西安西變組件有限公司 王 眾 劉 博 朱建華 梁 棟 翟海文

1 引言

電力變壓器承擔整個電網(wǎng)系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，是電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。變壓器安全運行狀態(tài)關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

2 變壓器局部放電原因

2.1 尖角與毛刺

變壓器場強設(shè)計與制造工藝關(guān)系到局部放電水平，通常需要將高電場量均勻分布。處于高電場的導體與絕緣體要做到表面光滑圓潤無棱角。部分生產(chǎn)廠家由于制造廠設(shè)計不當或者是存在加工工藝等因素，變壓器內(nèi)部絕緣和金屬表面很容易有尖角和毛刺。因此，在變壓器設(shè)計與制造過程中必須追求精致，盡量消除金屬電極和尖角毛刺的磨光處理。

2.2 懸浮導體

變壓器運行中金屬緊固件和屏蔽件與導體或者是接地部分的接觸要保持良好狀態(tài)，變壓器內(nèi)部應(yīng)無懸浮狀態(tài)金屬的出現(xiàn)。但是由于變壓器運行時產(chǎn)生振動可能導致部分金屬部件脫落，原本的接觸狀態(tài)被破壞而成為懸浮導體，在強交變電場作用下處于懸浮狀態(tài)的金屬部件產(chǎn)生懸浮電位，這種狀態(tài)足以產(chǎn)生油隙擊穿的場強所引發(fā)局部放電。為此，大容量變壓器為降低各種結(jié)構(gòu)件的功能消耗，通常需要在油箱壁以及結(jié)構(gòu)件上安裝由電工鋼組成的屏蔽材料，這種鐵屏蔽多通過接地螺栓組成[1]。

2.3 空隙與氣泡

變壓器中固體絕緣中氣隙與絕緣油氣泡也是產(chǎn)生局部放電的主要原因。浸油處理時油不能浸入空腔，產(chǎn)生間隙。真空注油真空度不足或維持真空時間不夠，注油過程會產(chǎn)生氣泡。由于交變電廠環(huán)境下介質(zhì)中的電場強度和介電常數(shù)成反比，真空介電系數(shù)低于絕緣材料，導致介質(zhì)內(nèi)的氣泡等所承受的電場強度遠遠高于相鄰的絕緣材料，從而很容易擊穿出現(xiàn)局部放電情況。

3 變壓器局部放電檢測技術(shù)

3.1 高頻電流檢測

高頻電流檢測是在脈沖電流基礎(chǔ)上發(fā)展來的，脈沖電流法是局部放電領(lǐng)域內(nèi)研究較為廣泛的一項技術(shù)，該技術(shù)由于f2≤500kHz和頻帶窄100kHz≤△f≤400kHz等引發(fā)獲取信息量少等缺陷。針對這一缺陷，國內(nèi)外學者采用Rogowski coils制作的HFCT，用以提取更高頻帶內(nèi)的脈沖電流信號來獲取更豐富的檢驗信息。該技術(shù)使用時可將高頻電流傳感器安裝在各種接地線上，檢測由局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流。在這個過程中提取放電量、相位和重復率等。高頻電流傳感器為鉗形，安裝快捷方便，檢測過程中不需要改變運行方式，且在檢測回路與待測變壓器中使用磁耦合連接，可減少電池干擾。國內(nèi)學者將該技術(shù)成功運行在變壓器帶電檢測中，系統(tǒng)測量帶寬為3～30MHz，可有效實現(xiàn)信號分離與識別，輔助判斷放電類型與嚴重程度，以及及時發(fā)現(xiàn)由變壓器磁屏蔽所導致的放電燒蝕隱患。

3.2 超聲波檢測技術(shù)

超聲波技術(shù)運用于局部放電檢測中，是一種快速電荷釋放與遷移的過程，產(chǎn)生電流脈沖會打破放電點周圍電場應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力與粒子之間的平衡，引起介質(zhì)之間的振動和疏密變化形成超聲波。在傳播上被分為接觸式超聲波傳感器與非接觸式兩種，變壓器局部放電檢測通常使用接觸式I超聲傳感器，通過耦合劑將傳感器貼合在變壓器外殼上，檢測變壓器內(nèi)部局部放電情況，檢測過程中不需要拆動任何部件。但需注意超聲波傳播中的嚴重衰減和畸變情況，這導致超聲波檢測多作為輔助手段而不作為主要的檢測技術(shù)。

