电力变压器中的静电起电.pdf

第3 9卷第1 2 用 2 0 0 2 年 1 2 月 别渭 夕 R A人 T F 嗽 J f F R V 0 1 .3 9 De c emb erN o .127 0 0 9 电力变压器中的静电起电 顾宏 ( 重厌工商大学油处理研究所，重庆 4 0 0 0 1 4 ) 摘要: 对变压g绝缘油流动普电现象进行了研究， 给出了一些大型变压器运行故1#实例。 分祈了变压器静电起电 的原冈和条件， 介绍了价电起电的监拢技术 关键词: 变压器;静电起电;原因;条件 中国分类号: T M4 0 6文献标识码: B文章编号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 1 2 - 0 0 2 3 - 0 3 I 概述 针对大型电力变压器的故障和一些至今还无 法解释的变压器故障的出现， 人们开始关注静电起 电，即开展变压器油流动带电现象的研究下作， 以 便使静电起电现象产生的危害减至最低程度 防止 意外事故的发生。旱 在 2 0 世纪 7 0年代末， 日、 美、 澳等国家在这方面就开始了研究工作。这方面的研 究还将影响到变压器的结构设计 、 绝缘油 、 绝缘材 料、 辅助材料、 污染 变压器辅助系统等 由于变压器油和变压器外壳是人们从外部最 易感知的， 所以尽管变压器油的状况不是内部情况 的唯一反映， 但我们仍把注意力放在对它变化的研 究上， 以监视变压器内部的运行状态 弧。这个有害的介电通道可能仅为电荷云团所组 成， 这个云团会大大损害绕组上方油液空间中的介 电强度。当绕组中有持续电流流过时， 它将带来变 压器潜在的故障。这类有害的介电通道形成极高的 直流电位差， 足以产生强大的直流飞弧， 这就如同 自然界中正负云团靠近时发生雷电现象一样。对于 最早的静电起电现象， 人们还仅仅是推断直流电位 差可能高达几十万伏。但后来 ， 人们通过一系列监 视记录仪器， 实实在在地观察到了电力变压器中的 高电位差的静电放电现象， 见图1 。 2 关于静电起电 当绝缘油在导体或绝缘物体表面流过时， 由于 摩擦 、 油温和水分变化等原因， 以及至今还难以解 释的一些因素， 引起固体与液体界面上的电荷的分 离，即接触表面静电荷的产生和静电荷极性的改 变， 使电荷重新排列、 集聚， 油液被充电。尤其是当 油液本身的充电趋势较强， 流速较大时， 将使电荷 决速集聚， 形成高的有害电位差， 使液体带电 对充 油设备带来危害、严重危及到电力设备的运行安 全 、 对变压器而言， 为达冷却目的， 常采l t l 强制油 流从绕组底部流人并从顶部流出。这股油流流1丈 变 压器内的绝缘物时就会引起电荷的产生、聚集、 携 带和重新分布。在经历了这一过程的同时， 会引起 电荷的产生和注人 ， 在绕组顶部油出口处 ， 出现一 个有害的介电通道， 在这里就有可能产生强大的电 图 1国 外 杂 志发 表 的流 动 带 电引 起 的 放 电 实例 由于受超大型试验设备、试验条件的限制， 我 国对变压器中的静电起电的研究报道文章很少。尽 管我们暂时还无法通过大型试验直接采集数据， 但 我们可通过收集、 整理 、 分析国外已经发生跟踪的 事故实例， 借鉴、 探索和研究静电起电的基本现象。 通过分析影响静电起电的主要因素， 为设计和维护 万方数据 盛万著 人员提供参考和借鉴， 以控制故障的发什 3 静电起电对变压器危害的一些实例 ( 1 ) 1 .9 7 2 年有两台大M电力变压器在日本工厂 试验时损坏 这两台变压器的电压等级均为5 0 0 k V, 容量分别为7 5 0和l O O O MV A 。 一 个为壳式结构， 另 一 个为心式结构这两个故障的原因均源于油的高 速流动引起静电带电 ( 2 夕在 1 9 8 5年 9月 1 0日，台单相 5 0 0 / 2 3 0 k V , 4 4 8 M V A的变压器在南 B e s s e m e r 变电站发 I 故障这台变压器为壳型结构， 在无负荷下励磁 儿小时后发生故障。油泵在人工“ O N ” 位置连续运 行 油的静电充电 趋势较高， 达2 2 7 p . C / m 经工 ) - t ( 机梭直， 故障发生在距绕组上方3 3 c 。的. A ” 相高 压串联引线之间。这些点之间的正常工作电位约为 2 8 8 k 丫 ( 3 ) 在 1 9 8 5年 1 1月， 美国电力公司一台单相 5 0 0 1 1 V A , 7 6 5 / 3 4 5 k V变压器在绝缘试验时出现故 障一故障点位 J 一 高压绕组与 卜 胜点引线之间。在 1 9 8 5 年1 2 月 又 一台相同的变压器发生 产重事故， 并在空载 卜 T作 7 .5 h 后起火。 故障再次发生在高压 绕组与中性点引线处据分析这两台变压器都因静 电起电所致 、 ( 4 ) 在 1 9 8 6年， 家南非供电公司也出现一台 心式结构的大型电力变压器的事故。