趙勇進(jìn)，張永澤，王革鵬，郭家元，石毛毛，唐 炬

（1. 西安西電變壓器有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；2. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引言

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要和昂貴的設(shè)備之一，其安全可靠運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性具有重要影響。變壓器油作為變壓器內(nèi)部的主要電介質(zhì)，其絕緣性能直接影響著整個(gè)變壓器的安全運(yùn)行。變壓器油是由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成的混合物，未精煉的變壓器油內(nèi)部含有較多雜質(zhì)，采用高真空高精度濾油機(jī)可以濾除大于5 μm的雜質(zhì)顆粒，但是在運(yùn)行電壓的作用下，小粒徑雜質(zhì)可能會(huì)聚合在一起，形成較大的雜質(zhì)；變壓器器身在制造和裝配過(guò)程中，可能會(huì)有部分雜質(zhì)顆粒沉積在器身和零部件表面，投入運(yùn)行后這些雜質(zhì)受變壓器振動(dòng)或油流沖洗而脫落混入變壓器油中[1]；另外，在變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于局部過(guò)熱[2]、局部放電（PD）[3]、火花放電等故障導(dǎo)致絕緣紙老化[4-5]和變壓器油分解，從而使油中雜質(zhì)增多。其中危害性比較大的雜質(zhì)主要包括金屬微粒雜質(zhì)和氣泡，金屬微粒具有導(dǎo)電性，對(duì)變壓油的絕緣性能有較大的影響[6-7]；當(dāng)變壓器油中存在氣泡時(shí)，由于氣泡的介電常數(shù)小于變壓器油的介電常數(shù)，氣泡中的電場(chǎng)高于變壓器油中的電場(chǎng)，且氣泡的電氣強(qiáng)度遠(yuǎn)低于變壓器油的電氣強(qiáng)度，因此氣泡中容易誘發(fā)PD[8]，導(dǎo)致變壓器油分解，進(jìn)而產(chǎn)生更多的氣泡，降低變壓器油的絕緣性能。

為了研究雜質(zhì)對(duì)變壓器油絕緣性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。M POMPILI 等[9-10]研究表明變壓器油中的PD 首先發(fā)生在氣泡或者低密度區(qū)，并提出氣泡中發(fā)生PD 是預(yù)擊穿階段的重要組成部分，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡以及其他顆粒接觸或靠近極板表面時(shí)，PD 幅值通常較大。LI J 等[11]研究了準(zhǔn)均勻電場(chǎng)下變壓器油中直徑為0.50、0.75、1.00 mm 的自由球形導(dǎo)電粒子的PD 特性，發(fā)現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)會(huì)經(jīng)歷從振蕩到跳躍的過(guò)程，每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段中PD 行為不同，表明變壓器油中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)與PD 相關(guān)。WANG Y 等[12]仿真分析了交直流復(fù)合電壓下變壓器油中銅顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究發(fā)現(xiàn)外施電壓的直流分量通過(guò)改變金屬微粒與極板的碰撞頻次，從而影響PD頻次。

以往的研究一般只是針對(duì)氣泡和金屬微粒單獨(dú)開(kāi)展研究，然而，由于不同學(xué)者試驗(yàn)條件、測(cè)量裝置的差異，很難定量地比較這兩種雜質(zhì)放電特性的差異，不利于實(shí)際變壓器油中PD 類型的診斷，同時(shí)也難以深入研究含雜質(zhì)變壓器油的擊穿機(jī)理。在運(yùn)行變壓器中，由于強(qiáng)迫油循環(huán)或溫差產(chǎn)生熱對(duì)流的存在，變壓器油常常處于流動(dòng)狀態(tài)，因此研究流動(dòng)狀態(tài)下變壓器油的放電特性，更加接近實(shí)際工程狀況，具有很強(qiáng)的工程參考意義。本課題組前期搭建流動(dòng)變壓器油循環(huán)裝置，研究了油流速度對(duì)含氣泡和金屬微粒變壓器油PD 特性的影響[13-14]，發(fā)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)與流動(dòng)狀態(tài)下的PD 特性存在明顯差異，這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果一致。因此本研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)均在流動(dòng)變壓器油中開(kāi)展。

