CN108414903A - 一种变压器长油隙击穿测试系统和方法 - Google Patents

一种变压器长油隙击穿测试系统和方法 Download PDF

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杨贤
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Abstract

本发明公开了一种变压器长油隙击穿测试系统和方法，基于长油隙的形成机理，搭建了实体变压器长油隙击穿测试系统并设置了不同的变压器油的试验工况进行长油隙击穿试验，通过长油隙击穿试验分析变压器在实际运行过程中，由于油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝和均压球加绝缘覆盖等因素对变压器的长油隙击穿的影响情况，对于从根本上防止长油隙放电故障具有重要意义，解决了目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律的技术问题。

Description

一种变压器长油隙击穿测试系统和方法
技术领域
本发明涉及变压器试验技术领域，尤其涉及一种变压器长油隙击穿测试系统和方法。
背景技术
在电力系统中，变压器是工矿企业与民用建筑供配电系统中的重要设备之一，主要进行电压等级的变换，以便于长距离的输电。而变压器在长期运行过程中，尤其是油浸式变压器，会产生长油隙放电击穿的现象。目前业内普遍认为的长油隙放电击穿的原因为：变压器油中混入了杂质，从而导致变压器长油隙放电击穿。其中，变压器油中的杂质主要来源于以下几个方面：
(1)变压器在制造期间以及变压器油注入的过程中难免有杂质混入；
(2)变压器油与大气接触时，会从大气中吸收气体和水分，且逐渐被氧化；
(3)常有各种纤维、碎屑等杂质从固体绝缘物上脱落到变压器油中；
(4)运行中变压器油本身也会老化，分解出气体，水分和聚合物。
这些杂质附近会产生局部强电场，在电场力的作用下，这些杂质沿电力线逐渐排列成“小桥”，由于杂质的电导较大，使泄漏电流增大，发热增多，促使水分汽化，形成气泡，而气泡中的场强比油高但耐压场强比油小，所以，气泡中会发生电离过程并逐渐发展，最终导致小桥通道被电离击穿。
目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律，无法为避免长油隙放电导致变压器故障提供研究参考。
发明内容
本发明提供了一种变压器长油隙击穿测试系统和方法，解决了目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律的技术问题。
本发明提供的一种变压器长油隙击穿测试系统，包括：
击穿试验平台、试验电源和油样化验设备；
所述击穿试验平台包括油箱、均压球、可调电极、油泵循环系统和高压套管；
所述均压球设置于所述油箱内部，所述可调电极安装于所述油箱外壁，用于模拟地电极，所述可调电极的安装位置与所述均压球的中心处于同一水平面上，且所述可调电极与所述均压球之间的间隙可调；
所述油泵循环系统安装于所述油箱上方，用于进行油循环；
所述高压套管设置于所述油箱上方，用于将所述油箱内部的高压线引到所述油箱的外部；
所述试验电源与所述击穿试验平台连接，用于为所述击穿试验平台提供工频电源，所述油样化验设备用于对所述油箱内部的变压器油进行取样化验。
优选地，所述击穿试验平台还包括有透明观察窗，所述透明观察窗设置于所述油箱外壁上。
优选地，所述油箱的直径为1624mm，所述均压球的直径为350mm，所述油箱的高度为3000mm，所述可调电极的调节范围为0～415mm。
优选地，所述油泵循环系统的流量为80m3/h，扬程为2.8m，功率为1.5kW。
优选地，所述油样化验设备包括：
变压器油分析气相色谱仪、微量水分测定仪、油介损电阻率测量仪、全自动绝缘油测量仪、液体颗粒计数器和油隙绝缘试验平台。
本发明提供的一种变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，基于本发明提供的变压器长油隙击穿测试系统，所述方法包括：
通过油样化验设备对油箱内部的变压器油进行试验工况设置；
采用阶梯加压方法对所述击穿试验平台进行加压测试，直至所述可调电极与所述均压球之间的油隙被击穿，并记录击穿电压；
所述阶梯加压方法具体为在所述可调电极与所述均压球之间施加低电压并维持预置时间，在所述可调电极与所述均压球之间的油隙没被击穿的时候增加预置电压并维持所述预置时间，以此类推，直至所述可调电极与所述均压球之间的油隙被击穿；
