董曼玲，寇曉適，姚德貴，姚雨杭，王偉，張洋，唐炬

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000；2.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

我國地域遼闊，能源資源產(chǎn)地與負(fù)荷需求呈現(xiàn)逆向分布。煤炭、水力、風(fēng)力等資源主要集中在我國西部地區(qū)，而能源負(fù)荷則主要集中在東部沿海地區(qū)，能源儲(chǔ)備和電力負(fù)荷的分布極不均衡[1-4]。高壓直流輸電由于具有大容量、遠(yuǎn)距離輸送電能的優(yōu)勢，能有效實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域輸電，從而解決我國資源和負(fù)荷逆向分布的問題。高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，一次設(shè)備故障是引發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的首要因素，其中，換流變壓器故障占一次設(shè)備故障比例最高[5]。換流變壓器故障逐漸成為影響直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要問題之一。

CIGRE工作組發(fā)布的關(guān)于換流變壓器故障的數(shù)據(jù)表明，換流變壓器發(fā)生故障的概率約為普通電力變壓器的兩倍，而由于換流變壓器絕緣失效導(dǎo)致的事故約占50%，其中大部分故障發(fā)生在閥側(cè)繞組、連接器件和出線裝置等位置[6-8]。變壓器油作為換流變壓器的主要絕緣介質(zhì)，其品質(zhì)對變壓器絕緣性能影響重大。然而，由于機(jī)械振動(dòng)、絕緣老化、油泵磨損等原因[9-10]，變壓器油中不可避免地會(huì)混入固體顆粒污染物。常見污染物主要分為如自由金屬微粒、游離碳微粒一類的導(dǎo)電微粒，以及如纖維顆粒、游離紙屑一類的非導(dǎo)電微粒[11-13]。其中，金屬微粒因具有良好的導(dǎo)電性，對變壓器油絕緣性能的危害最大[11]。除此之外，換流變壓器閥側(cè)繞組長期承受交直流復(fù)合電壓作用，直流分量的存在會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒的析出與聚集現(xiàn)象更為嚴(yán)重，易誘發(fā)局部放電（partial discharge，PD）甚至介質(zhì)擊穿，因此換流變壓器的閥側(cè)主絕緣故障率居高不下[14-16]。

國內(nèi)外學(xué)者針對變壓器油中金屬微粒的局部放電特性做了大量研究。R TOBAZéON[17]采用靜電計(jì)和高速相機(jī)獲取了金屬微粒在平行板電極間運(yùn)動(dòng)時(shí)所導(dǎo)致的PD特性，并測量了外界條件變化時(shí)微粒的視在放電量和放電電流，研究表明，金屬微粒在靠近電極時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部放電，所產(chǎn)生電流脈沖的脈寬大約為1 ns；外施電壓越高，視在放電量越大。LI J等[18]對交流電場下油中金屬微粒的PD特性進(jìn)行了全面研究，對單顆和多顆微粒的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了觀測，測量了不同試驗(yàn)條件下的放電頻率、放電量、放電電流，構(gòu)建了PRPD圖譜，研究表明，金屬微粒在起跳離開電極時(shí)PD發(fā)生相位較為隨機(jī)；在電極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖電流寬度較大，PD主要集中在外施電壓過零時(shí)發(fā)生；當(dāng)金屬微粒數(shù)量增多時(shí)放電量和放電頻率均有所增加，金屬微粒半徑越大，放電量越大。付守海等[19]對交流電場下油中金屬微粒粒徑對局部放電量的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著外施電壓的升高，油中金屬微粒會(huì)先在電極表面滾動(dòng)，該階段金屬微粒表面發(fā)生電暈放電，放電量較??；隨著外施電壓的持續(xù)升高，金屬微粒起跳，放電量相比于上一階段增大；當(dāng)外施電壓達(dá)到微放電起始電壓時(shí)，金屬微粒在極板間劇烈跳動(dòng)，放電量相比前兩個(gè)階段顯著增加。

由于換流變壓器閥側(cè)繞組常承受交直流復(fù)合電壓，且換流閥的閥橋數(shù)量或換流閥觸發(fā)角發(fā)生變化時(shí)，交直流復(fù)合電壓中交流分量與直流分量的比例不同[20]，金屬微粒在不同復(fù)合電壓作用下的運(yùn)動(dòng)情況與聚集狀態(tài)必然有所不同。針對上述問題，本文構(gòu)建變壓器油中金屬微粒運(yùn)動(dòng)觀測與局部放電檢測平臺(tái)，開展不同復(fù)合電壓下變壓器油中自由金屬微粒的運(yùn)動(dòng)和聚集特性研究，同時(shí)測量金屬微粒聚集過程中PD特性，獲取不同電壓下放電量、放電頻率的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)平臺(tái)及方法

