魏新勞 裴震 聶洪巖 李林驁 王永紅 陳慶國

摘要：對于變壓器繞組而言，輕微匝間放電的發(fā)展可能會造成匝間短路甚至更嚴重的后果。因此，對變壓器繞組匝間局部放電的發(fā)展進行深入研究具有重要意義。在實驗室內構建了變壓器匝間絕緣局部放電試驗平臺，參照500kV電力變壓器線圈絕緣處理工藝要求，設計并制作了匝間絕緣局部放電試驗模型線圈，采用逐級升壓法對模型線圈施加試驗電壓，利用數(shù)字式局部放電檢測儀進行局部放電信號采集，在室溫下對變壓器匝間絕緣局部放電特征量和二維圖譜信息進行了系統(tǒng)的研究。得出了不同加壓持續(xù)時間下脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復頻率和脈沖功率的變化特征以及二維圖譜的相位分布信息。

關鍵詞：電力變壓器；匝間絕緣；局部放電；特征參量；二維圖譜

DOI：10.15938/j.emc.

中圖分類號：TM85文獻標志碼：A文章編號：

Partial discharge tests and researches in power transformer interturn insulation under step-stress

WEI Xin-lao，PEI Zhen，NIE Hong-yan，LI Lin-ao，WANG Yong-hong，CHEN Qing-guo

（College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：For the transformer winding， slight inter turn discharge may cause inter turn short circuit or even more serious consequences. Therefore， it is significant to study the development of partial discharge in transformer windings.Transformer turn to turn insulation partial discharge test platform was constructed in this paper， reference 500kV power transformer coil insulation processing requirements， designed and fabricated interturn insulation partial discharge test model coil， step-stress tests were applied to coil models， the digital partial discharge detector was used for partial discharge signal acquisition， interturn partial discharge characteristics， two-dimensional phase distribution were studied at room temperature.From the results， the variable characteristics of the pulse maximum magnitude and average magnitude， pulse repetition rate， pulse power and partial discharge messages of two-dimensional phase distributioncan be obtained in step-stress tests of different step-up keeping time.

Key words：power transformer；interturn insulation；partial discharge；characteristic parameter；two-dimensional phase distribution

0引言

大型電力變壓器在電力系統(tǒng)中處于核心地位，其安全穩(wěn)定運行對于整個電網及社會生活至關重要[1]。大量統(tǒng)計表明，絕緣缺陷是造成變壓器故障的主要原因[2-4]。對于繞組內絕緣，絕緣缺陷發(fā)展迅速，一旦發(fā)生事故將對整個電網帶來難以估量的后果[5]。

采用局部放電對絕緣狀態(tài)進行檢測已得到了國內外行業(yè)的普遍認同[6-8]。傳統(tǒng)局部放電特征參量（脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復頻率等）已得到廣泛研究，隨著計算機及數(shù)字化技術的發(fā)展，局部放電圖譜及相關統(tǒng)計參數(shù)研究受到了國內外學者越來越多的關注[9-10]。意大利R.Schifani，M. D. L. Del Casale對環(huán)氧樹脂的老化進行了研究，對比了在不同溫度下局部放電脈沖幅值的分布，指出Hqn（φ）的正半周和負半周偏斜度軌跡可用來推斷試樣的老化程度[11-12]；英國Dai J， Wang Z D等人基于針板電極模型，對油中不同含水量紙板的沿面爬電特性進行了研究，結論認為：高含水量的紙板不僅顯著降低了沿面爬電的起始放電電壓，同時更易于氣體放電通道的形成和發(fā)展[13]。在國內：文獻[14]分析了不同電壓類型對油紙絕緣起始放電特性影響，得出了不同電壓類型下局部放電起始放電電壓的相關信息；文獻[15-16]從局部放圖譜及相關統(tǒng)計參量的角度分析了絕緣老化狀態(tài)，得出了局部放電相位、圖譜偏斜度、翹度與老化時間的相關聯(lián)系；文獻[17]設計了變壓器匝間絕緣局部放電缺陷模型，對電熱聯(lián)合老化試驗過程中缺陷模型的局部放電信號進行了采集，采用主成分因子分析方法從傳統(tǒng)的局部放電統(tǒng)計算子中提取了新的主成分因子向量；文獻[18]研究了變壓器匝間絕緣在加速電劣化下炭化通道發(fā)展的統(tǒng)計性規(guī)律，得出了在恒壓加速電劣化作用下，匝間油紙絕緣局部放電缺陷即炭化通道沿宏觀電場的發(fā)展規(guī)律。