為了比較流動(dòng)變壓器油中氣泡和金屬微粒對(duì)變壓器油絕緣性能的影響，本研究在模擬平臺(tái)上分別開(kāi)展含金屬微粒和氣泡變壓器油的PD 和擊穿試驗(yàn)，并分別采用IEC 60270:2000 推薦的RLC 檢測(cè)阻抗法、天線法和無(wú)感電阻法檢測(cè)PD 信號(hào)，比較兩種絕緣缺陷單次放電信號(hào)的異同。同時(shí)采集一段時(shí)間內(nèi)的放電信號(hào)，繪制放電相位分析（phase resolved partial discharge，PRPD）圖譜，統(tǒng)計(jì)兩種雜質(zhì)的起始放電電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）和擊穿電壓，比較兩種雜質(zhì)對(duì)變壓器油絕緣性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了開(kāi)展流動(dòng)狀態(tài)下含金屬微粒和氣泡變壓器油的放電實(shí)驗(yàn)，建立了如圖1 所示的流動(dòng)變壓器油模擬油道循環(huán)裝置[16]。主油道由有機(jī)玻璃組成，其具有良好的絕緣性能，同時(shí)方便觀察金屬微粒和氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡。采用直徑為200 mm，厚度為10 mm，邊緣光滑的平板電極建立均勻電場(chǎng)。油道上方有法蘭盤，用以清理雜質(zhì)。溫度傳感器、制冷片和加熱管控制整個(gè)裝置的溫度，本研究中設(shè)定油溫為60℃。油泵提供循環(huán)油流動(dòng)力，設(shè)定流速為0.30 m/s。直徑為3.0 mm 的帶孔篩網(wǎng)用以輔助控制氣泡的尺寸。

1.2 測(cè)量方法

為了全面深入了解金屬微粒和氣泡PD 的異同，分別采用RLC 檢測(cè)阻抗法、天線法、無(wú)感電阻法檢測(cè)放電信號(hào)。RLC 檢測(cè)阻抗法作為IEC 60270:2000 推薦的檢測(cè)方法，是目前國(guó)際上唯一的標(biāo)準(zhǔn)PD 檢測(cè)方法，盡管其測(cè)量頻率低、頻帶窄、信息量少，但因其可以標(biāo)定視在放電量的優(yōu)勢(shì)，是一種不可替代的測(cè)量方法。天線法由于其獨(dú)特的抗干擾性能，逐漸應(yīng)用到變壓器的在線監(jiān)測(cè)中，實(shí)驗(yàn)中天線分別使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的微帶天線和螺旋天線，能夠滿足不同頻帶放電信號(hào)的檢測(cè)。無(wú)感電阻法也是測(cè)量PD 脈沖的一種重要手段，與檢測(cè)阻抗法相比，其測(cè)量波形不受檢測(cè)阻抗RLC 參數(shù)的影響，該方法對(duì)高頻放電脈沖的響應(yīng)性能更好，測(cè)量結(jié)果更加接近放電脈沖的實(shí)際波形。需要指出的是，由于測(cè)試回路電感的存在，測(cè)量得到的波形也會(huì)存在振蕩，測(cè)量結(jié)果亦并非真實(shí)的放電波形。

PD 測(cè)量系統(tǒng)如圖2 所示，其中Cx代表圖1 中的流動(dòng)變壓器油模擬油道循環(huán)裝置，耦合電容Ck和檢測(cè)阻抗Zm組成IEC 60270:2000 推薦的脈沖電流測(cè)量回路，其中Zm為RLC型檢測(cè)阻抗。無(wú)感電阻R與瞬態(tài)抑制二極管（TVS）并聯(lián)后與試品串聯(lián)，組成無(wú)感電阻檢測(cè)回路，R=50 Ω，在試品意外擊穿時(shí)，瞬態(tài)抑制二極管可以瞬間導(dǎo)通，保證示波器安全。天線、無(wú)感電阻、檢測(cè)阻抗測(cè)量得到的信號(hào)以及電容分壓器信號(hào)同步輸入到DPO7104 型示波器中。高速攝像機(jī)和光源組成雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡記錄系統(tǒng)。

圖2 PD測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 PD measurement system

