摘要本文研究分析了變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中樹枝狀放電的起因是由局部的高電場直接形成，或者由局部放電發(fā)展而成。而兩者又和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造工藝以及原材料的各種缺陷密切相關(guān)。提出了消除變壓器中樹枝狀放電的根本措施，及變壓器中樹枝狀放電的監(jiān)測問題。
　　關(guān)鍵詞：變壓器絕緣樹枝狀放電局部放電
　　 1引言
　　樹枝狀放電是固體絕緣材料中的一種局部放電。局部放電和樹枝狀放電可使絕緣材料的電氣性能和機(jī)械性能下降，是導(dǎo)致絕緣材料老化的主要原因。國內(nèi)外的運(yùn)行實(shí)踐表明，局部放電和樹枝狀放電是導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備絕緣故障的主要原因。我國運(yùn)行中的變壓器多次發(fā)生沿圍屏的樹枝狀放電事故，嚴(yán)重威脅著變壓器的安全運(yùn)行，特別是大容量發(fā)電機(jī)用變壓器的故障，經(jīng)濟(jì)損失更為重大。近年來，在變壓器制造廠中新產(chǎn)品的局部放電測量試驗(yàn)中，也發(fā)生多例沿圍屏的樹枝狀放電事故。鑒于上述情況，樹枝狀放電早就引起了許多國家的極大關(guān)注。對(duì)樹枝狀放電的產(chǎn)生、發(fā)展及其預(yù)防措施，開展了廣泛的試驗(yàn)研究。因放電現(xiàn)象受很多因素的影響，很難用方程式進(jìn)行解析計(jì)算。因此除了用試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究以外，國內(nèi)外已開始用計(jì)算機(jī)對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析，從而得到了滿意的結(jié)果。對(duì)各種論點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析，可得出如下結(jié)論：
　　(1)樹枝狀放電的產(chǎn)生與絕緣材料中局部高電場的形成密切相關(guān)。
　　(2)樹枝狀放電或者由局部的高電場直接引起，或者由局部放電發(fā)展而成。
　　 2變壓器中樹枝狀放電的起因
　　變壓器油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中的樹枝狀放電的起因，或者由局部的高電場直接引起，或者由局部放電發(fā)展而成。我們的研究表明，在絕緣油良好的前提下，當(dāng)電位梯度為16kV/mm時(shí)，便可出現(xiàn)局部放電；而蘇聯(lián)的研究指出，在實(shí)際變壓器中，當(dāng)場強(qiáng)E＝3.5MV/m時(shí)，線圈中部便可出現(xiàn)局部放電。試驗(yàn)表明，變壓器油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)，在短時(shí)過電壓的作用下，一旦形成局部放電，那末這種放電即使在工作電壓的長期作用下(那怕場強(qiáng)較低，大約只有1MV/m)，也有可能發(fā)展為圖1所示的樹枝狀放電。長期的局部放電會(huì)使絕緣材料發(fā)生物理和化學(xué)變化，并伴隨著局部放電通道的增長(樹枝狀放電)而導(dǎo)致?lián)舸?。試?yàn)還表明，當(dāng)局部放電強(qiáng)度大約為10-6～10-8C時(shí)，絕緣隔板上就能呈現(xiàn)出明顯的樹枝狀放電痕跡；而當(dāng)局部放電強(qiáng)度低于10-9C時(shí)，絕緣隔板上沒有任何痕跡?！　?
