大型变压器油流带电问题

 大型变压器油流带电问题    摘要：电力变压器向高电压、大容量发展的趋势，使得过去不成问题的变压器油流带电现象明显起来。在要求大容量小型化提高冷却效率加速油循环后，变压器油流带电问题更加突出，成为变压器绝缘的一个新课题。本文叙述油流带电现象的特征、机理和特性，列举油流带电引起的事故，以及如何抑制带电量的措施。　　 关键词：变压器；绝缘；带电　　 　　 1变压器油流动带电现象的特征　　 一台500kV级三相三柱电力变压器，高低压侧均未通电，循环油泵与调节孔板的组合，能供给流速不同的油流。油泵排出的油，从线圈下部的导油口进入器身，通过线圈内油道到达线圈上部空间。在油流动过程中，与变压器的固体绝缘物如绝缘纸、层压板等相摩擦产生正、负电荷。这些电荷在固体绝缘物表面和变压器油中以相应的能量级进行积聚，当电荷积聚达到一定的浓度能击穿其电场强时，便发生局部放电。　　 500kV电力变压器曾发生过以下几种现象：一台在未通电前启动冷却器油泵循环时，听到变压器内有间歇性放电声，另一台结构相同，线圈也是圆筒式的，运行中发生放电故障，放电通道在线圈下端部的油道中，从高压线圈端部向中性点沿纸板直接击穿。还有三台500kV变压器运行中先后在油流速较大处发生击穿。　　 国外也曾发生过因油流带电而引起的事故，如1989年底美国某核电站1台500kV、511MVA的升压变压器，在投运后61min时，发生了油流静电放电诱发的绝缘击穿事故，当时负荷仅带12%。　　 上述试验和事故说明，油流带电对超高压大型变压器的安全稳定运行已构成威协。1990年7月在连云港召开的全国变压器互感器工作会议上，将500kV电力变压器中油流带电问题，被列为制造部门要认真研究的主要课题。　　 2变压器油流带电的机理和特性　　 2.1变压器油流带电的机理　　 高压大型电力变压器，无论是否通交流电，它的油流中都带电荷。以下，分别就未通交流电前和投入运行后的油流带电机理叙述。　　 变压器的绕组绝缘和作固定用的绝缘层压板垫块等均属纸绝缘或木质绝缘。这些固体绝缘的化学组成是纤维素加木质素，它们带有羟基(－OH)、醛基(－CHO)和羧基(－COOH)，在变压器油的高速流动下，油与固体绝缘发生摩擦，使得纤维素和木质素分子被上述基因电子偏移中产生的－H8＋的正电性所覆盖。带正电性的－H8＋与相应的负离子在油——纸界面上形成偶电层。因变压器油高速流动，偶电层的电荷发生分离，负电荷仍附着在绝缘纸板的表面，正电荷随油流动，形成油流带正电荷。随着变压器油的循环流动，被带走的正电荷在油中的浓度差就显示出来。　　 以上是OommenTV和DefrieEM的说法，也是比较普遍的看法。此外还有GavisJ和KossmanI，他们对电离的产生和聚集有不同的看法，但对电流带正电荷和绝缘表面带负电荷的观点是一致的。所以无论哪一种说法都不与本文的论述矛盾。　　 2.1.1运行中油流带电的机理　　 运行中的变压器，外加交流电场后加剧了上述静电荷的起电作用。目前对高压交流电场如何起着加剧静电的起电作用尚无统一的说法。比较容易接受的说法是：在低场强区域(场强＜0.5kV／mm)，已扩散进入油中的正离子群，因受交流电场的干扰，使得其视在电荷分布范围更加宽广；在高场强区域(场强＞1kV／mm)，交流电场则加速了纸绝缘——油界面上正负电荷的生成，导致油中正电荷密度增大。如美国核电站511MVA升压变压器绝缘击穿事故，发生在该变尚处于轻负荷时这一事实，说明了高强场交流电对油流带电起的加剧作用。　　 2.2油流带电的基本特性　　 测量油流动带电的试验方法有：局部放电测量法，油中含气体分析法和测量中性点泄漏电流法。后者是本文推荐的方法。　　 在油温不变的情况下，线圈中性点的泄漏电流值随油流速的增加而急剧增大。