米彥，張晏源，周龍翔，姚陳果，李成祥

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044)

直流陡脈沖復合電場對臟污變壓器油介損的影響

米彥，張晏源，周龍翔，姚陳果，李成祥

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044)

變壓器油是油浸電力變壓器內(nèi)部重要的絕緣介質(zhì)，其性能優(yōu)劣對變壓器的電氣性能和運行壽命有直接影響。傳統(tǒng)的物理化學方法對臟污變壓器油的凈化效果有限，且難以滿足現(xiàn)場在線凈化的需求。直流陡脈沖復合電場在線凈化變壓器油能夠很好地解決上述凈油方法的一些不足。本文以小龍坎變電站運行17年的110kV電力變壓器油為研究對象，基于正交實驗方案設計了直流陡脈沖復合電場的9組不同參數(shù)組合進行臟污變壓器油的凈化實驗，分析得出了復合電場參數(shù)主次順序以及一組最優(yōu)參數(shù)組合。接著本文在上述得出的最優(yōu)參數(shù)組合基礎上分別采用單一變量法對脈寬因素和脈沖電壓因素進行了研究，并對處理后的變壓器油的工頻介質(zhì)損耗因數(shù)進行測定，得出以上因素對直流陡脈沖復合電場凈化變壓器油效果的影響。

直流陡脈沖復合電場;正交試驗;單一變量法;凈化效果

1 引言

電力變壓器作為電能傳輸和配送過程中的能量轉(zhuǎn)換核心，其可靠運行直接關(guān)系到電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和安全穩(wěn)定。變壓器油是變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分，在長期運行過程中受到溫度、電場、機械力、水分、氧氣等的綜合作用而逐漸老化，使得變壓器性能顯著下降［1］。在大型電力變壓器中，油起到絕緣和散熱的作用，油的老化會導致吸濕性增強，含水量增大，絕緣性能下降，冷卻、散熱和滅弧等性能降低。老化后產(chǎn)生的油泥會堵塞油道，影響散熱，同時也會加速變壓器內(nèi)部零件及絕緣器件老化，使生成的雜質(zhì)滲入油中，造成不合格油的惡性循環(huán)，從而縮短油和設備的壽命，嚴重時還會引起重大的設備事故［2］。

對臟污變壓器油進行凈化能改善其品質(zhì)，提高其絕緣和散熱性能。但是，傳統(tǒng)的物理化學方法對長期運行老化后的臟污變壓器油的凈化效果有限，難以滿足現(xiàn)場在線凈化的需求。研究陡脈沖電場在線凈化變壓器油的方法與機理，有望顯著提高運行中變壓器油的絕緣與散熱性能，從而促進充油電氣設備的安全運行并提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，具有較高的學術(shù)價值和良好的現(xiàn)場應用前景。

本文擬通過實驗研究直流陡脈沖復合電場對臟污變壓器油的凈油效果，以期找到直流陡脈沖復合電場凈化變壓器油最佳效果的相關(guān)參數(shù)。

2 直流陡脈沖復合電場凈化變壓器油的原理

2.1 膠體雜質(zhì)與油分子的吸附

礦物變壓器油中雜質(zhì)主要來源如下:①變壓器油在儲存、運輸、分裝過程中受到污染，從而引入雜質(zhì)。②變壓器油在長期使用過程中，受高溫影響及銅、鐵、鋅等的催化作用而不斷氧化，生成有機酸、醛、酮等氧化物，這些氧化產(chǎn)物繼續(xù)氧化或者相互結(jié)合形成膠體，上述途徑是變壓器油中膠體的主要來源。③在高溫使用或局部放電過熱時，油分子裂解產(chǎn)生低分子烴類化合物或者分解出導電碳粒。

綜上可知①、③途徑將會導致變壓器油中產(chǎn)生不溶于油的雜質(zhì)顆粒;此外，由于純凈的變壓器油由大分子組成，粒子大小在膠體范圍內(nèi)，稱為親液溶膠，分子本身不帶電，受到上述途徑②產(chǎn)生的膠體污染之后，產(chǎn)生帶電粒子，形成疏溶液膠，為多相態(tài)的不均勻體。

