大型變壓器油流帶電現(xiàn)象(含測量方法)

大型變壓器油流帶電現(xiàn)象一、油流帶電現(xiàn)象在強(qiáng)迫油循環(huán)的大型電力變壓器中，由于變壓器油流過絕緣紙及絕緣紙板的表面時(shí)，會發(fā)生油流帶靜電現(xiàn)象，簡稱油流帶電。油流帶電現(xiàn)象國內(nèi)外均有發(fā)生，惕1989年報(bào)導(dǎo)，美國曾有12臺大型變壓器因油流帶電現(xiàn)象而損壞。我國曾于1992年對國產(chǎn)大型變壓器質(zhì)量進(jìn)行過調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明，油流帶電引發(fā)的靜電放電是威脅國內(nèi)大型變壓器安全運(yùn)行的重要因素之一。東北電力科學(xué)院和沈陽變壓器廠曾在制造廠內(nèi)和電力系統(tǒng)中對500kV大型變壓器進(jìn)行油流帶電的測試，在40臺次的測試中，發(fā)現(xiàn)6臺次（其中電力系統(tǒng)中的2臺次，出廠試驗(yàn)4臺次）由于油流帶電引起變壓器內(nèi)部放電，其具體情況如表1－－39所示。表11-39油流引起變壓器內(nèi)部放電的情況序號試品及型號冷卻器的起動臺數(shù)泵起和時(shí)間地）靜電電壓（kV）放電量（pC）放電情況鐵芯和元件咼壓繞組中點(diǎn)10DFPSZ250000/500（C相）2/33/6/104以上2臺泵時(shí)幾分至十幾分放電1次；3臺時(shí)508放電1次，能聽到響聲；屏蔽和內(nèi)部有放電2ODFPSZ250000/500（B相）3104以上聲電信號同時(shí)出現(xiàn)，能聽到放電響聲；磁屏蔽和內(nèi)部有放電3ODFPS-250000/50031.36104以1min放電一次有響聲。油箱

（第2臺）上底局部有放電，層壓板有碳化4ODFPS—250000/500（第3臺）3104以上3臺泵有放電，2臺時(shí)消失。能聽到響聲，油箱底部有放電50DFPSZ__167000/500（D相）31.55.5104以上聲、電信號同時(shí)出現(xiàn)，能聽到響聲。孩屏蔽與箱殼間有放電痕跡，阻值0.306ODFPSZ—167000/500（C相）31以上1.218.2104以上聲、電信號同時(shí)出現(xiàn)，能聽到響聲。磁屏蔽與箱殼間有放電痕跡鑒于以上所述，大型變壓器的油流帶電現(xiàn)象已引起國內(nèi)外電力部門和變壓器制造業(yè)的廣泛關(guān)注。日本、美國、法國、瑞典、英國和波蘭等很多國家早在70年代就投入大量人力、物力對油流帶電問題開展研究。近些年來，油流帶電問題也引起我國的重視、變壓器制造業(yè)、電力部門和有關(guān)高等偏校都在認(rèn)真進(jìn)行研究。油流帶電機(jī)理關(guān)于油流帶電的機(jī)理目前尚有爭論，現(xiàn)有的研究結(jié)果認(rèn)為可以從油流的流動作用和交流電場的電動作用兩方面來認(rèn)識。就油流的流動作用而言，比較普遍的看法是，變壓器的固體絕緣材料（如絕緣紙和紙板）的化學(xué)組成是纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素帶有羥基GOH），木質(zhì)素帶有羥基、醛基-CHO）和竣基（-COOH）。在變壓器油的不斷流動下，油與絕緣紙板發(fā)生摩擦，使得這些基團(tuán)發(fā)生電子云的偏移，即

