體帶電，因為變壓器通常由液體和固體兩種材料承擔電力絕緣，而且，它的流體帶電是在一封閉的系統內進行，也就是在一個氣、水成分受控制的封閉循環系統內進行。
在變壓器中油流帶電，特別是紊流的影響已導致幾起變壓器燒毀事故， 如洛河電廠的變壓器事件。紊流為什么起電呢？這是因為在紊流條件下，流速分量同流向垂直，如單管模型的流體帶電表示電荷分布不規律。剩余電荷密度幾乎均勻地分布于流體截面，電荷從管壁上激出。
2 影響油流帶電的幾個因素
從變壓器的結構來看，可分為芯式與殼式。大亞灣核電站的主變為芯式結構，聯變為殼式結構。有關資料表明：殼式結構的油流帶電現象較多于芯式結構。
現將國內外資料中，有關影響油流帶電的幾個因素分述于下。
2.1 與流速及溫度的關系
從泄漏電流與流速、油溫的關系曲線可知，這里流速等于1Pu，表示最小流速。在這個流速下油溫達到50℃時才會發生靜電放電 。通常，由層流引起的流體電流同流速成正比，但在紊流條件下，流體電流同平均速度的7/4次方成正比，假若有旋渦產生，將會同平均流速的二次方成正比。但實際運行的變壓器結構復雜，油流的局部偏差不可避免，即使在設計時考慮了油流情況，繞組泄漏電流仍對流速表現出有較大的依賴性，從2次方到4次方。
對油溫的依賴關系方面，油溫上升，雷諾數增加，流體由層流向紊流變化。當流速為一定值，導電率愈高即油溫愈高，電流密度也愈大；反之，油溫愈高松弛時間越短，泄漏電流就愈大。
此外，圖3還說明，任何流速下模型變壓器均在50～60℃的油溫時出現最大泄漏電流，油溫更高或更低，繞組的泄漏電流均有所下降，泄漏電流最大時的油溫一般在20～60℃.
因此，變壓器發生油流放電故障時，其油的溫度應在20～60℃范圍內；也就是說變壓器空載時，其油溫在45～50℃，若在1Pu流速下，亦可能會發生靜電放電。
2.2 絕緣材料的表面情況
各種不同的固體絕緣材料如牛皮紙、絕緣纖維板和棉布帶都會用于變壓器中，它們有不同的表面條件及電流密度。 帶電程度按表面粗糙程度隨牛皮紙、纖維板、皺紋紙和棉布帶的排列順序依次加大。棉布帶的允許帶電程度大約是牛皮紙和纖維板的10倍，同樣，皺折牛皮紙使其表面起毛，則帶電程度也增加約10倍。
此外，從微觀的角度看，接觸面增大，能導致大量靜電電荷產生。這對殼式變壓器繞組中的油道接觸面來說，是帶電的因素之一。
2.3 絕緣油的帶電傾向
油流帶電的基本因素之一是絕緣油有帶電傾向。圖4是兩種絕緣油的差異，此外，還與最小流速有關。所以絕緣油的性質對油流帶電影響較大。這對運行中的濾油、油質的質量要求，提出了更高的要求。
2.4 其它因素
2.4.1 勵磁
靜電帶電強度隨交流場強的增加而提高，當前對流動油和層壓板系統的研究表明交流電場作用的增強大約可提高電荷密度5倍。
變壓器流動油的介電強度隨油的流速而變化，油的介電強度也隨溫度、水份、氣泡的存在、雜質及微粒物質而變化。
此外，在運行的油/紙介質變壓器系統中油和絕緣材料之間的水份是移動的。當變壓器溫度和壓力發生變化時，水份便移至重新建立的平衡狀態中，當水份留在或進入絕緣體的表面時，界面流體的導電性也相應地變化，這種情況同樣會影響電荷的釋放過程。
2.4.2 微粒物質
變壓器油中由生產過程中帶來的微粒物質除對前面提到的介質特性有影響外，還對靜電帶電活動有所影響。
2.4.3 電荷注入
已經證明上部流油電荷注入對下部流油的介質強度有所影響。
2.4.4 油嘴
已經證明，油嘴也能產生電荷。
3 變壓器中局部放電的特征
靜電放電發生時的油溫大概會在繞組泄漏電流最大的地方出現，最小流速及各種油溫下靜電放電產生的繞組泄漏電流近似于常數，在5～8 礎。芯式變壓器的靜電放電主要在繞組底部附近產生。
4 結論與建議
對于油流帶電的測試方法，可以實測電荷量。該方法在制造廠生產時是有條件進行的，但對現場或已投運的變壓器就很難辦到了。在現場就只能以色譜分析、超聲測量作為主要手段，而輔以局放進行監控。
