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电力变压器局部放电问题的研究

发布时间:2016-08-27 13:10:00 点击:

局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电,它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷,在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。但若电器设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电,这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大,最后导致整个绝缘击穿。

1变压器局部放电实验的意义

用传统的绝缘实验方法很难发现局部放电缺陷,并且1min交流耐压实验还会损伤绝缘,影响设备以后的运行性能。随着电压等级提高,这个问题更为严重。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50%是属正常运行下发生匝或段间短路,造成突发事故,原因也是局部放电所致。因此,测试变压器的局部放电特性是目前预防变压器故障的一种好方法。

2变压器局部放电试验的目的

电力变压器主要采用油-纸屏障绝缘,这种绝缘由电工纸层和绝缘油交错组成。由于大型变压器结构复杂、绝缘很不均匀。当设计不当,造成局部场强过高,工艺不良或外界原因等因素,造成内部缺陷时,在变压器内必然会产生局部放电,并逐渐发展,最后造成变压器损坏。电力变压器内部局部放电主要以下面几种情况出现:

(1)绕组中部油-纸屏障绝缘中油通道击穿;

(2)绕组端部油通道击穿;

(3)紧靠着绝缘导线和电工纸(引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘)的油间隙击穿;

(4)线圈间(匝间、饼间)纵绝缘油通道击穿;

(5)绝缘纸板围屏等的树枝放电;

(6)其他固体绝缘的爬电;

(7)绝缘中渗入的其他金属异物放电等。

因此,对已出厂的变压器,有以下几种情况须进行局部放电试验:

(1)新变压器投运前进行局部放电试验,检查变压器出厂后在运输、安装过程中有无绝缘损伤。

(2)对大修或改造后的变压器进行局部放电试验,以判断修理后的绝缘情况。

(3)对运行中怀疑有绝缘故障的变压器作进一步的定性诊断,例如油中气体色谱分析有放电性故障,以及涉及到绝缘其他异常情况。

(4)作为预防性试验项目或在线检测内容,监测变压器运行中绝缘情况。

3变压器局部放电的发展

变压器局部放电测量作为一种检查变压器内部绝缘由于场强集中或其他原因造成电场畸变或局部场强过高而引起的油中或绝缘中放电的有效手段,已逐渐被人们认可。并将这种要求逐渐有高电压产品推广至较低电压产品,这一要求也被写入变压器标准中,且允许的视在放电量也在下降,变压器新标准中GB 1094.3-2003中规定,变压器110kV级及以上的变压器都要进行局部放电测量,局部放电试验不但进行长时间局部放电试验还要进行短时间感应耐压时的局部放电测量,而且变压器协议中要求局部放电量都是小于100pC逐步下降至小于500pC,特别是500kV变压器由于各部分的场强经过细致计算,制造精度较高,工艺严格,因此局部放电量更低一些,根据各大变压器厂总结的经验有以下几条:

(1)设计时要控制各部分场强在允许的范围内,特别要注意对高压引线头和引线电场强度的控制。采用电气屏蔽法可有效的降低局部放电量(注意:金属屏蔽材料与电缆引线或绕组出头接触良好,不允许屏蔽处存在悬浮电位)。

(2)制造过程中特别要注意器身中各部件的清洁度决不允许带入任何金属异物。

(3)装配过程中要注意各个附件的清洁度,对外构件要严格检查,对自加工的零件也必须做到干净清洁,特别是焊接件、金工件要彻底清理加工过程中所残留的异物、杂物,也要注意在总装过程中所产生的金属异物的收集与清理。

(4)绝缘材料的使用要有选择,在高电场中忌用环氧玻璃布板和其他介电系数的材料,还要避免使用在真空处理时无法排出气体的绝缘制品。

(5)变压器真空注油是时应保证真空度达到工艺要求:抽真空和静放时间要足够长,确保变压器所有部件被油浸透。

4测量中的干扰信号分析

变压器进行局部放试验时,对测量的结果需要综合的分析和判断。首先判断放电信号的来源,是来自变压器内部还是外部,尽可能的排除和抑制干扰信号对局部放电测量的影响。

测量局部放电时干扰信号可分为两类:

试验回路未接通时产生的干扰,这类干扰在视品回路还未接通时就有:例如由于其它回路操作、整流子电机、附近高压无线电波、电焊,供电网络中可控硅等元件所引起,也包括测量仪器本身固有的噪音,这类干扰也可能发生在电源接上但零电压时。

试验回路通电时产生的干扰,仅在回路通电时产生,但不是有试品产生的这些干扰往往随电压增加而增加。它们可以包括例如:试验变压器中局部放电。高压引线的局部放电,套管中的局部放电,(如果不是检测对象的部件)或者邻近物体接地不良而产生的放电。干扰也可能有高压区域内连接不良引起,既有屏蔽和其他在试验时与屏蔽相连接的高压导体间的火花放电所引起。干扰也可能在测量仪器频带宽度内的试验电压高次谐波所引起的,干扰也可以来自低压电源侧局部放电或触头间的火花,这种干扰经试验变压器或其它联结进入测量回路。