OH-Ocz__融fOH■C\.H4-—H瀘這樣，纖維素和木質(zhì)素分子就被-h5+的正電性所覆蓋，絕緣紙板表面就如同覆蓋著一層正極性的氫原子。帶正電性的-h5+對油中負(fù)離子具有較強(qiáng)的親合作用，進(jìn)而吸附油中負(fù)離子，并在油一紙界面上形成仍電層。當(dāng)變壓器油以一定速度流動時(shí)，偶電層的電荷發(fā)生分離，負(fù)電荷仍附著在紙板表面，正電荷進(jìn)入油中并隨油流動，形成沖擊電流，如圖一一82所示。這樣，油就帶正電，而紙板表面帶負(fù)電。隨著油的循環(huán)流動，油中正電荷越積越多，當(dāng)積聚到一程度就可能向絕緣紙板放電。

小2八j7~r小2八j7~ryn于嚴(yán)yrrrr41圖1—82電荷分離機(jī)理(a)油靜止；(b)油流動交流電場的電動作用是指外加交流電場能大大加劇靜電起電作用。對電動作用機(jī)理，目前還遠(yuǎn)沒有達(dá)到共識的程度。測量油流帶電傾向的方法和儀器據(jù)報(bào)導(dǎo)，目前國內(nèi)外研究人員測量油流帶電傾向的方法有循環(huán)直接法、循環(huán)注入法、流下法和旋轉(zhuǎn)回金法等。我國采用的方法如下：(―)循環(huán)注入法東北電力科學(xué)研究院應(yīng)用循環(huán)注入法的測量裝置如圖1――83所示。裝置的靜電發(fā)生器是一段包有皺紋紙和白布帶的引線模型，使油在2mm間隙中循環(huán)流過引線模型的表面。用循環(huán)泵使基準(zhǔn)油以一定的溫度和流速流過靜電發(fā)生器。測量絕緣表面的對地泄漏電流與時(shí)間關(guān)系,當(dāng)測量帶電傾向時(shí)，用注射器注入幾十毫升的被試油樣，這時(shí)泄漏電流有一變化量，根據(jù)泄漏電流波形變化求出帶電傾向。

圖1-83循環(huán)注入法測量裝置1-靜電發(fā)生器；2-法拉第籠；3-絕緣法蘭；4-循環(huán)管；5-循環(huán)泵;6-調(diào)速閥門；7-放油門;8-流量計(jì)；9-油箱；10-被試油樣器；11-加熱器；12-注射器；13-注油閥門；14-調(diào)控儀；15-靜電計(jì)；16-記錄儀例如，某500kV變電所C相電抗器油帶電傾向測量結(jié)果如圖1—84所示。圖中A點(diǎn)為基準(zhǔn)油循環(huán)開始，B點(diǎn)為被試油樣注入開始，C點(diǎn)為油樣注入結(jié)束，根據(jù)B、C兩點(diǎn)閃電流的變化量，計(jì)算出帶電傾向。已知測試裝置縱坐標(biāo)靈敏度為0.34nA/cm，根坐標(biāo)靈敏度為cm,當(dāng)溫度為20°C，注入被試油樣為70ml時(shí)，經(jīng)計(jì)算帶電傾向?yàn)閝=0.239X10-9X3.0X1012=(uC/m3)圖1—84循環(huán)注入法測量泄漏電流與時(shí)間的關(guān)系曲線該裝置的特點(diǎn)是：可移動;可調(diào)節(jié)溫度和流速；測帶電傾向時(shí)可用較少的油樣(幾十毫升)；裝置除了可測量帶電傾向外，還可以用來測量不同油品流動電流與溫度和流速的關(guān)系。該裝置的不足是：裝置所用的基準(zhǔn)油量較多，約3000ml；因油與固體絕緣接觸表面較小，所以得到的泄漏電流也較小。(二)流下法流下法是一種非循環(huán)式的油流帶電傾向測量法。其測量裝置示意圖如圖1—85所示。由圖可見，它包括以下幾個(gè)主要部分：圖1-85流下法測量帶電傾向裝置示意圖1-油樣容器；2-電荷發(fā)生器；3-收集荷電油樣容器；4-絕緣臺；5-記錄器；6-法拉第筒；7-進(jìn)油口；8-進(jìn)氣口；9-溫度計(jì)；10-加熱器(l)油樣容器?？