液體、固體表面的原子、分子處于力場的不飽和狀態(tài)，表面自由能較大，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，它們會自發(fā)地降低其表面自由能。表面吸附是其中的一種自發(fā)形式，通過表面吸附，使表面張力降低，從而降低表面力場的不平衡程度，最終達到平衡狀態(tài)［3-5］。變壓器油分子大小有較大差異，且其分子具有一定數(shù)量的活性基團和一定的撓曲性，這些活性基團吸附在膠體雜質(zhì)的表面上使吸附的油分子具有一定的形狀。吸附油分子的構(gòu)型可以分為以下六種形式［6］，如圖1所示。油中的膠體微粒與油分子的吸附常常是以上幾種簡單吸附構(gòu)型的混合形式。

圖1 吸附油分子的構(gòu)型Fig.1 Oilmolecules absorbed conformation

2.2 電介質(zhì)極化理論

電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)分為中性、弱極性和極性，從宏觀來看均不顯現(xiàn)極性。當電介質(zhì)處于電場中時，電介質(zhì)產(chǎn)生極化，其極化形式主要有以下幾種［7，8］:電子式位移極化、離子式位移極化、偶極子極化、空間電荷極化、夾層界面極化。其中，電子和離子極化所需時間很短，不超過10－12s，不產(chǎn)生能量損耗，屬于彈性極化。其余3種極化方式時間較長，需要消耗能量并產(chǎn)生損耗，屬于松弛極化。

純凈的變壓器油主要由非極性分子組成，而膠體雜質(zhì)微粒為極性物質(zhì)，雖然它們都具有彈性極化形式，但是在松弛極化的頻率范圍之內(nèi)，兩者的極化反應差異很大。

2.3 直流陡脈沖復合電場凈化臟污變壓器油機理

從極化的角度看，與油分子吸附在一起的膠體雜質(zhì)微粒多為極性物質(zhì)，且具有一定的電荷;而變壓器油分子為非極性分子，本身不帶電。一方面，復合電場中的陡脈沖具有豐富的高頻、低頻成分，在松弛極化頻率范圍內(nèi)將廣泛作用于膠體微粒，使得膠體微粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化(即順著電場方向轉(zhuǎn)動)，而此頻率范圍內(nèi)的油分子沒有顯著的松弛極化，兩者之間通過不一致的轉(zhuǎn)動使膠體微粒脫離油分子，從而結(jié)束吸附狀態(tài)。另一方面，復合電場中的直流電場將會作用于不溶于變壓器油的雜質(zhì)微粒和脫離油分子吸附的膠體微粒，使得上述微粒在直流電場作用下運動至集塵體［9，10］并被吸附在此，從而達到凈化臟污變壓器油的目的。

3 直流陡脈沖復合電場凈化臟污變壓器油的實驗方案

直流陡脈沖復合電場凈化臟污變壓器油是在靜電凈油法和陡脈沖滿足對不同溶油膠體微粒凈化要求的基礎上提出的，目前國內(nèi)外沒有相關(guān)的研究。為了驗證直流陡脈沖復合電場對臟污變壓器油的凈化效果，需對該方法進行實驗研究，根據(jù)實驗結(jié)果，判斷和論證理論的正確性，為進一步的研究提供依據(jù)。

3.1 實驗材料、裝置與測量儀器

3.1.1 實驗材料

實驗所用臟污變壓器油取自小龍坎變電站1996年投用的110kV電力變壓器油，運行時間長達17年。

3.1.2 實驗裝置

圖2所示為實驗接線原理圖，實驗裝置主要由兩大部分組成:電源(由高壓直流電源1、雙極陡脈沖電壓發(fā)生器2和耦合電路3組成)和凈油室。

圖2 實驗系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of experimental system

