水分对复合电场下油纸绝缘局部放电特性的影响

刘青松 邓军 池明赫 陈庆国

摘 要：为研究水分对复合电场下油纸绝缘局部放电特性的影响，文章进行了不同含水率下的油纸绝缘结构典型电场下局放特性试验，得到了不同含水率下，油纸绝缘在针-板电极和平板电极中的复合电场局放特性。结果显示，直流分量对局放起始电压及局放量影响较大。不同含水率下局放量均随电压的升高而增大。极不均匀电场下，高含水率下的局放量始终大于或等于低含水率时;均匀电场下，高低含水率下的局放曲线随电压升高出现交叉。经分析得出结论，水分使变压器油电导率增大，易于油水界面空间电荷消散，导致放电量增加。液体介质中的局部放电除经典的介質中气泡缺陷模型外，还可能存在多水滴融合缺陷模型。该缺陷是导致平板电极下高低含水率的油纸绝缘放电曲线出现交叉的主要原因。

关键词：换流变压器，油纸绝缘，复合电场，水分，局部放电

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.015

中图分类号： TM85

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0082-06

Abstract：In order to study the effect of moisture on PD characteristics for oil-paper insulation in complex electric field PD tests with different moistures were carried out under the typical electric-field of oil-paper insulation. The PD characteristics under needle-plane electrodes and plane-plane electrodes were obtained sepratedly in complex electric field with different moistures. The result shows that DC content has a great effect on the inception voltage and PD volume. All the PD volume grow up with the voltage rises under different moisture. In severe non-uniform electric field PD volume in high moisture is always larger than the one in low moisture or equal to it. In uniform electric field the PD curve in high moisture crosses with the one in low moisture.Via analyzing it is concluded that the conductivity in oil is increased by moisture which makes the space charge disappeared easier from oil-water interface and then enhances the PD volume. There may be a bubble combination defects PD model in liquid dielectrics besides a classic bubble defects PD model. The bubble combination maybe the major reason which results in the PD curves in high and low moisture crossing over under plane-plane electrodes.

Keywords：converter transformer; oil-pressboard insulation; complex electric field; moisture; partial discharge

0 引 言

随着电网向远距离、高电压、大容量的趋势发展，直流输电（HVDC）的优越性愈发明显[1]。换流变压器是直流输电系统的核心设备，其可靠与否直接影响了电网的稳定性[2]。大量资料表明变压器事故以绝缘故障为主[3-4]。换流变压器内绝缘与普通电力变压器不同，其阀侧主绝缘除承受交流电压、雷电冲击电压和操作冲击电压外，还承受直流电压、交直流叠加电压以及极性反转电压的作用[5-8]。因此对复合电场下油纸绝缘特性进行研究显得十分必要。

局部放电作为绝缘击穿前的预放电现象之一经常被用来判断绝缘状态的好坏，且研究预放电过程对于了解击穿的过程及机理有着重要的意义 [11-13]。对此，日本学者E.Takahashi对油纸复合绝缘进行了局部放电测试表明，直流叠加交流起始局放电压与直流电压分量无关;极性反转起始局放电压随反转前施加电压的增加明显下降[10]。华北电力大学的李成榕教授等人对通过球-板电极对油纸绝缘施加交流、直流以及交直流复合电压，研究了油纸绝缘在不同电压类型下发生起始放电时的起始放电电压、视在放电量、放电相位以及放电波形等的差异[14]。重庆大学的李剑教授等人在交直流叠加电压下对不同的放电模型进行了局放信号统计分布以及产气特性分析[15-16]。各电网公司也对交直流叠加电压下的油纸绝缘局放特性进行了研究[17-18]。但以往的分析主要注重交直流叠加电压中直流分量对局放特性的影响，忽略了温度、湿度等因素的作用。而油纸绝缘受温度、湿度等环境因素影响较大，并且在复合电场及直流电场下所受影响尤为严重[19-23]，因此有必要对环境因素影响下油纸绝缘的复合电场局放特性开展研究。

