绝缘油介质劣变后的εr绕组分布性谐振频谱分析

蔡圣清, 李杰, 张敏越

(银川能源学院 电力系，宁夏 银川 750105)

绝缘油介质劣变后的εr绕组分布性谐振频谱分析

蔡圣清, 李杰, 张敏越

(银川能源学院 电力系，宁夏 银川 750105)

变压器绕组存在分布电感和分布电容，而分布电容大小与组间，匝间油介质的介电常数ε大小相关。在油装变压器系统中，当绝缘油质发生劣变时，将使ε増大，线圈将承受较低的谐振电压，会使低频频谱带加宽，这样容易形成多频叠加的共鸣性破坏。同时，ε増大也会引起初始极化电荷的迅速增加，在一定的电场作用下，与质点的碰撞电离几率会雪崩发生，将会引起对绕组的游离性击穿。

绝缘介质；分布电容；油质 劣变；谐振点；场强与频谱

0 引 言

电力系统中的电气设备具有电感、电容和电阻的属性，它们多存在于发电机、电动机、变压器、电磁互感器等设备中。

对于电力变压器而言，根据其结构形式，存在相与相、匝与匝，绕组对地间的分布性电容及一些杂散电容等，常与线圈的电感组成节点串联、并联。在油质纯洁的情况下，εr值较小，当油质劣变后，εr急剧增大，谐振频率点由高频端进一步向低频端靠近，形成多频率的叠加。

1 引起变压器内介质劣变εr增大的原因

1.1 水分

我区地处腾格里沙漠的边缘，受昼夜温差大的影响，变压器热胀冷缩、油面的升降引起“呼吸”作用，使水侵入变压器内部，水对纤维绝缘的老化速度有极大的加速作用。当纤维的绝缘含水量为1%时，老化速度比含水量只有0.1%的要快10多倍，水的相对介电常εr是纯油的40倍左右。

1.2 沙尘的侵蚀

地处西部的宁夏位于腾格里沙漠的边缘，常年风沙天气较多，特别是春季和冬季，常有狂风肆虐，天昏地暗的恶劣天气。昼夜温差相差几度到十几摄氏度，由于变压器的呼吸系统受到不同程度的侵袭，会使大量的泥沙土，杂质随空气进入变压器内，导致各种分布电容常数发生变化。

1.3 机械杂质

虽然变压器油经过过滤大部分大颗粒机械杂质除去，但是由于过滤器孔径的不同，仍有或多或少的颗粒残留在油中。新装的变压器中可能留有金属碎屑和纤维材料碎末以及空气中的灰尘。变压器运行中，由于油泵磨损、机械振动引起摩擦产生金属和非金属碎屑。从而使得变压器油在运行中产生胶质物、油泥等，使绝缘油产生污染[1]。

2 介电系数εr

正常情况下由于变压器油介质内分子间的约束影响，使介质内分子中的带点粒子不能宏观位移。如果有外电场作用，这些带点粒子会有微观的位移，使空间电场由原来的Eo变为E，形成电解质的极化，即E=Eo+E′。其中Eo是所有电荷激发电场，E′是新的极化电荷的场强。我们用P表示介质的极化强度，它表示的是介质中的无限小体积Δτ内，所有被极化分子偶极矩矢量与该体积Δτ之比，记作P。即:

(1)

其中pi表示Δτ内第i个分子偶极矩。而介质中每一点极化强度P与该点场强E的关系为：

P=αE

(2)

由α=ε0χ于是P与E关系为：

P=ε0χE

(3)

ε0是真空中绝对介电常数为：ε0=8.9×10-12(F/m)，χ与α一样取决于介质的性质，叫做电介质的极化率。由高斯定理可知：

(4)

其中q0是自由电荷，q′是极化电荷。把q′=-sp·ds代入上式(4)有：

(5)

C=εrC0

(6)

可见充入介质后的分布电容C是原来真空C0的εr倍,当介质油劣变时C随着系数εr增大而増大。

3 变压器内部谐振分析

3.1 变压器内部等值电路

如图1所示，变压器是由若干个线饼组成的，线饼又是由几十个线匝组成的，每个线饼由电感(Li)和电容(Ki)并联组成，每个并联电路端点形成节点电路，每匝又有对地分布电容Coi[2](由于其它电容被边匝屏蔽，可忽略不计，只有边匝的对地电容Co1和CoN起作用，一般情况下可以忽略)。

图1 变压器内部参数分布

3.2 变压器内部参数简化图

变压器内部参数简化图见图2所示。

在忽略了边匝分布电容后，图1便可简化为图2所示。

图2 变压器内部参数简化电路

(7)