捎盟芰匣虿Ａ椴牧现谱鳎莘e為200ml左右，其作用主要是存放油樣,并使油樣保持注入前的原始狀態(tài)。⑵電荷發(fā)生器。即靜電發(fā)生器，可用層壓管或玻璃管內(nèi)填滿碎絕緣紙制成，內(nèi)徑為15mm左右，其主要作用是使油樣流過其中時(shí)分離電荷。試驗(yàn)證明，碎絕緣紙采用濾紙較好、它能產(chǎn)生較大的靜電電流，使儀器測量靈敏度增加。（3）收集荷電油樣容器?？捎娩X板制作，其容積應(yīng)與油樣容器相適應(yīng)，能將帶電的油全部收集在其中，以備測量。（4）測量儀表。主要是指微電流計(jì)，供測量收集荷電油樣的容器對地的泄漏電流用，其最小靈敏度為0.05pA。（5）記錄器。用于記錄時(shí)間特性。（6）絕緣臺。用聚四氯乙烯制作，其作用是將收集荷電油樣的容器對地蔽絕緣起來，以免電荷泄放。（7）法拉北筒，用金屬材料制作，其作用是屏蔽外界干攏。由于該裝置具有操作簡單、油樣少、有標(biāo)準(zhǔn)的紙過濾器和電荷分離效率較高等優(yōu)點(diǎn)，所以目前在國外獲得廣泛的應(yīng)用。不少國家應(yīng)用該裝置測定油中帶電傾向，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。例如，西屋公司根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將運(yùn)行中的變壓器油中帶電傾向控制在800|ic/cm3之內(nèi)，否則應(yīng)更換和過濾油。德國TU變壓器廠根據(jù)該廠變壓器多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將運(yùn)行中的變壓器油中帶電傾向控制在|ic/cm3以下。在我國，東北電力科學(xué)研究院和東北電力學(xué)院都用這種裝置進(jìn)行帶電傾向的測量和研究。（三）過濾式法其原理與流下法相似，原電力部電力科學(xué)研究院采用的測量裝置示意圖如圖1－86所示。它由壓力供給、電荷發(fā)生器及測量等部分組成。圖1-86過濾式法測量帶電傾向裝置示意圖1-電荷發(fā)生器；2-閥門；3-注油器；4-夾子；5-橡皮塞；6-總閥門；7-供氣管；8-空氣壓縮機(jī)；9-壓力產(chǎn)生及控制；10-油容器；11-聚四氟乙烯絕緣板；12-微電流計(jì)（可接圖形記錄儀）；13-法拉第屏蔽室當(dāng)強(qiáng)迫使變壓器通過一層濾紙時(shí)，就會發(fā)生電荷分離，過濾后的油帶正電，濾紙上帶負(fù)電。應(yīng)用微電流計(jì)可以測得濾紙上靜電電荷形成的泄漏電流。再用下式計(jì)算帶電頻向q=l/（V/T）式中q-帶電傾向，|ic/cm3；T-全部變壓器油流過團(tuán)體絕緣（濾紙）所需的時(shí)間；1-微靜電計(jì)測出的靜電電流平均值;V-所用變壓器油的總?cè)莘e。該裝置的特點(diǎn)是，其電荷分離過程能代表實(shí)際變壓器中發(fā)生的油流帶電現(xiàn)象，靈敏度較高,能獲得較好的測試效果。影響油流帶電的主要因素（一）油流速度與溫度的影響油流速度是最主要的影響因素。油流速度增加，油流帶電程度隨之嚴(yán)重，通常認(rèn)為在2?4倍的額定流速（平均流速）下，帶電傾向較為明顯。例如，西北某水電廠的#1?#3主變壓器油中乙炔、總烴含量超標(biāo)，乙炔含量最高達(dá)30ppm,總烴最高達(dá)164PPm。經(jīng)測試和綜合分析判斷，認(rèn)為#1?