　　

　　圖1變壓器中的樹枝狀放電
　　Fig.1Theelectricaltreeintheinsulationoftransformers
　　在變壓器的油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中，由于油的介電系數(shù)低，因此在電場的作用下，油隙常承受比固體絕緣更高的電場強(qiáng)度。而實(shí)際上油的絕緣強(qiáng)度又低于固體絕緣，再加上油中含水、含氣、含有懸浮微粒等，因此油隙的絕緣強(qiáng)度就更低了。尤其是緊靠高壓線圈的第一個(gè)油隙，因?yàn)槠渲袑?dǎo)線、墊塊、撐條等棱角的存在，使這個(gè)油隙中的電場嚴(yán)重畸變，局部的場強(qiáng)大大超過絕緣材料的容許限度，因此，一般說來在這個(gè)油隙中首先出現(xiàn)局部放電。局部放電時(shí)，隨著油的分解而產(chǎn)生氣體，在油中形成氣泡，它們?cè)诟唠妶龅淖饔孟率咕植糠烹姵掷m(xù)發(fā)展，當(dāng)放電能量超過一定限度時(shí)，則因電氣化學(xué)的作用，將會(huì)促進(jìn)鄰接絕緣的損傷，這種損傷大致可分為沿厚度方向的穿孔和沿表面的樹枝狀放電，通常后者最易發(fā)生。這種沿表面的樹枝狀放電比沿厚度方向的穿孔要明顯很多?？梢姌渲罘烹娛且环N高能量的局部放電，它起源于較弱的局部放電，以后才逐步形成樹枝狀碳化通道［1］。
　　因此，不論變壓器的高壓線圈是中部進(jìn)線還是端部進(jìn)線，緊靠高壓線圈的第一個(gè)油隙是油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)，所以通常把此油隙發(fā)生擊穿時(shí)的電壓(或強(qiáng)度)，理解為油-隔板絕緣的電氣強(qiáng)度，而這個(gè)擊穿電壓則是以隔板表面出現(xiàn)明顯的樹枝狀放電痕跡為標(biāo)志的。
　　從本世紀(jì)60年代起，國外就對(duì)變壓器油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中，緊靠高壓線圈的油隙的電場強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了該油隙中出現(xiàn)故障的電場強(qiáng)度的平均值和該油隙中容許電場強(qiáng)度的推薦值(表1、表2)，并指出，對(duì)于220～750kV電壓等級(jí)的變壓器而言，緊靠線圈的油隙寬度，應(yīng)根據(jù)線圈冷卻、工藝裝配等條件來考慮，宜采用8～10mm；線圈端部靜電板和與其緊靠的隔板之間的油隙寬度，也應(yīng)根據(jù)線圈冷卻、工藝裝配以及該處電場最大程度的均勻等條件來考慮，其輻向宜取10mm，軸向宜取15mm［2］。這些數(shù)據(jù)為絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)。
　　表1緊靠線圈的油隙中出現(xiàn)故障的電場強(qiáng)度的平均值［2］
　　Tab.1TheaveragevalueofEunderfailureintheoil
　　ductagainstthewindings　　 過電壓種類 線圈中部進(jìn)線
　　E/(MV^.m^-1) 線圈端部進(jìn)線
　　E/(MV^.m^-1) 沖擊系數(shù) 雷電過電壓 24 16 1.90 操作過電壓 17 11.5 1.35 工頻一分鐘電壓 9 6
　　表2緊靠線圈的油隙中容許場強(qiáng)的推薦值　　 過電壓種類 線圈中部進(jìn)線
　　E/(MV^.m^-1) 線圈端部進(jìn)線
　　E/(MV^.m^-1) 雷電過電壓 12.5 11.5 操作過電壓 11.0 10.0
　　
　　試驗(yàn)研究和對(duì)故障變壓器的解體檢查發(fā)現(xiàn)，樹枝狀放電的產(chǎn)生往往和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和原材料的缺陷有關(guān)，這些缺陷可以導(dǎo)致局部高電場的形成或者局部放電的產(chǎn)生，從而引起油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)的樹枝狀放電。根據(jù)對(duì)故障變壓器產(chǎn)品的事故原因分析，可以看出，這些產(chǎn)品之所以產(chǎn)生樹枝狀放電，主要是由于：
　　(1)尚未完全做到根據(jù)電場分布、波過程分析為基礎(chǔ)來選擇設(shè)計(jì)合理的絕緣結(jié)構(gòu)。如靜電板和角環(huán)處的場強(qiáng)過高；圍屏支撐墊塊的位置，靜電板的圓角半徑和絕緣厚度，角環(huán)的形狀尺寸不夠合理等，都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的缺陷。