(1)電源

電源包括高壓直流電源1和雙極性陡脈沖電壓發(fā)生器2，由東文高壓電源有限公司制造，有三路直流電壓輸出，分別為0～20kV和0～±10kV。雙極陡脈沖電壓發(fā)生器將高壓直流轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極陡脈沖，輸出電壓為0～±8kV，陡脈沖的脈寬和頻率可以調(diào)節(jié)，提供多種選擇。

(2)凈油室

凈油室中的放電電極由兩塊平行放置的銅平板電極組成，如圖3所示。油室的極板間距為2.2cm，極板大小為30cm×40cm。集塵體由尼龍構(gòu)成，平行固定在兩極板中間，整個裝置通過有機玻璃密封固定。

圖3 油室Fig.3 Oil chamber

由圖2可知，加載到油室兩端的電壓為直流疊加雙極性陡脈沖復合電壓，圖4為油室兩端加載電壓的實測波形(1000倍衰減探頭測量):1kV(DC)+ 1kV雙極脈沖電壓，由于重復頻率較低(0.1～10Hz)，脈沖占空比非常小，并且正、負脈沖間隔交替出現(xiàn)，圖4中只顯示了直流疊加一個完整的正極性脈沖波形。

圖4 油室加載電壓實測波形Fig.4 Loaded voltage waveform of oil chamber

3.1.3 實驗測量儀器

介電參數(shù)測量采用Novocontrol寬頻介電和阻抗譜儀。測量系統(tǒng)包括低頻模塊和高頻模塊兩部分，低頻模塊為Novocontrol-Alpha-A高性能頻率分析儀，頻率范圍為3μHz～20MHz;高頻模塊為安捷倫E4991A射頻阻抗/材料分析儀，頻率范圍為1MHz～3GHz。本次實驗使用了低頻模塊，測量頻率范圍為10－2～106Hz。

3.2 實驗方案

正交實驗設計是利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法。對正交試驗結(jié)果進行分析，可以得出各試驗因素對試驗結(jié)果影響的重要程度、各因素之間交互作用對試驗的影響以及各因素對試驗結(jié)果的影響趨勢等。

3.2.1 復合電場凈油正交實驗表

基于正交實驗原理，設計了表1所示正交實驗表，共9組不同參數(shù)組合。每組參數(shù)組合進行3次實驗，采用Novocontrol寬頻介電和阻抗譜儀測量每次凈油后的工頻介損，最后取3次工頻介損的平均值作為該組參數(shù)組合凈油后的工頻介損值。

表1 正交實驗表Tab.1 Orthogonal table

3.2.2 脈沖電場參數(shù)對復合電場凈油效果的影響

為探究脈沖電場參數(shù)對直流陡脈沖復合電場的凈油效果的影響，在正交實驗得出最優(yōu)參數(shù)組合的基礎上，采用單一變量法研究脈寬和脈沖電壓對復合電場凈化變壓器油的影響。

(1)其他參數(shù)一定，復合電場脈寬分別為14μs、50μs、100μs、350μs、840μs時對臟污變壓器油進行凈化實驗。每組參數(shù)進行3次重復實驗，測量凈化后變壓器油的工頻介損，取3次的平均值作為該組參數(shù)作用下的結(jié)果。

(2)其他參數(shù)一定，復合電場脈沖電壓為2kV、3kV、4kV、5kV、6kV時分別對臟污變壓器油進行凈化實驗。每組參數(shù)進行3次重復實驗，測量凈化后變壓器油的工頻介損，取3次的平均值作為該組參數(shù)作用下的結(jié)果。

4 直流陡脈沖復合電場凈化變壓器油的實驗結(jié)果

4.1 正交設計實驗結(jié)果

根據(jù)正交實驗設計，采用編號為1～9的9組直流陡脈沖復合電場不同參數(shù)組合對臟污變壓器油進行凈化試驗。Novocontrol寬頻介電和阻抗譜儀測量試驗油的工頻介質(zhì)損耗因數(shù)值(tanδ%)作為衡量變壓器油性能的指標，實驗結(jié)果如表2所示。其中第0組數(shù)據(jù)為臟污變壓器油凈化前的工頻介損數(shù)據(jù)。