所述试验工况包括正常油样、油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝、均压球加绝缘覆盖。
优选地，进行油中含水的试验工况的设置过程具体为：向油箱内注水并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含水变压器油；
所述含水变压器油的水分含量包括16ppm和36ppm；
进行油中含气的试验工况的设置过程具体为：向油箱内注入空气并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含气变压器油；
所述含气变压器油的含气量包括2.25％、5.7％和7.3％。
优选地，进行油中含纤维杂质的试验工况的设置过程具体为：向变压器油中混入纸屑以构造含纤维杂质的变压器油，所述含纤维杂质的变压器油中大于5μm的纤维颗粒的含量为5450且大于2μm的纤维颗粒的含量大于1万。
优选地，进行油中含金属丝的试验工况的设置过程具体为：在油箱内部的可调电极的平板中部位置挂一根直径为0.02mm的铜丝，并采用绝缘纸隔开所述铜丝与所述可调电极。
优选地，进行均压球加绝缘覆盖的试验工况的设置过程具体为：在均压球的表面设置一层3mm的绝缘进行覆盖。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明基于长油隙的形成机理，搭建了实体变压器长油隙击穿测试系统并设置了不同的变压器油的试验工况进行长油隙击穿试验，通过长油隙击穿试验分析变压器在实际运行过程中，由于油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝和均压球加绝缘覆盖等因素对变压器的长油隙击穿的影响情况，对于从根本上防止长油隙放电故障具有重要意义，解决了目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为为本发明实施例提供的一种击穿试验平台的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种变压器长油隙击穿测试方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种阶梯加压过程示意图；
图4为本发明实施例提供的两种微水含量下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图；
图5为本发明实施例提供的三种含气量下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图；
图6为本发明实施例提供的含纤维杂质工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图；
图7为本发明实施例提供的旧油工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图；
图8为本发明实施例提供的含纤维杂质工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图；
图9为本发明实施例提供的均压球加3mm绝缘覆盖后最高试验电压与正常油品平均击穿电压对比图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种变压器长油隙击穿测试系统和方法，用于解决目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种击穿试验平台的结构示意图。
本发明提供的一种变压器长油隙击穿测试系统，包括：击穿试验平台、试验电源和油样化验设备。
其中，击穿试验平台包括油箱1、高压套管2、均压球3、可调电极4和油泵循环系统5；均压球3设置于油箱1内部，可调电极4安装于油箱1的外壁，用于模拟地电极，可调电极4的安装位置与均压球3的中心处于同一水平面上，且可调电极4与均压球3之间的间隙可调；油泵循环系统5安装于油箱1的上方，用于进行油循环；高压套管2设置于油箱1的上方，用于将油箱1的内部的高压线引到油箱1的外部；为了便于观察油箱1的内部情况，击穿试验平台还设置有透明观察窗6，透明观察窗6设置于油箱外壁上。
进一步地，击穿试验平台的具体参数如下：油箱的直径为1624mm，均压球的直径为350mm，油箱的高度为3000mm，可调电极的调节范围为0～415mm。油泵循环系统的流量为80m3/h，扬程为2.8m，功率为1.5kW。