为此本文对不同含水率的油纸组合绝缘分别在针-板电极和板-板电极下进行了不同直流含量的复合电场局放特性试验，得到了水分影响下油纸复合绝缘的复合电场局放特性。通过分析建立了高含水率下的油纸复合绝缘复合电场局放模型。

1 试验平台

1.1 试验模型

本文采用板-板电极和针-板电极两种模型分别对不同含水率的油纸组合绝缘进行了局部放电试验，其中针-板电极的钨针事先通过电化学腐蚀的方法进行预处理，处理后针尖曲率半径为3±0.1μm。电极结构如图1及图2所示。

1.2 试样预处理

试验所采用的变压器油为昆仑45Symbolc@@

变压器油，试验前需对其进行预处理，使之处理后满足要求：含水率小于10mg/kg、击穿电压大于55kV（按标准《GB/T 507-2002绝缘油击穿》测量）、90℃时2kV电压下介质损耗小于0.4%。为观察水分对油纸绝缘局放特性的影响，在制作高含水率的试样时，将上述干燥的变压器油放置于温度为60℃相对湿度为80%的密闭环境中使之自然吸潮。吸潮前变压器油含水率为10mg/kg（为描述方便后文简称“低含水率”），吸潮后变压器油含水率为20mg/kg（后文简称“高含水率”）。

本文在实验中所用纸板均为油浸纸板。制作油浸纸板的过程如下：选用魏德曼公司的1mm厚层压纸板，将纸板裁剪后统一进行干燥处理，高温干燥后在真空下浸变压器油，密封保存，浸油后的纸板含水量小于0.4%。为方便描述，下文中将油浸纸板简称为纸板或纸。

1.3 复合电场表述

本文试验中所用交流叠加直流电压波形如图3所示。

图3中，Udc为直流分量平均值，Um为交流分量峰值。为表述方便，将复合电压中的交流含量定义为：

1.4 升压方式

试验开始后以匀速升压至出现局部放电信号开始记录5min内的平均放电量，而后继续升压，为缩短试验时间，升压步长根据局放量增长速度进行调节，局放增长速度越快升压步长越短。为防止试样击穿造成设备损坏，当场强超过32kV/mm（幅值）或局放量超过1200pC时停止试验。

1.5 局部放电检测

对局放信号的测量采用脉冲电流法，升压设备为工频无局放变压器，检测设备为Hipotronics公司的DDX-7000型局放检测仪。检测线路如下图所示，背景噪声小于5pC。

图中：R为保护电阻，CX为试样，CK为耦合电容器，ZK为检测阻抗。

由于局放对绝缘寿命的影响不仅取决于单次放电量大小还与放电次数有关，因此本文在试验中所测局放量为单位时间内的平均放电量。

2 试验结果

针-板电极和板-板电极下不同含水率的油纸组合绝缘复合电场局放电压与局放量的关系如图5至图8所示。

由图5～图8可见，不同直流含量的复合电压下，局放量随电压的升高均呈快速增长趋势，且交流含量越高其上升速度越快。交流含量越低，局放起始电压越高;相同电压幅值下，交流含量越低局放量越低;含水率较高时现象更加明显。

为方便观察不同交流含量的复合电压下水分对油纸复合绝缘局放特性的影响，将相同电压波形下，电场均匀程度相同但含水率不同的两条局放曲线放在一起进行比较，如图9所示。

由图9可见，针-板电极下，相同电压时高含水率的局放量始终高于低含水率时的局放量或基本与之相同;但板-板电极下，出现了两条曲线交叉情况。

低含水率情况下，随电压上升局放量呈指数增长;高含水率情况下，随电压上升局放量初始阶段增长得较慢，当电压到达某个点后，局放量增长速度突然增大。高含水率下局放量与电压的关系更接近于分段函数，该函数曲线由两条直线组成，曲线的前半段较缓，后半段较陡。