3.3 特高頻檢測技術(shù)

特高頻檢測技術(shù)對局部放電產(chǎn)生的特高頻信號波段進行檢測，電力設(shè)備內(nèi)部局部放電時電流脈沖會輻射出不同頻率范圍內(nèi)的電磁波。放電間隙小且絕緣強度比較高時，會產(chǎn)生陡度較大的電流脈沖，輻射電磁波頻段極高。特高頻檢測法按照檢測頻帶劃分為寬頻帶和窄頻帶，寬頻帶是將檢測頻帶內(nèi)所有信號都置于檢測中，窄帶檢測是選取某一段送入檢測系統(tǒng)中。實際檢測中這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢。寬帶檢測可避免信號遺漏，但是信噪比低，不利于分析；窄帶則通過選擇頻道，除了目標頻道外的干擾信號都可以有效抑制，但信號檢測能量受到限制[2]。

3.4 油中溶解氣體檢測法

該檢測技術(shù)是溶解氣體組分與含量，是監(jiān)視充油電氣設(shè)備安全運行的有效措施，主要是監(jiān)測判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障中存在的氣體。變壓器油紙絕緣中出現(xiàn)局部放電時產(chǎn)生的氣體有H2、CH4、CO、C2H2等。變壓器油內(nèi)局部放電產(chǎn)生的氣體濃度達到預警值不是瞬態(tài)的，而是需要時間累積，氣相色譜檢驗結(jié)果有時延性，油中溶解氣體檢測法可檢測早期潛伏的故障，但是對突發(fā)性放電故障的判斷能力相對較弱。目前，該檢測技術(shù)只能判斷變壓器內(nèi)部是否存在局部放電情況，無法實現(xiàn)定量判斷，無法定位局部放電的位置，這也是目前該技術(shù)在使用過程中存在的缺陷。

表1 變壓器局部放電檢測方法

4 變壓器絕緣油的放電試驗研究

4.1 試驗系統(tǒng)與接線

由圖1可知，該變壓器局部放交流高壓實驗電源，容量為200kVA，T1表示隔離變壓器，隔離實驗回路與進線電源，抑制電源端產(chǎn)生的諧波對整個電路產(chǎn)生影響。T2為自耦合變壓器，T3為升壓變壓器，380V工頻交流輸入電壓后，經(jīng)過隔離、自耦合和升壓設(shè)備，輸出0～200kV試驗電壓，限流電阻為10KΩ，在試品擊穿時起到限流作用來保護試驗設(shè)備。JFD-2010為多通道放電檢測儀，符合IEC 60270局部放電測量標準，用于系統(tǒng)穩(wěn)定和靈敏度強的局部放電檢測中。高頻電流傳感器卡在模型接地線上，傳感器通過同軸電纜和信號調(diào)理單元的不同通道相連接，經(jīng)過放大與調(diào)理后由Lecroy高速示波器來采集。

4.2 變壓器局部放電模型的設(shè)計

為研究變壓器油中的放電特性，因此設(shè)計出試驗油杯和油箱，油杯體積小巧且靈活方便。油中局部放電會導致絕緣油劣化。通過試驗后為降低油質(zhì)低劣化對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，需要更換油。由于填滿油杯所需要的變壓器油體積小于油箱，可以讓試驗的經(jīng)濟性和可靠性提升。根據(jù)變壓器內(nèi)絕緣存在的典型缺陷設(shè)計制作出五種局部放電模型，具體有以下幾種：

一是油中氣隙放電模型，高壓與接地端均選擇鋁制圓盤形電極，使用環(huán)氧樹脂澆筑成直徑34mm、高14mm的圓柱體中設(shè)計人為氣隙缺陷，倒?jié)M25號變壓器油。二是油中懸浮放電模型，高壓與地端為鋁制圓盤形電極，在澆筑的環(huán)氧樹脂中加入厚度為0.8mm銅片，倒?jié)M25號變壓器油。三是油中沿面放電模型，該模型中高壓與接地端均為鋁制圓盤形電極，在環(huán)氧樹脂澆筑的圓柱體中設(shè)置凸起小銅柱來接觸高壓電極，倒?jié)M25號變壓器油。四是油中尖端放電模型，高壓端設(shè)置20mm高的鋁制針尖電極，接地端設(shè)置直徑為34mm的鋁制圓盤，調(diào)整針尖電極與接地電機間的空氣間隙度，可控制放電量，倒?jié)M25號變壓器油。五是油中金屬顆粒放大模型，高壓與接地端為鋁制圓盤形電極，金屬顆粒為10顆直徑1.5mm小鋼珠，倒?jié)M25號變壓器油。

