大型变压器油流带电现象(含测量方法)

1、大型变压器油流带电现象一、油流带电现象在强迫油循环的大型电力变压器中，由于变压器油流过绝缘纸及绝缘纸板的表面时，会发生油流带静电现象，简称油流带电。油流带电现象国内外均有发生，惕1989年报导，美国曾有12台大型变压器因油流带电现象而损坏。我国曾于1992年对国产大型变压器质量进行过调查，调查结果表明，油流带电引发的静电放电是威胁国内大型变压器安全运行的重要因素 之一。东北电力科学院和沈阳变压器厂曾在制造厂内和电力系统中对500kV大型变压器进行油流带电的测试，在 40台次的测试中，发现 6台次（其中电力系统中的 2台次，出厂试验 4台次）由于油流带电引起变压器内部放电，其具体情况如表1 39

2、所示。表11-39油流引起变压器内部放电的情况冷却泵起 和时 间地）静电电压（kV）序 号试品及型号器的起动台数铁芯 和元 件高压绕 组中点放电量（pC）放电情况1ODFPSZ250000/500（C 相）2/33/6/104以上2台泵时几分至十几分放电 1 次；3台时508放电1次，能 听到响声；屏敝和内部有放 电2ODFPSZ250000/500（B相）3104以上声电信号冋时出现，能听到 放电响声；磁屏敝和内部有 放电3ODFPS-250000/ 500（第2台）31. 36104以上1min放电一次有响声。油箱 底局部有放电，层压板有碳 化4ODFPS- 250000/500（第3台）

3、3104以上3台泵有放电，2台时消失。 能听到响声，油箱底部有放 电5ODFPSZ_167000/500（D相）31. 55. 514.2104以上声、电信号同时出现，能听 到响声。孩屏敝与箱壳间有 放电痕迹，阻值0. 3Q6ODF PSZ-167000/500（C 相）31以上1 . 218. 2104以上声、电信号同时出现，能听 到响声。磁屏敝与箱壳间有 放电痕迹鉴于以上所述，大型变压器的油流带电现象已引起国内外电力部门和变压器制造业的广泛关 注。日本、美国、法国、瑞典、英国和波兰等很多国家早在70年代就投入大量人力、物力对油流带电问题开展研究。近些年来，油流带电问题也引起我国的重视、变压

4、器制造业、电 力部门和有关高等偏校都在认真进行研究。油流带电机理关于油流带电的机理目前尚有争论，现有的研究结果认为可以从油流的流动作用和交流电场的电动作用两方面来认识。就油流的流动作用而言，比较普遍的看法是， 变压器的固体绝缘材料（如绝缘纸和纸板）的化学组成是纤维素和木质素，其中纤维素带有羟基（-0H，木质素带有羟基、醛基（-CHO和竣基（-COOH。在变压器油的不断流动下，油与绝缘纸板发生摩擦，使得这些基团发生 电子云的偏移，即0HH4Hs（）一H 广这样，纤维素和木质素分子就被 -H汀的正电性所覆盖，绝缘纸板表面就如同覆盖着一层正极 性的氢原子。带正电性的-Hs +对油中负离子具有较强的亲

5、合作用，进而吸附油中负离子，并 在油一纸界面上形成仍电层。当变压器油以一定速度流动时，偶电层的电荷发生分离，负电荷仍附着在纸板表面，正电荷进入油中并随油流动，形成冲击电流，如图1- 82所示。这样，油就带正电，而纸板表面带负电。随着油的循环流动，油中正电荷越积越多，当积聚到 一程度就可能向绝缘纸板放电。#*4亠MiK-r图1-82电荷分离机理（a）油静止；（b）油流动对电动作用机理，目前还交流电场的电动作用是指外加交流电场能大大加剧静电起电作用。远没有达到共识的程度。测量油流带电倾向的方法和仪器据报导，目前国内外研究人员测量油流带电倾向的方法有循环直接法、循环注入法、流下法和旋转回金法等。我国

6、采用的方法如下：（一）循环注入法东北电力科学研究院应用循环注入法的测量装置如图1 - 83所示。装置的静电发生器是一段包有皱纹纸和白布带的引线模型，使油在2mm间隙中循环流过引线模型的表面。用循环泵使基准油以一定的温度和流速流过静电发生器。测量绝缘表面的对地泄漏电流与时间关系， 当测量带电倾向时，用注射器注入几十毫升的被试油样，这时泄漏电流有一变化量， 根据泄漏电流波形变化求出带电倾向。图1-83循环注入法测量装置1-静电发生器；2-法拉第笼；3-绝缘法兰；4-循环管；5-循环泵；6-调速阀门；7-放油门;8-流量计；9-油箱；10-被试油样器；11-加热器；12-注射器；13-注油阀门；14