關于變壓器匝間絕緣局部放電研究還存在如下問題：

1）目前變壓器匝間絕緣試驗多以最簡單的兩個線段作為試驗模型進行研究，但是，這樣的試驗模型與實際變壓器線圈的形狀差異太大，而且沒有考慮變壓器線圈線餅間電場的作用；而實際變壓器線圈的匝間絕緣在工作過程中是要受匝間電場和線餅間電場的聯(lián)合作用的。

2）油紙絕緣局部放電試驗現(xiàn)象與外加電壓的方式、幅值、持續(xù)時間等試驗條件有關，絕緣的加速老化試驗方法主要分為恒壓法與逐級升壓法，逐級升壓法可以在相對較短的時間內獲得大量試驗數(shù)據(jù)，在局部放電試驗中被廣泛應用。目前關于變壓器匝間絕緣局部放電現(xiàn)象的研究多是在實驗室中采用恒定電壓進行的，實驗室階梯升壓條件下變壓器匝間絕緣局部放電發(fā)展規(guī)律是值得探討的問題。

本文參照500kV電力變壓器線圈絕緣處理工藝要求，設計并制作了變壓器匝間絕緣局部放電試驗線圈模型，采用逐級升壓法，系統(tǒng)研究了局部放電脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖重復頻率、脈沖功率等參量隨試驗電壓的變化規(guī)律，并對（φ-q）、（φ-n）二維圖譜進行了深入分析。

1試驗平臺與研究方法

1.1試驗平臺

試驗系統(tǒng)搭建在局部放電屏蔽室內，試驗系統(tǒng)主要由無局放試驗變壓器、保護電阻、局部放電檢測系統(tǒng)、試驗模型及試驗用油箱組成。

局部放電檢測采用HIPORRONICS DDX-7000數(shù)字式局部放電檢測儀，通過DDX-DA3分析模塊對局放信號進行處理，局放儀采樣速率為80MHz，檢測靈敏度為0.1PC。正式試驗前經測試，在試驗記錄最高電壓42 kV下背景干擾不大于2PC。圖1為試驗系統(tǒng)簡圖。

1.2試驗線圈模型及試樣處理

1.2.1 試驗線圈模型

試驗線圈模型用于研究500kV線圈匝間絕緣局部放電特征，線圈繞制用導線為單根扁銅導線，線規(guī)尺寸為2x10（mm），對應的標準圓角半徑0.65mm，導線匝絕緣厚度2.45mm。

線圈繞制方式如圖2所示，線圈共2餅，每餅8匝，引出線為2根，呈對稱分布。線圈內徑274mm，線圈外徑346mm，線圈厚度30mm。在線圈餅間均勻布置8個墊塊，墊塊厚度4.5mm并用白布帶進行餅間緊固。模型線圈整體示意圖如圖3所示。

圖2模型線圈繞制方法

Fig.2 Wingding way of coil model

1-高壓出線端；2-低壓出線端；3-高壓線圈；4-低壓線圈；

圖3模型線圈整體示意圖

Fig.3Overall Schematic of coil model

1.2.2試樣處理

試驗用油為昆侖牌25#變壓器油，新油經過濾油機加熱過濾后，其性能參數(shù)如表1所示。

理論上講，試樣的絕緣處理工藝應該按照實際500kV電力變壓器線圈處理過程進行?？紤]到線圈絕緣處理的主要目的是將線圈絕緣中的水分及氣隙限制在一個合理的水平[19]，同時考慮到試樣與實際電力變壓器在體積方面的巨大差異，決定以線圈絕緣中的含水量作為特征量，用它對試樣的絕緣處理過程進行控制。具體的操作流程為：將線圈模型放入真空干燥罐中加熱到105℃進行真空干燥，當線圈絕緣含水率符合真實變壓器要求時在90℃下進行真空注油，靜置24小時后密閉封存。

1.3試驗方法

本文采用逐級升壓法。為了準確觀察試樣線圈在局部放電起始階段的變化并盡量縮短試驗周期，根據(jù)預試驗的結果，設定6kV為起始電壓，6～18kV范圍內電壓級差為2kV，18kV以上電壓級差為6kV，在每級電壓下設置不同的加壓持續(xù)時間，共設定6、18、30、42、54min5種不同的加壓持續(xù)時間。在每種加壓持續(xù)時間進行10次重復性試驗，共計50個試驗。利用局放儀在每級電壓加壓結束前進行10組BLOCK（區(qū)塊）的數(shù)據(jù)記錄。

