劉熒　蔣松柏（無錫供電公司，江蘇無錫　214028）

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變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)中的油流帶電現(xiàn)象

劉熒蔣松柏
（無錫供電公司，江蘇無錫214028）

【摘 要】隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，變壓器的容量和電壓不斷增大，制造廠為了降低制造成本，一般都采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式。而變壓器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部絕緣損壞的原因是很難一概歸結(jié)于絕緣強(qiáng)度不足的。即使進(jìn)行油中氣體分析也很難斷定。靜電的諸方面因素（主要是油流帶電）對(duì)變壓器正常運(yùn)行的影響，在國內(nèi)外引起了大家廣泛注意。本文主要論述變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻中的油流帶電粒子的產(chǎn)生、對(duì)變壓器的影響、采取的措施。

【關(guān)鍵詞】帶電粒子靜電流速碰撞

1　靜電電荷產(chǎn)生機(jī)理

靜電電荷的產(chǎn)生，主要有激發(fā)、電離等。在電離中又有電子碰撞電離、光電離和熱電離，另外還有場致發(fā)射。其中與流動(dòng)油有關(guān)的是碰撞電離。

電子碰撞電離：由于某種原因，在變壓器油中肯定會(huì)有電子（帶電粒子）的存在。這些電子在電場中受到電場力的作用被加速，自由行程長的電子獲得足夠大的動(dòng)能（超過其電離能量）以至于與分子碰撞就會(huì)電離。

熱電離：當(dāng)周圍介質(zhì)的溫度上升時(shí)，則分子也能獲得其大于電離的能量，于是分子間的碰撞引起的電離也就多起來了。

場致發(fā)射：當(dāng)電極表面的場強(qiáng)達(dá)到一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值時(shí)，即使溫度很低的情況下，電離也可能產(chǎn)生。

2　變壓器油中帶電粒子的產(chǎn)生

水分的影響：變壓器油和絕緣件中總是有水分存在的。水在變壓器中有兩種方式存在，一種是懸浮狀（一些大小不同的水珠懸浮油中），另一種是溶解狀（以分子的形式分散于油中）。一般認(rèn)為，對(duì)油的擊穿電壓有影響的是懸浮狀的水。而溶解狀的水，因高度分散，不能形成“小橋”，對(duì)油的擊穿電壓影響甚微。

由于變壓器絕緣件在加工過程中吸潮，干燥得不夠，在空氣中暴露的時(shí)間過長，灰塵和其他雜物沉淀在其表面上，都會(huì)吸附有水和帶電粒子。

變壓器油中的絕緣件含量為2%時(shí)，也不會(huì)使其絕緣強(qiáng)度下降10%。沒有形成“小橋”的水珠，不能促使絕緣強(qiáng)度馬上降低，但是能夠使放電起始電壓急劇下降，如圖1所示。當(dāng)油浸紙的含水量達(dá)到1%時(shí)，起始放電電壓將下降一倍。因?yàn)樽儔浩髦械教幎即嬖谥妶龅淖饔茫种械囊恍┓肿颖浑婋x成H+和OH-，而成為帶電粒子。由于H+和OH-具有遷移率大，體積小的特點(diǎn)，容易移動(dòng)于介質(zhì)表面，使放電起始電壓降低。所以，盡量除去微量水分，對(duì)降低局部放電量來說是十分重要的。

在相互摩擦的兩種介質(zhì)表面，溫度會(huì)上升。特別是變壓器油和絕緣紙都是對(duì)熱的絕緣體，會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)。隨著摩擦的次數(shù)增加，帶電量也隨之增加，到達(dá)飽和值時(shí)，摩擦也能引起分子的機(jī)械分裂，這也會(huì)使帶電粒子增加。

油在管內(nèi)流動(dòng)引起的帶電：

油浸變壓器是通過油循環(huán)把變壓器芯體發(fā)出的熱量帶到冷卻器進(jìn)行冷卻的。油在管內(nèi)的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生帶電粒子，如圖2b所示。在變壓器中，油和輸油管的管壁界面上存在的負(fù)離子被管壁吸附，這種離子的移動(dòng)如圖2a所示。在絕緣紙板上也是同樣性質(zhì)的離子被吸附。這樣就形成了電偶層。在界面上產(chǎn)生的電荷是不均勻分布的。因此，變壓器油的帶電粒子從一開始就在其中。