5变压器产生局部放电的几种典型结构及因素:

引线:变压器绝缘结构中,引线布置是很多的。引线与引线之间的电场分布是极不均匀的。两根半径相同的引线互相平行和垂直时其最大电场强度均出现在两根引线表面处。相同条件下(忽略外包绝缘层)两根引线相互垂直比平等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部的调压绕组,也是电场集中易产生局部放电的区域。

端部绝缘机构:超高压电力变压器端部绝缘结构中通常在绕组端部防治静电环,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。但静电环与端圈间形成的楔形油隙(亦称油楔)为电场集中区域。"油楔"与最大电场强度与绕组主绝缘距离,端部绝缘距离,静电环曲率半径及绝缘厚度有关。

变压器中突出的金属电极表面,如油箱内壁的焊接缝及附着在其上的焊渣,引线焊接时留下的尖角毛刺。铁心柱边角基铁心片剪切时形成的毛刺等。均会造成电场集中,是场强成倍增加,(不论电极是带电还是接地)。对在制造过程中形成的尖角毛刺进行磨光处理。

杂质:在变压器绝缘结构中与低压板相比油的介点常数最低。在复合绝缘结构中,油所承受的电场较高,而三种绝缘材料中油的击穿场强是最低的,这决定了变压器绝缘中最薄部分是油隙,油中含有杂质如金属和非金属颗粒、含水量、含气量等,会使油中电场发生畸变。

变压器局部放电绝大多数是在高电压高电场部位产生,可以根据局放观测到的放电图谱、放电的起始电压和熄灭电压放电量随时间的变化这些特征来判断放电性质。可以使用电气定位法判断产生局部放电的电气位置。

6变压器局部放电试验接线方式

局部放电试验时被试绕组中的中性点端子应接地,如为三角形连接应将其一端子接地,一台三相变压器,用单相连接的方式逐相的将电压加在线端进行试验。

脉冲电流法。它是通过检测阻抗接入到测量回路中来检测。检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲电流,获得视在放电量。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法,IEC-60270为IEC于2000年正式公布的局放测量标准。脉冲电流法通常被用于变压器出厂时的型式试验以及其他离线测试中,其离线测量灵敏度高。脉冲电流法的问题在于以下几方面:其抗干扰能力差,无法有效应用于现场的在线监测;对于变压器类具有绕组结构的设备在标定时产生很大的误差;由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响,因此当试样的电容量较大时,受耦合阻抗的限制,测试仪器的测量灵敏度受到一定限制;测量频率低、频带窄,包含的信息量少。

DGA法。DGA法是通过检测变压器油分解产生的各种气体的组成和浓度来确定故障(局放、过热等)状态。该方法目前已广泛应用于变压器的在线故障诊断中,并且建立起模式识别系统可实现故障的自动识别,是当前在变压器局放检测领域非常有效的方法。但是DGA法具有两个缺点:油气分析是一个长期的监测过程,因而无法发现突发性故障;该方法无法进行故障定位。

超声波法。超声波法是通过检测变压器局放产生的超声波信号来测量局放的大小和位置。超声传感器的频带约为70~150千赫兹(或300千赫兹),以避开铁芯的铁磁噪声和变压器的机械振动噪声。由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量和定位,因而人们对超声波法的研究较深入。但目前该方法存在着很大的问题:目前的超声传感器灵敏度很低,无法在现场有效地测到信号;传感器的抗电磁干扰能力较差。因此,超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无,以及结合脉冲电流法或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中,它是主要的辅助测量手段。

RIV法。局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识。例如人们常采用无线电电压干扰仪来检测由于局放对无线电通讯和无线电控制的干扰,并已制定了测量方法的标准。用RIV表来检测局放的测量线路与脉冲电流直测法的测量电路相似。此外,还可以利用一个接收线圈来接收由于局放而发出的电磁波,对于不同测试对象和不同的环境条件,选频放大器可以选择不同的中心频率(从几万赫兹到几十万赫兹),以获得最大的信噪比。这种方法已被用于检查电机线棒和没有屏蔽层的长电缆的局放部位。

光测法。光测法利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中,各种放电发出的光波长不同,研究表明通常在500~700mm之间。在实验室利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展,但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低,且需要被检测物质对光是透明的,因而在实际中无法应用。

射频检测法。利用罗果夫斯基线圈从变压器中性点处测取信号,测量的信号频率可以达到3万千赫兹,大大提高了局放的测量频率,同时测试系统安装方便,检测设备不改变电力系统的运行方式。但对于三相电力变压器,得到的信号是三相局放信号的总和,无法进行分辨,且信号易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展,射频检测法在局放在线检测中得到了较广泛的应用。

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