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大型變壓器油流帶電問題

作者： 2018年08月31日 來源：全球化工設備網(wǎng) 瀏覽量：
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大型變壓器油流帶電問題摘要：電力變壓器向高電壓、大容量發(fā)展的趨勢，使得過去不成問題的變壓器油流帶電現(xiàn)象明顯起來。在要求大容量小型化提高冷卻效率加速油循環(huán)后，變壓器油流帶電問題更加突出，成為變壓器絕緣的
 大型變壓器油流帶電問題
    摘要：電力變壓器向高電壓、大容量發(fā)展的趨勢，使得過去不成問題的變壓器油流帶電現(xiàn)象明顯起來。在要求大容量小型化提高冷卻效率加速油循環(huán)后，變壓器油流帶電問題更加突出，成為變壓器絕緣的一個新課題。本文敘述油流帶電現(xiàn)象的特征、機理和特性，列舉油流帶電引起的事故，以及如何抑制帶電量的措施。
　　 關鍵詞：變壓器；絕緣；帶電
　　 
　　 1變壓器油流動帶電現(xiàn)象的特征
　　 一臺500kV級三相三柱電力變壓器，高低壓側均未通電，循環(huán)油泵與調(diào)節(jié)孔板的組合，能供給流速不同的油流。油泵排出的油，從線圈下部的導油口進入器身，通過線圈內(nèi)油道到達線圈上部空間。在油流動過程中，與變壓器的固體絕緣物如絕緣紙、層壓板等相摩擦產(chǎn)生正、負電荷。這些電荷在固體絕緣物表面和變壓器油中以相應的能量級進行積聚，當電荷積聚達到一定的濃度能擊穿其電場強時，便發(fā)生局部放電。
　　 500kV電力變壓器曾發(fā)生過以下幾種現(xiàn)象：一臺在未通電前啟動冷卻器油泵循環(huán)時，聽到變壓器內(nèi)有間歇性放電聲，另一臺結構相同，線圈也是圓筒式的，運行中發(fā)生放電故障，放電通道在線圈下端部的油道中，從高壓線圈端部向中性點沿紙板直接擊穿。還有三臺500kV變壓器運行中先后在油流速較大處發(fā)生擊穿。
　　 國外也曾發(fā)生過因油流帶電而引起的事故，如1989年底美國某核電站1臺500kV、511MVA的升壓變壓器，在投運后61min時，發(fā)生了油流靜電放電誘發(fā)的絕緣擊穿事故，當時負荷僅帶12%。
　　 上述試驗和事故說明，油流帶電對超高壓大型變壓器的安全穩(wěn)定運行已構成威協(xié)。1990年7月在連云港召開的全國變壓器互感器工作會議上，將500kV電力變壓器中油流帶電問題，被列為制造部門要認真研究的主要課題。
　　 2變壓器油流帶電的機理和特性
　　 2.1變壓器油流帶電的機理
　　 高壓大型電力變壓器，無論是否通交流電，它的油流中都帶電荷。以下，分別就未通交流電前和投入運行后的油流帶電機理敘述。
　　 變壓器的繞組絕緣和作固定用的絕緣層壓板墊塊等均屬紙絕緣或木質(zhì)絕緣。這些固體絕緣的化學組成是纖維素加木質(zhì)素，它們帶有羥基(－OH)、醛基(－CHO)和羧基(－COOH)，在變壓器油的高速流動下，油與固體絕緣發(fā)生摩擦，使得纖維素和木質(zhì)素分子被上述基因電子偏移中產(chǎn)生的－H8＋的正電性所覆蓋。帶正電性的－H8＋與相應的負離子在油——紙界面上形成偶電層。因變壓器油高速流動，偶電層的電荷發(fā)生分離，負電荷仍附著在絕緣紙板的表面，正電荷隨油流動，形成油流帶正電荷。隨著變壓器油的循環(huán)流動，被帶走的正電荷在油中的濃度差就顯示出來。
　　 以上是OommenTV和DefrieEM的說法，也是比較普遍的看法。此外還有GavisJ和KossmanI，他們對電離的產(chǎn)生和聚集有不同的看法，但對電流帶正電荷和絕緣表面帶負電荷的觀點是一致的。所以無論哪一種說法都不與本文的論述矛盾。
　　 2.1.1運行中油流帶電的機理
　　 運行中的變壓器，外加交流電場后加劇了上述靜電荷的起電作用。目前對高壓交流電場如何起著加劇靜電的起電作用尚無統(tǒng)一的說法。比較容易接受的說法是：在低場強區(qū)域(場強＜0.5kV／mm)，已擴散進入油中的正離子群，因受交流電場的干擾，使得其視在電荷分布范圍更加寬廣；在高場強區(qū)域(場強＞1kV／mm)，交流電場則加速了紙絕緣——油界面上正負電荷的生成，導致油中正電荷密度增大。如美國核電站511MVA升壓變壓器絕緣擊穿事故，發(fā)生在該變尚處于輕負荷時這一事實，說明了高強場交流電對油流帶電起的加劇作用。
　　 2.2油流帶電的基本特性