隨著變壓器的油流動(dòng)，電偶層分離并帶走，形成電流。這個(gè)電流可稱為沖流電流或線電流。另一方面，粘附在管壁上的離子由于它相對(duì)應(yīng)的離子完全消失，而從束縛中被釋放出來。一部分在復(fù)合過程中被中和，另一部分殘留的過剩離子通過管壁和接地線通向大地。

在變壓器中油流的路徑有二部分，一部分在變壓器繞組中，或芯體與外殼之間。一部分在連管與散熱器內(nèi)。想通過減少油路長度，來減少?zèng)_流電流（帶電粒子）是根本不可能的。只有減少油的流速才能取得降低沖流電流的理想效果。

圖1　

圖2　管內(nèi)的電偶層形成及其分離

油流速度的影響：油的平均流速和泄漏電流的關(guān)系如圖3所示。泄漏電流和油流產(chǎn)生的靜電電荷分離時(shí)聚積在油中的帶電粒子的沖流電流相當(dāng)。從圖3中可看出，在低流速內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)隨速度成正比增加，而在高流速時(shí)，它隨油速的平方成比例增加。另外，油的平均流速越大也就是潛油泵的轉(zhuǎn)速越高，其軸承的磨損就更加嚴(yán)重。軸承磨損產(chǎn)生的金屬粉末會(huì)增加變壓器油的導(dǎo)電性，使變壓器油的起始放電電壓降低，給變壓器正常運(yùn)行帶來影響。所以，采用低轉(zhuǎn)速的潛油泵是一個(gè)好辦法。目前在某些重要的變電所里，直接采用油浸自冷式變壓器。

圖3　平均流速與泄漏電流

圖4　擊穿電壓與油流速度的關(guān)系交流為有效值　 直流為平均值　沖擊為峰值

油溫的影響：變壓器內(nèi)部油溫是不斷變化的。油溫的升高，對(duì)帶電粒子起促進(jìn)作用。兩種不同溫度下的泄漏電流是不同的。另外，在低流速低溫度的泄漏電流反而比高溫度時(shí)大。這是因?yàn)榱魉俚蜁r(shí)帶電粒子的復(fù)合作用較大，同時(shí)帶電粒子有向低溫滲透的作用。這一點(diǎn)說明了變壓器的底部更容易出現(xiàn)靜電電場的作用。為此有的變壓器散熱器離變壓器底部有一段距離。另外，油，特別是絕緣紙板的固有電阻隨著溫度的升高而急劇降低。為此變壓器運(yùn)行的溫度不宜過高，但也不能讓變壓器的運(yùn)行溫度過低，一般在40~60℃左右。

②工程在運(yùn)行初期的供水價(jià)格應(yīng)充分體現(xiàn)工程的公益性，主要滿足工程正常運(yùn)行維護(hù)以及償還工程貸款的要求，并減免征收營業(yè)稅及其附加。在工程運(yùn)行初期，除計(jì)提工程正常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用外，固定資產(chǎn)折舊按照還貸要求計(jì)提；固定資產(chǎn)折舊滿足還貸需求，將不計(jì)提利潤；如果固定資產(chǎn)折舊不足以償還貸款本金，按照滿足歸還貸款本金需要計(jì)提利潤，但上限不能超過《水利工程供水價(jià)格管理辦法》規(guī)定的上限。

3　帶電粒子對(duì)變壓器的影響

對(duì)擊穿電壓的影響：在板對(duì)板的電極下，測得擊穿電壓與油流速的關(guān)系。在流速5cm/s左右，稱為低流速；流速為10～20cm/s時(shí)為中流速；流速在30～50以上cm/s時(shí)稱為高流速。它們的擊穿電壓有如下關(guān)系：

