浅析变压器的局部放电

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  [摘 要]为了考核变压器在长期运行的可靠性,产生了局部放电量考试的标准,本文通过对局部放电机理的分析解释,并说明它对变压器绝缘的侵蚀的危害,以至于影响变压器的寿命,结合本人实际工作经验,提出控制变压器局部放电量水平的办法。
  [关键词]变压器 局部放电 机理 措施
  中图分类号:TM835;TM40 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)48-0301-02
  引言
  随着电力系统向大容量方向发展,对电力变压器稳定运行要求越来越严格.然而局部放电量水平的控制是影响变压器可靠长期在工作电压下稳定运行的关键因素.我国对变压器的局部放电试验是从对220kV级及以上变压器执行开始的.并且列入了国家标准,现在国家标准对变压器的局部放电量作了具体的规定:GB1094.3-2003中规定执行,局部放电量标准规定应不大于500pC。但用户在技术协议中经常要求小于等于300pC或小于等于100pC,这种要求体现了变压器行业对局部放电量水平的足够重视.下面笔者根据工作经历的一些案例和积累的经验,介绍局部放电的成因,提出降低变压器局部放电量水平的措施,剖析局部放电对变压器及系统运行的危害,并阐述控制变压器局放的意义。
  1.局部放电的机理
  由于绝缘结构中存在着一些弱点,例如绝缘固体或油中存在气隙、杂质,在电场的作用下,会产生局部放电,根据解析法按图1计算电场(推到略),可以得出薄层介质中的电场强度为平均场强的ε1/ε2,倍.其中:
  εn—不同介质的介电常数;
  dn—介质间的距离;m
  En—介质间场强;V/m
  U—电极间电压;V
  E—平均场强;V/m
  结合变压器的绝缘结构为薄纸筒小油隙结构,即当d2<  则有E2≈U/d1×(ε1/ε2)≈E1(ε1/ε2)= E(ε1/ε2)从而得出上述结论。
  由于介质的产生的电场强度与介电常数成反比,油浸纸的介电常数εz=4.4.油的介电常数εy=2.2,空气的介电常数εk=1。
  如一旦油浸纸中出现空气穴则有:Eq≈(4.4/1)E≈4.4E;
  若一旦油中出现空气穴则有:Eq≈(2.2/1)E≈2.2E;
  因此从容许击穿场强来看,油浸纸最高,油隙其次,气隙最差,所以当电极电压达到一定值时,气隙将首先击穿产生放电。下面将气穴放电的原理及过程做一简单分析:如图2。
  图中Cg相当于空穴的电容,图中所并联的火花间隙g,相当于空穴的放电间隙,其放电电压取为Ug。Cd、C0分别为与Cg相串联及并联的固體绝缘介质的等值电容。一般情况下C0>>Cg,在有空穴时,Cg>>Cd。
  当电极间加上交流电压U时,根据电容分压的原理,加在Cg上的电压应为aU,a为分压比,即a=Cd/(Cg+Cd)当该电压达到气隙放电电压Ug时,空穴将产生局部放电,间隙击穿,放电产生的空间电荷建立反电场,使得Cg上的电压急剧下降,当下降到放电熄灭电压Ur时,放电熄灭。由于外加U电压的存在,空穴依旧存在,所以空穴重新获得充电,当空穴上的电压aU达到Ug时,又会第二次引起放电,以此类推。气隙的每一次放电,其电压瞬间下降△Ug=Ug-Ur,同时产生对应的局部放电电流脉冲,由于发生一次局部放电过程时间很短,约为10~8S数量级,可以认为是瞬时完成,故放电脉冲电流表现为与时间轴垂直的一条直线,如图3。
  由此看出空穴的放电过程是一个持续过程,既然放电期间电压的变化△Ug是瞬间变化的。由于气隙放电回路存在电弧电阻、电容等参数,所以实际上△Ug是按着指数函数来变化的,另外,由于放电瞬间,电源还来不及向介质充电,因此由电压变化计算的电荷量仅为真实电荷量的一部分。由于Cg>>Cd,因此补充的电荷量要较放点电荷量小得多。因此体现了局部放的滞后性和自熄性。
