基于针板模型变压器油中的电晕放电特性及产气规律

安丰彩 张科达

1.山东电力高等专科学校 山东 济南 25000；2.宁波鄞州供电局 浙江 宁波 315100

0 引言

在电场和热的作用下采用油-纸绝缘结构的电力变压器，其绝缘材料将会逐渐老化和分解，产生各种低分子及二氧化碳、一氧化碳等气体［1］。油中尚未饱和，分解出的气体将以分子的形式溶解于变压器油中，当变压器内部发生故障时，油中溶解气体的含量、组分及产气率取决于故障的严重程度和故障点能量的释放形式，因此，根据气体色谱分析的结果即可判定设备有无内部故障，诊断其故障类型，并推定故障的严重程度及发展趋势等［2］。将此方法称为油中溶解气体分析法 （Dissolved Gases Analysis，简称DGA），它作为目前电力系统对油浸式电力设备常规使用的故障分析手段之一，对诊断变压器内部潜伏性故障及其发展程度上效果显著，且该法无需停电试验，方便用于在线监测和离线检测，因此，自1997年颁布执行的电力设备预试规程后，变压器油中溶解气体分析始终被放在首要的位置上［3］。

因此，本文通过针板模型模拟变压器中的电晕放电故障，研究变压器局部放电机理和发展特性，并着重研究局部放电发展过程中的油中溶解气体的变化规律。通过对变压器加压使其产生局部放电，对油中溶解气体进行气相色谱分析，试图寻找局部放电与油中溶解气体的对应关系，以便通过对油中溶解气体含量的监测代替局部放电的直接监测。由于恒压法则更接近实际运行的电力变压器，本文采用恒压法，并基于针板模型对油中电晕放电特性及产气规律进行研究。

1 实验平台及实验方案的确定

1.1 变压器局部放电模拟系统

在试验时，所有变压器内绝缘典型缺陷模型都浸在模拟变压器油箱中并置于专门设计的恒温箱内，通过施加工频电压来模拟变压器内绝缘典型局部放电。变压器局部放电模拟系统如图1所示。

图1 变压器局部放电模拟系统

其中模拟油箱由有机玻璃材料制成，尺寸为Φ220mm（直径）×250mm（高），恒温箱由不锈钢板制成，尺寸为600mm（长）×550mm（宽）×450mm（高）。该模拟系统通过变压器油循环来模拟变压器绝缘油循环，通过恒温箱来控制变压器绝缘油的温度。

1.2 局部放电测量

局部放电模型实验接线如图2所示，其中试验电源由自耦调压器T1和工频无局放试验变压器T2构成［4］，额定电压为60kV，额定容量为60kVA；保护电阻R：电阻值为5.3kΩ，额定电压为60kV，在试品击穿时，起限流作用，保护试验设备；耦合电容器CK：电容值为1000pF，耐受电压60kV，作为局部放电回路的耦合器件，并同时作为分压器使用，在试验时可以对局部放电波形进行相位校正；D是罗氏线圈电流传感器，作为局部放电信号的监测单元；CX为变压器内绝缘局部放电模型，放在专门设计的模拟油箱中；示波器F：测量局部放电信号，显示、采集和存储信号波形，示波器的电源由隔离变压器引入，主要用于防止高压试验时由于地电位升高造成仪器的意外损坏［5］。

1.3 电晕放电模型

当变压器在设计制造时，内部绝缘出现绝缘弱点是不可能完全避免的。由于油中存在气泡，固体绝缘材料中存在空穴或空腔，某些部位存在尖角、毛刺、漆瘤，金属部件或导体之间接触不良等缺陷，在运行电压下，往往会产生局部放电［6］。本文主要研究基于针板模型的变压器油中放电特性及产气规律，其放电模型如图3所示。

图2 局部放电实验接线

图3 电晕放电模型

为用于模拟油中电晕放电的针板电极系统。针颈直径0.2mm，针尖曲率半径小于0.1mm。针与板电极间放置厚度为1.0mm的绝缘纸板，针尖到纸板距离d为10mm。

2 基于针板放电模型的油中电晕放电特性及产气规律

2.1 放电特性

1）局部放电的时域特征

在盛满油的模拟变压器油箱中，进行油中电晕放电试验。该模型的起始放电电压为13.8kV。将试验电压升至20.7kV保持不变，长时间持续加压，预期进行36h的放电研究，制定合理的取样间隔。图4给出了一个电晕模型在放电发展各阶段的时域特性。