變壓器油中金屬微粒運(yùn)動(dòng)觀測與局部放電檢測平臺(tái)如圖1中所示。

圖1 檢測平臺(tái)Fig.1 Test platform

圖1 中，實(shí)驗(yàn)裝置部分主要由主油道、電極、溫度控制系統(tǒng)等組成。其中，主油道采用有機(jī)玻璃制作而成，有機(jī)玻璃無色、透光率高，便于觀察金屬微粒在電極間的運(yùn)動(dòng)和聚集情況；試驗(yàn)系統(tǒng)中的半球電極參考IEC 60156-2018推薦的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮變壓器油循環(huán)流動(dòng)裝置的尺寸，設(shè)計(jì)了直徑為35 mm的銅制半球電極，此外，實(shí)際變壓器繞組間油道撐條寬度分別有5、10、15 mm[21]，本研究選擇5 mm間隙開展研究；溫度控制系統(tǒng)主要由PT100型溫度傳感器、DRQ-21型加熱電阻以及TC-05B型智能數(shù)顯溫控儀等部件組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測并調(diào)節(jié)油溫，本研究中油溫為30℃；利用OWL-6型可調(diào)速離心油泵使微粒與變壓器油充分混合。采用高速相機(jī)記錄主油道中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)及聚集過程，相機(jī)幀率為3000幀/s。為保證圖像清晰度，拍攝過程中需利用無頻閃LED冷光源對電極間隙進(jìn)行補(bǔ)光處理。在開始試驗(yàn)前，保證相機(jī)、電極間隙和光源處在同一水平面。

本研究采用高壓設(shè)備中常用的克拉瑪依25#變壓器油。在注入裝置前，需要對變壓器油進(jìn)行過濾、干燥、脫氣、真空冷卻等處理，濾除油中的氣體與固體雜質(zhì)。將處理后的變壓器油真空注入裝置后，通過注油口放入6.3 g直徑約為150 μm的鐵微粒。開啟油泵使微粒與變壓器油充分混合。此時(shí)油中微粒的濃度為30顆/mL。關(guān)閉油泵靜置20 min后，方可開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中所需復(fù)合電壓由高壓放大器（TREKMODEL 610E型，放大倍數(shù)為1000倍）與任意波形發(fā)生器（Agilent 33522A型）共同產(chǎn)生。為捕獲微粒運(yùn)動(dòng)過程中的局部放電信號(hào)，在裝置接地線上套入高頻電流傳感器（HFCT）。傳感器經(jīng)衰減探頭接入高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器（泰克DPO7104型），其采樣頻率為10 M/s。

2 不同電壓下的聚集試驗(yàn)

通常，復(fù)合電壓中交流分量與直流分量的比例定義為交流電壓有效值與直流電壓幅值的比值[20]。試驗(yàn)時(shí)，外施交、直流復(fù)合電壓的交、直流分量的比例分別為1∶3、1∶1、3∶1，并同時(shí)開展了交流電壓和直流電壓下的聚集試驗(yàn)作為對比。外施電壓中直流分量為負(fù)極性，交流分量頻率為工頻50 Hz，外施電壓峰值為10 kV。在進(jìn)行聚集特性試驗(yàn)過程中，電壓施加總時(shí)間為1200 s，每隔300 s記錄一次圖像。

2.1 交流電壓

交流電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖2所示。從圖2可以看出，施加交流電壓時(shí)，金屬微粒會(huì)在下電極表面形成定向排列，呈“胡須”狀，“胡須”的方向與電場線方向相同，微粒的聚集區(qū)域局限在電極附近，間隙中部幾乎無金屬微粒。值得注意的是，極板附近沿同一方向排列的金屬微粒之間會(huì)不斷發(fā)生相互碰撞。隨著時(shí)間的推移，電極邊緣的少數(shù)金屬微粒會(huì)從電極上脫落，致使在電極表面定向排列的微?？倲?shù)減少。

圖2 交流電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.2 Aggregation behavior of metal particles under AC voltage

