齐波;魏振;李成榕;苑清;高怡;张晓涵
【摘 要】油纸绝缘沿面放电是换流变压器中常见的一种故障类型,了解换流变压器内沿面放电现象及特征对实现设备故障诊断具有重要意义,不过由于换流变压器内主要为交直流复合电场,放电现象与交流单独作用时有明显区别,所以诊断判据应不同,但是目前缺少换流变压器的诊断依据,因此为了得到换流变压器沿面放电的诊断依据,搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电检测平台,观察了交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电现象,统计了局部放电和油中溶解气体特征变化规律,根据放电特征和油中溶解气体产物将放电严重程度进行分级,为换流变压器诊断提供判据.结合交直流复合电压作用时沿面局部放电及产气特征可以为换流变压器故障严重程度提供判定依据.%Surface discharge in oil-paper insulation is a common defect in converter transformer. Because of the complex operation conditions in converter transformer, the occurrence likelihood of surface discharge increases. It is important to understand the phenomena and characteristics of surface discharge in oil-paper insulation for fault diagnosis of converter transformer. But the electric field in converte r transformer is AC-DC combined electric field, which is quite different from AC voltage. So this article built an oil-paper insulation surface partial discharge detection platform under AC-DC combined voltage, and then analyzed the trend of partial discharge characteristics, at last divided the severity classification according to the characteristics of discharge and dissolved gas analysis (DGA). The diagnosis method under AC voltage has certain applicability under AC-DC combined voltage.These characteristics on partial discharge and DGA could be the foundations of fault diagnosis for converter transformer.
煤仓疏松机【期刊名称】《电工技术学报》蚀刻因子
【年(卷),期】2016(031)010
【总页数】亚克力灯箱制作9页(P59-67)
【关键词】换流变压器;交直流复合电压;沿面放电;状态评估;故障诊断;局部放电;油中溶解气体分析
【作 者】齐波;魏振;李成榕;苑清;高怡;张晓涵
【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京 102206;高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)北京 102206;国网山东省电力公司青岛供电公司青岛 266002;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京 102206;高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)北京 102206;高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)北京 102206;高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)北京 102206;高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)北京 102206
【正文语种】中 文
【中图分类】TM85
油纸绝缘沿面放电是由于绝缘受潮、机械变形等原因造成电场集中，使放电沿围屏、饼间垫块等位置爬行，沿面放电会使油纸绝缘炭化，绝缘强度下降，引起变压器绕组短路，导致变压器套管炸裂、起火等严重性故障，造成巨大经济损失[1]。任何使绝缘介质品质下降的因素都会降低油-纸交界面的沿面击穿强度，从而发生沿面放电[2]，所以沿面放电是电力变压器内最为常见的故障之一。与交流变压器相比，换流变压器运行负荷大、温度高、工况复杂、油纸材料与结构设计不同且同时存在交流、直流、复合电场以及谐波电场等，在
非正常工况下，还要承受操作冲击电压和雷电冲击电压，易加速绝缘老化，增大沿面爬电可能性[3,4]。1997年葛洲坝换流站02B-C相换流变压器发生起火事故，事故后对变压器内部检查发现网侧围屏全部烧毁，阀侧上铁轭垫块表面出现爬电炭痕，该事故便是由油纸绝缘沿面放电引起[1]。根据南方电网直流系统设备故障统计结果发现，直到2009年，兴仁及天生桥换流站的换流变压器都发生过因沿面爬电而导致换流变压器故障停运的案例[5]，因此研究换流变压器内油纸绝缘沿面放电现象对保证换流变压器安全运行具有重要意义。工程上普遍采用局部放电和油中溶解气体作为变压器运行状态的诊断依据，换流变压器内部电场以交直流复合电场为主，有研究表明，局部放电和产气特性与电场有直接关系，交直流与交流时现象明显不同，所以换流变压器放电严重程度诊断判据需要重新定义[6,7]。
国内外研究者对交流、直流等电压作用下绝缘介质分界面的沿面闪络过程进行了大量的研究[7-13]，但是交直流复合电压作用下的沿面闪络现象研究较少。1990年M. R. Raghuveer等研究了交直流叠加电压作用下环状直筒表面不同间距的沿面闪络强度，认为交直流复合电场下的闪络强度比直流和交流单独作用时要强[14]；1994年，S.
