1、油浸变压器局部放电产生的原因及特点房向阳1胡洁21.天津市电力公司城东供电分公司 天津市 3002502.西安供电局 西安市 710032摘要：本文详细分析了变压器产生局部放电的几种典型结构及因素，一般来说，局放是由引线、端部绝缘结构、突出的金属电极、杂质等几种典型结构造成的。通过研究，本文总结出油浸变压器产生的放电原因：对于变压器内的绝大多数稳定的放电，其实质都是气泡放电，区别在于气泡的产生机理和气泡周围的介质不同，或为油介质、固体绝缘介质、甚至导体。根据局方产生的机理，本文进而给出了油浸变压器局放产生的特点。关键词：变压器；局部放电 ；绝缘；气体1引言油浸变压器的主、纵绝缘主要由介电常数很
2、高的油浸纸和介电常数较低的绝缘油组合而成的。在这种绝缘方式下，油部分的场强较高，高到一定程度就会产生局部放电，有时会产生击穿，因此，基本的做法是在高电场部位设有油隙，或靠油隙的细分割，来提高单位油隙的击穿场强。本文针对变压器中产生局部放电的几种典型结构及因素进行研究、分析，从而总结出油浸变压器局部放电产生的原因及特点。2 变压器中产生局部放电的几种典型结构及因素 由于绝缘材料的性质不同，加上设计或制造上的原因以及绝缘内部存在气泡及杂质等因素，造成了绝缘结构中电场分布不均匀，甚至在局部区域电场过于集中，极易产生局放。因电场集中易产生局放的几种典型结构如下所列。2.1引线变压器绝缘结构中，引线的布
3、置是很多的，引线和引线之间是极不均匀电场。两根半径相同的引线相互平行和垂直时，其最大电场强度均出现在两根引线距离最近的引线表面处。相同条件下（忽略外包绝缘层），两根引线互相垂直布置比平行布置的最大电场强度高出10%左右。高压绕组首端引出线对箱壁以及对其外的调压绕组，也是电场集中易产生局部放电的区域。2.2端部绝缘结构超高压电力变压器端部绝缘结构中，通常在绕组端部放置静电环，一方面改善绕组冲击电压分布，另一方面作为屏蔽均匀端部电场。此时，静电环与端圈间形成的锲形油隙（也称为“油锲”）为电场集中区域。静电环表面最大场强一般可由经验公式求出：（1）(1)式中 U为试验电压（kV）。由此可见，其最大电
4、场强度与绕组间主绝缘距离（m）、端部绝缘距离（h）、静电环曲率半径（r）及其绝缘层厚度（d）有关，如图1所示。一般情况下H=(1.52.4)m，R/m=0.10.5。图1 变压器端部绝缘结构2.3突出的金属电极变压器中突出的金属电极表面，如油箱内壁的焊缝及附在其上的焊渣；引线焊接时留下的尖角毛刺；分接开关的螺母；多极铁心柱的边角以及铁心片剪切时形成的毛刺等，均会造成电场集中，使电场成倍增加，而不论电场是接地还是带电的。因此，在变压器结构设计和制造过程中，要尽量避免和消除的突出金属电极，对在制造过程中形成的尖角毛刺要进行磨光处理。2.4杂质在变压器绝缘结构中，与纸、纸板相比，油的介电常数最低，使
5、得复合绝缘结构中油所承受的场强较高。而三种绝缘材料中，油的击穿场强也是最低的，这决定了变压器绝缘中最薄弱部分是油隙。油的击穿场强与油中所含杂质有关，如金属及非金属颗粒、含水量、含气量等。杂质会使油中电场发生畸变，如图2所示半径为R的球形杂质在均匀电场中引起的电场畸变情况。图2 球形杂质对均匀电场的影响以1、E1分别表示油的介电常数和油中电场强度，2、E2分别表示球形杂质的介电常数和电场强度，则有 (2)当2E1，即杂质内的场强大于油中场强，相当于杂质为球形气隙的情况。变压器油的相对介电常数12.2，空气21.0，从而E21.22 E1。由此可见，油中含有气隙，会大大降低油中局放的起始电压。当2
6、1时，E2E1，即杂质内的场强小于油中场强。如变压器油中含有悬浮状水珠，水的相对介电常数280，因此E20.078 E1；如为金属球，2,则E20。当杂质介电常数大于油的介电常数时，即21，电场畸变会使油中场强变大。油中最大电场强度可用(3)式表示 (3)油中含有悬浮状水珠时，E1max2.84E1；油中含有金属杂质时，2,则E23E1。此时杂质颗粒表面易发生电晕放电，或在局部产生微放电，并伴有气泡产生，将进一步加剧局放。可见，油中的杂质对油中电场强度的影响还是很大的。因此，为了提高变压器油的局部放电场强，应对变压器油进行滤除杂质的处理并应在一定温度、高真空下对油进行脱气、脱水处理，以降低油中