4.3 試驗步驟

按照上述模式來布置，連接好試驗電源和儀器設(shè)備、局部放電系統(tǒng)、示波器后實現(xiàn)了現(xiàn)場布置。使用局部校準儀在耦合電容處對數(shù)字局部放電檢測系統(tǒng)進行校準。在試驗中從零開始逐步升高電源電壓，當電源電壓上升到最高值50kV，確認試驗電源和局部耦合裝置無放電的情況，如有需要排除缺陷，記錄實驗儀器的放電量背景。從零開始記錄下數(shù)值變化，緩慢降壓至零，接入待驗證的局部放電缺陷模型。從零開始，逐步升高電源電壓，直到數(shù)字式局放儀檢測到放電信號，此時記錄下加電壓值和放電量，觀察示波器采集信號的波形。

將電壓升高到極限擊穿臨界點，觀察并且記錄電壓升高放電量和脈沖波形變化情況，隨時觀察放電情況。降壓至零后，調(diào)整或者是更換局部模仿，后降壓至零整理實驗現(xiàn)場。

4.4 局部放電試驗分析

4.4.1 油中氣隙的局部放電

模型電壓加至5kV，局部放電量為790pc。為研究該技術(shù)中放電頻域特征，對所測量信號進行FFT變換，將頻率集中在500MHz至1GHz的范圍內(nèi)，出現(xiàn)峰值的頻率為500MHz、600MHz、750MHz、850MHz附近。連續(xù)采取多個高頻脈沖，繪制放電PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對幅值進行歸一化處理。

4.4.2 油中懸浮的局部放電

根據(jù)模型加壓到6kV，局部放電量可達到1304pc。懸浮放電特征比較明顯，在信號頻譜內(nèi)，分布范圍在0～1.1GHz，幅值較大的頻域在250～300MHz、250～830MHz。連續(xù)采集多個脈沖信號后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對幅值進行歸一化處理。

4.4.3 油中沿面的局部放電

模型加壓到的4kV，局部放電量為265pc，高頻電流檢測信號與特高頻檢測信號對應(yīng)性良好，為探究特性，對所測量信號進行FFT變換，頻域分布范圍為200MHz至1.5GHz，集中在500～900MHz，250MHz、1.1GHz、1.25GHz這四個頻段附近。連續(xù)采集多個脈沖信號后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對幅值進行歸一化處理。

4.4.4 油中組分階段放電

加壓到17.8kV時出現(xiàn)局部放電量小于7pc。連續(xù)加壓到32kV后模型擊穿，放電量沒有顯著變化，多次試驗均為同樣情況，得出這種狀態(tài)下放電最小的結(jié)果。沒有檢測到明顯信號，偶爾出現(xiàn)一根與高頻電流法測量到的信號一簇對應(yīng)的情況，可能與油中尖端放電信號主要集中在低頻部分，無法被特高頻檢測法檢測到有關(guān)系。

4.4.5 油中金屬顆粒的放電

在這模型環(huán)境下，加壓到16.6kV后開始放電，放電量為36.8pc。油中的金屬顆粒物放電幅值分布廣泛，放電時間不均衡，放電效應(yīng)并不明顯，但是在整個工頻范圍之內(nèi)有放電信號分布。使用高頻與特高頻均可以檢測到明顯放電信號，并且兩種檢測方式可以測量到顯著的脈沖對應(yīng)性[3]。為研究頻域特征，進行FFT變換，該頻域分布范圍為200MHz至1.1GHz，集中在200～900MHz，連續(xù)采集多個脈沖信號后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對幅值進行歸一化處理。發(fā)現(xiàn)在0～360°相位內(nèi)有分布但是無聚集現(xiàn)象，幅值范圍為0～50%，因此放電脈沖幅值出現(xiàn)無規(guī)律是油中金屬物放電的緣故。

綜上，本文針對變壓器絕緣油中的局部放電進行了相關(guān)研究，設(shè)計出典型的缺陷模型，搭建試驗平臺結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來進行分析，記錄下試驗結(jié)果，驗證檢測方式的有效性與合理性?；诓煌夹g(shù)之間的差異，這一特征也就可以作為判斷絕緣缺陷的特征。