3 试验结果分析

由于油纸间水分平衡所需时间较长，一般需30天以上才能达到平衡状态，本文中变压器油吸潮后立即进行局放试验，因此认为纸板的含水率不变。

对于以上试验现象可通过经典局放模型进行解释，在油纸绝缘中变压器油内不可避免的会存有气泡和水滴，这与经典的固体电解质中气泡缺陷原理基本相同，如图10所示。

由于变压器油中的气泡和水滴击穿强度小于外界的变压器油，随电压上升气泡或水滴会首先被击穿或在电场下产生电荷移动，击穿后产生的电荷将在外施电场的作用下迁移到气泡（或水滴）与变压器油之间的界面处，形成与外界电场方向相反的退电场。退电场与外施电场之和小于气泡（或水滴）的击穿场强时，放电将会停止。界面处的空间电荷能够通过外界变压器油向电极泄漏，退电场将会随电荷的泄漏而减小，当退电场减小到一定程度，放电或电荷迁移将再次开始，如此往复循环。

因此当含水率增加，泄漏电流将上升，易于电荷消散，局放次数会增加;含水率增加也会导致油内的水滴增多，二者均会导致单位时间内平均局放量的增大。

由文[9]分析已知，交直流叠加电场中直流分量电场主要集中在纸板纤维上，且纸板纤维的耐直流能力较强不易发生放电，因此随直流分量上升（即直流分量h下降）局放起始电压将上升，如图5～图8所示。同理，要达到相同局放量时，直流分量大的情况下所需电压也高。

针-板电极下，主要由以上原因导致了绝缘中的局部放电。针-板电极下电场集中，容易放电，因此在高含水率时局放量将大于低含水率时。但平板电极下情况略有不同。

平板電极下电场较为均匀，与针-板电极相比不易放电。由于水滴中存在较多可移动电荷，在电场作用下向电场反方向运动，停留在油水界面处，形成了退电场，提高了局放电压。当电场强度较低时，水滴不易放电同时水分增加使之内部容易形成退电场，因此平板电极下在低电场时反而可能出现高含水率下的放电量小于低含水率的情况。

油纸复合绝缘的局部放电模型除经典的固体介质中气泡缺陷模型外，还可能存在多水滴融合缺陷模型，如图11所示。与经典的固体电介质中气泡缺陷模型不同，由于液体的流动性，水滴在电场下被极化后会沿着电场方向排列，当两个水滴距离足够近且电场足够强时，水滴间的异号电荷将通过变压器油放电，融合成一个新的体积较大的水滴。由于水滴的相对介电常数较大，在电场下产生的极化电荷较多，因此水滴间放电时局放量较大。该放电需要通过水滴间的变压器油分子，所需场强较高，只有在电压较高时才会出现此种多水滴融合放电。所以在平板电极下高含水率的油纸绝缘中，当电压升高到一定程度局放量会突然增加，且放电量随电压快速上升。

正是由于平板电极下高含水率的油纸绝缘在低场强和高场强时产生局部放电的机理不同，导致了其放电曲线斜率有一个明显的变化。

4 结 论

本文通过典型电场下不同含水率的油纸绝缘复合电压局放特性试验，得到了水分影响下油纸绝缘的复合电场局放特性。得出了以下结论：

1）不同直流含量的复合电压下，局放量随电压的升高呈快速增长趋势。交流含量越高其上升速度越快;交流含量越低，局放起始电压越高;

2）极不均匀电场下，高含水率的局放量始终高于低含水率时或基本与之相同;均匀电场下，高低含水率时的局放曲线出现了交叉情况;

3）液体介质中的局部放电除经典的介质中气泡缺陷模型外，还存在多水滴融合缺陷模型。均匀电场下，含水率不同时放电的机理不同，是导致其放电曲线出现交叉的主要原因。

参 考 文 献：

[1] GUAN Zhicheng，ZHANG Fuzeng，WANG Guoli，et al.Challenge of Ultra High Voltage Transmission Technology in China[R].Beijing，China：ISH，2005.