#3主變壓器油中乙炔含量增高的重要原因是由于油流放電引起的。為此將原來運(yùn)行的4臺潛油泵減少為3臺，使油流速度降低，半年的監(jiān)測表明：乙炔含量明顯降低，并一直趨于穩(wěn)定。由于油流速度與溫度有關(guān)，所以溫度變化時(shí)，油流帶電程度也隨之變化。圖1－－87示出了在不同流速下，繞組泄漏電流與溫度的關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng)油溫在50?60°C之間時(shí)，油流所產(chǎn)生的泄漏電流達(dá)最大值。通常，變壓器恰工作在這樣的溫度范圍，顯然是不利的。研究表明，油的流速在0.29m/s以下時(shí)，就不會發(fā)生放電現(xiàn)象，但為了安全要留有一定的格度。（二）油流狀態(tài)的影響油的流動分為層流和湍流，油流狀態(tài)通常以雷諾數(shù)表示。圖I—88示出了油流狀態(tài)（雷諾數(shù)）與泄電流的rpa.rpa.懇疋箱老活惡圖1-87不同流速下繞組泄漏電流與溫度的關(guān)系O10C鼻血O10C鼻血??QC/1rtW%C3：%1:圖1-88泄漏電流與雷諾數(shù)的關(guān)系關(guān)系。從目中可以看出，當(dāng)油流處在展流區(qū)時(shí)，泄漏電流與雷諾數(shù)成正比，且與溫度有關(guān)。而在湍流區(qū)，則與雷諾數(shù)的平方成正比。從展流到湍流的過渡區(qū)域，由于油流極不穩(wěn)定，電荷的分離與雷諾數(shù)的2?5次方成正比。以層壓紙管的油流來模擬油流的試驗(yàn)結(jié)果如圖丨一89所示。

-10尺用蠢腎一1丁’-10尺用蠢腎ABC位置圖1-89在層壓紙管模型中靜電感應(yīng)電流的分布由圖可見：（1）在紙管的入油口油流極不穩(wěn)定，屬湍流狀態(tài)，其泄漏電流最大。（2）在紙管的出口處，也有類似的湍流效應(yīng)。在實(shí)際的變壓器中，繞組下部的進(jìn)油口附近區(qū)域?qū)偻牧鳡顟B(tài)，因此該區(qū)域油流帶電程度嚴(yán)重。（三）勵(lì)孩對油流帶電的影響圖丨一90所示為在一臺實(shí)際的500kV單相自耦殼式變壓器模型上進(jìn)行不同勵(lì)磁下測量靜電泄漏電流的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，泄漏電流隨勵(lì)孩電壓升高而增大，且與油溫有關(guān)，泄漏電流的峰值效應(yīng)明顯。越亡電淫7#4o'HxVfl*廠，飛、啜*01.ur\匚,*?F■L\\V-T0-曲、\4一—CU一一T-5L-0ilx-eV*■電D肉確關(guān)E$25眸曠?絕占反野弗4帖*4圖1—90變壓器勵(lì)磁對泄漏電流的影響（四）油系對油流帶電的影響當(dāng)油泵突然起動時(shí)，由于油流的擾動，交界面的偶電展快速被油流分離，會使油很快增加到—個(gè)較高的起始帶電度，頻繁起動油泵會加劇這種現(xiàn)象。因此油泵的起動和切斷應(yīng)該逐步進(jìn)行。此外，由于油泵本身的油流速度較高，很容易分離電行，在設(shè)計(jì)時(shí)，油泵大多是位于冷卻器下部，油泵旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電荷經(jīng)油泵本體對地釋放一部分,但有人認(rèn)為，人釋放量不夠，會影響變壓器內(nèi)部的油流帶電，因此有些設(shè)計(jì)作了改進(jìn)，其目的是使油進(jìn)/變壓器之前，有一段較長的電荷釋放距離。