其中ε为不同介质时的绝对的介电常数，εr为不同介质时的相对介电常数。

3.2.1 单元节点电路，如图3

图3 单元节点电路图

3.2.2 单元节点电路的谐振分析

由图3可分析：

注：一般线圈的电阻很小，即：XL≫RR，因为并联谐振与串联谐振时特性一样，谐振时电感支路和电容支路电流为电流源的Q倍。

4 实验

图4 实验装置

并联谐振与串联谐振有共同的条件和特性曲线。本文以串联谐振为研究对象，电路如图4所示，其中L为等效电感，(实验时选H=30 mH、内阻R=12.8 Ω),C为等效分布电容(实验时选C=360×2 pF空气电容)。将三个相同空气可变电容器分别置于污染程度不同的三组变压器油质中。第一组是纯净变压器油200 g，第二组是200 g油加3 g水再加2 g粘土，第三组是200 g油加5 g水，这些量都是用天平严格称重，并且搅拌均匀。然后保持正弦信号发生器输出幅度不变，逐渐改变信号源输出频率f0，用两个毫伏表分别检测电容两端电压Uc和电感两端电压UL，当两个毫伏表指示接近或相等时，确定该点为谐振点。以该点f0为基点不断增大和减少频率f0，使f2-f0<0和fh-f0>0，得到如表1的三组数据。

图5 不同介质的谐振曲线

频率/kHz200g纯油Ui/mv Uc/mv200g油+3g水+2g粘土Ui/mv Uc/mv200g油+5g水Ui/mv Uc/mv84.111.76.013.17.817.894.312.17.114.110.320.0104.512.58.615.413.623.2115.013.310.617.618.227.3126.314.813.720.925.633.6137.816.418.425.635.240.6149.818.326.133.042.342.31512.322.139.145.236.032.51616.024.560.063.927.821.31721.530.072.171.725.016.81830.138.649.044.921.713.61946.654.836.529.619.811.42079.686.129.222.018.59.621122.0122.024.017.017.08.22282.876.321.714.216.27.32354.246.319.211.515.46.52440.332.217.78.914.95.82533.424.816.58.214.55.42628.419.715.47.414.04.9

从图5可以看出，三种不同的介质εr值，对应有三条特性曲线。εr大的低频曲线的频谱远大于εr小的高频曲线的频谱，而且εr小的高频谐振点电压远大于低频谐振点电压。

5 结束语

(1)由P=ε0χE和D=ε0(1+χ)E可知，变压器组间、匝间场强E一定时，极化率χ越大，其常数εr=1+χ也越大，表明了极化强度P和极化位移矢量D也增大。由高斯定理理论公式s(ε0E+P)·ds=pc[4]可知，变压器油中初始自由电子量剧增，在外电场的作用下运动产生撞击电离形成足够的合动能而导致击穿发生。反之，纯油中电子量微乎其微，不易积累足以撞击电离所需动能。

(2)液体变压器油的劣化使分布电容比特性发生根本变化，由公式C=εrC0可知，纯变压器油介质εr而水为81，氧化铁为14.2，湿沙为15-20，湿砂为25-30，粘土为8-15，这些污染元素介质都远远大于纯变压器油的介质，使组间、匝间分布电容大大增加，使整体谐振曲线向低频段(即工频)靠近，使低频段频谱加宽，引起低频的多频谱叠加性破坏。

(3)在强电设备中(各种变压、变流、断路器等)，虽然油介质是纯净的时候，能够承受较高频率的高次谐波分量和操作冲击电压的能力。它的特点是频谱较窄，高压作用时间短，破坏力相对较小，但是，一旦与高频或特高频的雷电形成谐振，其破坏力是致命的，所以这些器件做好防雷工作是非常必要的。

[1] 操敦奎，许维宗，阮国方.变压器运行维护与故障分析处理[M].北京：中国电力出版社,2008.

[2] 潘炳宇.变压器绕组的电压谐振[J].变压器，2004,41(1):1-6.

[3] 周泽存，沈其工，方瑜，等.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 张芝涛，赵艳辉，董克兵,等.介质阻挡放电系统中谐振问题的研究[J].高电压技术2004,30(4):42-45.

[5] 陈崇源，金玮.串联调谐装置的调谐分析[J].变压器，2002,39(4):20-21.

[6] 曾光，金舜，史明.高频高压变压器分布电容的分析与处理[J].电力电子技术，2002,36(6)：54-57.

Spectrum Analysis of Distributed Resonance of εrWinding after Deterioration of Insulating Oil Medium

Cai Shengqing, Li Jie, Zhang Minyue

(Department of Electric Power, Yinchuan Energy College, Yinchuan Ningxia 750105, China)

There is distributed inductance and capacitance in the transformer winding, and the size of the distributed capacitance is related to dielectric constantεrof the oil medium between groups and turns. In the oil transformer system, insulating oil deterioration will increaseεr, and the coil will bear lower resonant voltage, thus widening the band of the low frequency spectrum, so that resonance destruction with multiple frequency superposition will likely occur. In the meantime,εrincrease will also lead to rapid increase of initial polarization charge. Under certain electric field action, that will lead to avalanche of particle collision ionization probability, thus resulting in dissociated breakdown of the winding.

insulating medium; distributed capacitance; oil deterioration; resonance point;field intensity and frequency spectrum

银川能源学院校级科研项目(2015-KY-Z-01)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.036

TM403.3

A

1000-3886(2017)02-0116-03

蔡圣清(1950-)，男，教授，宁夏银川人，主要从事电工电子技术和控制方面的研究。

定稿日期: 2016-07-11