  在变压器的绝缘结构中,除了介质中含有气隙、杂质放电外,有的是由于电极系统不对称,包括个别区域的电场强度过高发生局部放电,放电发生在其中的一个电极的边缘。
  2.变压器局部放电的案例
  悬浮电位的放电,它的危害性与发生放电的部位有关,严重情况,其放电量可能有几万pC以上。例如:高电压大型变压器内部的地屏,在加工制造上焊点不牢固存在隐患,若运输和运行中受力的作用,使地屏中的紫铜带与接地片的焊点断裂,引起紫铜带电位悬浮,其局部放电量会非常大,如图4所示,由于局部放电量的过大,致使变压器无法继续运行,最终是变压器解体返修。
  3.变压器局部放电的危害
  对于绝缘材料的破坏分为,电击穿和热击穿。
  电击穿就是根据局部放电产生的原理,当电压作用在绝缘体上,便产生了大量的自由电子。由于自由电子的加速运动产生了大量的动能,能量聚集到一定值,便产生电击穿。热击穿的产生,是由于绝缘材料温度的增加,介质损耗不断增大,产生了材料的泄露电流,使得材料温度增加。当绝缘材料增加的热量大于散发的热量是,则使绝缘材料老化,严重的致使材料烧坏或烧焦。
  局部放电的危害主要是对绝缘的侵蚀,气隙放电,就是空穴表面将充当瞬时的阴极和阳极,一些电子撞击阳极时有足够的能量使绝缘表面的化学键破坏.同样正离子冲击阴极可使表面温度增加而造成损坏,并产生局部的热不稳定性,还会形成通道和凹坑.另外,活性的放电生成物,还将在空气中,形成臭氧或二氧化氮,由于它们的电化学作用,将不断加速绝缘老化,最终结果是材料的缓慢腐蚀,由此引起固体绝缘的厚度减小,性能变差,最终导致绝缘的击穿.至于油中局部放电,存在两种情况对纸、纸板起到侵蚀作用。一种是较快出现的间接损坏,即油中局部放电容易使纸板中出现较大的气泡,另一种是缓慢的直接损坏,即纸、纸板的纤维受到机械破坏和碳化。油因电解及电极的肖特基辐射效应使油分解,加上油中原来存在的一些杂质,容易使纸层处凝集着因聚合作用生成的油泥(多在匝绝缘或其它绝缘的“油楔”处),油泥生成,将使绝缘的介质损失角tgδ激增,散热能力降低,甚至导致发生热击穿的可能性。   变压器的绝缘材料都是有一定的热寿命,例如,油浸式变压器的耐热等级是A级,A级绝缘材料的长期工作温度为105℃,按GB/T15164—1994《油浸式电子变压器负载导则》变压器绝缘的热老化规定,变压器绝缘是按热点温度98℃为基准的,温度每增加6℃,老化率增加1倍;反之,温度降低6℃,老化率减少1/2.这就说明,控制变压器的局部放电水平是延长变压器寿命的关键。
  4.控制局部放电产生的措施
  (1)从技术层面,研究和分析绝缘结构的电场分布、击穿和局部放电特性,找出允许的最大场强。控制电极形状,有选择性的布置绝缘材料,降低电极表面的电场强度,做好工艺参数控制,应用电场软件计算得知,电极有缺陷时局部场强增大15%左右,绝缘有缺陷局部场强增大20%左右。对大型电力变压器的铁心金属件接触面及螺孔内部均要求不涂漆,确保铁心接地系统良好。保证不存在悬浮电位。对于引线而言,可采取①增加引线每边绝缘厚度;②加大引线的绝缘距离;③加大引线的直径。三种措施降低本身场强。高电压绕组的出头处采取屏蔽措施如加屏蔽套筒、铝箔屏蔽圆整包扎金属化皱纹纸等措施来均匀场强。
  (2) 从工艺流程层面,严格要求工作人员按工艺流程和方式工作,根据本人的实际工作总结经验如下:
  a.绝缘层压件中不能有气泡、水分和纤维杂质,以免引起电场分布的畸变,电场强度的升高,由于强电场的作用,发生极化,形成导电小桥,发生局部放电。
  b.变压器油箱、铁心夹件以及拉板等组部件内部的圆整化要求。
  c.装配过程中,做好除尘措施,保证变压器的洁净度。对于焊接连接头处理光滑圆整,屏蔽包扎严格按工艺守则包扎绝缘。
  d.干燥处理,对于需要煤油气相干燥的变压器,要严格按工艺守则和工艺流程干燥变压器。禁止由于时间不够、操作顺序不对等原因出现干燥不彻底的现象,导致绝缘件中存有气泡,致使变压器的局部放电量增大。
  e.变压器出炉器身整形时间严格控制,不要因器身暴露在空气当中时间过长,器身吸潮,致使变压器的局部放电量增大。
