配电变压器绝缘局部放电的探讨

配电变压器绝缘局部放电的探讨河北省廊坊地区供电局刘玉璋当前，随着我国农业机械化、电气事业的发展，10千优配电变压器做为直接为用户服务的电气设备，已遍布城乡。据统计仅廊坊地区九个县截止七九年底已有配变10550台／673029千伏安。配变安全运行的好坏，直接影响工工业生产和四个现代化的建设。一、配变故障与局部放电。配变一般不易发生故障，正常使用寿命均能达到二十至三十年。但是，因为运行管理不善和修试技术不佳，也可能经常出现配变烧毁事故。据统计廊坊地区每年烧毁配变在一百台左右，如七八年烧毁配变141台／8120千伏安，事故率为1.424次／百台。七九年有所减少，仍烧毁87台／5145千伏安，事故率为0．825次／百台，给生产带来一定损失。下面仅对七九年配变烧毁原因分析为。1、雷击：5台/300KVA占5.5%2、二次混线、短路：24台/1040KVA占27.5％3、油中有水、绝缘受潮：14台／605KVA占16.5％4、累计过负荷、绝缘老化：16台／925KVA占18.2％5、匝间、层间或端部绝缘脆弱：28台／2275KVA占32.3％可见由于配变绝缘上的缺陷造成配变烧毁的事故占总事故占总事故率的70％以上。通过大量配变事故分析，结论是配变内部故障基本上可分为过热性故障与放电性故障两大类，而过热性故障也往往是由于绝缘局部放电所引起的。因此，配变在工作电压作用下的运行寿命是与其绝缘结构中有无局部放电有很大关系，虽然与温升也有密切关系，但局部放电是主要的。若配变中局部放电越弱，则其运行寿命就越长。所谓局部放电，就指绝缘结构中，由于存在某些缺陷，在一定的外施电压作用强度下，它会首先发生放电，但并不立即扩展至整个绝缘结构的击穿。这种只限于绝缘弱点处的放电，叫做局部放电。但它对绝缘起着一种缓慢的侵蚀作用，一旦发展到严重时，即可烧毁配变。二、绝缘局部放电的物理过程。绝缘中出现局部放电的起因，可以从气体介质或液体介质的电气击穿理论加以探讨。1、气体间隙击穿的形成。气体在正常情况下是很好的绝缘介质,气体的原子(或分子)正常状况下内部储能最小。但是电极之间的电压(电场强度)若超过某一临界数值时，气体原子吸收了外部能量而披激励，其极限状态是游离，即气体原子放出自由电子，本身变为正离子，它们均可参与导电，就使气体介质会突然地丧失绝缘性能，电导陡增，此为气体被“击穿”。可分为两种现象：(1)非自持放电。如果放电是由电场以及外部游离因素共同作用引起的，则这种放电即为非自持放电。在这种情况下，去掉外部游离的作用后，放电立即停止。当有外界游离作用(碰撞、高温或光射)，就使阴极激放出电子，随着电场强度的作用电子由阴极跑向阳极，这时电子要与气体分子碰撞，其能量可使气体分子分裂为正离子和新的电子。新电子积累了足够的动能，同样可使气体分子游离。结果在从阴极到阳极的路上(气体间隙)电子的数目越来越多，形成电子崩。电子崩内的电子数目随电子在气体间隙跑过的距离，按指数函数增长，此为电子崩式的放电，用公式可表示为：na=noe2a………………………………………………………………(1----1)式中：na一单位时间到达阳极单位面积内电子数；no一起始游离的电子数；一电子在电场方向跑过单位长度时，所发生游离的碰撞次数(电子空间游离系数)；a一电极间的距离。或用放电电流表示为：Ia＝Ioea……………………………………(1——2)可见当外部游离因素不存在时(IO＝0)，则Ia＝0，亦即放电不能维持下去。(2)自持放电。只靠电场作用就能维持气体间隙中的放电电流，即为自持放电。已知当阴极释放出电子，在奔向阳极的途中形成电子崩，崩内电子及离子数目随电子跑过的距离按指数规律增长。由于电子迁移率甚大，所以电子以极大的速度跑在崩头部分，而在电子崩尾部遗留下大部分正离子。在电子崩发展过程中，电子和正离子的密度都不断的增加，空间电荷越来越强烈地使崩头和崩尾的电场强度加强。当发展到某一临界状态时，可能产生一些新的子电崩。