因此，建議：
(1) 對于新設計變壓器
在型式試驗時，做油流帶電試驗。
做空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。試驗前后做色譜試驗，中間每隔2 h取油樣進行分析，以觀察氣體成分的增量。C2H2量應為“0”，H2的增量不應超過10%。
試驗過程中，用超聲儀(帶磁帶錄波)監測下列部位： 進油口、有載開關引線處、變壓器油箱上部。
(2) 對于現場安裝與即將投運的變壓器在沖擊合閘試驗前，增加空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。
(3) 對于未投運的變壓器
在沖擊合閘試驗前，加做以下3項試驗：
①不加壓，全油泵啟動試驗。在高壓繞組的中性點(各相分開)用靜電電壓表測量電壓值。如有油流帶電，一般有10 000 V及以上電壓指示。啟動試驗從開始到結束，時間應不少于2～3 h。
②分油泵啟動試驗。
③空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。
此外，還應加強對油質和濾油速度的控制，以及變壓油的水份和氣體含量的控制。
〔關鍵詞〕 變壓器；絕緣油；油流帶電
由于變壓器的容量和電壓等級不斷增大，對強油循環冷卻要求的提高，絕緣結構的緊湊化，材料干燥度的增加，使得絕緣油流過油道時，就會在油紙界面上產生電荷分離，進而形成油道中局部電荷的積累，即出現油流帶電現象。這種積聚達到一定程度，在油中產生浮云狀的直流勢差，產生閃絡放電，破壞油道的絕緣性能，因此油流帶電成為引起變壓器故障的因素之一。
近些年來，國內運行中的500 kV變壓器相繼發生數起重大事故，據有關資料報道，安徽洛河、山東濰坊的故障變壓器就存在著明顯的油流帶電情況，部分500 kV變壓器在出廠實驗時也發現有油流放電的跡象，甚至在個別運行中的220 kV變壓器也曾有類似的油流放電現象出現。因此，油流帶電問題應引起我們的高度關注。
1 油流帶電的機理
變壓器中的流體帶電不同于其它的流體帶電，因為變壓器通常由液體和固體兩種材料承擔電力絕緣，而且，它的流體帶電是在一封閉的系統內進行，也就是在一個氣、水成分受控制的封閉循環系統內進行。
在變壓器中油流帶電，特別是紊流的影響已導致幾起變壓器燒毀事故， 如洛河電廠的變壓器事件。紊流為什么起電呢？這是因為在紊流條件下，流速分量同流向垂直，如單管模型的流體帶電表示電荷分布不規律。剩余電荷密度幾乎均勻地分布于流體截面，電荷從管壁上激出。
2 影響油流帶電的幾個因素
從變壓器的結構來看，可分為芯式與殼式。大亞灣核電站的主變為芯式結構，聯變為殼式結構。有關資料表明：殼式結構的油流帶電現象較多于芯式結構。
現將國內外資料中，有關影響油流帶電的幾個因素分述于下。
2.1 與流速及溫度的關系
從泄漏電流與流速、油溫的關系曲線可知，這里流速等于1Pu，表示最小流速。在這個流速下油溫達到50℃時才會發生靜電放電 。通常，由層流引起的流體電流同流速成正比，但在紊流條件下，流體電流同平均速度的7/4次方成正比，假若有旋渦產生，將會同平均流速的二次方成正比。但實際運行的變壓器結構復雜，油流的局部偏差不可避免，即使在設計時考慮了油流情況，繞組泄漏電流仍對流速表現出有較大的依賴性，從2次方到4次方。
對油溫的依賴關系方面，油溫上升，雷諾數增加，流體由層流向紊流變化。當流速為一定值，導電率愈高即油溫愈高，電流密度也愈大；反之，油溫愈高松弛時間越短，泄漏電流就愈大。
此外，圖3還說明，任何流速下模型變壓器均在50～60℃的油溫時出現最大泄漏電流，油溫更高或更低，繞組的泄漏電流均有所下降，泄漏電流最大時的油溫一般在20～60℃.
