高压套管油纸绝缘气泡生成特性

张 璐,杨 昊,赵 恒,曹 雯,温 然

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院,陕西 西安 710100;2.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

近年来,我国电网事业飞速发展,对电网建设也提出了更高的要求,其中电力设备的在线监测与风险评估技术显得尤为重要[1-2]。高压油浸纸套管广泛应用于各种电力设备,尤其是电力变压器的重要出入线组件[3-4],但近年来变压器油浸纸套管事故频发,甚至多次由套管放电故障发展成变压器本体着火、爆炸等灾难性故障,严重威胁电力系统安全稳定运行[5-7]。套管的主体绝缘结构为油纸绝缘结构,具有结构细长、纸层多、含铝箔等特点[8]。在实际运行过程中,套管油浸纸绝缘结构因长期承受高电压、大电流等诸多因素综合作用,其绝缘性能受到严峻考验[9]。在对变压器噪声测量分析中[10],由于各种设备之间影响较大,如开关,继电器动作,电力设备之间的载波通讯等干扰,难以分辨噪声干扰源及定位到设备上的具体元件,开展变压器套管研究对提升电力设备在线监测能力有着重要的意义。

套管油浸纸绝缘结构在电场和热场的长期作用下,纸中纤维素分解产生的水分、气体等单个分子。在电场、热场、油流等因素共同作用下发生聚集,并在一定条件下聚合形成微小气泡[11]。当气泡位于强电场区域时,可能发生局部放电,从而危害套管绝缘,甚至造成套管击穿[12]。其中,水分含量及温度的变化是影响变压器套管油纸上气泡生成的主要因素,相关领域的国内外学者围绕油纸绝缘结构中气泡的产生及其对绝缘性能的危害开展了一定的研究工作。

Niemeyer针对油纸绝缘中存在不同形状气泡时开展了仿真研究,并给出了扁平形和类球形两种气泡形态下电场分布情况[13];Gutfleisch等在此基础上开展了局部放电的理论研究,并给出油纸绝缘结构中气泡存在时局放起始电压值[14]。文献[15-16]开展了油纸绝缘结构中气泡生成温度研究,并获得了油纸绝缘系统中气泡形成温度变化曲线,但在其研究中温升速率过快,且求取方法不合理；Shiota等设计了油中气泡实验装置,研究了气泡大小与起始放电电压之间的关系,结果表明，气泡的大小和形状对于气泡局部放电特性有很大的影响[17]；Koch等研究了不同老化状态下的油纸绝缘上气泡的产生和发展过程,实验结果表明，水分会加剧油纸绝缘的老化程度，水分含量增多会降低油纸绝缘性能并在高温条件下析出气泡,当油纸绝缘中水分含量大于2%时可能会导致变压器内部发生故障[18]。

高萌等针对油浸纸绝缘热致气泡形成特性开展了研究,提出油中气体体积分数对气泡生成起始温度影响较大,但当油中气体接近饱和时,气泡生成起始温度变化率降低，然而,在其实验中未考虑油中热传导会受到不同的介质与体积的影响,所测得的油中温度与实际油纸绝缘上的温度具有一定差异[19];汪佛池等针对变压器油纸绝缘不同水分含量情况下的气泡生成规律及展开了研究，试验结果表明，绝缘纸板的水分含量对生成气泡的起始温度有明显的影响,随着水分含量的增大,生成气泡的起始温度越低[20]。

以往学者们主要围绕典型变压器油纸绝缘结构中气泡缺陷开展研究,然而,套管油浸纸结构与变压器中的油纸绝缘结构有较大区别,以往油纸绝缘中气泡研究结果并不能直接适用于套管油纸绝缘，因此,有必要针对套管油浸纸结构开展气泡生成特性研究[20]。

1 气泡析出条件

在油纸绝缘结构上产生的气泡主要存在于绝缘纸和变压器油交界表面。气泡的内、外部压力分别为pin和pout,其中pin包括水蒸气分压和其他气体分压,pout为大气压强和液态油静压强。气泡析出的决定条件是气泡内部压强大于等于外部压强与气泡表面张力之和[19],可表示为