未经证实的报 告指出， 制造中试图防止上绕组出口处静电起电飞 弧但是故障位于底部附近。其设计中存在明显的 过度( 过速) 冷却问题 ( 5 ) 在 1 9 8 7年， 澳大利亚新南威尔土的两台大 ll 发电机升压变压器发生损毁事故。这两台变压器 为2 3 / 3 3 O k V , 3 9 0 MV A，都是心式结构并且来自同 一家制造商。变压器配备两台油泵，流量均为 5 . 6 8 m / m in , 在管径较小的 情况下， 流速明显过高 后来在工)拆开检查时， 发现均有一个相的高压绕 组的中央部分有明显的匝间故障。然而， 检查却没 有发现任何漏电痕迹， 而这些特征正是静电起电故 障中所共有的 综_ 1 所述， 虽然从理论 卜 静电起电现象在各种 电压等级的变压器中都有可能发生， 但若发生在高 压、 尤其是超高压的电力变I t 器却容易使变压器遭 a il 损坏 4 影响静电起电的主要因素 从2 0世纪 7 0年代晚期开始， 国外就对静电起 电现象进行了详细研究。大量研究表明电力变压器 中的静电起电受到如下一些因素的影响 ( 1 ) 池温。油的充电趋势是随温度增加而增强 的。然而， 在台变压器中， 充电水平存在个最大 值， 这个值由叫做“ 驰豫” 的一个电荷漏泄过程所决 定。 最大充电趋势发生在某个中间温度值附近( 3 0 C : - 6 0 T) ,目前的研究尚未证实这个最大值假说是否 恰当，这可能是由于受研究模型的物理限制的缘 故 ( 2 ) 油中含水量含水量少时绝缘油的充电趋 势反而会增加。 试验证明， 油的含水量在 1 5 p UL或 含水量吏少时油的充电趋势达到最大值 ( 3 ) 流速。 充电趋势随流速的增加而增加) 日本 的研究表明，这个增加值在油流速的2 - 4次幂之 间。日本的有些研究是在高流速下完成的， 这些试 验流速高于大多数工程变压器中的实际流速 ， ( 4 ) 油流的湍流。日本的研究指出飞 “ 静电电荷 的运动及产生不取决于扩散， 而取决 ) 油的湍流运 动” ( 5 ) 污染物或表面活性剂。允电趋势随表面活 性剂( 例如磺酸盐) 在油中的出现会急剧增加_在具 有小于 5 0 闪/ L的表面活性污染时表面张力能大于 0 . 0 4 N / i n 这个浓度能产生不希望的油中充电趋势 ( 6 ) 油本身的充电趋势。有些油本身具有比别 的油充电趋势高的特征、这可能与原油的来源、 精 炼工艺、 以及至今未被发现的其它因素或i s 染物有 关。 ( 7 ) 表面质量。电荷产生与分离过程随着固体 绝缘物的粗糙度的增加而增强绝缘物表面的质量 明显地影响电荷的产生 i 分离不同厂家的绝缘材 料具有不同的表面特性。 ( 8 ) 激励。 静电起电强度与交流场强成正比 目 前在流动油液与机制纸板系统中的研究表明， 交流 场强增大的影响能增强局域化的电荷密度 ( 9 ) 流动油的介电强度。流动的变压器油的介 电强度随流动的速度而变化，与静止时侧得的小 同 在接近5 0 c m / 。 的 流速处呈现一个急剧的 下降- 流动油的介电强度也随着温度、 含水量、 含气量、 污 染以及微粒物质而发生变化 ( 1 0 ) 水分的迁移在一个油/ 纸绝缘的变压器 系统中， 在油与绝缘物之间存在水分的迁移随着 变压器中温度和压力的变化， 水分自动迁移以维持 新的平衡。随着水分离开或进人绝缘物的表面， 在 界面处会有一个相应的流体电导率的变化这个条 件可能影响电荷分离过程。 ( 1 1 ) 微粒物质。来自制造或安装过程的变压器 万方数据 第 】 2郁 顾宏 : 电 力 变 压 器 中 的 静 电起 电 油中的微粒物质，除了影响前面提到的介电强度 外， 还对起电现象有影响 ( 1 2 ) 电荷注人，试验证明上游电荷的注入会影 响下游介电的完整性 ( 1 3 片 由 泵。油泵是个重要的电荷产生源。这 还需要在运行中的变压器或等效模型 卜证实和精 确量化- ( 1 4) 孔 ，试验证 明， 孔也有产生电荷 的作用 通常是负的。充电趋势定义为油流中每单位体积油 产生的电荷量。在日前的测量系统中电荷的实用单 位为 林 C ; 因此， 充电趋势单位通常用 N C / m 来表示- 5 静电起电的监视 防止事故应从对变压器静电起电的监视着手。 监视结果的正确与否显得尤为重要。识别潜在静电 起电危险的最流行的方法是测量油的静电充电趋 协。这项试验原来是为石油燃料开发的， 后来被用 厂 电力绝缘油， 它测量流过一个过滤器的单位体积 油量中产 的电荷密度、图2是国际 匕 采用的一种 较典型的结构 接 气 90 过 滤 器 一 接 记 录 仪 聚四板 乙烯垫 图 2静 电 充 电趋 势 测 t 装 置 示 意 图 原则上， 油样品被强制通过规定的过滤器并发 生电荷分离 。