大型电力变压器油流带电机理研究

雷秉惠，张 吉，陈 锋，张世璐

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

1 引言

主变作为电站输电系统中的关键设备，其运行安全稳定性对于整个系统来说极其重要。随着对变压器电压等级和输电可靠性要求的提高，变压器绝缘结构更加复杂，冷却需求也随之提高，变压器的油流带电问题愈加严重。常见故障表现为油质及固体绝缘件劣化，绝缘性能大大降低，严重情况下在绝缘表面形成碳迹，最终发展成绝缘事故[1]。因此测量变压器油流带电大小对于预防变压器发生绝缘故障十分重要。现今对于变压器油流带电机理的研究已有许多成果，研究方法也有很多，但是大多数研究仅局限于实验室搭建的模型或理论模型，缺乏实际指导价值。通过实测两个厂家生产的相同型号大型电力变压器各端子对地泄漏电流来分析变压器油流带电影响因素，并提出相应的油流带电抑制措施具有重要指导价值。

2 油流带电机理及试验分析

2.1 油流带电产生机理

变压器中使用了大量的固体绝缘件来提高变压器的绝缘和机械性能，这些固体绝缘件（如绝缘纸板）的化学成分为纤维素和木质素，其中纤维素带有羟基（-OH），木质素带有羟基、醛基（-CHO）和竣基（-COOH）。在变压器油不断流动下，油与绝缘纸板发生摩擦，使得这些基团发生电子云偏移产生-Hδ+，即纤维素和木质素分子就被-Hδ+的正电性所覆盖，绝缘纸板表面就如同覆盖着一层正极性的氢原子。带正电性的-Hδ+对油中负离子具有吸附作用，并在油—纸界面上形成偶电层。当变压器油以一定速度流动时，偶电层的电荷发生分离，负电荷仍附着在纸板表面，正电荷进入油中并随油流动，形成冲击电流，如图1 所示。这样，油就带正电，而纸板表面带负电，随着油的循环流动，油中正电荷越积越多，当积聚到一定程度就可能向绝缘纸板放电[2-3]。

图1 固体绝缘材料电荷分离机理图

2.2 油流静电试验

变压器实测试验同油流带电状况最密切，可以通过测量变压器各端子对地泄漏电流来直观分析油速、绝缘件品质、变压器结构等因素对于油流带电的影响。某大型水电站左右岸电站主变均为DSP-375 000/500 强迫导向油循环单相变压器。其中左岸主变由甲厂生产，右岸主变由乙厂生产。从甲、乙两厂生产的变压器中分别选取3 台单相变压器进行油流静电试验，对应编号分别为甲1、甲2、甲3 和 乙1、乙2、乙3，分别测量高压绕组端子、低压绕组端子、铁心接地套管端子对地泄漏电流。每隔1 h 记录试验数据，试验记录见表1。

表1 油流静电试验记录

2.3 油流静电试验结果分析

2.3.1 试验数据对比

变压器油流带电机理可从油流的流动作用和交流电场的电动作用两方面来认识[2]。由于油流静电试验是在变压器断电状态下进行的，暂不考虑交流电场的电动作用，仅从油流的流动方面展开分析。利用表1 试验数据分别制作各端子对地泄漏电流对比变化图，见图2。

图2 各变压器不同端子对地泄漏电流变化对比图

从图2 中可知甲厂3 台变压器对应的各端子对地泄漏电流均比乙厂小，其中高压绕组端子、低压绕组端子对地泄漏电流明显偏小，铁心套管端子对地泄漏电流相差不大；同一台变压器低压绕组端子泄漏电流明显大于高压绕组端子，高压绕组端子泄漏电流明显高于铁心套管端子。油温、油速、绝缘材料品质、电场强度是影响变压器油流带电程度的主要因素。其中绝缘分为固体绝缘件和绝缘油，6 台变压器绝缘油品牌相同，油品质相同，排除绝缘油的作用，而两厂变压器使用的固体绝缘材料略有不同，不能忽视。油温和电场强度也是影响变压器油流带电强弱的重要因素，因本次试验在不带电条件下进行，且所有变压器油温均控制在40℃左右，无明显差别，故不进行分析。值得注意的是两厂变压器油道结构与冷却器型号有明显区别，而油速主要取决于油道和冷却器结构。