(1)

式中:σ为油中气泡表面张力系数;r为气泡半径。由Clausius-Clapeyron方程分析可知,气泡内外部压强决定于环境温度。同时,变压器套管油纸绝缘存在局部过热情况,析出的气体包含多种成分,在其他成分不发生化学反应的情况下,水蒸气分压是由水蒸气含量所决定的。因此,变压器套管油纸绝缘中气泡析出条件决定于温度和水蒸气含量。本文在建立套管模型的基础上,开展温度和水蒸气含量对套管气泡产生的影响机制研究。

2 实验装置与方法

为研究套管油纸绝缘的气泡生成特性问题,本节结合实际10 kV高压套管结构,设计并制作了套管芯子样品,并依据实际变压器绝缘纸处理过程对试品进行处理。同时,搭建了热致气泡产生实验平台,以模拟实际变压器套管产生气泡的过程。

2.1 材料与样品制备

2.1.1 样品处理 在西安工程大学高电压技术实验室与国网陕西省电力公司电力科学研究院电网安全运行仿真分析与风险评估实验室联合开展实验样品的预处理工作。首先,利用鼓风干燥箱对绝缘纸进行鼓风干燥处理,处理温度100 ℃;利用真空干燥箱对ρ=0.88 g/cm3的25#变压器油进行干燥处理,处理温度为85 ℃[21]。

2.1.2 套管电容芯子样品制备 为模拟实际套管内部结构,本文采用固定绝缘纸层数与电容屏极板长度的绕制方法,并按照10 kV套管内部绝缘要求进行设计。由于实验样品的极板长度差距不大,所以极板的长度选取和绝缘纸宽度一致,为96 mm。依据主流的油浸纸电容式套管制造工艺标准,绕制用的绝缘纸厚度为0. 08mm,铝箔板厚度为0.01 mm,绝缘油选用昆仑25#变压器油,导杆采用直径为10 mm的铜管。每绕制9层绝缘纸加裹一层平整铝箔极板,共计加入3层铝箔极板,铝箔极板的宽度分别为38.3、44.7、56.1 mm;最后,将剩余的绝缘纸缠绕在最外层,并用细棉线将整个芯子扎紧防止其松散。油浸式套管样品示意图如图1所示。

图 1 油浸式套管样品示意图

2.1.3 纸中水分含量控制 已有研究表明,绝缘纸的吸水能力为绝缘油的上万倍,因此套管油纸绝缘结构中的水分主要存在于绝缘纸之中[22-24]。为研究纸中水分含量对气泡产生的影响,需要获得不同纸中水分含量的芯子样品。将绕制好的套管电容芯子分别在温度为25 ℃，湿度为48%的环境中放置不同时间,利用卡尔费休滴定法监测纸中水分含量,以获得不同水分含量的样品，并将样品置于护套内,并进行注油。具体步骤:实验前,首先将绝缘纸和绝缘油置于真空度30 Pa,120 ℃的烘箱中连续处理5 d;然后,根据实验要求制作不同含水量的样品,为使得水分更加均匀分布在套管芯子样品上,将制作完成的试品置于恒温、恒湿箱内保持24 h;最后,将最终制作完成的试品置入实验腔体中心位置,并注入之前经过干燥祛气处理的25#变压器油。具体流程图如图2所示。

图 2 套管样品加工制作流程

2.2 实验平台与方法

利用绕制好的套管电容芯子,搭建套管油纸绝缘结构气泡观测实验平台,如图3(a)所示。

为方便观测油中气泡产生过程,套管模型的护套采用透明有机玻璃。将绕制好的芯子置于有机玻璃外套轴心位置。为保证实验过程中样品受热均匀,采用对侧加热棒对样品进行加热,加热棒末端为温度控制器,可实时控制加热功率以获得不同的加热速度。同时,采用贴片式温度传感器贴置于芯子中部,并实时采集样品温度。样品加热过程中,将最大放大倍数为1 000倍的高清电子放大镜置于观察窗口进行拍摄。高清电子放大镜末端接入计算机的图像采集系统,为了能够记录气泡尺寸,在实验进行前,将标准尺寸物件置于充满绝缘油的有机玻璃腔体中,进行图像尺寸标定。实验平台拍摄到的套管芯子试品表面气泡照片如图3(b)所示。

