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交直流復(fù)合電壓下變壓器油中電弧放電及產(chǎn)氣特性周遠(yuǎn)翔S姜鑫鑫S陳維江2，沙彥超S孫清華S張海燕2（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)。
　　加壓方式試驗(yàn)采用升壓法和恒壓法兩種方法。升壓法為在試品上分別施加交流、直流和不同比例的交直流疊加電壓，以恒定速度升壓直至擊穿。交流電壓和直流電壓采用直接升壓擊穿的方式，升壓速度2kV/s（有效值），記錄擊穿電壓峰值（以下如無特別說明，本文所描述的電壓均為峰值）。交直流疊加電壓采用預(yù)加電壓方式進(jìn)行。預(yù)加的直流電壓分別為15、30、45和60kV，預(yù)加直流電壓1min以后以恒定速度升高交流電壓直至擊穿，以擊穿時(shí)的電壓峰值為擊穿電壓，加壓方式如所示。擊穿后抽取油樣利用氣相色譜法測量油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（采用氣相色譜法，在放電發(fā)生后，通過脫氣處理試驗(yàn)電極模型Fig.1交直流疊加電壓加壓方式Fig.2將溶解在油中的氣體脫出并用色譜儀測量其中各種氣體的體積，換算成每升油中所溶解氣體的體積），然后再以同樣方式加壓擊穿，重復(fù)6次。比較交流、直流和不同比例交直流疊加電壓下的擊穿電壓，以及擊穿過程中產(chǎn)生的油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)。

　　恒壓法是在試品上分別施加電壓峰值為65kV的交流、直流和不同比例的交直流疊加電壓（紋波因數(shù)分別為0.3、和1.8，本文中紋波因數(shù)定義為交流分量峰值與直流分量平均值之比），持續(xù)時(shí)間2h.試驗(yàn)中記錄擊穿次數(shù)，并在0.5、1和2h時(shí)抽取油樣，測量油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)，對(duì)交流電壓、直流電壓和交直流疊加電壓作用下2h內(nèi)放電產(chǎn)生的變壓器油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

　　1.4油中溶解氣體擴(kuò)散平衡時(shí)間擊穿后產(chǎn)生的氣體在油中達(dá)到穩(wěn)定平衡需要一定的時(shí)間。氣體在容器中的擴(kuò)散溶解平衡時(shí)間通過試驗(yàn)確定：在一次擊穿試驗(yàn)后撤去電壓，并于放電后5、10、15、20min和2h抽取氣體，測量油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)，得到的結(jié)果如所示。其中各氣體成分在10mn以后變化已經(jīng)非常微弱，可以認(rèn)為油中溶解氣體已經(jīng)基本達(dá)到平衡。因此每次放電10mn后即可以進(jìn)行油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)的測量。，。01/農(nóng)硨社牲V油中氣體溶解平衡時(shí)間2試驗(yàn)結(jié)果2.1升壓法試驗(yàn)的變壓器油擊穿和產(chǎn)氣特性2.1.1升壓法中變壓器油擊穿特性對(duì)試品施加交流、直流和預(yù)加不同直流分量的交直流疊加電壓，記錄不同類型電壓作用下的擊穿電壓。試驗(yàn)中預(yù)加的電壓直流分量分別為15、30、45和60kV.試驗(yàn)結(jié)果如所示，擊穿電壓取擊穿瞬時(shí)的電壓峰值。

　　從可以看到，試品在交流電壓下的擊穿電壓******，平均擊穿電壓達(dá)到104kV，變異系數(shù)0.107（變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比率），而直流下?lián)舸╇妷鹤畹?，平均擊穿電壓僅為71.3kV，變異系數(shù)0.109.交直流疊加電壓的變異系數(shù)稍大，在0. 10.137之間，達(dá)到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性要求。直流電壓的擊穿電壓比交流電壓降低31%，而在交直流疊加電壓作用下，試品擊穿電壓介于交流和直流擊穿電壓之間，其中預(yù)加的直流分量對(duì)油隙擊穿電壓有明顯影響，預(yù)加直流分量越大其擊穿電壓越低。