新崩和初崩汇合构成一个迅速向阳极扩展的具有正负带电粒子的混合质通道。这就是阴极流注的发展过程。同样，在初崩尾部的高电场区域内，如果条件具备，同样可以构成一些新的电子崩。在初崩尾部新电子崩和初电子汇合后，就形成向阴极方向发展的阴极流注。流注即气隙放电通道。流注的形成，亦即气隙放电通道的发展过程。此过程一旦完成，放电过程便获得了独立继续发展的能力。外界游离因素是否存在，已经无关紧要。因此，自持放电条件也就是流注开成的条件。可用公式表示为：（1----3）式中：r——表示一个正离子撞出阴极时，从阴极释放电子或然率其它符号代表意义同前式。或用放电电流表示为：（1----4）同上式可见，自持放电条件为：或改写为：共物理意义是：一个电子从阴极跑到阳极，在间隙中出现(一1)个正离子，若在间隙上的电压，能使r(一1)的值为1，在这种情况下(一1)个正离子将恰好从阴极新释放出一个电子从而抵偿了原电子的减少额，因而继续产生前述的电子崩过程。这样只要靠电塌就能维持间隙中的放电电流。由非自持放电转变到自持放电的电场强度及电压称为起始的电场强度和电压。在比较均匀的电场中，它们相当于气隙发生击穿的电场强度和电压。不均匀电场中起始电压小于击穿电压，电场越不均匀，二者差别越大。在正常气压下的空气泡，起始电场强度为20千伏／厘米。2、变压器油间隙击穿的特点。变压器油为各种碳氢化合物的混合物，油中局部放电情况较复杂，或是电子崩在高电场强度作用下与油的分子发生碰撞游离，或是伴随有气泡(如水份及原有气体存在)性局部放电过程。油的起始放电电压要此气泡性放电为高，放电电荷大得多，放电持续时间也较长。在不均匀电场下，随着外施电压逐濒上升，油间隙首先出现间歇性放电，随后发展到连续性放电，达到稳定游离阶段。电压更高时，对于油纸组合的绝缘，可能转化为沿纸(纸板)介质的表面放电，导致绝缘闪络。油间隙在近于均匀电场中是火花形式的直接击穿，而在不均匀电场中，先是高电场区域的局部放电，而后发展为整个油间隙的火花击穿，直至转为电弧。油质对油浸绝缘的局部放电影响极大，目前一般较纯的油其击穿强度可达240一300千伏／厘米，经过长期运行的油，其击穿强度要降低到200千伏／厘米以下。这主要由油中含水份决定。当有纤维杂质时，水份的影响更大，单位容积中只要含水0.01％，就可使绝缘强度降低到1／8，可见油的净化是何等重要。3、局部放电的电气特征。关于局部放电的电气特征，可用以下等效电路图来说明：Cg——局部放电处的等值电容；Vg——Cg上的电压；ig——Cg上的电压；ig——Cg放电电流；Cb——与Cg直接串联的那部分介质电容；CM——整个绝缘介质其余部分电容；S——交流电源；Zch——对局部放电脉冲而言的电源阻抗。若外施电压为V，则Cg上的电压，当V按工频交流电压波形变化时，Vg亦相应变化。设V的幅值由零值按正方向上升，Vg亦随之上升，当Vg上升到该间隙的起始放电电压Vgi时，Cg便第一次放电。与此同时Cg上的电压迅速下降，当降至间隙放电熄灭电压值Vgi时，放电才停止。此放电时间相当短，对于油中局部放电约为10微秒(10-5—秒).数量级，对于气泡性局部放电，约0.1微秒(10-7秒)数量级。它们远小于50周波的半波时间l04微秒。此放电波形可看成脉冲波。间隙放电停止后，其上电压仍随外施电压幅值继续上升而上升。此时间隙上的电压值是由外施电压及间隙放电后剩余电荷共同决定的。当间隙上的电压又升到Vgi值时，便发生第二次放电。这样间隙电压随外施电压的变化，可发生多次放电。条件是Vg＝Vgi，通常是Vgi＞Vgr若外施压电V》Vgi，且Vgi：与Vgr越接近时，则每个周波中的放电脉冲数也越多。局部放电脉冲就是Cg上的电荷中和过程，其放电电荷一般很小，均在微微库仑的数量级，—用(PC)表示。气泡性放电的电荷一般为102一103PC，而油中的放电电荷可达104一106PC三、配变绝缘局部放电产生的原因。．配全绝椽局部放电的产生是由于绝缘结构中存在着一定弱点，这弱点或是由于设计不慎，或是由于制造维修不皮，或是因运行管理不善所造成的。