(a) 实验平台示意图

3 结果分析

本节研究了不同因素对气泡的生成的影响规律,首先给出了气泡温升速率与加热功率之间的关系,并进一步研究了温升速率与气泡起始温度之间的关系。并针对实际中套管油纸绝缘结构存在水分的情况,通过实验研究了不同水分含量下的气泡起始温度规律。

3.1 加热功率与样品温升

将套管芯子在绝缘油中充分浸润后再开始加热进行实验。同时,为保证芯子受热均匀,实验中电热棒的施加功率较低,为确保整个油纸绝缘结构进行充分的热交换,实验中加热时间一般为50～80 min。在实验过程中,可以控制电热棒的输入功率来获得不同的温度升高速率。但由于油中热传导存在时间常数,且不同的介质与体积对传热效率的影响巨大,因此实验中的电热棒输入功率与样品温升速率之间需要通过实验来进行确定。首先研究了2个典型输入功率下,样品温升ΔT与加热时间t之间的关系,如图4所示。

图 4 温升ΔT与加热时间t关系图

如图4所示，样品值ΔT与t之间并非成线性关系,在电热棒的持续热量输出过程中，ΔT首先随着t呈指数上升趋势。当系统的输入能量与热量耗散达到平衡时,ΔT进入平稳阶段。由于电热棒与试品之间通过绝缘油实现热交换,温度控制器的温度不能实时反映试品上的温度。为方便后续研究温升速率vT与气泡生成起始温度Ti直接的关系,需要明确加热功率与温升速率之间关系。本文将加热过程最后到达的平稳阶段温度定义为目标温度T0，分别将温度达到0.2T0和0.8T0的时间定义为t80和t20,获得某一功率下到达0.2T0和0.8T0的时间,即可确定该功率下的温升速率。通过改变不同功率即可获得不同温升速率,以此实现研究不同温升速率下气泡起始温度的目的,定义温升速率的表达式为

(2)

同时,为明确不同输入功率P与稳定温度T0之间的关系,并获得输入功率P与vT之间的关系,分别施加不同输入功率对试品进行加热实验。在实验中,热量来源是通过导体通电后产生的热效应,当施加输入功率后,随着时间的推移,电容芯子处的温度趋于一个稳定值,此时的温度与初始环境温度差值即为该输入功率下的稳态温升。本文认为经过一段时间到达稳态温升后,vT达到3 ℃/min时为高温升速率,结果如图5所示。

图 5 加热输入功率P与温升ΔT、温升速率vT关系图

从图5中可以看出,电偶的输入功率P与T0、vT之间近似呈线性关系。下文利用这一关系开展温升速率对气泡生成起始温度影响研究。

3.2 温升速率对气泡生成起始温度影响

利用图3(a)实验平台研究不同温升速率下气泡生成起始温度，试品采用未在空气中放置的6组样品进行实验。在实验过程中,为保证可以更加清晰地拍摄到油中气泡,采用无频闪LED对装置进行补光。利用电子放大镜和图像采集系统同步对油中气泡进行图像采集。

选取在空气中放置8 h的样品开展实验,利用3.1的温度控制方法对不同温升速率下开展10组有效实验。结果表明:在温升速率小于3 ℃/min范围内,气泡生成起始温度测试结果数据分散性较大。例如当温升速率为1. 6 ℃/min时,样品1～10气泡生成的起始温度分别为100.4、108.2、109.6、115.8、117.1、119.0、119.5、129.1、131.2、132.4 ℃,气泡起始温度最大相差可达32 ℃。

为得到数据分布规律,利用数理统计方法对温度的分布规律进行分析。鉴于样本数少于50个,采用少样本数据正态分布检验方法(即W检验法)对电子温度分布进行正态性检验。W检验法的统计量表达式为