基于上述的结构参数，本发明实施例提供的击穿试验平台具有如下特点：
(1)可调电极到均压球间距离可根据试验情况进行调节且可控，透明观察窗可用于观测放电现象。
(2)能够开展各种形状的均压球及不同绝缘结构对地电极的放电及过程试验。
(3)可承受30Pa真空耐压，能够开展实际运行工况下的油隙绝缘放电试验。
(4)可以开展各种油况下长、短油隙的击穿试验。
(5)可以开展纸板筒绝缘在各类超高压交直流作用下的爬电试验。
进一步地，试验电源与击穿试验平台连接，用于为击穿试验平台提供工频电源，油样化验设备用于对油箱内部的变压器油进行取样化验。其中，油样化验设备包括有：变压器油分析气相色谱仪、微量水分测定仪、油介损电阻率测量仪、全自动绝缘油测量仪、液体颗粒计数器和油隙绝缘试验平台。
以上为对本发明实施例提供的一种变压器长油隙击穿测试系统的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种变压器长油隙击穿测试方法进行详细的描述。
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种变压器长油隙击穿测试方法的流程示意图。
本发明实施例提供的一种变压器长油隙击穿测试方法包括：
S101、通过油样化验设备对油箱内部的变压器油进行试验工况设置；
S102、采用阶梯加压方法对击穿试验平台进行加压测试，直至可调电极与均压球之间的油隙被击穿，并记录击穿电压。
需要说明的是，进行加压测试的试验电压定义为电压峰值除以为保护设备和防止变压器油在击穿瞬间的过度分解，可以在试验回路串接电阻，以限制击穿电流，将变压器及相关电路的短路电流应限制在10mA～25mA内。每次加压前检查电极间无可见气泡，击穿电压为电路自动断开(产生恒定电弧)时的最大电压值，两次连续的击穿试验间隔15min以上并且后续试验开始时两极之间无可见黑色碳化物。
阶梯加压方法具体为在可调电极与均压球之间施加低电压并维持预置时间，在可调电极与均压球之间的油隙没被击穿的时候增加预置电压并维持预置时间，以此类推，直至可调电极与均压球之间的油隙被击穿。即先在两电极间施加较低的电压并维持一定的时间T，再增加电压ΔU并维持时间T，…，按照此方式直至两电极间的油隙被击穿，加压过程如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种阶梯加压过程示意图，升压过程可以按照2kV/s的速率缓慢加压。
此外，为了估算击穿能量，防止因能量过大发生重大事故，试验前还量了试验平台套管的对地电容，测量结果列于表1中。
表1击穿试验平台主要电容参数
从表1中测量结果，可知本发明实施例提供的击穿试验平台的套管对地电容主要为套管本身的电容，且总的电容值均很小，根据公式E＝1/2CU2简单判断，击穿能量较小。油耐压试验数据推算变压器油的耐压水平为28kV/mm，在试验系统最大能提供300kV试验电压的情况下，可调节电极间的距离实现油隙击穿。
其中，进行击穿试验的试验工况包括正常油样、油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝、均压球加绝缘覆盖。以下将对各种试验工况进行详细的介绍。
1、正常油样
试验取正常油样并测得油参数列于表2。
表2正常油样工况试验前绝缘油参数
2、油中含水
向油箱内注水并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含水变压器油；含水变压器油的水分含量包括16ppm和36ppm。
3、油中含气
向油箱内注入空气并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含气变压器油；含气变压器油的含气量包括2.25％、5.7％和7.3％。
4、油中含纤维杂质
向变压器油中混入纸屑以构造含纤维杂质的变压器油，含纤维杂质的变压器油中大于5μm的纤维颗粒的含量为5450且大于2μm的纤维颗粒的含量大于1万。
5、旧油油样
试验取旧变压器的旧油油样并测得油参数列于表3。
表3正常油样工况试验前绝缘油参数
6、油中含金属丝
在油箱内部的可调电极的平板中部位置挂一根直径为0.02mm的铜丝，并采用绝缘纸隔开铜丝与可调电极，然后抽真空注油，模拟油中含金属异物的工况。
7、均压球加绝缘覆盖
在均压球的表面设置一层3mm的绝缘进行覆盖，入炉干燥后，抽真空注油，以模拟加绝缘覆盖工况。