2.2 1∶3交直流復(fù)合電壓

施加1∶3交直流復(fù)合電壓時(shí)，金屬微粒在電極間隙內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并不斷與上、下電極發(fā)生碰撞。1∶3交直流復(fù)合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖3所示。從圖3可以看出，相比于交流電壓的情況，施加1∶3交直流復(fù)合電壓時(shí)金屬微粒的聚集區(qū)域貫通上、下極板，在整個(gè)間隙內(nèi)均有分布。在電壓施加初期，金屬微粒在電極間隙內(nèi)的分布較為均勻，但隨著時(shí)間的增加，在電極間隙內(nèi)維持往復(fù)運(yùn)動(dòng)的微粒總數(shù)有所減少，球電極外側(cè)區(qū)域部分金屬微粒會(huì)從電極間脫落，金屬微粒數(shù)明顯減少，但在球電極弧頂附近高場強(qiáng)區(qū)域處，在間隙內(nèi)維持往復(fù)運(yùn)動(dòng)的金屬微粒數(shù)量逐漸增多。

圖3 1∶3交直流復(fù)合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.3 Aggregation behavior of metal particles under 1:3 AC/DC composite voltage

2.3 1∶1交直流復(fù)合電壓

1∶1交直流復(fù)合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖4所示。從圖4可以看出，在電壓施加初期，金屬微粒在間隙內(nèi)分布較為均勻。隨著時(shí)間的增加，除電極邊緣處的部分金屬微粒會(huì)從電極間脫落外，在間隙內(nèi)均勻分布的金屬微粒還會(huì)逐漸向電場集中區(qū)域遷移，在球電極弧頂高場強(qiáng)區(qū)域附近形成動(dòng)態(tài)聚集區(qū)域，聚集區(qū)域內(nèi)的金屬微粒處于在極板間不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。金屬微粒在球電極弧頂處聚集區(qū)域的寬度比施加1∶3交直流復(fù)合電壓時(shí)略大。

圖4 1∶1交直流復(fù)合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.4 Aggregation behavior of metal particles under 1:1 AC/DC composite voltage

2.4 3∶1交直流復(fù)合電壓

施加3∶1交直流復(fù)合電壓時(shí)，多數(shù)金屬微粒在電極間隙內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，少部分金屬微粒則在電極表面彈跳運(yùn)動(dòng)，不斷與電極表面發(fā)生碰撞。3∶1交直流復(fù)合電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖5所示。從圖5可以看出，隨著時(shí)間的增加，大量金屬微粒在電極間隙內(nèi)出現(xiàn)聚集。在施加3∶1復(fù)合電壓時(shí)金屬微粒聚集得最為緊密，金屬微粒間的相互碰撞頻率較高，出現(xiàn)形成“小橋”的態(tài)勢。

圖5 3∶1交直流復(fù)合電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.5 Aggregation behavior of metal particles under 3:1 AC/DC composite voltage

2.5 直流電壓

施加直流電壓時(shí)，金屬微粒在電極間隙內(nèi)沿電場線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。直流電壓下油中金屬微粒在半球電極間的聚集圖像如圖6所示。從圖6可以看出，隨著時(shí)間的增加，金屬微粒逐漸在電極弧頂附近出現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚集，此時(shí)金屬微粒聚集區(qū)域的寬度最大，間隙內(nèi)持續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的金屬微粒數(shù)量最多。

圖6 直流電壓下金屬微粒的聚集行為Fig.6 Aggregation behavior of metal particles under DC voltage

3 變壓器油中金屬微粒的PD特性

不同比例交、直流復(fù)合電壓下金屬微粒的運(yùn)動(dòng)與聚集行為存在明顯差異，這必然導(dǎo)致其PD特性發(fā)生改變。為此，本研究在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)觀測試驗(yàn)的同時(shí)利用HFCT傳感器檢測所產(chǎn)生的PD信號(hào)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，采集間隔為300 s，每次試驗(yàn)時(shí)間為60 s。

不同外施電壓下的放電頻率隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，放電頻率先隨時(shí)間迅速降低，隨后在某一頻率保持穩(wěn)定。當(dāng)外施電壓中交流分量占主導(dǎo)時(shí)，含金屬微粒變壓器油的PD放電頻率遠(yuǎn)大于直流分量主導(dǎo)時(shí)，超過4000次/min。當(dāng)外施電壓為交流電壓時(shí)，放電頻率最高達(dá)到約15000次/min，放電十分劇烈。當(dāng)外施電壓為直流電壓時(shí)，PD放電頻率略高于1∶3交直流復(fù)合電壓時(shí)。

圖7 不同電壓下PD放電頻率Fig.7 PD discharge frequency under different voltages

不同外施電壓下的平均放電量隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，除施加3∶1復(fù)合電壓外，油中金屬微粒所產(chǎn)生的平均放電量均隨時(shí)間近似不變，此時(shí)含金屬微粒變壓器油的PD平均放電量均維持在150～450 pC，其中當(dāng)外施電壓為1∶3交直流復(fù)合電壓時(shí)放電量的衰減程度最弱。而外施電壓為3∶1復(fù)合電壓時(shí)，平均放電量遠(yuǎn)大于其他4種情況，在電壓施加初期放電量高達(dá)920 pC；且此時(shí)的PD平均放電量隨時(shí)間呈先減小后增大的趨勢，最終在加壓時(shí)間為900 s時(shí)達(dá)到約700 pC并保持穩(wěn)定。