从图4中可以看出，电晕放电的最大幅值表现出先减小后回升的趋势，一直到试验结束。在加压前期，外施电压较高，放电幅值很高，但油中电晕放电极不稳定；不久放电幅值变小，放电次数也减小；加压中后期，放电幅值又有所回升，相位固定在70°和250°左右，相角较为稳定。

图4 电晕放电波形

2）局部放电的基本特征参量

油中电晕放电最大幅值参量随时间变化的曲线如图5所示。从图中可以看出，电晕放电的最大幅值表现出先减小后增大的趋势，在加压前期，起始放电剧烈，然后放电幅值减小；在加压中后期，放电有所加强，幅值和频率都有所增大。

图5 电晕放电幅值随时间的变化曲线

2.2 产气规律

在盛满油的模拟变压器油箱中，进行油中电晕放电试验。油中电晕放电模型起始放电电压为13.8kV，根据前期试探性实验，选取实验电压为20.7kV，不同时刻取油样进行色谱分析（放电初期取样间隔为0.5h、1h、2h，之后间隔时间为2h，试验为期36h），每种气体含量随时间变化的曲线如图6所示。

图6 油中电晕放电气体变化曲线

可以看出：油中电晕放电发展过程中，放电初期，各种特征气体增长比较快，但随着时间的推移，各种气体含量增长速率趋缓甚至有所下降，到实验中后期，各个气体的含量变化量减小，趋于稳定。主要特征气体H2和CH4一直保持稳步上升的趋势，其中CO、C2H4和C2H2试验前期波动较大，C2H6略有波动，含量呈上升趋势。

可能的原因是：放电开始阶段，放电比较剧烈，在电场作用下，H2、CO增长较快，气体量也比较大，类似升压法，由于针极附近是电场集中区域，能量消耗主要是对针极周围的油作用，在试验后，发现纸板没有明显的炭化痕迹，说明绝缘纸板劣化不是很强烈，故的H2量要比CO的大；放电一段时间以后，从示波器观察到放电幅值较为稳定，放电量有小幅度的波动，能量处于慢慢积累过程，局放没有进一步加强，所以各种气体变化都不大甚至部分有所下降。而C2H4和C2H2是温度较高的条件下才容易产生，而电晕模型两电极之间有1厘米的间隙，所以散热较好，所以C2H4和C2H2上下波动较大。达到放电末期后，放电量并没有发生多大变化，同时各种气体含量在油中也趋于饱和，所以各种气体的含量相对较为稳定，变化趋势较为平缓。

3 结论

论文通过对变压器早期故障特点和常见内部故障分析，以局部放电和油中溶解气体为特征量，设计了基于针板模型的变压器油中放电特性及产气规律的实验方案。在针板模型下研究了基于油中溶解气体产生的变化规律，取得的结论主要有：

1）油中放电的最大幅值表现出先减小后回升的趋势，一直到试验结束。在加压前期，外施电压较高，放电幅值很高，但油中放电极不稳定；不久放电幅值变小，放电次数也减小；加压中后期，放电幅值又有所回升，放电相位集中在70°和250°左右。

2）油中放电发展过程中，放电初期，各种特征气体增长比较快，但随着时间的推移，各种气体含量增长速率趋缓甚至有所下降，到实验中后期，各个气体的含量变化量减小，趋于稳定。主要特征气体H2和CH4一直保持稳步上升的趋势，其中CO、C2H4和C2H2试验前期波动较大，C2H6略有波动，含量呈上升趋势。达到放电末期后，放电量并没有发生多大变化，同时各种气体含量在油中也趋于饱和，所以各种气体的含量相对较为稳定，变化趋势较为平缓。

3）局部放电的激烈程度基本与油中气体的含量呈正比例关系，但由于模型两电极之间有1厘米的间隙，局部能量的散发相对较快，引起局放的幅值和气体含量都有一定的波动。

［1］刘勇辉.基于DGA的电力变压器故障诊断［J］.高电压技术，2005，（06）.

［2］操敦奎.变压器油中气体分析诊断与故障检查［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［3］李本苍.以DGA为特征量对电力变压器故障部位诊断的探讨［J］.云南电力技术，2004，（05）.

［4］王颂，吴晓辉，袁 鹏等.局部放电超高频检测系统标定方法的研究现状及发展［J］.高压电器，2007，43（01）:59-64.

［5］徐志钮.基于油中溶解气体分析的变压器绝缘故障诊断研究［D］.华北电力大学硕士论文，2004.

［6］刘先勇，胡劲松，周方洁，李红雷.变压器油中气体在线监测系统试验平台的研制［J］.变压器.2004，（10）.