1、绝缘材料中存在着空穴或空腔，其内通常是充满了气体。绝缘浸漆后，由于漆膜严密，油往往不能进入此空腔内，当在一定电场强度作用下，会使空穴处首先放电。2、对于多种介质串联的组合绝缘，在其他条件相同时，各点场强值与介质常数成反比。除非它们的厚薄比例和介质常数相同，否则它们不能耐受高电压，会在绝级薄弱处首先放电，然后是另一个介质也被损毁。3、油纸绝除内油膜或油一隔板式绝缘结构中的油隙部分，如线圈端部绝缘、引线绝缘、线间及匝间绝缘等，在较高的外施电场强度作用下，会首先放电。4、绝缘结构中由于设计或制造上的原因，在某些区域，如匝绝椽中导线表面有尖角、毛刺，油箱及金属构件中出现尖角，或者纸筒与垫块之间、线匝与垫块接触部位均存在尖楔状的角形油隙，这些地方会出现过高的电场强度，而首先放电。5、由于绝缘浸漆不良，使某些线圈或浸漆绝缘件中出现漆瘤，而漆瘤内的气体击穿强度较低，可能首先放电。6、变压器油中存在着悬浮状态的气泡，气泡中的气体介质常数和击穿强度均比油低许多，气泡处可能首先放电。7、变压器油中由于存在含水份的杂质，易沿电塌方向排成断续性“小桥”，该处发热严重，是因油的电导增加，介质损tgδ增大，就促使水份更易汽化，产生气泡。题使油中出现气泡性放电。8、外界环境条件也有影响，当绝缘结构中温度或气压突然大幅度下降时，使油中溶解气体的能力显著降低，原处于溶解状态可能变为悬浮状，很易引起气泡性局部放电。9、配变中金属部件或导体之间电气连接不良，也易在该处首先放电。10、长期持续地过负载，会产生过高的温度，线圈绝缘容易碎裂，该处易首先放电。而局部放电本身会使绝缘介质分解出更多气体，从而进一步发展了局部放电，形成恶性循环，直接造成整个绝缘结构的击容绕毁。四、局部放电对绝缘的损害。1、对固体介质的损害：固体介质中空穴的局部放电是全封闭性的，若放电一面与电极接触，则是半封闭的，而电极尖端处，油与隔板绝缘的油隙，沿固体介质表面放电，均是开放性的。其中以开放性放电危害最严重，极易发展成介质表面闪络，导致整个绝缘的击穿。局部放电对绝缘的侵蚀作用有两种：一种是较快出现的间接损坏，使纸绝缘出现较大气泡。另一种是较慢的直接损坏，引起绝缘碎裂和碳化。2、对变压器油的损害。(1)油的氧化：由于局部放电的高温，使化学性能不稳定的变压器油加速氧化过程，如油色变成深暗、浑独、粘度、酸度、灰分都增加，特别是生成有机性酸类，进一步发生化合作用。由于酸的水份分解出，形成无水性质的一些不同类型的凝结化合物，从油中分离出来，即为油泥。它沉集或附着在线圈和铁芯上，严重影响散热，而温度增高10。C。氧化速度增加一倍，极易引起热击穿。(2)油的电解：由于局部放电对油的电解作用，产生了原子氧；臭氧、一氧化氮、二氧化氮等气体，使绝缘介质受到严重氧化作用。当遇到水份，又产生硝酸等酸类，其腐蚀性更强烈。同时酸类分子在电场作用下极易离解出自由电子，增加了油的电导率，使介质损tgδ增大，使油温更高，使绝缘进一步劣比，后最形成全部绝缘结构的击穿烧毁。五、防止配变绝缘局部放电的措施。为防止配变因绝缘的局部放电造成烧毁事故，日前应狠抓以下各项措施的落实：1、加强绝缘监督，提高修试质量。(1)目前我区绝大部分为10千伏两火一地运行方式，配变高压线圈必有一相接地运行，使其它两相线圈对地电压升高倍。另外，由于大量安装使用电压型低压保安器，使低压线圈的中性点不直接接地(经过保安器的内阻抗接地)，这样由于一些原因，如高低压线相碰、雷击过电压、操作过电压或静电感应等造成的异常高电压，因低压中性点不接地而无法抑制，对配变绝缘威胁很大。因此，在如此恶劣条件下运行的配变，应适当提高其各部绝缘的强度或加大绝缘隔离，或加厚绝缘层，严禁使用低劣的绝缘材料做代用品。(2)切实搞好绝缘的浸漆烘于工艺，大力推广远红外烘干工艺，以减少漆瘤，彻底消除绝缘物内的水份及气泡。(3)严格施工操作工艺，消除配变碰路、电路以及绝缘结构配合中的缺陷。