7、-调控仪； 15-静电计；16-记录仪例如，某500kV变电所C相电抗器油带电倾向测量结果如图1 84所示。图中A点为基准油循环开始，B点为被试油样注入开始，C点为油样注入结束，根据B、C两点闪电流的变化量，计算出带电倾向。已知测试装置纵坐标灵敏度为0. 34nA/cm根坐标灵敏度为2.5s/cm，当温度为20C,注入被试油样为70ml时，经计算带电倾向为 q=0. 239-912/ 亠 /3、X 10 X 3 . 0 X 10=10.24 （卩 C/ m）图1 84循环注入法测量泄漏电流与时间的关系曲线 该装置的特点是：（1 ）可移动；（2）可调节温度和流速；（3 ）测带电倾向时可用较少的油

8、样（几十毫升）；（4）装置除了可测量带电倾向外，还可以用来测量不同油品流动电流与温度和流速的关系。该装置的不足是:(1)装置所用的基准油量较多，约3000ml;(2 )因油与固体绝缘接触表面较小，所以得到的泄漏电流也较小。(二) 流下法流下法是一种非循环式的油流带电倾向测量法。其测量装置示意图如图 1-85所示。由图可见，它包括以下几个主要部分：图1-85流下法测量带电倾向装置示意图1-油样容器；2-电荷发生器；3-收集荷电油样容器；4-绝缘台；5-记录器；6-法拉第筒；7- 进油口； 8-进气口； 9-温度计；10-加热器(l )油样容器。可用塑料或玻璃为材料制作，容积为200ml左右，其作

9、用主要是存放油样,并使油样保持注入前的原始状态。(2) 电荷发生器。即静电发生器，可用层压管或玻璃管内填满碎绝缘纸制成，内径为15mm左右，其主要作用是使油样流过其中时分离电荷。试验证明，碎绝缘纸采用滤纸较好、它能产生较大的静电电流，使仪器测量灵敏度增加。(3) 收集荷电油样容器。可用铝板制作，其容积应与油样容器相适应，能将带电的油全部 收集在其中，以备测量。(4 )测量仪表。主要是指微电流计，供测量收集荷电油样的容器对地的泄漏电流用，其最 小灵敏度为0. 05pA。(5) 记录器。用于记录时间特性。(6) 绝缘台。用聚四氯乙烯制作，其作用是将收集荷电油样的容器对地蔽绝缘起来，以免 电荷泄放。

10、(7 )法拉北筒，用金属材料制作，其作用是屏蔽外界干拢。由于该装置具有操作简单、油样少、有标准的纸过滤器和电荷分离效率较高等优点，所以目前在国外获得广泛的应用。不少国家应用该装置测定油中带电倾向，并积累了一定的经验。例如，西屋公司根据运行经验，将运行中的变压器油中带电倾向控制在800卩c/ cm5之内，否则应更换和过滤油。德国 TU变压器厂根据该厂变压器多年运行经验，将运行中的变压器 油中带电倾向控制在 卩c/ cm以下。在我国，东北电力科学研究院和东北电力学院都用这种装置进行带电倾向的测量和研究。（三）过滤式法其原理与流下法相似， 原电力部电力科学研究院采用的测量装置示意图如图1 - 86所

11、示。它由压力供给、电荷发生器及测量等部分组成。/图1-86过滤式法测量带电倾向装置示意图1-电荷发生器；2-阀门；3-注油器；4-夹子；5-橡皮塞；6-总阀门；7-供气管；8-空气压缩 机；9-压力产生及控制；10-油容器；11-聚四氟乙烯绝缘板；12-微电流计（可接图形记录 仪）；13-法拉第屏蔽室当强迫使变压器通过一层滤纸时，就会发生电荷分离，过滤后的油带正电，滤纸上带负电。应用微电流计可以测得滤纸上静电电荷形成的泄漏电流。再用下式计算带电频向q=l/（V/T）式中q-带电倾向，卩c/ cm?；T-全部变压器油流过团体绝缘（滤纸）所需的时间；I-微静电计测出的静电电流平均值V-所用变压器油