2.3.2 影响因素分析

（1）固体绝缘材料品质

两厂变压器的器身绝缘整体结构相同，主绝缘均为薄纸筒小油隙、绝缘压板压紧结构。有一点需要注意的是两厂变压器内所使用的各种固体绝缘材料表面粗糙度不同，材料表面粗糙度增大，实际上是增加了与油质的接触面积，从而增加了吸附电荷的能力，变得更易积累电荷，相应的泄漏电流也越大。甲厂使用的绝缘材料经过了密化处理，品质更好，用其加工制作而成的绝缘件外表面更光滑平整，毛刺较少。因此油流与绝缘件表面摩擦累积的电荷将更少，相应的油流带电程度更弱，整体上各端子对地泄漏电流更小。

（2）油道

两厂变压器铁心整体为三柱两框式结构，铁心制作中采用的材料基本相同，且油道宽度和数量接近。区别在于乙厂铁心油道呈纵、横十字交叉结构，甲厂仅为横向油道，油流经过乙厂变压器铁心时流速略高于甲厂，所以相应的铁心套管端子对地泄漏电流测量值较高，油流带电程度比较接近，但是与高、低压绕组端子相比则明显小得多，主要是涉及到的绝缘材料更少。

两厂变压器绕组均为组合式绕组，油道结构类似。高压绕组均为“Z”型油道。低压绕组均为双层螺旋式结构，整体呈现“T”型结构。由于低压绕组油道结构不同于高压绕组，其流速将明显高于高压绕组，且螺旋式结构相比于连续式结构中油流不仅存在层流，还有明显的紊流现象，这些因素都将导致低压绕组油流带电程度强于高压绕组，相应的低压绕组端子泄漏电流明显大于高压绕组，与试验结果也相符。变压器油流示意图见3，绕组结构见 图4。

图3 油流示意图

图4 绕组结构

（3）冷却器

两厂变压器电气参数相同，冷却器略有不同，其中甲厂冷却器额定油流量为70 m3/h，乙厂额定油流量为88 m3/h。两厂变压器的冷却器进出油管径均为DN200。甲厂的油流速度明显小于乙厂，故甲厂变压器相应各端子油流带电程度均低于乙厂，这也说明了油速对于变压器油流带电有重要影响作用。随时间推移，油流趋于稳定，油流带电也随之趋于平稳。

在变压器不带电、同温度以及使用同一种绝缘油的情况下，影响变压器油流带电的主要因素是油速和绝缘件品质。油速越低，绝缘件品质越高，油流带电程度越弱，相应的对地泄漏电流也越小。

2.4 抑制油流带电的措施

2.4.1 降低油流速度

降低油速是防止油流带电的有效措施，通常将流速控制在0.5 m3/s 以下，能有效减少因油流带电而发生的放电事故。在保证变压器各热点温升不超标的前提下，利用各种先进的仿真软件，不断优化油道结构设计以及选用适当的冷却器能将油速控制在适当范围内。特别是低压绕组油道需要重点考虑，低压绕组绝缘最薄弱，而油流带电程度最强，更易发生故障。在油道设计时可以适当加强绝缘、增加油道尺寸、减少紊流，相应的冷却器应当选择低流速、大流量、性能优良的产品[4]。

2.4.2 提高绝缘材料品质

变压器中固体绝缘材料品质对油流带电影响十分明显，选用优质绝缘材料并且提高其加工水平来抑制油流带电是行之有效的。例如在制作各种绝缘件的过程中选用高精度机床并严格控制工艺，保证所有绝缘件表面及棱角处光滑平整、少毛刺，可以很好的减弱油流带电。

3 结论

利用变压器实体模型分析研究变压器油流带电的产生机理以及相关影响因素十分重要。通过直接测量变压器各端子对地泄漏电流能够定性判断影响油流带电的主要原因。绝缘件外表越光滑、质量越好油流带电程度越弱，油速越低，油流带电程度也会减弱。因此变压器在设计制造时应不断优化绝缘材料加工工艺、合理设计冷却系统和油道结构来抑制油流带电，进而不断提高变压器制造质量，避免变压器在运行工况下发生油流带电造成设备绝缘 故障。