（五）油中水分的影響油中水分含量對油的流動帶電傾向有明顯的影響。隨著油中微量水分的減小，油中的帶電傾向?qū)⒃黾?，從圖1-91所示的9種美國產(chǎn)新絕緣油的含水量與電荷密度的關(guān)系曲線中可以看出，當(dāng)怕中微水含量小于15PPm時(shí)，油中電行密度劇增。這與油的種類也有關(guān)，電荷密度較高的是一種經(jīng)水解處理后再用漂白土過濾的油種，電行密度較低的是一種經(jīng)水解處理后再以溶劑革取的油種，兩者的區(qū)別是前者無抑制劑，后者則添有抑制劑，也即抽中的其他物質(zhì)對電荷密度會有一定的影響。合格的大型變壓器中的絕緣油徽水含量低（約10PPm），使得電荷的泄放困難，故運(yùn)行中的大型電力變壓器油流帶電問題較嚴(yán)重。由于溫度的變化，水分在油和紙質(zhì)材料問有一個(gè)連續(xù)的動態(tài)平衡過程，由于這個(gè)過程在連續(xù)變化。這相當(dāng)于液、固兩態(tài)界面的電導(dǎo)率在連續(xù)變化，這也就直接影響了油流帶電。dd匕上a-ltr1-2E*丹盡-:*礎(chǔ)営阿.；圖1-91電荷密度與油含水量的關(guān)系（六）固體紙絕緣材料表面狀態(tài)的影響固體紙質(zhì)絕緣表面吸附電荷的能力，隨著其表面的粗糙度增加而增加，即紙質(zhì)材料表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將直接影響電荷的分離。變壓器內(nèi)所使用的各種固體絕緣材料，在油流流過時(shí)的帶電量（帶電電位）與其表面狀態(tài)的關(guān)系如圖1—92所示。由圖可見，各種材料帶電量圖1—則電行密度與油含水量的關(guān)系大小不同，其大小順序是:棉布帶〉結(jié)紋紙〉壓制板＞牛皮紙。這是由于它們表面粗糙度不同所致，例如，棉布帶表面粗糙度約為牛皮紙的10倍，其帶電量也約為牛皮紙的10倍。材料表面粗糙度增大，實(shí)際上是增加了與油質(zhì)的接觸面積，從而增加了吸附電荷的能力。當(dāng)表面的積累電荷一旦放電后，將會使材料表面變得更粗糙，從而變得更易積累電荷。（七）油的電導(dǎo)率的影響油的電導(dǎo)率直接影響油中離子的含量和影響電荷的松弛時(shí)間常數(shù)。一般認(rèn)為，當(dāng)電導(dǎo)率較低時(shí)，帶電程度隨電導(dǎo)率增大而增強(qiáng)，如圖1—93所示。但是，當(dāng)電導(dǎo)率超過某一臨界值時(shí),油流帶電程度則又隨著電導(dǎo)率的增大而減小，且油流帶電達(dá)到峰值時(shí)，電導(dǎo)率的區(qū)間一般是2?5）X10-S/cm.（八）介質(zhì)損耗因數(shù)tg&的影響圖1-92不同固體絕緣材料的帶電量圖1-93油電導(dǎo)率與電荷密度的關(guān)系（測試溫度30°C）油流帶電與油本身的介質(zhì)損耗團(tuán)數(shù)tg&的關(guān)系如圖1—59所示。盡管油流帶電與其辦存在有一定范圍的不確定性，但總的趨勢是tg&增大時(shí)，帶電傾向增加。（九）其他現(xiàn)已查明，大型電力變壓器的油流帶電現(xiàn)象，除上述外，還與變壓器油的加工精制工藝、油的老化、變壓器的結(jié)構(gòu)（包括泵、散熱器、油箱等）、運(yùn)行狀況、油中雜質(zhì)、光照、油一紙之間水分的遷移等因素有關(guān)。油流帶電的抑制方法（一）降低流速降低油的平均流速是防止油流帶電的有效措施，一般將流速控制在0.5m/s以下，就可能避免因油流帶電而發(fā)生的放電。