变压器强迫油循环中的油流带电现象

2016-07-11刘荧蒋松柏无锡供电公司江苏无锡214028

中国科技纵横 2016年10期

刘荧　蒋松柏（无锡供电公司，江苏无锡　214028）

变压器强迫油循环中的油流带电现象

刘荧蒋松柏
（无锡供电公司，江苏无锡214028）

【摘要】随着电力系统的发展，变压器的容量和电压不断增大，制造厂为了降低制造成本，一般都采用强迫油循环冷却方式。而变压器运行时内部绝缘损坏的原因是很难一概归结于绝缘强度不足的。即使进行油中气体分析也很难断定。静电的诸方面因素（主要是油流带电）对变压器正常运行的影响，在国内外引起了大家广泛注意。本文主要论述变压器强迫油循环冷却中的油流带电粒子的产生、对变压器的影响、采取的措施。

【关键词】带电粒子静电流速碰撞

1　静电电荷产生机理

静电电荷的产生，主要有激发、电离等。在电离中又有电子碰撞电离、光电离和热电离，另外还有场致发射。其中与流动油有关的是碰撞电离。

电子碰撞电离：由于某种原因，在变压器油中肯定会有电子（带电粒子）的存在。这些电子在电场中受到电场力的作用被加速，自由行程长的电子获得足够大的动能（超过其电离能量）以至于与分子碰撞就会电离。

热电离：当周围介质的温度上升时，则分子也能获得其大于电离的能量，于是分子间的碰撞引起的电离也就多起来了。

场致发射：当电极表面的场强达到一个相当大的数值时，即使温度很低的情况下，电离也可能产生。

2　变压器油中带电粒子的产生

水分的影响：变压器油和绝缘件中总是有水分存在的。水在变压器中有两种方式存在，一种是悬浮状（一些大小不同的水珠悬浮油中），另一种是溶解状（以分子的形式分散于油中）。一般认为，对油的击穿电压有影响的是悬浮状的水。而溶解状的水，因高度分散，不能形成“小桥”，对油的击穿电压影响甚微。

由于变压器绝缘件在加工过程中吸潮，干燥得不够，在空气中暴露的时间过长，灰尘和其他杂物沉淀在其表面上，都会吸附有水和带电粒子。

变压器油中的绝缘件含量为2%时，也不会使其绝缘强度下降10%。没有形成“小桥”的水珠，不能促使绝缘强度马上降低，但是能够使放电起始电压急剧下降，如图1所示。当油浸纸的含水量达到1%时，起始放电电压将下降一倍。因为变压器中到处都存在着电场的作用，水分中的一些分子被电离成H+和OH-，而成为带电粒子。由于H+和OH-具有迁移率大，体积小的特点，容易移动于介质表面，使放电起始电压降低。所以，尽量除去微量水分，对降低局部放电量来说是十分重要的。

在相互摩擦的两种介质表面，温度会上升。特别是变压器油和绝缘纸都是对热的绝缘体，会产生热点。随着摩擦的次数增加，带电量也随之增加，到达饱和值时，摩擦也能引起分子的机械分裂，这也会使带电粒子增加。

油在管内流动引起的带电：

油浸变压器是通过油循环把变压器芯体发出的热量带到冷却器进行冷却的。油在管内的流动会产生带电粒子，如图2b所示。在变压器中，油和输油管的管壁界面上存在的负离子被管壁吸附，这种离子的移动如图2a所示。在绝缘纸板上也是同样性质的离子被吸附。这样就形成了电偶层。在界面上产生的电荷是不均匀分布的。因此，变压器油的带电粒子从一开始就在其中。

随着变压器的油流动，电偶层分离并带走，形成电流。这个电流可称为冲流电流或线电流。另一方面，粘附在管壁上的离子由于它相对应的离子完全消失，而从束缚中被释放出来。一部分在复合过程中被中和，另一部分残留的过剩离子通过管壁和接地线通向大地。

在变压器中油流的路径有二部分，一部分在变压器绕组中，或芯体与外壳之间。一部分在连管与散热器内。想通过减少油路长度，来减少冲流电流（带电粒子）是根本不可能的。只有减少油的流速才能取得降低冲流电流的理想效果。