7、杂质、含气量、含水量。变压器应在真空下注油，并在试验或运行前静置一段时间，以利于变压器油吸收残存的气体。变压器中的金属件均要有固定的电位，引线焊接时，要采取措施避免焊渣和金属颗粒掉入绝缘件和绕组内，形成有悬浮电位的金属杂质。3 变压器中局放产生的机理与特点3.1变压器中局部放电的机理及影响因素对于变压器内的绝大多数稳定的放电，其实质都是气泡放电，区别在于气泡的产生机理和气泡周围的介质不同，或为油介质、固体绝缘介质、甚至导体。运行变压器中，不可避免地存在各种气隙，气隙大小、形状相差甚大，所承受的过电压也大不相同，因而表现出多种放电形式将同时存在。汤逊型放电虽然影响绝缘的长期劣化，但不会产生突发性
8、故障；在较短时间内容易对绝缘造成极大危害的主要是流注型放电，如围屏放电、主绝缘放电等，这也是局放监测的主要对象。汤逊型放电进一步发展，在某些绝缘弱点逐渐转化为流注型放电，引起放电量增大。一般因纸或纸板等绝缘介质中存在空穴、漆瘤等材料缺陷所引起的油中气泡放电，其放电电场强度高，放电量大，可达103107pC，放电波形持续时间可达10s数量级。由油和纸分解产生的气体，累计产生的气泡局部放电，放电量可达105pC。每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向四周辐射电磁波，此外，局放过程中还会产生超声波、光，以及引起局部过热，并生成一些新的如H2、C2H2等化学物质。其中脉冲电流频
9、率可从几十kHz到上百MHz，但其主要频率分量集中在10MHz以下；由于变压器油隔板结构的绝缘强度较高，因此变压器中的局放能够辐射很高的电磁波，最高频率则可达上GHz；而放电时发出的光波长通常在500700nm之间；放电时放电区域中的分子间产生强烈的撞击，这种撞击在宏观上产生了一种压力，使局放也同时伴随着声波出现，声波频谱分布很广，为10Hz107数量级范围，但其幅值比较高的频带在几十kHz到几百kHz之间。影响变压器油和油纸绝缘中局部放电的因素很多，如温度、气压、湿度、杂质、冲击电压等。各种因素的影响主要表现在：a. 油中水分子由于介电常数大将沿电场方向聚集，畸变电场，触发局放。因而当湿度或
10、杂质增多时，放电率增加，但脉冲持续时间缩短，放电量减少。b. 温度对油中局放影响显著，温度越高，对流变强，气泡压力增大，在电场集中处不容易形成空间电荷的积累，局放减少。而油纸绝缘的气隙中，温度上升，电荷流动和固体导电率增加，气隙击穿场强下降，局放加强。c. 油压增加，影响了油中气体的溶解和析出，气泡压强增大，放电率下降，局放起始电压上升。e. 采用强迫风冷循环的变压器中，油流速率增加，在线圈绝缘端部集中的静电荷越多，静电放电越显著。f. 油中大颗粒导电杂质在外电场作用下产生的表面场强远大于外加场强，当超过油的击穿场强时，颗粒表面发生电晕放电，或在局部产生微放电，并伴有气泡产生，进一步加剧局放。
11、3.2变压器中局放信号的特点引起变压器内部产生局部放电的原因是由于电场集中使油击穿产生局部放电，如油隙、油角、空气隙、悬浮电位金属体、绕组端部角和固体绝缘表面等，以及油中含有气泡和杂质、纸或纸板等绝缘介质存在空穴、漆瘤等，可归纳为以下放电形式：油中气泡放电、悬浮颗粒放电、尖端放电、表面放电、气隙放电等。近些年来，为了解局部放电的发展过程、时域波形和频谱特性，国内清华大学、西安交通大学等高校做了比较深入的变压器局部放电模型研究。这些研究通常利用类似图3所示的几种典型放电模型，并将其置在装有变压器油的特定容器中，通过测量它们的放电脉冲波形、超高频、超声甚至光信号，从而研究变压器局部放电的脉冲波形与