通常，降低流速的做法是改造原有的冷卻系統(tǒng)，采用低流速、大流量的工作方式。對此，可借助于改進(jìn)油泵設(shè)計(jì)、流速設(shè)計(jì)和對冷卻系統(tǒng)采用自動控制來實(shí)現(xiàn)。（二）換油這是抑制油流帶電的有效方法之一，并為多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)初步證實(shí)。具體做法是將具有高帶電趨勢的油改換為具有低帶電趨勢的油。然而，這種處理方式的長期效果如何，還需進(jìn)積累經(jīng)驗(yàn)。（三）添加苯并三唑這是日本研究出的抑制大型變壓器油流帶電的一種方法，并使用多年。具體做法是在變壓器油中添加苯共三唑（簡稱BTA），添加量一般為10?50Ppm。由于BTA中含有過剩電子、加入油中后，過剩電子一方面被吸附于固體絕緣材料上，使油流動摩擦?xí)r不再產(chǎn)生靜電；另一方面，即使產(chǎn)生靜電，也很容易被油溶解的BTA的過剩電子所中和，使油保持不帶電荷。?未添加BTA的更鯉圖1—94BTA含量與放電量間的關(guān)系圖1—94示出了BTA對油中放電量的影響。由圖可見，添加5?10Ppm的BTA時(shí)，變壓器油放電量的降低是很明顯的。我國某單位對添加BTA的變壓器跟蹤了兩年半，試驗(yàn)結(jié)果一直良好。原電力部電力科學(xué)研究院對變壓器油添加BTA抑制油流帶電的效果進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖1—95。圖1—96和圖丨一97所示。由此可以得如下結(jié)論：tM川“■)與BTA瑕度曲盂爲(wèi)圖1-95變壓器器油的帶電傾向及tg&(90°C)與BTA濃度的關(guān)系BTA報(bào)度(ppm〕圖1-96變壓器油的工頻火花放電電壓凡電導(dǎo)率⑼:()與13T*恠度的關(guān)系圖1-96變壓器油的工頻火花放電電壓及電導(dǎo)率(90°C)與BTA濃度的關(guān)系添加BTA可以降低變壓器油的帶電趨勢。添加BTA對油的工頻火花放電電壓、tg&及電導(dǎo)率沒有不良影響，能降低電tg&和電導(dǎo)率。添加BTA對油的氧化穩(wěn)定性能有影響，隨著BTA濃度的增加，酸值升高。由此說明運(yùn)彳丁中變壓器添加BTA可能會加速油的老化。這些結(jié)論對應(yīng)用和進(jìn)一步研究添加BTA的方法是有重要意義的。02040GOBOBIAflSSippbi）圖1—97變壓器油在空氣中經(jīng)llh、125°C高溫氧化后的酸值與BTA濃度的關(guān)系（四）改進(jìn)變壓器設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)油路結(jié)構(gòu)及在油路中管徑變化部分，為避免接頭處的棱角，改為圓弧結(jié)構(gòu)，以減少湍流效應(yīng)的影響。（五）加強(qiáng)在線監(jiān)測或帶電測量油中溶解氣體的色譜分析變壓器內(nèi)有靜電放電時(shí)，如果長時(shí)間繼續(xù)下去，同樣會引起油中可燃性氣體增加，特別是H和CH含量增加較明顯。圖1—98和圖1—99示出了模擬試驗(yàn)的結(jié)果。由圖1—99可見，222模擬和實(shí)際情況比較接近。由于目前應(yīng)用色譜分析較難區(qū)別油流靜電放電和其他性質(zhì)的電氣放電，因此尚需作進(jìn)一步研究。測量局部放電變壓器因油流帶電而引起放電時(shí)，可同時(shí)產(chǎn)