图1　

图2　管内的电偶层形成及其分离

油流速度的影响：油的平均流速和泄漏电流的关系如图3所示。泄漏电流和油流产生的静电电荷分离时聚积在油中的带电粒子的冲流电流相当。从图3中可看出，在低流速内产生的带电粒子数随速度成正比增加，而在高流速时，它随油速的平方成比例增加。另外，油的平均流速越大也就是潜油泵的转速越高，其轴承的磨损就更加严重。轴承磨损产生的金属粉末会增加变压器油的导电性，使变压器油的起始放电电压降低，给变压器正常运行带来影响。所以，采用低转速的潜油泵是一个好办法。目前在某些重要的变电所里，直接采用油浸自冷式变压器。

图3　平均流速与泄漏电流

图4　击穿电压与油流速度的关系交流为有效值　直流为平均值　冲击为峰值

油温的影响：变压器内部油温是不断变化的。油温的升高，对带电粒子起促进作用。两种不同温度下的泄漏电流是不同的。另外，在低流速低温度的泄漏电流反而比高温度时大。这是因为流速低时带电粒子的复合作用较大，同时带电粒子有向低温渗透的作用。这一点说明了变压器的底部更容易出现静电电场的作用。为此有的变压器散热器离变压器底部有一段距离。另外，油，特别是绝缘纸板的固有电阻随着温度的升高而急剧降低。为此变压器运行的温度不宜过高，但也不能让变压器的运行温度过低，一般在40~60℃左右。

②工程在运行初期的供水价格应充分体现工程的公益性，主要满足工程正常运行维护以及偿还工程贷款的要求，并减免征收营业税及其附加。在工程运行初期，除计提工程正常运行维护费用外，固定资产折旧按照还贷要求计提；固定资产折旧满足还贷需求，将不计提利润；如果固定资产折旧不足以偿还贷款本金，按照满足归还贷款本金需要计提利润，但上限不能超过《水利工程供水价格管理办法》规定的上限。

3　带电粒子对变压器的影响

对击穿电压的影响：在板对板的电极下，测得击穿电压与油流速的关系。在流速5cm/s左右，称为低流速；流速为10～20cm/s时为中流速；流速在30～50以上cm/s时称为高流速。它们的击穿电压有如下关系：

低流速时的击穿电压>中流速击穿电压>高流速击穿电压。

当油的流速接近或等于零时，在交、直流电压作用下，微量的气体、杂质容易形成“小桥”，使其电气强度下降。流速开始增加时，油中形成“小桥”的可能性逐渐减小，同时产生的带电粒子也较少，此时电气强度有所提高。但是，随着流速的再增加，产生的带电粒子数马上增加，这时，影响电气强度的主要是带电粒子，油的电气强度又开始下降。流速与油的电气强度的关系中有一个极大值，同时，在一定流速下，油的电气强度与静止不动的油相同。从图4可以看出，油的流速对击穿电压是有影响的。

对局部放电的影响：由于静电产生的带电粒子的积聚，将产生直流电场。当这个电场强度大于附近电介质的击穿场强时，就会产生局部放电。

静电电荷的积聚，将在交流电场强度较低的区域里产生静电场。当这个静电场场强达到一定值时就会产生局部放电。局部放电使分子分离，又产生电子和离子电子被电场加速向带正电部分移动，在被中和后放电终止。但是，由于静电作用将再次引起带电电荷的积聚。当电场强度达到一定时，又产生局部放电。这种过程一经开始就会反复地进行。绝缘机能丧失，导致变压器事故。

虽然静电电荷积累的能量有限，很少能达到急剧放电的程度，但是变压器的引线和绕组中具有可观的电流值，当静电引起的局部放电使附近绝缘体的绝缘机能受到损伤时，就会产生击穿。绕组或引线将继续给该部分提供较大的功率，就会产生大电流放电，导致变压器运行事故。

另外，过去认为，运行的变压器油的老化，其主要原因是空气的氧化作用引起。但是，由于采用了隔膜式密封储油柜以后，变压器油已不再与空气接触了。但油仍然有老化现象，这种老化的原因主要是油中带电粒子的作用。

实例：

唐头变OSFPSZ7—120000/220 原来是YF—80 10台的散热器，电动机是高转速，出口压力高，绝缘油的流速高。经改造后使用改用为YF—200 4台的低流量，高效率，低转速的散热器。散热的效果与YF—80 10台的散热器一样。

改造后前油中带电大于200μc/mL 改造后为50μc/mL。

扬名变SFPS7—120000/220原来是YF—80 12台的散热器，电动机是高转速，出口压力高，绝缘油的流速高。经改造后使用改用为YF—250 4台的低流量，高效率，低转速的散热器。散热的效果与YF —80 12台的散热器一样。

改造后前油中带电大于250μc/mL 改造后为40μc/mL。