水分及测试方法对植物绝缘油局部放电起始电压测试结果的影响

2020-12-29杨凤英詹仲强

绝缘材料 2020年7期

金铭，杨凤英，魏伟，詹仲强，杨洋

（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐 839000）

0 引言

变压器中矿物绝缘油的主要作用包括绝缘（提高绝缘强度）、散热（通过油的上下对流加快散热）及消弧（提高灭弧性能）等[1]，然而矿物绝缘油存在一些弊端，例如燃点较低、生物降解性差、有一定毒性等。为解决上述问题，近年来研究人员提出采用植物绝缘油代替传统的矿物绝缘油。植物绝缘油无毒，并且可生物降解，环保性能较好。基于上述优点，植物绝缘油在世界范围内变压器中的应用日益增多，现已广泛应用于配电变压器以及一些高功率变压器中[2]。

变压器的储存与运输过程易受到水分侵入，现有研究表明，当植物绝缘油中存在水分时，将会发生电荷注入或气泡效应，强电场区域将发生局部放电[3]，导致变压器油发生劣化和老化，从而影响变压器的正常运行。绝缘油的劣化及老化过程与油中烃分子的分解有关，因此局部放电检测对评估植物绝缘油变压器的寿命具有重要意义[4]。

然而针对测试方法及电极配置方式对局部放电测量结果影响的研究极少。本研究采用不同的测试方法和电极配置方式对植物绝缘油的局部放电起始电压进行测试，分析试验方法和电极配置方式对含有溶解水的植物变压器油局部放电起始电压测量结果的影响。

1 试验

1.1 试样制备

本研究采用珠海长先新材料科技股份有限公司生产的从转基因菜籽油里提取的植物绝缘油，由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸与甘油结合的产物（即脂肪酸甘油酯，简称甘三酯）组成[5-7]，其稳定性主要由油酸、亚油酸、亚麻酸组成的脂肪酸甘油酯决定。

将水蒸气通入磁力搅拌器搅拌油样的上方，采用Karl Fischer公司生产的Metrohm 852 Titrando型滴定仪测定绝缘油的含水量，制备含水量分别为50×10-6、250×10-6、450×10-6、650×10-6、850×10-6的植物绝缘油。

1.2 试验装置

采用4种电极布置方式产生不同的不均匀电场，电极间距统一设置为50 mm，具体如下：①EA1：尖端半径为100 μm的针电极和直径为20 mm的板电极；②EA2：尖端半径为20 μm的针电极和直径为20 mm的板电极；③EA3：尖端半径为100 μm的针电极和直径为20 mm的球形电极；④EA4：尖端半径为20 μm的针和直径为20 mm的球形电极。

1.3 试验方法

参考文献[8]的矿物绝缘油试验研究方法，本研究采用以下两种试验方法进行局部放电起始电压测试：①升压速度设为1 kV/s，直至测量到100 pC的局部放电视在电荷量（参照IEC 61294-1993），记录此时的电压为局部放电起始电压（PDIV）；②先以1 kV/s的速度加压，以实现初始值为局部放电视在电荷量预期值的70%（70 pC），随后加压速度减至1 kV/min，直至测量到100 pC的局部放电视在电荷量，记录此时的电压为局部放电起始电压（PDIV）。对不同电极布置方式和不同含水量的植物绝缘油分别进行10次测量，结果取平均值。

局部放电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，检测线路如图1所示，背景噪声小于5 pC。

图1 局部放电检测线路Fig.1 Partial discharge detection circuit

2 试验结果

不同试验方法和电极布置方式下测得的局部放电起始电压（PDIV）数据如表1所示。

表1 不同试验方法和电极布置方式测得PDIV(单位：kV)Tab.1 PDIV test results under different measurement methods and electrode arrangements