　　 測量油流動帶電的試驗方法有：局部放電測量法，油中含氣體分析法和測量中性點泄漏電流法。后者是本文推薦的方法。
　　 在油溫不變的情況下，線圈中性點的泄漏電流值隨油流速的增加而急劇增大。在各種穩(wěn)定流速下，中性點的泄漏電流隨油溫上升而增加；但是無論在什么流速下，當油溫在50～60℃時，中性點的泄漏電流值為最大，油溫再繼續(xù)上升，此時的泄漏電流值反而下降。這是因為油溫大于50～60℃后，變壓器油的導電率上升，部分正負電荷自行中和，導致中性點泄漏電流值反而減校這一特性給變壓器運行帶來好處，即當環(huán)境溫度大于20℃時，變壓器油溫達到允許上限前，泄漏電流已達最高值。
　　 前面已說過，變壓器油流帶電必須當電荷積聚到一定程度后，才能產(chǎn)生泄漏電流。即在不同的油溫和油流速下，它有各自的開始放電點。仍采用上述模型，在較高的流速下，測得不同油溫和油流速下的開始放電點(即在中性點開始可測出泄漏電流值的坐標點)。當油流速為1.4pu時，任何油溫下都能產(chǎn)生中性點泄漏電流。這一點對大容量變壓器小型化是值得重視的一項特性。發(fā)生放電的流速下限，一般與油溫相對應呈現(xiàn)U形。U字上口的張度和U字深度與變壓器的結構有關。
　　 2.3影響油流帶電程度的因素
　　 上述油溫和油速是影響油流帶電程度的主要因素，此外還有：變壓器油的品種及其成分，固體絕緣物的品種及其表面形態(tài)，油道結構特征，絕緣的干燥程度以及變壓器的運行電壓。
　　 2.3.1固體絕緣物的種類和其表面形態(tài)的影響
　　 電力變壓器常用的幾種固體絕緣物，在一定的油流速試驗所測的電位表明，它們帶電量的多少是按棉布帶＞縐紋紙＞層壓板＞牛皮紙的程序排列。這是指未加工的新材料而言的，當它們的表面粗糙度不同時，上述順序可能改變。同一種材料，由于表面有傷痕或有大毛刺，則其油流帶電量將大幅度上升。
　　 2.3.2油道結構的影響
　　 油道如均勻對稱，如油流紊亂或局部油流速特高都會對油流帶電量產(chǎn)生較大影響。所以在設計和工藝上，固體絕緣物的外形要避免棱角、毛刺和傷痕，多用圓形或弧形，同一截面的油流能均勻些，相鄰油流截面要避免急劇變化。
　　 2.3.3絕緣干燥度的影響
　　 固體絕緣物的干燥度對油流帶電量和中性點泄漏電流都有影響，干燥度高將帶來高的絕緣電阻。油流帶電度多少也隨變壓器油中水分降低而升高。油中水份低于15×10-4%時具有較高的帶電趨勢。所以，當交流電壓和其它條件均相同時，油流中的帶電量隨干燥度增高而加大，而絕緣電阻亦增大。此時將增大局部放電的電平。合格的高壓變壓器油中水份含量低于10×10-4%時，運行中油流帶電電平較突出，是個值得提醒的問題。
　　 2.4靜電放電
　　 油流速超過1pu后，油流中將發(fā)生靜電放電。前述國產(chǎn)500kV級電力變壓器，在未通電啟動冷油器油泵循環(huán)時聽到變壓器內(nèi)有間歇放電聲，即靜電放電的表現(xiàn)。靜電放電的發(fā)生，有的是由于固體絕緣物上負電荷引起的；有的是由于油流中正電荷引起的；也有是由于局部積聚電荷濃度過大引起的。
　　 曾進行過這樣的試驗，將縐紋紙?zhí)幱谄骄土魉?.5m/s的高速油流中，油中發(fā)生靜電放電所拍攝的照片呈樹枝形。這表明正負電荷在邊界層中且放電后繼續(xù)產(chǎn)生新電荷，故能形成較長的放電。這與變壓器油流局部放電有相同之處，都能產(chǎn)生包含有H2和C2H2的氣體。
　　 2.5油流帶電度與導電率和介質(zhì)損密切相關
　　 對市場上10種變壓器油分別用新油和人工劣化(150℃1h)后的劣化油進行試驗比較，說明不同品種的新油，油流帶電度各不相同；同一品種在油的劣化過程中油流帶電度不斷增加；同一人工劣化程度時，油流帶電度亦因品種而異。該試驗表明，如采取措施能抑制運行中變壓器油的劣化速度，也就能抑制油流帶電度的增漲速度，從而減少放電量；減少放電量又可放慢油的劣化速度，它們之間呈良性循環(huán)。
　　 在變壓器油中添加熱穩(wěn)定高的烷基苯系烴類化合物，或添加對銅表面呈隋性并對油有抑制劣化的苯并三唑(BTA)，可降低油流中帶電度。BTA濃度超過5ppm后，帶電度下降，但BTA濃度過大會產(chǎn)生逆極性帶電，故投入添加劑應注意濃度適中。BTA濃度≤5×10-6時，油流帶電度不變化，這是因為BTA在此濃度下主要作用是和緩和銅表面的氧化，而氧化銅有增加帶電度的傾向。
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