實(shí)驗(yàn)前，變壓器油首先進(jìn)行過(guò)濾處理，濾除直徑大于5 μm 的雜質(zhì)，并進(jìn)行脫氣處理，利用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)試處理后變壓器油的擊穿電壓為75.1 kV，達(dá)到工程使用標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際變壓器中，油中金屬微粒的直徑一般為5～200 μm[17]，一般認(rèn)為微粒尺寸越大，對(duì)變壓器油絕緣性能的影響越嚴(yán)重，因此在金屬微粒放電實(shí)驗(yàn)中，油道中放置濃度為1.0 g/L、直徑為150 μm 的鐵微粒[18]。為降低金屬微粒沉積對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響，實(shí)驗(yàn)周期設(shè)置為10 min，每次實(shí)驗(yàn)前將邊緣沉淀的金屬微粒收集至油道中央。開(kāi)展氣泡放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，油道中注入150 mL 干燥空氣，啟動(dòng)油泵將大氣團(tuán)打散成為小氣泡，通過(guò)3 mm 定目篩網(wǎng)后，形成分布相對(duì)均勻的懸移氣泡。

2 結(jié)果與討論

2.1 局部放電起始電壓（PDIV）

PDIV 實(shí)驗(yàn)中，以1 kV/s 的速率勻速升高電壓，當(dāng)示波器檢測(cè)到放電量大于100 pC 的PD 時(shí)，記錄外施電壓為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的PDIV。由于金屬微粒的運(yùn)動(dòng)和氣泡的運(yùn)動(dòng)及變形均存在較大的隨機(jī)性，因此取10 次測(cè)試結(jié)果的平均值作為PDIV。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬微粒和氣泡的PDIV 分別為8.4 kV 和23.2 kV。很明顯，當(dāng)兩種缺陷同時(shí)存在時(shí)，金屬微粒更容易引起PD。鑒于兩者PDIV 差距較大，后續(xù)PD 信號(hào)的采集均在各自1.2 倍PDIV 下進(jìn)行，即金屬微粒PD實(shí)驗(yàn)的外施電壓為10.0 kV，氣泡PD實(shí)驗(yàn)的外施電壓為27.8 kV。

2.2 放電波形

2.2.1 RLC檢測(cè)阻抗法

通過(guò)比較檢測(cè)阻抗法采集到的PD 信號(hào)，發(fā)現(xiàn)同一種缺陷產(chǎn)生的PD 信號(hào)波形特征比較類似，放電的隨機(jī)性主要體現(xiàn)在幅值和極性方面。圖3和圖4 分別為利用檢測(cè)阻抗法測(cè)量得到的金屬微粒PD信號(hào)和氣泡PD信號(hào)。

圖3 金屬微粒PD信號(hào)Fig.3 PD signal induced by metal particles

圖4 氣泡PD信號(hào)Fig.4 PD signal induced by bubbles

通過(guò)比較圖3～4可以發(fā)現(xiàn)，兩種放電均具有一個(gè)上升沿（或下降沿）為40 ns左右的脈沖，隨后伴隨有約200～300 ns 的振蕩衰減。由于正負(fù)極性放電信號(hào)除極性不同外，波形特征沒(méi)有明顯的差別，這里僅列出了負(fù)極性放電信號(hào)。

2.2.2 天線法

圖5 和圖6 分別為金屬微粒PD 和氣泡PD 所激發(fā)的電磁波信號(hào)及相應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）分析。

圖5 金屬微粒PD信號(hào)及其FFT分析Fig.5 PD signal induced by metal particles andFFT analysis

圖6 氣泡PD信號(hào)及其FFT分析Fig.6 PD signal induced by bubbles and FFT analysis

比較圖5～6 可知，金屬微粒PD 可以激發(fā)出300 MHz～2.3 GHz 的信號(hào)，屬于特高頻（ultra high frequency，UHF）頻段，而氣泡PD 僅能激發(fā)出200 MHz 以下的信號(hào)，屬于甚高頻（very high frequency，VHF）頻段，說(shuō)明金屬微粒PD 所激發(fā)電磁波信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于氣泡PD，因此采用UHF 天線檢測(cè)變壓器內(nèi)部PD 時(shí)可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)氣泡放電。目前不同類型PD 所激發(fā)出電磁波的頻段并未完全清楚，根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果，PD 所激發(fā)電磁波信號(hào)的頻段與放電脈沖的上升沿有關(guān)。因此，進(jìn)一步采用50 Ω無(wú)感電阻測(cè)量了放電脈沖信號(hào)。