12、的总容积。灵敏度较高,该装置的特点是，其电荷分离过程能代表实际变压器中发生的油流带电现象, 能获得较好的测试效果。影响油流带电的主要因素（一）油流速度与温度的影响油流速度是最主要的影响因素。油流速度增加，油流带电程度随之严重，通常认为在24倍的额定流速（平均流速）下，带电倾向较为明显。例如，西北某水电厂的 #1#3主变压器油中乙炔、总烃含量超标，乙炔含量最高达30ppm,总烃最高达164PPm经测试和综合分析判断，认为 #1#3主变压器油中乙炔含量增高的重 要原因是由于油流放电引起的。 为此将原来运行的4台潜油泵减少为3台，使油流速度降低， 半年的监测表明：乙炔含量明显降低，并一直趋于稳定。由

13、于油流速度与温度有关，所以温度变化时，油流带电程度也随之变化。图1 - 87示出了在不同流速下，绕组泄漏电流与温度的关系曲线。由图可见，当油温在5060C之间时，油流所产生的泄漏电流达最大值。通常，变压器恰工作在这样的温度范围，显然是不利的。研究表明，油的流速在0. 29m/s以下时，就不会发生放电现象，但为了安全要留有一定的 格度。（二）油流状态的影响油流状态通常以雷诺数表示。 图I - 88示出了油流状态（雷诺数）油的流动分为层流和湍流， 与泄电流的图1-87不同流速下绕组泄漏电流与温度的关系图1-88泄漏电流与雷诺数的关系关系。从目中可以看出，当油流处在展流区时，泄漏电流与雷诺数成正比，

14、且与温度有关。 而在湍流区，则与雷诺数的平方成正比。从展流到湍流的过渡区域，由于油流极不稳定，电荷的分离与雷诺数的 25次方成正比。以层压纸管的油流来模拟油流的试验结果如图I 89所示。IQT|7ABC位置图1-89在层压纸管模型中静电感应电流的分布由图可见：（1 ）在纸管的入油口油流极不稳定，属湍流状态，其泄漏电流最大。（2 ）在纸管的出口处，也有类似的湍流效应。在实际的变压器中，绕组下部的进油口附近区域属湍流状态，因此该区域油流带电程度严重。（三）励孩对油流带电的影响图I 90所示为在一台实际的500kV单相自耦壳式变压器模型上进行不同励磁下测量静电泄 漏电流的试验结果。由图可知，泄漏电流

15、随励孩电压升高而增大，且与油温有关，泄漏电流的峰值效应明显。-沁OHt.y* cojE- q1览* Y- 5fL. |10so图1 90变压器励磁对泄漏电流的影响（四）油系对油流带电的影响当油泵突然起动时，由于油流的扰动，交界面的偶电展快速被油流分离，会使油很快增加到一个较高的起始带电度， 频繁起动油泵会加剧这种现象。因此油泵的起动和切断应该逐步进行。此外，由于油泵本身的油流速度较高，很容易分离电行，在设计时，油泵大多是位于冷 却器下部，油泵旋转时产生的电荷经油泵本体对地释放一部分，但有人认为，人释放量不够，会影响变压器内部的油流带电，因此有些设计作了改进， 其目的是使油进/变压器之前，有一段

16、较长的电荷释放距离。（五）油中水分的影响油中水分含量对油的流动带电倾向有明显的影响。随着油中微量水分的减小， 油中的带电倾向将增加，从图1-91所示的9种美国产新绝缘油的含水量与电荷密度的关系曲线中可以看 出，当怕中微水含量小于 15PPm时，油中电行密度剧增。这与油的种类也有关，电荷密度较 高的是一种经水解处理后再用漂白土过滤的油种，电行密度较低的是一种经水解处理后再以溶剂革取的油种，两者的区别是前者无抑制剂，后者则添有抑制剂， 也即抽中的其他物质对电荷密度会有一定的影响。合格的大型变压器中的绝缘油徽水含量低（约10PPE，使得电荷的泄放困难，故运行中的大型电力变压器油流带电问题较严重。由于

17、温度的变化，水分在油和纸质材料问有一个连续的动态平衡过程，由于这个过程在连续变化。这相当于液、固两态界面的电导率在连续变化，这也就直接影响了油流带电。* 裁 t liLun图1-91电荷密度与油含水量的关系（六）固体纸绝缘材料表面状态的影响固体纸质绝缘表面吸附电荷的能力，随着其表面的粗糙度增加而增加，即纸质材料表面的网状结构将直接影响电荷的分离。变压器内所使用的各种固体绝缘材料，在油流流过时的带电量（带电电位）与其表面状态的关系如图1 - 92所示。由图可见，各种材料带电量图1 一则电行密度与油含水量的关系大小不同，其大小顺序是：棉布带结纹纸压制板牛皮纸。这是由于它们表面粗糙度不同所致，例如，