表2 正交實驗方案及結(jié)果分析Tab.2 Orthogonal experimental program and results analysis

如表2所示，陡脈沖電壓所對應的極差值最大，脈寬次之。因此，脈沖電壓和脈寬的大小是影響復合電場凈油效果的顯著因素，各因素從主到次順序為:脈沖電壓、脈寬、凈化時間和直流電壓。

此外，從正交試驗結(jié)果可知:經(jīng)過表2第6組陡脈沖復合電場參數(shù)凈化后工頻介損最小，因而得出直流陡脈沖復合電場凈化變壓器油的較優(yōu)參數(shù)組合為第6組參數(shù)組合，即靜電電壓10kV、凈化時間12h、陡脈沖脈寬14μs、脈沖電壓4kV。

4.2 脈寬對復合電場凈油效果的影響

4.2.1 脈寬單一變量實驗設計

不同脈寬的陡脈沖擁有不同的高、低頻分量，影響脈沖電場對溶油膠體的作用范圍，從而影響直流陡脈沖復合電場對變壓器油的凈化能力。因此采用單一變量法研究脈寬對復合電場凈油效果的影響，即保持靜電電壓10kV、凈化時間12h、脈沖電壓4kV三因素不變，研究脈寬分別為14μs、50μs、100μs、350μs、840μs時對凈油效果的影響。

4.2.2 工頻介損的變化

實驗結(jié)果如圖5所示，14～100μs脈寬變化范圍內(nèi)工頻介損逐漸增大(即凈化效果逐漸變差);而在100～840μs脈寬變化范圍內(nèi)工頻介損小幅變小(即凈化效果變好，但是改善效果不明顯)。

圖5 不同脈寬凈油前后工頻介損比較Fig.5 Comparison of dielectric loss before and after purification among different pulse widths at50Hz

出現(xiàn)上述規(guī)律，原因如下:

(1)脈沖信號脈寬越窄則其包含的高頻分量越多，相反地，脈寬越寬則其包含的高頻分量越少。油中膠體雜質(zhì)的松弛極化頻率高頻段分布較廣，所以窄脈寬復合電場有利于與膠體顆粒相互作用，使得膠體雜質(zhì)脫離油分子后在直流電場作用下運動至集塵體并被吸附在集塵體上，增強對膠體雜質(zhì)的凈化效果。在14～100μs脈寬變化范圍內(nèi)隨著脈寬的增大，其包含的高頻分量減少，這樣作用于膠體雜質(zhì)的高頻分量也相應減少，部分膠體雜質(zhì)無法通過轉(zhuǎn)向極化與油分子分離，最終影響凈化效果。

(2)分析圖5可知，100～840μs脈寬變化范圍內(nèi)隨著脈寬的增加工頻介損值小幅下降(但是凈油效果改善已不明顯)，這是由于幾百微秒級脈寬脈沖的高頻分量所占比例很小，但是隨著脈寬增加脈沖電壓作用的時間相對越長，產(chǎn)生時間上的累積效應。因此，在100～840μs脈寬變化范圍內(nèi)840μs脈寬時脈沖電壓作用時間最長，其凈化效果最好?？梢钥吹疆斆}寬達到數(shù)百微秒級別時時間累積效應引起的凈油效果的改善非常有限。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論:脈寬越窄(14μs以下)其凈油效果越好。

4.3 脈沖電壓對復合電場凈油效果的影響

4.3.1 脈沖電壓單一變量實驗設計

不同脈沖電壓也會直接影響直流陡脈沖復合電場對變壓器油的凈化效果。因此采用單一變量法研究脈沖電壓對復合電場凈油效果的影響，即保持靜電電壓10kV、凈化時間12h、陡脈沖脈寬14μs三因素不變，研究脈沖電壓分別為2kV、3kV、4kV、5kV、6kV時對凈油效果的影響。