2試驗結果及分析

由于試樣擊穿時可能對局放儀造成損壞，所以在正式試驗前，作者進行了5次加壓持續(xù)時間為60min的預試驗以確定試驗記錄截止電壓，試驗結果如表2所示，最低擊穿電壓為48kV，所以實際試驗時設定局放記錄截止電壓為42kV。

2.1局部放電特征量分析

2.1.1脈沖最大幅值和脈沖平均幅值

在不同的加壓持續(xù)時間下，局部放電脈沖最大幅值與脈沖平均幅值隨試驗電壓的變化情況如圖4和圖5所示。從中可見：脈沖最大幅值與脈沖平均幅值整體上隨試驗電壓的增加而增大，變化趨勢基本一致，增長方式類似指數(shù)型。

實際試驗過程中，脈沖最大幅值變化趨勢存在如下特點：1）當試驗電壓比較小時，部分試樣脈沖最大幅值出現(xiàn)忽大忽小的波動式變化，但放電幅值相對較小，說明此時局部放電不僅強度小，而且放電不穩(wěn)定；2）隨著試驗電壓升高，幾乎所有試樣的局部放電脈沖最大幅值都出現(xiàn)了一個顯著增大的現(xiàn)象，即在某一電壓下（該電壓在不同試樣中并不相同）放電最大幅值出現(xiàn)明顯拐點，出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象，此現(xiàn)象說明在某一電壓（即出現(xiàn)拐點的電壓）之前，試樣整體絕緣性能較好，出現(xiàn)局部放電的位置較少且放電較弱，達到此電壓后，局部放電點的數(shù)量迅速增加，放電也隨之增強，導致局放量出現(xiàn)“突增”；3）在“突增”現(xiàn)象之后，隨著試驗電壓繼續(xù)升高，相當一部分試樣局部放電脈沖最大幅值增長率放緩，甚至個別試樣的局部放電脈沖最大幅值出現(xiàn)下降趨勢，說明此時放電已達到一個新的平穩(wěn)階段，已無大量新放電點增加，同時碳化通道的形成可能使局部電場均勻化，導致放電量較大的放電點放電熄滅[18]，所以個別試樣局放量出現(xiàn)下降趨勢。

2.1.2脈沖重復頻率

不同加壓持續(xù)時間下局部放電脈沖重復頻率隨試驗電壓的變化情況如圖6所示。

由圖可見：當施加電壓比較低時，所有試樣的脈沖重復頻率都會隨著電壓的升高而增大，當電壓超過某個數(shù)值（此數(shù)值隨試樣的不同而不同）以后，所有試樣的脈沖重復頻率又會隨著試驗電壓的升高而降低。

筆者認為出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于：在電壓較低時，出現(xiàn)局部放電的點較少，隨著電壓升高，出現(xiàn)了新的局部放電點，從而使測量到的局部放電脈沖更加密集，所以脈沖重復頻率會隨著電壓的升高而增大。當電壓升高到足夠高時，試樣中幾乎所有的絕緣薄弱點都出現(xiàn)了強烈的局部放電，這就導致脈沖重復頻率達到很高的數(shù)值，但是，當電壓繼續(xù)升高時，不僅不再有新的局部放電點出現(xiàn)，而且，由于強烈的局部放電所產生的熱量有可能使原來產生局部放電的絕緣缺陷處的紙質絕緣材料出現(xiàn)碳化，降低了絕緣缺陷處承擔的局部電壓甚至短路了絕緣缺陷，導致這些地方的局部放電強度減弱甚至熄滅，從而使脈沖重復頻率不僅不再隨電壓升高而增大，反而會下降。

在脈沖重復頻率經過了隨電壓升高而下降的過程以后，一些試樣的脈沖重復頻率隨電壓的進一步升高繼續(xù)進一步降低，這表明上面分析的過程隨著電壓的升高仍然在繼續(xù)。但是另一些試樣的脈沖重復頻率則隨電壓的進一步升高而增大，這表明有可能有新的、在更高電壓下才出現(xiàn)局部放電的絕緣薄弱點出現(xiàn)了局部放電。

由以上分析可知，脈沖重復率是多點放電共同作用的結果，當1個或幾個放電點放電熄滅、其它缺陷處放電又相對較弱時，脈沖重復率會顯著下降，反之，先出現(xiàn)的放電點的放電并未完全熄滅，新產生的放電點的放電已達到較強水平，脈沖重復率便得到加強。