在各种稳定流速下，中性点的泄漏电流随油温上升而增加；但是无论在什么流速下，当油温在50～60℃时，中性点的泄漏电流值为大，油温再继续上升，此时的泄漏电流值反而下降。这是因为油温大于50～60℃后，变压器油的导电率上升，部分正负电荷自行中和，导致中性点泄漏电流值反而减校这一特性给变压器运行带来好处，即当环境温度大于20℃时，变压器油温达到允许上限前，泄漏电流已达高值。　　 前面已说过，变压器油流带电必须当电荷积聚到一定程度后，才能产生泄漏电流。即在不同的油温和油流速下，它有各自的开始放电点。仍采用上述模型，在较高的流速下，测得不同油温和油流速下的开始放电点(即在中性点开始可测出泄漏电流值的坐标点)。当油流速为1.4pu时，任何油温下都能产生中性点泄漏电流。这一点对大容量变压器小型化是值得重视的一项特性。发生放电的流速下限，一般与油温相对应呈现U形。U字上口的张度和U字深度与变压器的结构有关。　　 2.3影响油流带电程度的因素　　 上述油温和油速是影响油流带电程度的主要因素，此外还有：变压器油的品种及其成分，固体绝缘物的品种及其表面形态，油道结构特征，绝缘的干燥程度以及变压器的运行电压。　　 2.3.1固体绝缘物的种类和其表面形态的影响　　 电力变压器常用的几种固体绝缘物，在一定的油流速试验所测的电位表明，它们带电量的多少是按棉布带＞绉纹纸＞层压板＞牛皮纸的程序排列。这是指未加工的新材料而言的，当它们的表面粗糙度不同时，上述顺序可能改变。同一种材料，由于表面有伤痕或有大毛刺，则其油流带电量将大幅度上升。　　 2.3.2油道结构的影响　　 油道如均匀对称，如油流紊乱或局部油流速特高都会对油流带电量产生较大影响。所以在设计和工艺上，固体绝缘物的外形要避免棱角、毛刺和伤痕，多用圆形或弧形，同一截面的油流能均匀些，相邻油流截面要避免急剧变化。　　 2.3.3绝缘干燥度的影响　　 固体绝缘物的干燥度对油流带电量和中性点泄漏电流都有影响，干燥度高将带来高的绝缘电阻。油流带电度多少也随变压器油中水分降低而升高。油中水份低于15×10-4%时具有较高的带电趋势。所以，当交流电压和其它条件均相同时，油流中的带电量随干燥度增高而加大，而绝缘电阻亦增大。此时将增大局部放电的电平。合格的高压变压器油中水份含量低于10×10-4%时，运行中油流带电电平较突出，是个值得提醒的问题。　　 2.4静电放电　　 油流速超过1pu后，油流中将发生静电放电。前述国产500kV级电力变压器，在未通电启动冷油器油泵循环时听到变压器内有间歇放电声，即静电放电的表现。静电放电的发生，有的是由于固体绝缘物上负电荷引起的；有的是由于油流中正电荷引起的；也有是由于局部积聚电荷浓度过大引起的。　　 曾进行过这样的试验，将绉纹纸处于平均油流速2.5m/s的高速油流中，油中发生静电放电所拍摄的照片呈树枝形。这表明正负电荷在边界层中且放电后继续产生新电荷，故能形成较长的放电。这与变压器油流局部放电有相同之处，都能产生包含有H2和C2H2的气体。　　 2.5油流带电度与导电率和介质损密切相关　　 对市场上10种变压器油分别用新油和人工劣化(150℃1h)后的劣化油进行试验比较，说明不同品种的新油，油流带电度各不相同；同一品种在油的劣化过程中油流带电度不断增加；同一人工劣化程度时，油流带电度亦因品种而异。该试验表明，如采取措施能抑制运行中变压器油的劣化速度，也就能抑制油流带电度的增涨速度，从而减少放电量；减少放电量又可放慢油的劣化速度，它们之间呈良性循环。　　 在变压器油中添加热稳定高的烷基苯系烃类化合物，或添加对铜表面呈隋性并对油有抑制劣化的苯并三唑(BTA)，可降低油流中带电度。BTA浓度超过5ppm后，带电度下降，但BTA浓度过大会产生逆极性带电，故投入添加剂应注意浓度适中。BTA浓度≤5×10-6时，油流带电度不变化，这是因为BTA在此浓度下主要作用是和缓和铜表面的氧化，而氧化铜有增加带电度的倾向。