2.2.3 無(wú)感電阻法

圖7和圖8分別為無(wú)感電阻測(cè)量的金屬微粒PD脈沖和氣泡PD 脈沖。從圖7～8 可以看出，兩種類型缺陷放電產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)上升沿有明顯差異，金屬微粒PD 脈沖電流的上升沿時(shí)間約為3.1 ns，而氣泡PD 脈沖電流的上升沿時(shí)間約為25.1 ns。脈沖電流越陡峭，激發(fā)出的電磁波信號(hào)頻率越高，這就很好地解釋了金屬微粒PD 可以激發(fā)出UHF 信號(hào)，而氣泡PD 僅能激發(fā)VHF 信號(hào)的原因。

圖7 無(wú)感電阻測(cè)量的金屬微粒PD脈沖Fig.7 PD pulse of metal particles measured by non-inductive resistance

圖8 無(wú)感電阻測(cè)量的氣泡PD脈沖Fig.8 PD pulse of bubbles measured by non-inductive resistance

2.3 PRPD圖譜

為了進(jìn)一步對(duì)比金屬微粒PD 和氣泡PD 相位分布的差異，統(tǒng)計(jì)了30 min 內(nèi)兩種雜質(zhì)的PD 信號(hào)，繪制了如圖9 和圖10 所示的PRPD 圖譜。從圖9～10 可以看出，金屬微粒放電基本遍布整個(gè)工頻周期，在90°和270°附近放電最強(qiáng)烈，正負(fù)半周的放電頻率和幅值都比較類似，沒(méi)有明顯的區(qū)別。氣泡PD的相位分布則相對(duì)較小，主要分布在60°～104°和236°～305°，負(fù)半周放電數(shù)量遠(yuǎn)高于正半周放電數(shù)量。

圖9 金屬微粒PRPD圖譜Fig.9 PRPD spectrum of metal particles

圖10 氣泡PRPD圖譜Fig.10 PRPD spectrum of bubbles

2.4 擊穿電壓

擊穿電壓是評(píng)估氣泡和金屬顆粒對(duì)變壓器油絕緣性能影響的重要參數(shù)。擊穿試驗(yàn)中的試驗(yàn)條件與PD試驗(yàn)條件相同，外施電壓以2 kV/s的速率持續(xù)升高直至擊穿，取10次擊穿實(shí)驗(yàn)的平均值作為擊穿電壓。試驗(yàn)得到含金屬顆粒和氣泡變壓器油的擊穿電壓分別為42.0 kV 和31.6 kV。由此可見(jiàn)，氣泡對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響更為嚴(yán)重。

2.5 討論與分析

2.5.1 運(yùn)動(dòng)軌跡

金屬微粒和氣泡是兩種完全不同的雜質(zhì)，其在絕緣油中的PD 特性差異與它們的運(yùn)動(dòng)特性和物性有關(guān)，本研究利用高速攝像機(jī)觀測(cè)了兩種雜質(zhì)在變壓器油中的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖11 和圖12 分別為金屬微粒與氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖11 金屬微粒典型運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Typical trajectories of metal particles

圖12 氣泡典型運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Typical trajectories of bubbles

由圖11 可知，金屬微粒隨油流向右運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在豎直方向上不斷跳躍與回落，這是由于金屬微粒作為導(dǎo)體，與極板碰觸后攜帶一定量的電荷，帶電金屬微粒在交變電場(chǎng)的作用下上下跳躍。氣泡的運(yùn)動(dòng)與金屬微粒表現(xiàn)出完全不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖12 所示，氣泡在油道中隨油流向右運(yùn)動(dòng)，并逐漸靠近上極板，最終沿上極板下表面水平運(yùn)動(dòng)出高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，這是由于氣泡是非導(dǎo)電體，在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)主要受油流曳力、浮力的作用，因此氣泡上浮至極板附近后保持水平運(yùn)動(dòng)。