  f.变压器注油后,应有相当的时间静放。
  3.管理层面要求以下几个方面,也是控制变压器局部放电水平的关键
  a.杜绝使用低劣材料
  b.创造良好洁净生产环境
  c.对绕组、绝缘和器身引线等生产部门,要加强卫生管理,保证产品生产各环节的清洁度。若洁净度不好,降尘量较大,使器身及油箱中附着许多杂质颗粒,产品注油后,这些杂质就会溶入油中,并对强电场周围造成威胁。
  d.严格验收检查,除了强调产品以保证产品质量;另外,加强对绝缘纸板、层压木、绝缘胶和煤油等的验收检查手段。
  e.重视对绝缘零部件的卫生保管,避免被灰尘污染。
  f.加强对变压器油的质量管理,变压器油在运输和贮存过程中,由于容器和管路的洁净度及与空气接触吸湿等原因,会使油质标准不断下降。因此,對油质管理应采取严格的预防措施。①使用前要对变压器油进行验收检查,确保油质符合国家标准。②不能将不同厂家的油混用,也不能将不同牌号的油混用。③保证使用的盛油器、导油管、净油机等设备的洁净。
  g.对新安装的冷却器、散热器和潜油泵等组件要彻底清洗,避免内部残留老化油。如果变压器运输和贮存停放的时间较长,上述组件必须用密封措施密封良好,若内部残留油长期接触空气,也容易吸湿和劣化。所以安装时应冲洗,以防止油的质量得不到保证,使变压器内部受到污染。
  h.培训领导干部和技术工人学习局部放电知识,让企业有关职工都明白“局部放电知识”内容和解决问题的方法,使全体职工群策群力常抓不懈的工作,企业的变压器生产就会顺利发展。
  5.无局部放电超高压变压器的设计提出
  目前,系统电网运行容量日益增大,电力部门对于局部放电水平要求越来越低,鉴于上述对局部放电的分析,变压器的局部放电量是可控的,因此越来越多的电力人士,对超高压系统提出了无局放的设计,避免局部放电对绝缘的侵蚀而导致绝缘破坏.因此要求变压器的设计要从无局放基点出发,它的原则主要遵循以下几点:
  (1)从技术角度看,由于电压等级的提高,工作电压与工频试验电压之比越来越大,因此电磁场的计算的场强应该按最高工作电压为依据控制各部分电场强度,首先线圈匝绝缘厚度按10%的过励磁的要求考虑.在一定真空工艺处理条件下,对于中部出线的超高压变压器主绝缘结构,按长期最高工作电压考虑,这种情况下的许用场强一般要小于4kV/mm.对于端部出线的绝缘结构,许用场强的考虑值为2kV/mm.其次充分利用薄纸筒小油隙结构.第三:注意对引线电场强度的控制,尤其是端部,应按较高的局部放电起始电压考虑,可以采用成型角环结构,不仅增加延面放电距离,同时也与端部电场等位面形状符合.起到均匀场强的作用.第四;尽量避免场强集中,对于可采用圆弧形电极限制最小曲率半径的,可按电压等级规定导圆弧。对于无法制作成圆弧形状的,可采用屏蔽罩或屏蔽体的方式来避免电场集中 。同时注意所有的屏蔽件以及其他金属零件均应有固定的电位,绝不允许存在悬浮电位。
  (2)从制作工艺和流程上看,首先特别注意器身的洁净度,对于焊接件、打磨件等现场产生的金属性异物要处理干净。其次使用浸油性好的绝缘材料,不能使用过厚层压件,以免浸油不透或内部残存气泡,但有时工艺上可以在较厚的层压件上钻孔。一方面有利于抽空时气泡的析出,另一方面有利于变压器油充分浸入内部。第三,变压器装配后,真空干燥,真空注油,补油时,也要在真空状态下进行。第四,免除变压器吊芯过程,以免变压器受潮。第五,变压器注油后,静放时间足够长,使变压器中的残存气体充分析出。由于变压器油具有一定的溶解气体的能力,油温越高,气体的溶解性越好。残余气泡会慢慢溶解于油中,因而气泡会逐渐减少直至消失。
  6.结束语
  控制变压器的局部放电量水平,是一项非常重要的课题,它一方面是变压器产品本身性能好坏的一个重要考核指标,同时也关系到变压器运行的可靠性和长期性,是电网事业发展的必要需求。
  参考文献
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