4.3.2 工頻介損的變化

實驗結(jié)果如圖6所示，在2～6kV脈沖電壓變化范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓幅值的提高，工頻介損值逐漸變小(即凈化效果逐漸變好)。這是因為脈沖電壓越高則凈油室極板間的脈沖電場強度越大，相應地，脈沖電場中的高頻分量幅值也會極大提高，有利于脈沖電壓中的高頻分量與膠體雜質(zhì)作用。由于高頻分量的幅值增大(相應的高頻部分能量也增大)，使得膠體雜質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)向極化而脫離油分子的概率增大，然后其在直流電場作用下運動至凈油室兩極板間的集塵體上，并最終被吸附在集塵體上，從而達到較好的凈化效果。

圖6 不同脈沖電壓幅值凈油前后工頻介損比較Fig.6 Comparison of dielectric loss before and after purification among different pulse voltage amplitudes at50Hz

5 結(jié)論

本文基于正交實驗和單一變量實驗，研究了直流陡脈沖復合電場對臟污變壓器油的凈油效果，得出的主要結(jié)論有:

(1)復合電場各項參數(shù)影響效果從主到次的順序依次是脈沖電壓、脈寬、凈化時間和直流電壓。

(2)正交實驗較優(yōu)參數(shù)組合是:直流電壓10kV、凈化時間12h、陡脈沖脈寬14μs、脈沖電壓4kV。

(3)單一變量實驗中，直流陡脈沖復合電場的脈沖寬度為14μs時，對工頻介損的改善效果最好。脈沖電壓在2～6kV時，隨著電壓的升高，復合電場對介損的改善作用逐步凸顯，脈沖電壓為6kV時，工頻介損的改善效果最佳。

本次試驗復合電場各個參數(shù)變化范圍有限，今后應該進一步擴大其可調(diào)范圍。其中脈沖電壓對凈油效果影響明顯，今后應該在如何提高電源輸出脈沖電壓幅值方面多做有益的探索與研究。此外，本次試驗只測量了工頻介質(zhì)損耗因數(shù)，而實際上反映變壓器油性能的物理、化學、電氣參數(shù)很多，為全面反映復合電場凈化變壓器油的綜合效果還需要增加其他檢測指標，如介電常數(shù)、酸值、含水量等。

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(，cont.on p.71)(，cont.from p.42)

DC-steep pulse field in transformer oil purifying

MIYan，ZHANG Yan-yuan，ZHOU Long-xiang，YAO Chen-guo，LICheng-xiang
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆System Security and New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Transformer oil is an important internal insulatingmedium for immersed power transformers and its performance has a direct impact to the transformer electrical performance and operating life.Traditional physical and chemicalmethods for the purification of contaminated transformer oil have a limited effectand it is difficult to purify online.Using DC-steep pulse field to purify transformer oil online can be a good way to solve some of the deficiencies of the abovemethods.In this paper，we chose the power transformer oil which has been operated in 110kV substation for 17 years as the research object.Based on orthogonal experimental design，the DC-steep pulse field with different parameters has been divided to 9 groups to purify the dirty transformer oil to find out the primary and secondary order of each factor aswell as a setof optimal combination of parameters.Then，according to the optimal parameters obtained，the single variablemethod was used to study pulsewidth and pulse voltage factors.Dielectric losswasmeasured to judge the purification effect.

DC-steep pulse field;orthogonal experiment;single variablemethod;purification effect

TM89

A

1003-3076(2014)08-0038-05

2013-08-20

國家重點基礎研究發(fā)展(973)計劃(2009CB724505)、重慶市科委自然科學基金(CSTC，2010BB4219)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費(CDJRC10150007)資助項目

米彥(1978-)，男，湖南籍，副教授，博士生導師，從事電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷及高電壓新技術(shù)研究;張晏源(1987-)，男，重慶籍，碩士研究生，從事電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷及高電壓新技術(shù)研究。