交直流复合电压下变压器油中电弧放电及产气特性

交直流复合电压下变压器油中电弧放电及产气特性周远翔S姜鑫鑫S陈维江2，沙彦超S孙清华S张海燕2（1.清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点。
　　加压方式试验采用升压法和恒压法两种方法。升压法为在试品上分别施加交流、直流和不同比例的交直流叠加电压，以恒定速度升压直至击穿。交流电压和直流电压采用直接升压击穿的方式，升压速度2kV/s（有效值），记录击穿电压峰值（以下如无特别说明，本文所描述的电压均为峰值）。交直流叠加电压采用预加电压方式进行。预加的直流电压分别为15、30、45和60kV，预加直流电压1min以后以恒定速度升高交流电压直至击穿，以击穿时的电压峰值为击穿电压，加压方式如所示。击穿后抽取油样利用气相色谱法测量油中溶解气体体积分数（采用气相色谱法，在放电发生后，通过脱气处理试验电极模型Fig.1交直流叠加电压加压方式Fig.2将溶解在油中的气体脱出并用色谱仪测量其中各种气体的体积，换算成每升油中所溶解气体的体积），然后再以同样方式加压击穿，重复6次。比较交流、直流和不同比例交直流叠加电压下的击穿电压，以及击穿过程中产生的油中溶解气体体积分数。

　　恒压法是在试品上分别施加电压峰值为65kV的交流、直流和不同比例的交直流叠加电压（纹波因数分别为0.3、和1.8，本文中纹波因数定义为交流分量峰值与直流分量平均值之比），持续时间2h.试验中记录击穿次数，并在0.5、1和2h时抽取油样，测量油中溶解气体体积分数，对交流电压、直流电压和交直流叠加电压作用下2h内放电产生的变压器油中溶解气体体积分数进行对比研究。

　　1.4油中溶解气体扩散平衡时间击穿后产生的气体在油中达到稳定平衡需要一定的时间。气体在容器中的扩散溶解平衡时间通过试验确定：在一次击穿试验后撤去电压，并于放电后5、10、15、20min和2h抽取气体，测量油中溶解气体体积分数，得到的结果如所示。其中各气体成分在10mn以后变化已经非常微弱，可以认为油中溶解气体已经基本达到平衡。因此每次放电10mn后即可以进行油中溶解气体体积分数的测量。，。01/农砗社牲V油中气体溶解平衡时间2试验结果2.1升压法试验的变压器油击穿和产气特性2.1.1升压法中变压器油击穿特性对试品施加交流、直流和预加不同直流分量的交直流叠加电压，记录不同类型电压作用下的击穿电压。试验中预加的电压直流分量分别为15、30、45和60kV.试验结果如所示，击穿电压取击穿瞬时的电压峰值。

　　从可以看到，试品在交流电压下的击穿电压******，平均击穿电压达到104kV，变异系数0.107（变异系数为标准差与均值的比率），而直流下击穿电压最低，平均击穿电压仅为71.3kV，变异系数0.109.交直流叠加电压的变异系数稍大，在0. 10.137之间，达到试验数据的分散性要求。直流电压的击穿电压比交流电压降低31%，而在交直流叠加电压作用下，试品击穿电压介于交流和直流击穿电压之间，其中预加的直流分量对油隙击穿电压有明显影响，预加直流分量越大其击穿电压越低。

　　2.1.2升压法的产气规律不同电压形式的试品击穿电压Fig.升压法击穿试验的气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）所示为不同电压类型作用下击穿后的产气组分体积分数（每种气体与总气体的体积比）。其中预加不同直流分量的交直流叠加电压击穿后油中溶解气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）基本一致，因此只列出预加15kV直流电压的情况。CO、C2仅在绝缘纸的放电过程中才会产生，而变压器油放电过程中CO、C2的体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）未发生变化，且三比值法中并未涉及这两种气体，因此未列出。不管是交流电压、直流电压还是交直流叠加电压作用下，其击穿后产生气体的体积分数（每种气体与总气体的体积比）基本一致，H2和C2H2气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）分别在20%和65%以上。而其他3种气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体恒压法试验2h内击穿次数Fig.气体（a>直流电压下气体体积分数%/栽汆砥适拄r的体积）从高到低排列，依次为C2H4、CH4和。2氏。

　　根据试验得到的油中溶解气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）以及改良三比值法的编码规则，可以计算得到放电后油中气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）的三比值编码。升压法试验中交流电压、直流电压和交直流叠加电压作用下油中击穿放电后产生的气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）三比值编码均为202. 2.2恒压法试验的变压器油耐压和产气特性2.2.1恒压法中变压器油的耐压特性所示为不同电压类型作用下2h内击穿次数。不同电压下的试验结果有较大差别。交流电压作用下2h内没有发生击穿，而在直流电压和交直流叠加电压作用下击穿次数较多。与升压法的试验结果相对应，直流分量的比例越高，在2h内发生击穿的次数越多，纯直流电压作用下的击穿次数最多。