圖8 不同電壓下PD平均放電量Fig.8 Average discharge magnitude under different voltages

4 變壓器油中金屬微粒的聚集特性及PD特性機(jī)理分析

4.1 聚集特性分析

金屬微粒在不同比例交直流復(fù)合電壓下表現(xiàn)出不同聚集特性。直流分量對金屬微粒聚集狀態(tài)的作用效果表現(xiàn)為分散型，聚集區(qū)域面積大，顆粒聚集較為松散；交流分量占比較高時(shí)（如3∶1交直流復(fù)合），聚集狀態(tài)表現(xiàn)為緊密型，聚集區(qū)域面積小，顆粒聚集緊密。直流分量對金屬微粒的作用效果表現(xiàn)為使微粒在電極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金屬微?？稍谳^大范圍內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，金屬微粒聚集狀態(tài)發(fā)散；而交流分量對金屬微粒的作用效果表現(xiàn)為使金屬微粒在電極附近區(qū)域內(nèi)發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金屬微粒的運(yùn)動(dòng)范圍被限制，隨著微粒的累積，聚集狀態(tài)逐漸緊密。

4.2 PD特性機(jī)理分析

含金屬微粒變壓器油的PD特性與金屬微粒的運(yùn)動(dòng)行為緊密相關(guān)。當(dāng)帶電金屬微粒運(yùn)動(dòng)至電極附近時(shí)，由于金屬微粒的強(qiáng)導(dǎo)電性極易使金屬微粒與電極間隙內(nèi)電場發(fā)生嚴(yán)重畸變；當(dāng)多顆金屬微粒發(fā)生聚集時(shí)，可將顆粒團(tuán)等效為較大尺寸的金屬微粒，攜帶更多的電荷，同樣會(huì)改變油中電場分布。金屬微粒的存在畸變了油中電場，大幅提高了PD發(fā)生概率。

不同電壓下PD放電頻率與放電量的變化規(guī)律歸因于金屬微粒聚集情況的變化。在電壓施加初期，金屬微粒在間隙內(nèi)分布較為均勻，在靠近電極時(shí)引發(fā)電場局部畸變，誘發(fā)多次局部放電。隨著時(shí)間的增加，部分金屬微粒從電極間脫離，金屬微粒與電極的碰撞頻率降低，放電頻率隨之降低。當(dāng)外施電壓中交流分量增大時(shí)，金屬微粒與電極之間的碰撞頻率增加，放電頻率逐漸增加。當(dāng)施加交流電壓時(shí)，由于金屬微粒與電極之間頻繁發(fā)生碰撞，從而出現(xiàn)極高的放電頻率。根據(jù)2.4節(jié)所述，在施加3∶1復(fù)合電壓時(shí)，金屬微粒在電極間隙內(nèi)的聚集最為緊密，導(dǎo)致油隙內(nèi)電場畸變程度最為嚴(yán)重。因此，在經(jīng)歷部分微粒脫離極板導(dǎo)致的放電量下降后，放電量又會(huì)因微粒聚集導(dǎo)致的電場畸變程度增大而不斷增大。

5 結(jié)論

（1）對于純交流、1∶3交直流復(fù)合、1∶1交直流復(fù)合、3∶1交直流復(fù)合以及純直流5種電壓類型，當(dāng)外施電壓為3∶1交直流復(fù)合電壓時(shí)，金屬微粒在電極間聚集的最緊密，外施電壓為直流時(shí)，聚集最為松散。

（2）不同外施電壓下，放電頻率均先隨時(shí)間迅速降低，隨后在某一頻率維持不變；外施電壓中交流分量增加時(shí)，放電頻率明顯增大；當(dāng)外施電壓為3∶1交直流復(fù)合電壓時(shí)，平均放電量最大，其余外施電壓下的平均放電量則隨時(shí)間延長近似不變。

（3）油中PD的放電頻率與平均放電量的變化與金屬微粒的聚集行為相關(guān)。隨著時(shí)間的增加，電極間金屬微粒聚集程度削弱，導(dǎo)致金屬微粒與電極的碰撞頻率降低，放電頻率隨之降低；當(dāng)外施電壓為3∶1復(fù)合電壓時(shí)，金屬微粒的聚集最為緊密，油隙內(nèi)電場畸變最為嚴(yán)重，放電量最大。