[2] 國家电网公司. 2008年国家电网公司变压器类设备专业总结报告[R].中国电力科学研究院 北京 2009.

[3] 孙建锋，葛睿，郑力 等. 2010年国家电网安全运行情况分析[J]. 中国电力 2010 44（5）：1-4.

[4] 王梦云. 2004 年度110kV及以上变压器事故统计分析[J]. 电力设备 2005 6（11）：31-37.

[5] HASEGAWA T，YAMAJI K.Dielectric Strength of Transformer Insulation at DC Polarity Reversal[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（7）：1526-1531.

[6] TULASI Ram S S，KAMARAJU V，SINGH B P.Flashover Behavior of Converter Transformer Insulation Subjected to Superimposed AC and DC Voltages[C]//IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Ontario，Canada：IEEE，1994：810-815.

[7] WEN K C，ZHOU Y B，FU J，et al.A Calculation Method and Some Features of Transient Field under Polarity Reversal Voltage in HVDC Insulation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（1）：223-230.

[8] 刘泽洪，郭贤珊.特高压变压器绝缘结构[J].高电压技术，2010，36（1）：7-12.

[9] 陈庆国，池明赫，高源，等.复合电场下油纸（板）绝缘击穿特性及其数学模型[J]. 中国电机工程学报 2013，33（31）：170-176.

[10]TAKAHASHI E，TSUTSUMI Y，OKUYAMA K，et al.Partial Discharge Characteristics of Oil-immersed Insulation Systems Under DC Combined AC-DC and DC Reversed Polarity Voltage[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1976，PAS-95（1）：411-420.

[11]葛景谤 邱昌容. 局部放电测量[M]. 北京： 机械工业出版社 1984.

[12]International Electrotechnical Commission. IEC60270. High Voltage Test Techniques-partial discharge Measurements. Switzerland. IEC Publication 2000.12.1

[13]邱昌容 王乃庆. 电工设备局部放电及测试技术[M]. 北京： 机械工业出版社 1994.

[14]张鹏，齐波，李成榕，等.电压类型对球板电极下油纸绝缘局部放电起始特性的影响[J]. 高电压技术 2014 40（2）： 572-579.

[15]LI Jian JIANG Tianyan HE Zhiman et al. Statistical Distributions of Partial Discharges in Oil-paper Insulation Under AC-DC Combined Voltages[J]. High Voltage Engineering，2012 38（8）： 1856-1862.

[16]HE Zhiman LI Jian BAO Lianwei et al. Characteristic Analysis of Partial Discharges and Dissolved Gases Generated Cavity in Oil-paper InsulationUnder AC-DC Combined Voltages[J]. High Voltage Engineering，2012 38（8）： 2091-2096.

[17]邱凯，魏振，许毅，等.交直流复合电场作用下油纸绝缘悬浮放电脉冲波形特征[J]. 现代电力 2014 314）： 78-83.

[18]王琼.针板电极交直流复合电场中局部放电的发展过程[J]. 现代电力 2013 305）： 55-59.

[19]DU Y. ZAHN M. LESIEUTRE B. C. et al. Moisture Equilibrium in Transformer Paper-oil Systems[J].IEEE Electric Insulation Magazine 1999，15（1）：11-19.

[20]陳庆国 池明赫 王刚 等. 含水率对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响[J]. 电机与控制学报 2013 17（7）：54-60.

[21]王辉 李成榕 贺惠民 等. 温度对油纸绝缘沿面放电发展过程的影响[J]. 高电压技术 2010 36（4）： 884-890.

[22]廖瑞金，周之，郝建，等.水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性[J]. 高电压技术 2012 38（10）： 2647-2654.

[23]唐超，廖瑞金，黄飞龙，等.电力变压器绝缘纸热老化的击穿电压特性[J]. 电工技术学报 2010 25（11）： 1-8.

（编辑：关 毅）