　　而到试验的最后阶段多次击穿所累积产生的气体、杂质增多，在电极间更容易形成小桥通道，造成间隙击穿。

　　2.2.2恒压法的产气规律恒压法试验中电弧放电在油中产生的溶解气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）如所示。不同纹波因数的交直流叠加电压作用下油中产生的气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）是相同的，在此只列出纹波因数为0.3时的交直流叠加电压试验结果。从图中可以看到恒压法试验中各个电压类型所产生的气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）是基本一致的。

　　与升压法击穿试验所不同的是，恒压法试验中H2与C2H2的体积分数（每种气体与总气体的体积比）约为58%和30%，而升压法试验中H2与C2H2的体积分数（每种气体与总气体的体积比）约为22%和66%，另外CH4和C2H4体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）也有所差别。其原因是恒压法试验过程中除了油隙击穿产生气体以外，局部放电也会产生特征气体。恒压法施加的电压虽然较低，但针电极附近的局部场强较大，使得油中发生微小的局部放电。这种放电不足以使得油隙马上击穿，但是低能量的局部放电产生大量的H2和少量CH4，与击穿所产生的气体混合在一起，使得H2的体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）明显增大。

　　根据试验得到的油中溶解气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）以及改良三比值法n体（b>交直流叠加电压下的气体体积分数恒压法试验产生的气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）的编码规则，计算油中气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）的三比值编码。恒压法试验中交流电压下油隙并未发生击穿，而直流电压和交直流叠加电压作用下变压器油中放电后产生的溶解气体其三比值编码均为212. 3试验结果分析3.1交流、直流和交直流叠加电压下油中电弧放电变压器油的击穿受多种因素影响，杂质和水分是重要的影响因素。试验所用的变压器油并非完全纯净，含有微量的气体、水分以及其他纤维杂质，一般利用“小桥”理论来解释变压器油的击穿过程。小桥理论认为油中杂质包括水分和纤维等其相对介电常数较大，更容易在电场作用下定向排列，沿电力线方向形成小桥。组成小桥的成分电导较大，因此泄漏电流增大，使得小桥发热严重导致油和水分局部汽化，最后形成击穿。在直流电压作用下，由于直流电压的单向导电性，油中杂质在直流电压下更容易极化而定向排列形成小桥，因而更容易发生油中击穿，和所示的结果正是这一物理过程的实际体现，直流击穿电压较交流电压低31%且同样的电压峰值下直流更容易产生电弧放电。而在交直流叠加电压作用下，直流电压分量越大杂质极化定向排列特性越接近直流的情况，越容易形成小桥，导致油隙的击穿电压随着直流电压分量增大而减小。因此在直流电压和交直流叠加电压作用下，变压器油绝缘面临更严峻的考验，变压器油中放电将导致更多的分解气体的产生。

　　3.2交流、直流和交直流叠加电压下电弧放电的三比值法分析变压器油中气体的相对含量对其故障诊断起到关键的作用，国际电工委员会（IEC）在热动力学原理和实践的基础上，推荐了改良三比值法，我国的GB/T7252―2001采用的也是改良三比值法。改良三比值法是利用变压器油在故障下裂解产生气体组分相对体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）对应温度变化的关系，选取溶解度和扩散系数相近的三对特征气体C2H2/C2H4、CH4/H2和C2H4/C2H6组成三对比值，其值按照一定的规则进行编码，并利用编码结果判断故障类型。根据改良三比值法，油中电弧放电的编码应为201、202、200、在本文的试验中，升压法试验各个电压类型放电产生的气体三比值编码均为202，属于典型的电弧放电；亘压法试验中交流电压并没有发生击穿现象，而直流电压和交直流叠加电压作用下放电后的油中溶解气体三比值编码均为212，也属于典型的电弧放电。因此，针板电极模型中，改良三比值法的故障类型判断方法对交直流叠加电压和直流电压下的电弧放电故障仍然适用。但是改良三比值法仅在特征气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）超过注意值或者产气速率超过注意值时才有效，否则是没有意义的。在同样峰值的直流电压和交直流叠加电压作用下，变压器油的绝缘耐受能力较交流电压下差，放电更容易发生，放电所产生的油中溶解气体更多。因此对于换流变压器油中溶解气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）的注意值和气体增长率注意值应不同于传统交流变压器的注意值，关于这一点需要进一步的研究积累。

　　4结论本文针对换流变压器阀侧绕组同时承受交流电压与直流电压共同作用的特点，对交流电压、直流电压和交直流叠加电压等不同电压形式下变压器油的绝缘耐受强度进行了试验，并对其产气特性进行比较，得到了如下结论：直流电压和交直流叠加电压作用下，油隙的短时击穿特性和长时耐压性能均明显比交流电压差。

　　针板电极模型中，变压器油在交直流叠加电压作用下的击穿电压与直流电压分量的比例有关，直流分量所占比例越大，击穿电压越低。

　　针板电极模型中，不同类型电压作用下变压器油中电弧放电所产生的油中溶解气体体积分数（每种气体与总气体的体积比）一致。改良三比值法的故障类型判断方法对交直流叠加电压和直流电压下的电弧放电故障仍然适用。

　　换流变压器的油中溶解气体体积分数（换算后每升油中所溶解气体的体积）的注意值和气体增长率注意值应有别于传统交流变压器，关于这一问题需要进一步的深入研究。