从表1可以看出，当电极布置方式为EA1时，在油中含水量为50×10-6的情况下，无论采用何种试验方法，局部放电起始电压（PDIV）均最高。在方法①试验下，随着含水量的增加，植物绝缘油的局部放电起始电压呈下降趋势，且在50×10-6～250×10-6下降最快，但当水分含量达到250×10-6之后，随着含水量的增加，局部放电起始电压（PDIV）下降减缓。从表1还可以看出，随着含水量的增加，电极布置方式对局部放电起始电压（PDIV）的影响逐渐减小，相同的测试方法下，4种电极布置方式测得的数据差异逐渐减小。此外，比较EA1跟EA2、EA3跟EA4的实验结果可知，无论接地电极形状如何，在具有较大尖端曲率半径的针电极处局部放电起始电压值较高；与球接地电极相比，板接地电极时针电极尖端半径比对局部放电起始电压的影响更显著。

从表1还可以看出，不同的升压速度对局部放电起始电压的测量结果有显著的影响，其中方法①测得的局部放电起始电压值略高，尤其是对于含水量较低的植物绝缘油。

由EA3、EA4结果可知，针-球电极下，当植物绝缘油含水量较低时，局部放电起始电压（PDIV）较低（考虑到标准差的扩散），随着含水量的增加，PDIV总体呈先增大后减小的趋势，该结果与文献[8]给出的测试结果一致。

3 试验分析

对于油中局部放电现象，可通过经典的局部放电模型来进行解释。水是极性分子，绝缘油中的水分在电场的作用下定向排列成“小桥”，当小桥贯穿正、负电极时，水分的大电导率将使流过小桥的泄漏电流增大，导致局部过热并促使水分汽化形成气泡[9]。气体的相对介电常数较小，承受的电压较高，并且电气强度比绝缘油低得多，因此，气泡内的气体首先会发生放电。游离产生的带电质点再碰撞油分子，从而分解出更多的气体，导致气泡不断增多，最后在电场的作用下排列成连通两极的气体小桥，油在小桥贯穿两极的瞬间发生击穿。

随着升压速度的上升，水滴首先被击穿或在电场的驱动下开始运动产生自由电荷，形成与外加电场反向的退电场。当退电场与外加电场形成的合电场小于水滴的击穿电压时，放电停止。界面处的自由电荷可通过绝缘油泄漏，从而导致退电场逐渐削弱。当退电场减小到一定程度时，放电或电荷迁移再次开始。因此，随着升压速度的增加，泄漏电流逐渐增加，有利于自由电荷的消散，局部放电次数增加，平均局放量增加。

植物绝缘油中的水分子有3种存在形式：一种是作为单独存在的水分子在油中溶解，形成均匀的混合物；另一种是水分子被羟基的氢键捕获；还有一种是沉积水。对于溶解水，水可以与甘油三酯反应，酯的水解反应并生成长脂肪酸。水分子的存在改变了植物绝缘油的分子结构，导致流体黏度及液体电离条件发生变化，这将影响带电粒子的数量及迁移率，从而使局部放电起始电压降低。因此，相较于干燥绝缘油而言，含有水分的绝缘油局部放电起始电压较低。

此外，试验测得的局部放电起始电压值与电极布置方式和电场的不均匀程度有关。电场的不均匀程度取决于电极的曲率半径及电极间距，对于针-板电极，针电极附近处的电场强度（E）可表示为式（1）。

式（1）中：U为外加电压；r为针电极的尖端曲率半径；a为电极间距。

减小针电极尖端的曲率半径将会使得局部场强增加，使得电场的不均匀程度增加。而球形电极比板电极的曲率半径小，因而针-球电场的不均匀程度更高[10]。此外，局部电场强度的增加不全由电极的几何形状决定，流柱通道半径的扩大也可引起局部电场强度的增加。根据文献[11]，对于流柱产生的初始阶段（流柱长度不超过3 μm），由于流柱的存在导致局部电场强度增加的影响远大于电极形状对其的影响。