　　(2)在器身裝配過程中工藝水平差。圍屏形狀不穩(wěn)定，亦即油隙邊界不穩(wěn)定。在圍屏紙板交疊處，紙板邊棱翹曲變形，在套裝器身的過程中易與線圈表面相碰，甚至劃破線圈的導(dǎo)線絕緣。
　　(3)絕緣零件的制造工藝水平差，撐條和墊塊表面粗糙，有尖角毛刺，撐條層間有氣泡。
　　(4)油的凈化工藝不完善，油中含水、含氣、含有懸浮微粒。試驗(yàn)結(jié)果表明，油中雜質(zhì)和水分的存在，會(huì)降低絕緣結(jié)構(gòu)中的起始局部放電電壓，并增大局部放電量。
　　(5)真空注油工藝不完善，仍有微小氣泡進(jìn)入油中。這些小氣泡附著在線圈、圍屏、撐條棱角等易于集聚氣泡的部位，在高電場的作用下，形成一系列的氣泡放電，逐步發(fā)展成為絕緣的局部放電或樹枝狀放電。
　　(6)原材料的主要缺陷是，絕緣紙板質(zhì)量差，有雜質(zhì)，鼓泡、分層嚴(yán)重、翹曲變形、表面不平整，成型性不好。此外，導(dǎo)線有毛刺，導(dǎo)線絕緣局部有缺陷等等。所有這些缺陷，都能導(dǎo)致變壓器油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部放電和樹枝狀放電，給安全運(yùn)行帶來威脅，因此是絕對(duì)不允許的。
　　變壓器除了上述產(chǎn)生樹枝狀放電的原因以外，近年來還在變壓器絕緣紙筒上發(fā)現(xiàn)了由于油流靜電放電而形成的樹枝狀放電痕跡［3］。
　　3變壓器中樹枝狀放電的預(yù)防
　　變壓器油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中的樹枝狀放電，或者由局部的高電場直接引起，或者由局部放電發(fā)展而成。而局部高電場的形成和局部放電的產(chǎn)生，又取決于變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和原材料的質(zhì)量。因此，從變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和原材料的選用入手，設(shè)法消除絕緣結(jié)構(gòu)中的局部高電場，防止絕緣結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部放電，是防止變壓器中樹枝狀放電的根本措施。
　　 3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和電場解析技術(shù)的進(jìn)步，目前已能準(zhǔn)確計(jì)算出線圈內(nèi)部的電位分布和梯度分布，為更加合理的設(shè)計(jì)匝間絕緣和段間絕緣提供了理論依據(jù)。在電場計(jì)算中，由于采用了有限元法、差分法、表面電荷法及電荷疊加法等，已能準(zhǔn)確求出變壓器各部位電壓的大小及電場的分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，來確定理想的絕緣結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該是，在采用成型絕緣隔板將油隙分割成多層小油隙來提高絕緣強(qiáng)度的同時(shí)，必須盡量使油-隔板的分界面與電場的等位面相互平行，并且在電場分布不均勻的部位，采用形狀與電場等位面完全相同的成型絕緣件，從而使電場得到緩和，消除局部的高電常靜電板的絕緣厚度，宜使其表面油中場強(qiáng)低于局放強(qiáng)度；角環(huán)形狀和尺寸，應(yīng)垂直于電場方向，從而避免由于切向分量存在，沿角環(huán)表面樹枝狀放電及沿面放電。近年來的研究結(jié)果表明，對(duì)油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)而言，不僅要求油和隔板都具有較高的擊穿電壓，而且還要求具有較高的起始局部放電電壓。
　　為了提高起始局部放電電壓，有人提出了復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，就是把用絕緣隔板將油隙分割成細(xì)小油隙的方式，和用絕緣體填充油隙的方式結(jié)合起來，靠這兩種方式的最佳配合，使絕緣結(jié)構(gòu)更加合理。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，若500kV傳統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)的端絕緣模型的起始局部放電電壓為100%，則復(fù)合絕緣的端絕緣模型，其起始局部放電電壓增長到150%。這種復(fù)合絕緣可承受工頻750kV，沖擊1500kV的試驗(yàn)電壓，還有足夠的裕度。
　　根據(jù)目前我國變壓器制造業(yè)的現(xiàn)狀，結(jié)合對(duì)故障變壓器的解體檢查結(jié)果，認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