过滤器上 的电荷由静电计测量 ， 并且 6 结束语 影响变压器静电起电的因素很多， 甚至一些是 至今仍未被发现的， 但我们可通过控制最土要的因 素， 减小其危害。静电起电在高压和超高压变压器 中发生居多， 危害最大。研究证明， 当改变泉的结构 或冷却系统运行而减小油流速度时， 静电起电现象 能被减至最小甚至趋近于零。用经过白十处理的油 或者用低充电趋势的新油注人变压器， 是减小静电 起电活动现象的另一种有效方法。 通过在油中加人电导率修改剂或电荷抑制剂 添加物，是一种可能使静电充电趋势减小的方法 例如在变压器油中添加诸如 1 , 2 , 3 - 苯丙一哩和烷 基苯之类的电荷抑制剂。但这种方法的有效性还须 作进一步的验证研究 参考文献 : 1 Leo n a r d I T . P r o - s ta ti c a g e n ts i n j e t fu e l D . C a = h - in g to n : N a v a l R e s e a r c h l a b o r a to r y , 1 9 7 6 2 O k u b o H . C h a rg i n g te n d e n c y m e a s u r e m e n t fo r Ir a - fo r m e r o i l C . N e w Y o rk . I E E E , 1 9 7 9 . 3 S h imiz u S . E l e c tr o s t a t ic s i n p o w e r t r a n s fo r m e r C . N e w Y o r k : IE E E , 1 9 7 9 . 4 O o m m e m T V . E l e c t r o s ta t ic c h a r g in g t e n d e n c y o f t r a n s - fo r m e r o i ls C . N e w Y o r k :I E E E , 1 9 8 4 5 C ro f ts DWT r a n s f o r me r c h a ra c te ri s t ic s t h a t in fl u e n c e s ta t e e le c tr i fi c a t io n d e v e l o p m e n t (C . M o n te rc y :E P R 1. 1 98 6 6 O o m m e n T V . S t a tic e l e c t r if ic a ti o n c o n t r o t in L o w 二 tmn s f o r m e m t C . M o n te r e y : E P R I , 1 9 8 6 . S t a t i c El e c t r i f i c a t i o n i n P o we r Tr a n s f o r me r s G U H o n g ( C h o n g g i n g T e c h n o l o g y a n d B u s i n e s s U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 4 , C h i n a A b s t r a c t : T h e e l e c t r i f ic a t io n i n t r a n s f o r m e r o i l is r e s e a r c h e d . S o m e f a u lt e x a m p l e s i n t r a n s f o r me r o p e r a t i o n a r e g i v e n . T h e r e a s o n s a n d c o n d i t i o n s i n s t a t i c e l e c t r i f i c a t i o n o f t r a n s f o r m e r s a r e a n a - l y z e d . T h e m o n i t o r i n g t e c h n i q u e o f s t a t i c e l e c t r i fi c a t i o n i s i n t r o d u c e d . K e y w o r d s : T r a n s f o r m e r , S t a t i c e le c t r i f i c a ti o n ; R e a s o n ; C o n d i ti o n 收 稿 日期 作 者 简 介2002kf. - 0 9 -2 9 宏( 1 9 7 0 - )女. 江苏张家港人， 重庆工商大学油处理研究所工程师， 从事油质分析研究 万方数据