18、棉布带表面粗糙度约为牛皮纸的10倍，其带电量也约为牛皮纸的10倍。材料表面粗糙度增大，实际上是增加了与油质的接触面积，从而 增加了吸附电荷的能力。 当表面的积累电荷一旦放电后，将会使材料表面变得更粗糙， 从而变得更易积累电荷。（七）油的电导率的影响油的电导率直接影响油中离子的含量和影响电荷的松弛时间常数。一般认为，当电导率较低时，带电程度随电导率增大而增强，如图1 - 93所示。但是，当电导率超过某一临界值时，油流带电程度则又随着电导率的增大而减小，且油流带电达到峰值时，电导率的区间一般是-8（2 5）x 10 S/cm.（八）介质损耗因数tg S的影响图1-92不同固体绝缘材料的带电量图1-

19、93油电导率与电荷密度的关系（测试温度30C）油流带电与油本身的介质损耗团数tg 3的关系如图1 - 59所示。尽管油流带电与其办存在有一定范围的不确定性，但总的趋势是tg 3增大时，带电倾向增加。（九）其他现已查明，大型电力变压器的油流带电现象，除上述外，还与变压器油的加工精制工艺、油的老化、变压器的结构（包括泵、散热器、油箱等）、运行状况、油中杂质、光照、油一纸 之间水分的迁移等因素有关。油流带电的抑制方法（一）降低流速降低油的平均流速是防止油流带电的有效措施，一般将流速控制在0.5m/s以下，就可能避免因油流带电而发生的放电。通常，降低流速的做法是改造原有的冷却系统，采用低流速、 大流量

20、的工作方式。 对此，可借助于改进油泵设计、流速设计和对冷却系统采用自动控制来实现。（二）换油这是抑制油流带电的有效方法之一，并为多年的运行经验初步证实。具体做法是将具有高带电趋势的油改换为具有低带电趋势的油。然而，这种处理方式的长期效果如何，还需进积累经验。（三）添加苯并三唑这是日本研究出的抑制大型变压器油流带电的一种方法，并使用多年。具体做法是在变压器油中添加苯共三唑（简称 BTA，添加量一般为1050Ppm由于BTA中含有过剩电子、加 入油中后，过剩电子一方面被吸附于固体绝缘材料上，使油流动摩擦时不再产生静电；另-方面，即使产生静电，也很容易被油溶解的BTA的过剩电子所中和，使油保持不带电

21、荷。亠 -UEru&ls朋痉耒憑加BTA的变压养图1 94示出了 BTA对油中放电量的影响。由图可见，添加510Ppm的BTA时，变压器油放电量的降低是很明显的。我国某单位对添加BTA的变压器跟踪了两年半，试验结果一直良好。原电力部电力科学研究院对变压器油添加BTA抑制油流带电的效果进行了研究，其结果如图I 95。图I 96和图I 97所示。由此可以得如下结论：二Eyo 霍電E-*關】-监 愛压腿油的带虫恢向及 t“ (90C) BTA WJ?nXSB7A tp.t：图1-95变压器器油的带电倾向及 tg 8( 90C)与BTA浓度的关系fioBTA嶽度3卩血、fic4a2co图1-96 变压

22、器抽的工频火花放电电压及电导率(90 C)BTA tk度的关系图1-96变压器油的工频火花放电电压及电导率(90C)与BTA浓度的关系(1) 添加BTA可以降低变压器油的带电趋势。（2）添加BTA对油的工频火花放电电压、tg S 及电导率没有不良影响，能降低电tg S和电导率。（3）添加BTA对油的氧化稳定性能有影响，随着BTA浓度的增加，酸值升高。由此说明运行中变压器添加 BTA可能会加速油的老化。这些结论对应用和进一步研究添加BTA的方法是有重要意义的。图1 97变压器油在空气中经llh、125C高温氧化后的酸值与BTA浓度的关系（四）改进变压器设计合理设计油路结构及在油路中管径变化部分，为避免接头处的棱角， 改为圆弧结构，以减少湍流效应的影响。（五）加强在线监测或带电测量1 油中溶解气体的色谱分析变压器内有静电放电时，如果长时间继续下去，同样会引起油中可燃性气体增加，特别是H2和C2H2含量增加较明显。图 1 98和图1 99示出了模拟试验的结果。由图 1 99可见， 模拟和实际情况比较接近。由于目前应用色谱分析较难区别油流静电放电和其他性质的电气放电，因此尚需作进一步研究。