　　(1)用計(jì)算機(jī)仔細(xì)分析電場，根據(jù)電場分布情況選擇合理的絕緣結(jié)構(gòu)。必須使絕緣隔板和油的分界面，盡可能和電場等位面平行。使所有絕緣件的圓角與電場等位面大體吻合。
　　(2)改進(jìn)上角環(huán)的結(jié)構(gòu)，抬高上角環(huán)的位置，使角環(huán)不集聚氣泡或讓氣泡集聚在場強(qiáng)較弱的部位。
　　(3)線圈的軸向油隙取得較小而靜電板的圓角半徑取得較大，使油中的最高場強(qiáng)得以降低。
　　(4)調(diào)整圍屏支撐墊塊的位置，使其位于低場強(qiáng)區(qū)域，圍屏支撐墊塊前端的兩個(gè)尖角應(yīng)該倒成圓角。
　　 3.2制造工藝
　　合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是靠先進(jìn)的制造工藝來保證的。實(shí)踐證明，國內(nèi)外凡是發(fā)生樹枝狀放電的變壓器，無一不和制造工藝上的缺陷密切相關(guān)。目前我國變壓器的制造工藝水平與國外先進(jìn)水平相比，是存在一定差距的，這是我國變壓器產(chǎn)品質(zhì)量不高的根本原因。例如蘇聯(lián)9萬kVA及以上的大型變壓器的年事故率，早在1975年就降到了0.8%；而瑞典變壓器的年事故率只有0.43%；日本近幾年來投運(yùn)在100多個(gè)變電站的變壓器，從未出現(xiàn)過事故；我國變壓器的年事故率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于他們。這應(yīng)該引起有關(guān)部門的認(rèn)真思考和足夠重視。要想提高我國變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量，使其迅速達(dá)到國外同行業(yè)的先進(jìn)水平，不從根本上改變目前某些陳舊落后的制造工藝，是沒有出路的。
　　根據(jù)對(duì)事故變壓器的解體檢查認(rèn)為，在當(dāng)前變壓器的制造過程中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：
　　(1)在線圈繞制過程中，應(yīng)防止線段繞制和線圈裝配的誤差所引起的線匝凸起。應(yīng)防止線餅換位處由于扭折使導(dǎo)線絕緣局部受損。
　　(2)在器身裝配過程中，一定要保證圍屏形狀的穩(wěn)定性，即油隙邊界的穩(wěn)定性。在器身套裝時(shí)，要嚴(yán)防由于圍屏紙板搭接處邊棱翹曲而與線圈表面相碰，甚至劃破線圈的導(dǎo)線絕緣。
　　(3)線圈的繞制和絕緣件的制造及其存放應(yīng)在凈化的環(huán)境中進(jìn)行。墊塊和撐條等絕緣件應(yīng)無尖角、毛刺，表面要光潔。對(duì)粘合絕緣件要嚴(yán)防層間有氣泡存在。
　　(4)要嚴(yán)格控制變壓器油中的含水、含氣量和雜質(zhì)的含量。
　　(5)改進(jìn)真空注油工藝，提高真空度，減少器身內(nèi)部的殘余氣體。
　　 3.3絕緣材料的選用
　　有了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造工藝，若沒有優(yōu)質(zhì)的原材料供應(yīng)，仍然生產(chǎn)不出高質(zhì)量的產(chǎn)品。隨著變壓器電壓的不斷提高，容量的不斷增大，為將樹枝狀放電引起的絕緣事故防患于未然，除了采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高工藝水平外，必須研究和發(fā)展不易產(chǎn)生樹枝狀放電的固體絕緣材料，而其中最關(guān)鍵的乃是絕緣紙板。因?yàn)楦唠妷河?隔板絕緣變壓器運(yùn)行的可靠性，在很大程度上是由用作主、縱絕緣件的紙板的性能決定的。我們應(yīng)當(dāng)選用純度高、無鼓泡起層、不變形的優(yōu)質(zhì)紙板，嚴(yán)格把關(guān)，防止把有缺陷的紙板用到產(chǎn)品上去。
　　為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，國外對(duì)于不同種類的絕緣件，早已開始采用不同牌號(hào)的絕緣紙板了。不同牌號(hào)的紙板，具有不同的結(jié)構(gòu)和性能。例如，對(duì)于制造主絕緣的紙板，特別要求提高它的沿面放電強(qiáng)度；而對(duì)于用作縱絕緣件的紙板，則要求減少它的收縮性。