12、发展过程。（a）油隙放电 （b）沿面放电（c）内部气隙放电（d）悬浮放电图3 电力变压器局部放电模型对应于上述四种放电模型的放电脉冲电流波形，除油隙放电持续时间在几个s外，其他几种放电持续时间基本都在几十ns到几百ns之间，脉冲上升时间为几个ns，放电电流、起始电压等则由于模型类型和尺寸的差异有较大的不同。此外，还有针对其他模型如杂质小桥等进行的试验研究。试验分析表明除油间隙局部放电和杂质小桥导致的放电波形有比较明显的特殊性外，其他放电过程与空气中的试验结果都存在较好的对应。对变压器油隙放电的研究表明，油中局放重复率和脉冲幅值的分布分散性很大，经常表现为短时间内一簇高频脉冲串的突然爆发，包络线
13、是一个双指数衰减波，连续的小脉冲幅值逐渐递增，直至突然中断，最后一个小脉冲幅值最大。其原因是：当局放发生时，电荷沉积在气泡壁上引起场强下降，放电熄灭，放电产生的能量促进油裂解以及静电力的作用，产生更大的气泡；靠近尖电极的气泡场强增强，允许另一次局放在更大的气泡内发生，产生更大的放电量，直至气泡增大到一定程度，较大的气泡中场强不足以维持局放的发生，这一次爆发熄灭。气泡中残余电荷的移动产生了双指数包络线，上升时间和下降时间大约是1ms和3 ms，高频小脉冲的上升时间为0.350.65 ns，半脉宽0.61.0 ns。局放产生声波的主频率f（峰值频率）与放电能量有如下关系：f= (4)(4)式中，c
14、为声速（m/s），p为压力(Pa)，为单位长度放电能量（J/m）。例如对于4m长的间隙放电，f=1.5kHz，对于微弱放电，f=150kHz。国外E.Howewlls等人认为变压器局放的超声波频谱主要集中在150kHz左右，国内武汉高压研究所及清华大学等单位通过实测和模型试验分析，得到其峰值频率分别在30kHz160kHZ以及70kHz150kHz之间。通过对变压器局放辐射电磁波的现场检测与模拟试验表明，变压器油中的局放由于正负电子的中和，能激励起1.5GHz以上的超高频电磁波，并具有很宽的频谱，以TEM波的形式向外传播。其电磁波的频谱特性与放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。图4为实
15、测到的变压器电磁波超高频信号。图4 变压器超高频电磁波信号4 结论油浸式变压器由于绝缘材料的性质不同，加上设计或制造上的原因以及绝缘内部存在气泡及杂质等因素，造成了绝缘结构中电场分布不均匀，甚至在局部区域电场过于集中，极易产生局放。一般情况下是由引线、端部绝缘结构、突出的金属电极、杂质等几种典型结构造成的。试验研究表明，对于变压器内的绝大多数稳定的放电，其放电机理实质都是气泡放电，区别在于气泡的产生机理和气泡周围的介质不同，或为油介质、固体绝缘介质、甚至导体。变压器中每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向四周辐射电磁波，此外，局放过程中还会产生超声波、光，以及引起局部过
16、热，并生成一些新的如H2、C2H2等化学物质。 本文通过对油浸变压器产生局方的原因及特点研究，为日后的分析变压器运行状态，实施状态检修提供了必要的理论与技术支持。参 考 文 献1 黄盛洁 姚文捷 马治亮 李化 电气设备绝缘在线监测和状态维修，中国水利水电出版社，20042 国家经济贸易委员会电力司 电力技术标准汇编 电气部分 第六册 高压电气试验，电子工业出版社，20023 贺以燕 杨治业 变压器试验技术大全，辽宁科学技术出版社，20064 （英）希思科特 王晓莺等 变压器实用技术大全 ，机械业出版社，20045 尹克宁 变压器设计原理，中国电力出版社，20036 陈敢峰 变压器检修，中国水利水电出版社，20057 王晓莺 变压器故障与监测，机械工业出版社，20048 曹敦奎 变压器油中气体分析诊断与故障检查，中国电力出版社，2005作者简介：房向阳(1980.9-)男，电气工程师,工程硕士，研究方向为电力系统自动化。胡 洁(1981.2-)男，电气工程师，研究方向为变电站现场调试。