因此，變壓器發生油流放電故障時，其油的溫度應在20～60℃范圍內；也就是說變壓器空載時，其油溫在45～50℃，若在1Pu流速下，亦可能會發生靜電放電。
2.2 絕緣材料的表面情況
各種不同的固體絕緣材料如牛皮紙、絕緣纖維板和棉布帶都會用于變壓器中，它們有不同的表面條件及電流密度。 帶電程度按表面粗糙程度隨牛皮紙、纖維板、皺紋紙和棉布帶的排列順序依次加大。棉布帶的允許帶電程度大約是牛皮紙和纖維板的10倍，同樣，皺折牛皮紙使其表面起毛，則帶電程度也增加約10倍。
此外，從微觀的角度看，接觸面增大，能導致大量靜電電荷產生。這對殼式變壓器繞組中的油道接觸面來說，是帶電的因素之一。
2.3 絕緣油的帶電傾向
油流帶電的基本因素之一是絕緣油有帶電傾向。圖4是兩種絕緣油的差異，此外，還與最小流速有關。所以絕緣油的性質對油流帶電影響較大。這對運行中的濾油、油質的質量要求，提出了更高的要求。
2.4 其它因素
2.4.1 勵磁
靜電帶電強度隨交流場強的增加而提高，當前對流動油和層壓板系統的研究表明交流電場作用的增強大約可提高電荷密度5倍。
變壓器流動油的介電強度隨油的流速而變化，油的介電強度也隨溫度、水份、氣泡的存在、雜質及微粒物質而變化。
此外，在運行的油/紙介質變壓器系統中油和絕緣材料之間的水份是移動的。當變壓器溫度和壓力發生變化時，水份便移至重新建立的平衡狀態中，當水份留在或進入絕緣體的表面時，界面流體的導電性也相應地變化，這種情況同樣會影響電荷的釋放過程。
2.4.2 微粒物質
變壓器油中由生產過程中帶來的微粒物質除對前面提到的介質特性有影響外，還對靜電帶電活動有所影響。
2.4.3 電荷注入
已經證明上部流油電荷注入對下部流油的介質強度有所影響。
2.4.4 油嘴
已經證明，油嘴也能產生電荷。
3 變壓器中局部放電的特征
靜電放電發生時的油溫大概會在繞組泄漏電流最大的地方出現，最小流速及各種油溫下靜電放電產生的繞組泄漏電流近似于常數，在5～8 礎。芯式變壓器的靜電放電主要在繞組底部附近產生。
4 結論與建議
對于油流帶電的測試方法，可以實測電荷量。該方法在制造廠生產時是有條件進行的，但對現場或已投運的變壓器就很難辦到了。在現場就只能以色譜分析、超聲測量作為主要手段，而輔以局放進行監控。
因此，建議：
(1) 對于新設計變壓器
在型式試驗時，做油流帶電試驗。
做空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。試驗前后做色譜試驗，中間每隔2 h取油樣進行分析，以觀察氣體成分的增量。C2H2量應為“0”，H2的增量不應超過10%。
試驗過程中，用超聲儀(帶磁帶錄波)監測下列部位： 進油口、有載開關引線處、變壓器油箱上部。
(2) 對于現場安裝與即將投運的變壓器在沖擊合閘試驗前，增加空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。
(3) 對于未投運的變壓器
在沖擊合閘試驗前，加做以下3項試驗：
①不加壓，全油泵啟動試驗。在高壓繞組的中性點(各相分開)用靜電電壓表測量電壓值。如有油流帶電，一般有10 000 V及以上電壓指示。啟動試驗從開始到結束，時間應不少于2～3 h。
②分油泵啟動試驗。
③空載全電壓試驗，油泵全開12 h以上。
此外，還應加強對油質和濾油速度的控制，以及變壓油的水份和氣體含量的控制。