炼焦配煤S. T. Ram等模拟油纸绝缘垫块结构的交直流复合电压作用下的闪络电压，认为交直流复合
电压作用下的沿面闪络电压比直流和交流单独作用时都要低[15]。由文献[14,15]可知交直流复合电压作用下的油纸绝缘沿面放电与交流和直流单独作用时有明显区别。文献[16]研究了交直流电压分量对针板模型击穿特性的影响，预加交流和预加直流电压下击穿特性存在明显差异。文献[17]着重分析了直流分量对交直流叠加电压作用下油纸绝缘沿面闪络电压的影响，发现直流成分增大会提高交流的击穿电压，不过没有交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电过程中的现象进行研究。所以本文搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘缺陷放电检测平台，以油纸绝缘沿面放电为研究对象，得到了沿面放电现象，根据局部放电和油中溶解气体特征将放电发展过程进行阶段划分，对比了与交流电压作用时产气特性的区别，并提出放电严重程度的诊断依据。
图1所示为本文采用的试验平台[18]。为保证安全，外施电压由定制的高压套管引入，整个试验平台在直流60kV或交流55kV时放电量小于5pC。
据统计发现，沿面爬电多发生于垫块及围屏位置，图2a为垫块和围屏位置出现爬电现象示意图，该位置的纵向电场强于径向电场，因此试验采用柱板电极作为沿面放电模型[1,19]。根据IEC 60243规定柱板模型尺寸为截面长度25mm，平板电极直径为75mm，厚度为10m
m，边缘倒角[20]。试验采用串联加压方式，直流电压施加于柱电极上，交流电压施加于平板电极上，如图2b所示。
图3所示为本文采用的试验回路，交流试验变压器和直流试验变压器均为无晕设备，回路设计与文献[18]相同。常规脉冲电流局放仪LDS—6的检测阻抗与交流电源侧的耦合电容连接，可同时测量局放信号和交流参考电压信号，局放仪带宽为80～600kHz[21]。被测试品Cx两端电压为交直流复合电压，另外整套回路背景小于5pC。
IEEE及CIGRE对油浸式换流变压器试验提出了一般准则和测试要求[22,23]。根据文献[18]的推导结果，确定交直流复合电压比例为1∶1、1∶3、1∶5和1∶7，其中交流为有效值，直流为平均幅值。另外，考虑到正极性直流电压下更容易发生击穿现象，所以本文首先研究了直流极性为正时不同比例交直流复合电压作用下局部放电情况。实验室分别测量了四种比例局部放电发展过程，本文以1∶3为例对交直流复合比例进行油纸绝缘局部放电测量研究。
目前常用的加压方式有两种，分别为恒压法和阶梯升压法，阶梯升压法是对于绝缘电老化的促进过程，与恒压法在绝缘击穿过程中有着同样的效果，而且可以在短时间内获取尽可
能多的测量数 据[24,25]，所以本文采用升压法，试品起始放电之后，每次加压间隔为30min，保持复合场下直流的平均值与交流的有效值之比为3∶1，升压过程中该比例不变，直流步长为2.4kV，交流步长为0.8kV。试验共得到五组有效数据，平均总起始电压为28kV，经历300min后击穿。升压方式如图4所示。
2.3.1 放电发展过程
两次升压的时间间隔为30min，分别计算该时间内的放电脉冲重复率n，总视在放电量（该时间间隔内的所有放电量之和）Qsum，平均视在放电量qave以及放电能量w[24]，通过计算后即可获得多种特征参数的时间趋势图[21,26]，另外根据视在放电量、n与相位的关系得到统计谱图。
2.3.2 产气特性分析
每60min取油样一次，每次取样40mL。取样后采用中分2 000A气相谱仪进行检测，可检测H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2主要特征气体，灵敏度达到10-6级[27]。
（1）气体含量。统计试验过程中一定时间段内的油中气体产气含量，并计算每种气体占氢
烃类气体的百分比，基于特征气体含量判断设备故障和故障发展趋势。
（2）绝对产气速率和相对增长率。油中溶解气体的产气速率ga及绝对增长率表示故障的发展趋势，其与故障消耗能量大小、故障部位及故障点的温度等情况有直接关系。
换流变压器额定负荷运行时平均温度为55～60℃，选取60℃作为试验油温，为了防止油流带电，流速选择为0.04m3/h[18]。为了保证每次试验中油的质量，滤油时间统一为45min。纸板和变压器油都经过严格处理，控制水分[20]。在试验之前，测量油中溶解气体背景含量见表1。
屋面檩条
表1 油中溶剂气体背景含量
Tab.1 The background of dissolved gases in oil
本文共进行了5次有效试验，随着交直流复合电压的升高，局部放电现象明显。图5为交直流复合电压作用下变压器纸板上的爬电痕迹。
图6和图7分别为交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电的放电脉冲重复率n、总视在放
电量Qsum随时间的变化趋势及q-j 统计谱图[26]。n、Qsum的变化趋势非常相似，0～60min时，特征量量值等级较低，放电非常微弱，放电零星分布在负半周期，放电量很小，最大40pC，但是在60～90min出现一次幅值较大的突变，放电频率稍微变快，210min时n、Qsum又一次增大，放电频率非常高，集中分布在0°～90°、120°～270°及300°～360°之间，视在放电量增长到100pC左右；270min放电特征量急速下降，300min时n、Qsum出现再次上扬趋势，而视在放电量增大到接近400pC，放电相位同样集中在0°～90°、120°～270°及300°～360°，在下一个加压过程中发生了击穿。
本文对5次交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电试验结果进行了统计，得出了烃类气体占总烃百分比平均值与阶段放电能量w时间趋势图、总烃浓度与总视在放电量Qsum时间趋势图、氢烃绝对产气速率与n、qave时间趋势图以及CO、CO2相对增长率时间趋势图，如图8a～图8d所示同时见表2和表3。在试验前，本文对油中溶解气体平衡时间进行了测量，油中溶解气体平均在10min后达到平衡。