2.1.3脈沖功率

不同加壓持續(xù)時間下局部放電脈沖功率（單位時間內電壓與幅值乘積絕對值的總和）隨試驗電壓的變化情況如圖7所示。從圖7可見：脈沖功率整體上呈上升趨勢，變化趨勢類似指數(shù)型。

在實際試驗中，發(fā)現(xiàn)個別試樣的脈沖功率幅值在試驗電壓較小時隨著電壓的升高而增大，但是當電壓增加到一定幅值以后脈沖功率幅值出現(xiàn)下降趨勢，而后隨著試驗電壓的增加脈沖功率幅值又迅速上升；另有個別試樣的脈沖功率幅值從試驗開始就長期維持在較低水平，但是當試驗電壓超過某一數(shù)值后（不同試樣中該數(shù)值并不相同），脈沖功率幅值出現(xiàn)“突增”。

2.2二維圖譜分析

在試驗過程中，記錄了不同加壓持續(xù)時間下局部放電的二維圖譜信息（主要包括Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ））。圖8為加壓持續(xù)時間24min時8號試樣典型二維圖譜變化趨勢，圖中從上至下施加電壓依次為16、18、24、30、36、42kV。

實際試驗過程中Hqmax（φ）圖譜分布曲線形狀多為“簇狀”脈沖較為連續(xù)且分布密集，在起始局部放電電壓下，脈沖信號主要分布在0°～65° 、105°～245°、280°～360° 之間，隨著試驗電壓的升高，脈沖相位寬度略有增大，但變化并不十分明顯，在試驗記錄后期有部分試樣脈沖相位寬度出現(xiàn)略微縮小趨勢。

Hqn（φ）圖譜分布曲線形狀多為“豎條”形，脈沖寬度較窄且分布較為稀疏；在起始局部放電電壓下，高幅值脈沖主要分布在50°～70°、100°～120°、240°～260°、280°～300°之間，隨著試驗電壓的升高，脈沖相位寬度幾乎沒有變化；在試驗記錄后期，隨著試驗電壓的進一步增加，脈沖信號寬度與脈沖密集程度明顯增大，放電脈沖主要分布在1、3象限45°～90°和225°～270°；部分試樣脈沖在2、4象限上也有分布，主要集中在90°～135°和270°～315°，但脈沖分布較為間斷。

Hn（φ）圖譜分布曲線形狀總體由“簇狀”和 “Δ”形組成；在起始局部放電電壓下，脈沖信號在1、3象限主要分布在0°～55°和180°～235°，脈沖幅值低矮平坦；2、4象限主要分布在105°～180°和280°～360°，脈沖幅值相對較高且較為陡峭。

在試驗記錄過程中，脈沖相位并沒有明確的發(fā)展方向， 但在試驗記錄前期與中期，幾乎所有試樣相位隨試驗電壓的增加逐漸由55°和235°向-90°和90°方向發(fā)展，試驗記錄后期不同試樣表現(xiàn)出了不同的發(fā)展趨勢，有的朝此方向繼續(xù)發(fā)展，有的則基本保持不變，但多數(shù)試樣表現(xiàn)出與此方向相反的發(fā)展趨勢。整個試驗期間，Hn（φ）圖譜在1、2象限和3、4象限交界處附近，始終存在類似“U”型的真空區(qū)域。

3結論

本文通過對變壓器匝間絕緣局部放電特征量、二維圖譜進行分析，初步得到以下結論：

1）在不同加壓持續(xù)時間下，脈沖最大幅值、脈沖平均幅值、脈沖功率總體上隨施加電壓的增大而增大，變化規(guī)律較為一致，呈類似于指數(shù)型增加；

2）在不同加壓持續(xù)時間下，脈沖重復頻率隨施加電壓的增大會出現(xiàn)先增大而后又下降的變化規(guī)律，使脈沖重復頻率隨施加電壓升高出現(xiàn)局部極大值；

3）放電脈沖最大幅值、脈沖平均幅值隨電壓升高出現(xiàn)的“突增”現(xiàn)象是局部放電由平穩(wěn)放電階段向快速發(fā)展階段過渡的標志；

4）Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）圖譜隨試驗電壓的增加，脈沖相位并未出現(xiàn)明顯的變化趨勢，但在起始局部放電電壓下，Hqmax（φ）、Hqn（φ）和Hn（φ）圖譜中放電脈沖信號分布出現(xiàn)明顯相位區(qū)域，各放電相位區(qū)域中脈沖信號波形表現(xiàn)出明顯的形狀特征。

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