2.5.2 放電機(jī)理

金屬微粒和氣泡的存在均會(huì)引起局部電場(chǎng)的畸變，由于兩種雜質(zhì)的物性不同，所導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變特性也存在較大差異。根據(jù)文獻(xiàn)[20]研究結(jié)果，可以估算出直徑為150 μm 的金屬微粒與極板接觸所攜帶的電荷為3.7 pC，進(jìn)而可以利用有限元仿真軟件計(jì)算金屬微粒導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變。圖13給出了金屬微粒在距離極板不同位置時(shí)導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變。

圖13 最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨金屬微粒與極板距離的變化Fig.13 Variation of maximum electric field intensity with distance between metal particles and electrode plate

從圖13 可以看出，微粒距離金屬極板越近，電場(chǎng)畸變?cè)絿?yán)重，當(dāng)微粒與極板間的距離為2 μm 時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.7×108/m，已經(jīng)達(dá)到文獻(xiàn)[21]中給出的微放電場(chǎng)強(qiáng)閾值。由此可以推測(cè)當(dāng)金屬微粒與極板無(wú)限靠近時(shí)，兩者之間的電場(chǎng)將超過(guò)絕緣油的擊穿強(qiáng)度，因此當(dāng)金屬微粒碰撞極板時(shí)容易引起PD，結(jié)合圖11 給出的金屬微粒運(yùn)動(dòng)軌跡，可以很好地解釋金屬微粒導(dǎo)致高頻次PD的原因。

圖14為油中氣泡靜電場(chǎng)畸變仿真結(jié)果。

圖14 氣泡導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變Fig.14 Electric field distortion caused by bubbles

從圖14 可知，最大電場(chǎng)出現(xiàn)在氣泡內(nèi)部，約為油中電場(chǎng)強(qiáng)度的1.3 倍，因此由氣泡導(dǎo)致的PD 實(shí)際是發(fā)生在氣體中的擊穿，與空氣中的電暈放電類似，利用無(wú)感電阻法測(cè)量得到的放電波形也可以發(fā)現(xiàn)氣泡PD 脈沖上升沿陡峭程度遠(yuǎn)低于金屬微粒，因此氣泡PD 不能激發(fā)出UHF 信號(hào)，而金屬微粒PD可以激發(fā)UHF信號(hào)。

值得關(guān)注的是，氣泡PD 主要集中在工頻負(fù)半周，這可能與氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)。圖12表明氣泡在油道中大部分時(shí)間處在上極板下表面附近，氣泡與金屬極板直接接觸，在工頻負(fù)半周中，金屬極板表面發(fā)射的陰極電子可以提供氣泡內(nèi)部PD 所需的初始電子，因而導(dǎo)致氣泡PD 主要集中在工頻負(fù)半周。

與金屬微粒相比，氣泡對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響更嚴(yán)重，這可能與兩種缺陷的物性及PD 放電量差異有關(guān)。根據(jù)圖9 和圖10 中統(tǒng)計(jì)的PD 信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，氣泡PD 的放電量遠(yuǎn)高于金屬微粒PD 的放電量，氣泡PD 可能導(dǎo)致氣泡發(fā)生膨脹和破裂，破裂形成的微氣泡群容易導(dǎo)致整個(gè)油隙發(fā)生擊穿，因此氣泡對(duì)油隙擊穿電壓的影響更嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）與氣泡PD 相比，金屬微粒的起始放電電壓更低，放電頻次更高。金屬微粒PD 遍布整個(gè)工頻周期，主要集中在90°和270°附近，而氣泡PD 主要發(fā)生在工頻負(fù)半周，負(fù)半周放電數(shù)量遠(yuǎn)高于正半周。

（2）金屬微粒PD 可以激發(fā)出UHF信號(hào)，而氣泡PD 僅能激發(fā)VHF 信號(hào)，這與兩者脈沖電流的上升時(shí)間有關(guān)。在采用UHF天線監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部PD 時(shí)應(yīng)特別注意其對(duì)氣泡PD檢測(cè)的有效性。

（3）氣泡對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響比金屬微粒的影響更為嚴(yán)重，在實(shí)際變壓器中應(yīng)嚴(yán)格控制，避免油中產(chǎn)生氣泡。