　　2.1.2升壓法的產(chǎn)氣規(guī)律不同電壓形式的試品擊穿電壓Fig.升壓法擊穿試驗(yàn)的氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）所示為不同電壓類型作用下?lián)舸┖蟮漠a(chǎn)氣組分體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）。其中預(yù)加不同直流分量的交直流疊加電壓擊穿后油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）基本一致，因此只列出預(yù)加15kV直流電壓的情況。CO、C2僅在絕緣紙的放電過程中才會(huì)產(chǎn)生，而變壓器油放電過程中CO、C2的體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）未發(fā)生變化，且三比值法中并未涉及這兩種氣體，因此未列出。不管是交流電壓、直流電壓還是交直流疊加電壓作用下，其擊穿后產(chǎn)生氣體的體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）基本一致，H2和C2H2氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）分別在20%和65%以上。而其他3種氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體恒壓法試驗(yàn)2h內(nèi)擊穿次數(shù)Fig.氣體（a>直流電壓下氣體體積分?jǐn)?shù)%/栽汆砥適拄r的體積）從高到低排列，依次為C2H4、CH4和。2氏。

　　根據(jù)試驗(yàn)得到的油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）以及改良三比值法的編碼規(guī)則，可以計(jì)算得到放電后油中氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）的三比值編碼。升壓法試驗(yàn)中交流電壓、直流電壓和交直流疊加電壓作用下油中擊穿放電后產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）三比值編碼均為202. 2.2恒壓法試驗(yàn)的變壓器油耐壓和產(chǎn)氣特性2.2.1恒壓法中變壓器油的耐壓特性所示為不同電壓類型作用下2h內(nèi)擊穿次數(shù)。不同電壓下的試驗(yàn)結(jié)果有較大差別。交流電壓作用下2h內(nèi)沒有發(fā)生擊穿，而在直流電壓和交直流疊加電壓作用下?lián)舸┐螖?shù)較多。與升壓法的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，直流分量的比例越高，在2h內(nèi)發(fā)生擊穿的次數(shù)越多，純直流電壓作用下的擊穿次數(shù)最多。

　　而到試驗(yàn)的最后階段多次擊穿所累積產(chǎn)生的氣體、雜質(zhì)增多，在電極間更容易形成小橋通道，造成間隙擊穿。

　　2.2.2恒壓法的產(chǎn)氣規(guī)律恒壓法試驗(yàn)中電弧放電在油中產(chǎn)生的溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）如所示。不同紋波因數(shù)的交直流疊加電壓作用下油中產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）是相同的，在此只列出紋波因數(shù)為0.3時(shí)的交直流疊加電壓試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看到恒壓法試驗(yàn)中各個(gè)電壓類型所產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）是基本一致的。

　　與升壓法擊穿試驗(yàn)所不同的是，恒壓法試驗(yàn)中H2與C2H2的體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）約為58%和30%，而升壓法試驗(yàn)中H2與C2H2的體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）約為22%和66%，另外CH4和C2H4體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）也有所差別。其原因是恒壓法試驗(yàn)過程中除了油隙擊穿產(chǎn)生氣體以外，局部放電也會(huì)產(chǎn)生特征氣體。恒壓法施加的電壓雖然較低，但針電極附近的局部場強(qiáng)較大，使得油中發(fā)生微小的局部放電。這種放電不足以使得油隙馬上擊穿，但是低能量的局部放電產(chǎn)生大量的H2和少量CH4，與擊穿所產(chǎn)生的氣體混合在一起，使得H2的體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）明顯增大。