低流速時(shí)的擊穿電壓>中流速擊穿電壓>高流速擊穿電壓。

當(dāng)油的流速接近或等于零時(shí)，在交、直流電壓作用下，微量的氣體、雜質(zhì)容易形成“小橋”，使其電氣強(qiáng)度下降。流速開始增加時(shí)，油中形成“小橋”的可能性逐漸減小，同時(shí)產(chǎn)生的帶電粒子也較少，此時(shí)電氣強(qiáng)度有所提高。但是，隨著流速的再增加，產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)馬上增加，這時(shí)，影響電氣強(qiáng)度的主要是帶電粒子，油的電氣強(qiáng)度又開始下降。流速與油的電氣強(qiáng)度的關(guān)系中有一個(gè)極大值，同時(shí)，在一定流速下，油的電氣強(qiáng)度與靜止不動(dòng)的油相同。從圖4可以看出，油的流速對(duì)擊穿電壓是有影響的。

對(duì)局部放電的影響：由于靜電產(chǎn)生的帶電粒子的積聚，將產(chǎn)生直流電場。當(dāng)這個(gè)電場強(qiáng)度大于附近電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生局部放電。

靜電電荷的積聚，將在交流電場強(qiáng)度較低的區(qū)域里產(chǎn)生靜電場。當(dāng)這個(gè)靜電場場強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部放電。局部放電使分子分離，又產(chǎn)生電子和離子電子被電場加速向帶正電部分移動(dòng)，在被中和后放電終止。但是，由于靜電作用將再次引起帶電電荷的積聚。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí)，又產(chǎn)生局部放電。這種過程一經(jīng)開始就會(huì)反復(fù)地進(jìn)行。絕緣機(jī)能喪失，導(dǎo)致變壓器事故。

雖然靜電電荷積累的能量有限，很少能達(dá)到急劇放電的程度，但是變壓器的引線和繞組中具有可觀的電流值，當(dāng)靜電引起的局部放電使附近絕緣體的絕緣機(jī)能受到損傷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生擊穿。繞組或引線將繼續(xù)給該部分提供較大的功率，就會(huì)產(chǎn)生大電流放電，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故。

另外，過去認(rèn)為，運(yùn)行的變壓器油的老化，其主要原因是空氣的氧化作用引起。但是，由于采用了隔膜式密封儲(chǔ)油柜以后，變壓器油已不再與空氣接觸了。但油仍然有老化現(xiàn)象，這種老化的原因主要是油中帶電粒子的作用。

實(shí)例：

唐頭變OSFPSZ7—120000/220 原來是YF—80 10臺(tái)的散熱器，電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速，出口壓力高，絕緣油的流速高。經(jīng)改造后使用改用為YF—200 4臺(tái)的低流量，高效率，低轉(zhuǎn)速的散熱器。散熱的效果與YF—80 10臺(tái)的散熱器一樣。

改造后前油中帶電大于200μc/mL 改造后為50μc/mL。

揚(yáng)名變SFPS7—120000/220原來是YF—80 12臺(tái)的散熱器，電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速，出口壓力高，絕緣油的流速高。經(jīng)改造后使用改用為YF—250 4臺(tái)的低流量，高效率，低轉(zhuǎn)速的散熱器。散熱的效果與YF —80 12臺(tái)的散熱器一樣。

改造后前油中帶電大于250μc/mL 改造后為40μc/mL。

4　結(jié)語

從以上分析可知，如果能做到以下幾個(gè)方面，變壓器運(yùn)行的可靠性會(huì)有一定提高。

（1）改變高流速，小流量和高轉(zhuǎn)速的冷卻系統(tǒng)，采用低流速，高效率和低轉(zhuǎn)速的冷卻系統(tǒng)。

（2）在產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程中，應(yīng)當(dāng)縮小絕緣件在空氣中暴露時(shí)間。絕緣件應(yīng)放在恒溫恒濕度的干凈庫房里。

（3）定期對(duì)變壓器油進(jìn)行靜電電荷（帶電粒子數(shù)）的抽樣檢查。這可能是確保變壓器正常運(yùn)行的有效措施之一。

（4）靜電放電一般發(fā)生在有效流速25cm/s以上的區(qū)域，在20cm/ s以下的流速中一般不發(fā)生放電，但為了安全起見對(duì)此留有余裕度，一般在10～5cm/s為好。

參考文獻(xiàn)：

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［5］張圓貴.氣相色譜法測定絕緣油中測量水分.《安徽電力》，1984，No.2，33～34.

作者簡介：劉熒（1962—），男，工程師，無錫市益能電力電器有限公司總經(jīng)理；蔣松柏（1951—），男，江蘇無錫人，無錫供電公司變壓器檢修高級(jí)技師。