(3)

式中:n为样本数量;ωi(W)为统计量的W系数;xi为样本值。计算可得W大于99%置信率下的α分位数。因此,不拒绝数据服从正态分布的假设,即可以认为低于3 ℃/min温升速率下气泡生成起始温度服从正态分布,并以数据期望值表征数据。

由于变压套管内部温升范围主要分布在0～6 ℃/min之间,故在不同温升阶段选取5个典型温升速率值,分别在0.3、1、3.3、4.44、5.42 ℃/min下开展气泡生成起始温度测试实验。当温升速率低于3 ℃/min时,气泡生成起始温度选用数据期望值来表示;当温升速率达到3 ℃/min后,气泡生成起始温度选用数据平均值来表示,结果如图6所示。随着温升速率的增加，气泡形成起始温度呈快速下降的趋势，这是因为水蒸气、溶解气体和吸附水主要存在于绝缘纸的缝隙内,快速升温将导致吸附水迅速蒸发,孔隙从纸内得到更多的水蒸气,内部的水蒸气和气体压强增加,气隙膨胀。当内部压强大到足以排出绝缘纸孔隙内的油时,则释放出一个自由气泡。而较慢的升温过程则可能使得气隙膨胀变缓,难以达到产生气泡的压强,气泡生成起始温度升高。当套管内部油纸存在水分时,如果变压器负荷急剧攀升,套管油纸绝缘结构中更容易产生气泡,威胁设备安全运行。

图 6 温升速率与气泡生成起始温度关系

3.3 水分含量对气泡生成起始温度影响

套管油浸纸绝缘中如果存在水分时,水分会在高温的作用下析出并以气泡形式出现在油纸绝缘中,影响内部绝缘性能。由于运行年限和负载不同,不同套管油纸绝缘内部的水分质量分数存在较大差异,本文研究了不同绝缘纸水分含量下气泡生成起始温度变化规律。

将套管芯子样品置于空气中进行受潮处理,不同放置时间下油纸水分含量w如表1所示。从表1可以看出,纸中含水量随着放置时间增长而迅速增高。而且如若长期放置,油纸中的水分含量将达到饱和状态。实验中每组样品个数为3个,利用受潮后的样品分别进行气泡生成起始温度实验研究。

通常情况下,变压器套管故障发热时的温升速率约为5.2 ℃/min,在不同受潮等级下选取表中的5个水分平均含量值,在5.2 ℃/min的高温升速率下开展实验,实验结果如表2所示。从表中可以看出,气泡生成起始温度Ti随水分质量分数w的增加而迅速下降。这是由于当纸中水分增加时,绝缘纸孔隙中的吸附水含量显著增加,当环境温度升高时,从孔隙中析出的水蒸气量增加,更容易排出绝缘纸孔隙内的绝缘油,从而形成气泡。

表 2 5.2 ℃/min时气泡生成起始温度随水分含量的变化

4 结 论

针对高压套管中存在的气泡缺陷问题,开展了高压套管油浸纸绝缘结构中气泡生成特性研究,获得了气泡生成起始温度与温升速率和绝缘纸中水分含量的变化关系,主要结论如下:

1) 对0～6 ℃/min温升速率范围内对气泡起始温度影响进行了探究,结果表明：温升速率对气泡生成起始温度具有一定的影响，随着温升速率的增加气泡生成起始温度呈快速下降的趋势；当温升速率低于3 ℃/min时,气泡生成起始温度值不易确定,分散度较大,但满足正态分布规律；在温升速率高于3 ℃/min阶段,气泡起始温度显著降低。

2) 对0.4%、2.7%、3.9%、6.8%、7.6% 5种水分质量分数套管样品进行气泡生成实验,发现绝缘纸中的水分含量对气泡生成起始温度具有显著影响。随着绝缘纸中水分质量分数的增加,气泡生成起始温度降低,说明在受潮严重的套管内部极有可能形成气泡。