　　為了抑制由于局部放電而引起的樹枝狀放電，首先應(yīng)該設(shè)法防止局部放電的發(fā)生。防止局部放電的方法有，消除絕緣材料中產(chǎn)生局部放電的氣泡、裂紋、雜質(zhì)等缺陷，降低絕緣材料的表面電阻，從而使電場得到飽和。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，除了提高材料的加工工藝，確保材料的質(zhì)量以外，還研制出了能夠降低絕緣材料表面電阻的各種添加劑。試驗(yàn)表明，當(dāng)絕緣材料的固有表面電阻降低到1010Ω以下時(shí)，起始局部放電電壓將升到相當(dāng)高的數(shù)值。
　　總之，只要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、原材料的選用等各方面入手，防止油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)中局部高電場的形成和局部放電的產(chǎn)生，那么超高壓變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的樹枝狀放電，是完全能夠避免的。
　　 4變壓器中樹枝狀放電的監(jiān)測
　　固體絕緣材料中的樹枝狀放電，是導(dǎo)致絕緣材料迅速老化的主要原因。為防止變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的樹枝狀放電現(xiàn)象，除變壓器生產(chǎn)部門從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、原材料的選用等各方面入手，確保產(chǎn)品質(zhì)量以外，對(duì)運(yùn)行部門來說，在運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)變壓器的監(jiān)測，及時(shí)診斷和發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，防患于未然，對(duì)于變壓器的安全運(yùn)行，也是很重要的一個(gè)方面。
　　近年來，油的色譜分析作為一種早期故障的監(jiān)測手段，正廣泛應(yīng)用于運(yùn)行狀態(tài)的變壓器監(jiān)視和工廠試驗(yàn)中。從我國故障實(shí)例的剖析可知，在東北電網(wǎng)發(fā)生的8次樹枝狀放電故障中，有6次在油的色譜分析時(shí)事先是有預(yù)兆的。因此，在運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)變壓器油的色譜分析，是發(fā)現(xiàn)樹枝狀放電等潛伏性故障的有效手段。當(dāng)油的色譜分析發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，還可通過測量變壓器的局部放電來進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題。不過這時(shí)應(yīng)注意，以前作為局部放電測量參數(shù)的最大電荷量，最大的和平均的電流值，已不能有效地發(fā)現(xiàn)樹枝狀放電，樹枝狀放電的發(fā)展過程反映著局部放電時(shí)脈沖電流與施加電壓相角關(guān)系曲線畸變的程度。隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，局部放電測試技術(shù)不斷完善，國外已能在高電壓和各種過電壓下，對(duì)變壓器的局部放電進(jìn)行精確的測量，從而使變壓器的可靠性不斷提高。我國為了提高對(duì)局部放電的檢測手段，也大力開展了有關(guān)測試裝置的研究工作。
　　另外，按照大修周期的要求，有計(jì)劃地安排大修，大修時(shí)應(yīng)打開圍屏進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)有樹枝狀放電痕跡，應(yīng)認(rèn)真分析原因，進(jìn)行妥善處理。
　　總之，只要生產(chǎn)部門和運(yùn)行部門密切配合，共同努力，樹枝狀放電對(duì)變壓器絕緣的危害，是一定能夠徹底消除的。
　　
　　作者簡介：毛一之女，1950年生，工程師，先后在保定變壓器制造公司和河北工業(yè)大學(xué)電氣系從事超高壓變壓器的產(chǎn)品研究和高電壓試驗(yàn)工作。
　　王秀春男，1949年生，北京科技大學(xué)熱能工程專業(yè)研究生畢業(yè)，工學(xué)碩士，1979年至1996年曾在保定天威集團(tuán)長期從事變壓器的熱研究，現(xiàn)任河北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力系副教授，主要研究方向是變壓器及其他電機(jī)電器中的傳熱和強(qiáng)化傳熱。
　　作者單位：河北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力系300132
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