流动状态下绝缘油中气泡放电特性和影响因素的研究

2018-08-14肖发福许滋奇

通信电源技术 2018年6期

肖畅，肖发福，许滋奇

（南方电网调峰调频发电有限公司，广东广州 510000）

0 引言

变压器在参与电网系统变电运行的过程中，内部的绝缘油不可避免地会产生气泡。绝缘油气泡经过测量可以发现，相对的介电系数远远低于油本身的介电系数，使得变压器内部的电场强度分布会出现一定的差异。气泡内部的电场极高，而空气击穿电压却极低，因此气泡内部会出现放电现象。

1 流动状态下绝缘油气泡放电特性研究

1.1 变压器PD故障

电力系统中，电力设备由于绝缘缺陷而出现的放电现象称为PD。这种故障表现明显，且在设备运行中逐渐加剧，最终造成电力设备丧失绝缘能力，引发大面积故障。一旦出现PD现象，需要及时处理，避免造成严重影响。在对以往电力系统运行特性进行研究后发现，PD现象的发生可能会导致电磁脉冲在高能量作用下出现击穿现象。同时，以变压器为代表的电力设备由于其内部拥有活性气体，在化学反应下也会出现热击穿，最终造成破坏。

本文研究的流动状态绝缘油气泡放电，事实上是变压器在运行过程中的PD现象。变压器在运行过程中由于受到放电能量的影响，出现气泡、空腔以及外界介质的介电常数出现严重差别，最终导致能量密度急剧增加而出现击穿。

1.2 PD检测

在当前的技术条件下，针对变压器的PD现象，一般采用示波器测量系统进行检测。系统构造如图1所示。

图1 示波器测量系统构成

在这一测量系统中，通过向被试材料加压，使调压装置运行。在变压器外部，高压馆陶将电压与有道上方的平板电机相连接，而油道下方的平板电机则需要接地，同时需要进行50 Ω的无感电阻阻抗测试。绝缘油含有气泡，通过平板电场能够快速产生PD，最终由脉冲电流通过无感电阻获取PD情况[1]。获取到的参数通过电缆传输至显示终端，由示波器进行数字信号展示。研究人员通过分析数字信号来获取当前阶段变压器的PD情况。

1.3 绝缘油气泡特征

针对某电网变压器展开PD测试实验，通过数字信息的获取和比对，确定了变压器的表征PD特性参数，包括放电总时间、放电幅值和放电频率等。然而，变压器的绝缘油处于流动状态，因此PD具有较强的分散性。为了准确总结其参数特性，着重计算放电重复率统计值与单位时间平均放电量两组数据，如表1所示。

通过实验分析，本文将流动状态下绝缘油的气泡特性汇总如下。首先，绝缘油在含有气泡的情况下，其实时状态表现为静止和流动，在耐受特性方面具有巨大差异。其中，流动状态下的绝缘油呈现出较高的击穿电压。而在绝缘油中，气泡含量的多少也与击穿电压密切关系。气泡含量越高，绝缘油的击穿电压越低，其状态越趋于稳定。其次，在流动状态下，绝缘油具有的流速也与绝缘油中的气泡有着直接关系。实验表明，绝缘油的流动速度越低，绝缘油产生的击穿电压越低。最后，绝缘油的温度与绝缘油的击穿电压呈现正相关关系，峰值为60～70 ℃。在这一温度区间内，状态趋于稳定。

表1 PD测试的参数计算

2 流动状态下绝缘油气泡放电的影响因素研究

2.1 流动绝缘油气泡含量影响实验

为了能够对流动状态下绝缘油的气泡放电现象进行深入探究，挖掘出其内在的影响因素，本文根据前文的PD参数测试实验进行了特定的击穿实验。实验主要材料为温度为70 ℃的绝缘油，在容器中模拟流动状态，流动速度设定为15 cm/s，平板电极的距离设置为0.8 cm。为了尽可能规避实验过程中的干扰影响，本文在实验开始前设置了2 mV的放电脉冲阈值[2]。实验使用的绝缘油分为A、B、C三组，每组分别对应气泡含量为75 mL、125 mL以及175 mL，从而从多个角度对PD值进行计算，实验结果如表2所示。

表2 实验中不同气泡含量绝缘油的PD计算

可见，绝缘油在特定的流速和特定的温度状态下，油内含有的气泡数量越多，形成的放电重复率统计值和单位时间平均放电量值越高。由这一数据可以认定，在流动状态下，绝缘油出现的气泡含量变化能够对气泡放电特性产生一定影响。气泡含量越高，绝缘油的放电程度越剧烈。实际中，变压器的绝缘油出现了气泡，可以认定其为造成绝缘性能下降的主要原因。此时，需要及时开展针对变压器绝缘油内部气体含量的检验，避免因油内出现气泡含量增长这一现象造成变压器出现故障。

2.2 绝缘油流速变化影响实验

选取A、B、C三组绝缘油放入实验装置内部，设定绝缘油温度为70 ℃，油内含有的气泡总含量为（100±10） mL，平板电极和放电脉冲阈值的设定保持不变，三组绝缘油分别对应的流动速度为15 cm/s、20 cm/s和25 cm/s。通过PD参数计算获取数值N和数值Qmin，如表3所示。

通过表3可以看到，在绝缘油的流动状态中，绝缘油的流动速度越快，两组数值的计算结果越小，说明油的流动速度对油内的气泡放电一定程度上起到了抑制和削弱作用。工作人员在开展变压器检查时，应当根据变压器内部的绝缘油流动速度，对变压器内部的绝缘性能和绝缘状态进行判断，同时结合相关工作经验进行绝缘油的流速控制来完成调整[3]。

表3 实验中不同流速绝缘油的PD计算

2.3 绝缘油温度变化影响实验

本文对流动状态下绝缘油的温度情况进行了实验分析，试图寻求不同温度状态下流动绝缘油的气泡放电状态。设置的三组温度分别为50 ℃、60 ℃以及70 ℃。装置中，利用温度调节装置进行系统温度控制，并逐次记录数据信息。当装置内温度达到45 ℃后，开始进行气泡注入。气泡含量注入为200 mL，流速设定为15 cm/s，随后启动油泵。通过PD测试对各组变化情况进行记录，得到表4的相关数据。

表4 实验中不同温度绝缘油的PD计算

受温度变化影响带来的气泡放电特性变化特征更为显著。实验结果中，绝缘油在特定气泡含量和特定流速下，温度越高，两项计算量结果越小，说明PD的剧烈程度受温度的影响十分显著，而在不同的温度状态下，其变化趋势呈现出不同的规律。本文进行的试验中，两组数据计算值均在60～70 ℃内趋于平缓，可以为实际使用中变压器的绝缘油温度设置提供数据支持。