　　根據(jù)試驗(yàn)得到的油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）以及改良三比值法n體（b>交直流疊加電壓下的氣體體積分?jǐn)?shù)恒壓法試驗(yàn)產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）的編碼規(guī)則，計(jì)算油中氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）的三比值編碼。恒壓法試驗(yàn)中交流電壓下油隙并未發(fā)生擊穿，而直流電壓和交直流疊加電壓作用下變壓器油中放電后產(chǎn)生的溶解氣體其三比值編碼均為212. 3試驗(yàn)結(jié)果分析3.1交流、直流和交直流疊加電壓下油中電弧放電變壓器油的擊穿受多種因素影響，雜質(zhì)和水分是重要的影響因素。試驗(yàn)所用的變壓器油并非完全純凈，含有微量的氣體、水分以及其他纖維雜質(zhì)，一般利用“小橋”理論來解釋變壓器油的擊穿過程。小橋理論認(rèn)為油中雜質(zhì)包括水分和纖維等其相對(duì)介電常數(shù)較大，更容易在電場作用下定向排列，沿電力線方向形成小橋。組成小橋的成分電導(dǎo)較大，因此泄漏電流增大，使得小橋發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致油和水分局部汽化，最后形成擊穿。在直流電壓作用下，由于直流電壓的單向?qū)щ娦?，油中雜質(zhì)在直流電壓下更容易極化而定向排列形成小橋，因而更容易發(fā)生油中擊穿，和所示的結(jié)果正是這一物理過程的實(shí)際體現(xiàn)，直流擊穿電壓較交流電壓低31%且同樣的電壓峰值下直流更容易產(chǎn)生電弧放電。而在交直流疊加電壓作用下，直流電壓分量越大雜質(zhì)極化定向排列特性越接近直流的情況，越容易形成小橋，導(dǎo)致油隙的擊穿電壓隨著直流電壓分量增大而減小。因此在直流電壓和交直流疊加電壓作用下，變壓器油絕緣面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，變壓器油中放電將導(dǎo)致更多的分解氣體的產(chǎn)生。

　　3.2交流、直流和交直流疊加電壓下電弧放電的三比值法分析變壓器油中氣體的相對(duì)含量對(duì)其故障診斷起到關(guān)鍵的作用，國際電工委員會(huì)（IEC）在熱動(dòng)力學(xué)原理和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，推薦了改良三比值法，我國的GB/T7252―2001采用的也是改良三比值法。改良三比值法是利用變壓器油在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分相對(duì)體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）對(duì)應(yīng)溫度變化的關(guān)系，選取溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的三對(duì)特征氣體C2H2/C2H4、CH4/H2和C2H4/C2H6組成三對(duì)比值，其值按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，并利用編碼結(jié)果判斷故障類型。根據(jù)改良三比值法，油中電弧放電的編碼應(yīng)為201、202、200、在本文的試驗(yàn)中，升壓法試驗(yàn)各個(gè)電壓類型放電產(chǎn)生的氣體三比值編碼均為202，屬于典型的電弧放電；亙壓法試驗(yàn)中交流電壓并沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，而直流電壓和交直流疊加電壓作用下放電后的油中溶解氣體三比值編碼均為212，也屬于典型的電弧放電。因此，針板電極模型中，改良三比值法的故障類型判斷方法對(duì)交直流疊加電壓和直流電壓下的電弧放電故障仍然適用。但是改良三比值法僅在特征氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）超過注意值或者產(chǎn)氣速率超過注意值時(shí)才有效，否則是沒有意義的。在同樣峰值的直流電壓和交直流疊加電壓作用下，變壓器油的絕緣耐受能力較交流電壓下差，放電更容易發(fā)生，放電所產(chǎn)生的油中溶解氣體更多。因此對(duì)于換流變壓器油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）的注意值和氣體增長率注意值應(yīng)不同于傳統(tǒng)交流變壓器的注意值，關(guān)于這一點(diǎn)需要進(jìn)一步的研究積累。

　　4結(jié)論本文針對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組同時(shí)承受交流電壓與直流電壓共同作用的特點(diǎn)，對(duì)交流電壓、直流電壓和交直流疊加電壓等不同電壓形式下變壓器油的絕緣耐受強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)其產(chǎn)氣特性進(jìn)行比較，得到了如下結(jié)論：直流電壓和交直流疊加電壓作用下，油隙的短時(shí)擊穿特性和長時(shí)耐壓性能均明顯比交流電壓差。

　　針板電極模型中，變壓器油在交直流疊加電壓作用下的擊穿電壓與直流電壓分量的比例有關(guān)，直流分量所占比例越大，擊穿電壓越低。

　　針板電極模型中，不同類型電壓作用下變壓器油中電弧放電所產(chǎn)生的油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（每種氣體與總氣體的體積比）一致。改良三比值法的故障類型判斷方法對(duì)交直流疊加電壓和直流電壓下的電弧放電故障仍然適用。

　　換流變壓器的油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)（換算后每升油中所溶解氣體的體積）的注意值和氣體增長率注意值應(yīng)有別于傳統(tǒng)交流變壓器，關(guān)于這一問題需要進(jìn)一步的深入研究。