对上述7种工况下的击穿试验结果进行统计分析，计算其威布尔分布Weibull平均击穿电压，绘制各工况与正常油品下10mm油隙下平均击穿电压值的对比图如图4～图9所示。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的两种微水含量下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图。由图4可知，油中微水含量达16ppm时，油隙平均击穿电压降低至正常油品时的45％，当油中微水含量增大至36ppm时，油隙击穿电压进一步降低至正常油品的34％，可见油中水分含量对油隙击穿影响较大，水分含量越高，击穿电压降低越多。
请参阅图5，图5为本发明实施例提供的三种含气量下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图。由图5可知，气体含量为2.25％、5.7％和7.3％时击穿电压与正常油品相比变化不大，油中空气含气量对油隙击穿的影响不大。
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的含纤维杂质工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图。由图6可知，油中含纤维杂质的击穿电压达正常油品击穿电压的98％，说明油中纤维杂质对油隙击穿的影响不大。
请参阅图7，图7为本发明实施例提供的旧油工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图。由图7可知，采用旧变压器油进行长油隙击穿试验，油隙击穿电压降至正常油工况的54％，说明油品质对油隙击穿电压影响极大。
请参阅图8，图8为本发明实施例提供的含纤维杂质工况下10mm油隙平均击穿电压与正常油品对比图。由图8可知，油中含金属丝对击穿电压影响极大，但放电能量不大，当然这也与试验时金属丝的埋入方式有关。
请参阅图9，图9为本发明实施例提供的均压球加3mm绝缘覆盖后最高试验电压与正常油品平均击穿电压对比图。由图9可知，均压球处加绝缘覆盖能有效提高油隙的击穿电压，但受限于试验设备的电压等级，未能最终获得加绝缘覆盖后的平均击穿电压。
此外，在油中含微水的试验准备过程中，对比油缸中的水分尚未充分溶解，从观察窗中观察到可见水珠时(悬浮水含量较高时)的试验情况与大部分水珠得以充分溶解(悬浮水含量较低时)的油隙击穿情况，发现水分在油中的溶解状态对击穿特性也有较大影响，悬浮水的含量较多时，油隙的击穿电压较低。
最后，通过正常油样、油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝、均压球加绝缘覆盖7种试验工况下的长油隙试验研究发现油品质对油隙击穿有较大影响，其中油中水分含量对油隙击穿影响最大，油中含过量水时能极大地降低油隙击穿电压，水分在油中的溶解状态对击穿特性也有较大影响，悬浮水的含量较多时，油隙的击穿电压较低。而单一因素的油中含气量、油中含纤维杂质则对油隙击穿影响不大，均压球表面加绝缘覆盖能有效提高油隙击穿电压。
本发明基于长油隙的形成机理，搭建了实体变压器长油隙击穿测试系统并设置了不同的变压器油的试验工况进行长油隙击穿试验，通过长油隙击穿试验分析变压器在实际运行过程中，由于油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝和均压球加绝缘覆盖等因素对变压器的长油隙击穿的影响情况，对于从根本上防止长油隙放电故障具有重要意义，解决了目前国内外对长油隙放电研究相对较少，只是针对发生故障的变压器进行反措研究，且现有技术中也没有对油浸式变压器做过不同油品下长油隙击穿的专业实验研究，不能明确各因素下的影响规律的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变压器长油隙击穿测试系统，其特征在于，包括：
击穿试验平台、试验电源和油样化验设备；
所述击穿试验平台包括油箱、均压球、可调电极、油泵循环系统和高压套管；
所述均压球设置于所述油箱内部，所述可调电极安装于所述油箱外壁，用于模拟地电极，所述可调电极的安装位置与所述均压球的中心处于同一水平面上，且所述可调电极与所述均压球之间的间隙可调；
所述油泵循环系统安装于所述油箱上方，用于进行油循环；
所述高压套管设置于所述油箱上方，用于将所述油箱内部的高压线引到所述油箱的外部；
所述试验电源与所述击穿试验平台连接，用于为所述击穿试验平台提供工频电源，所述油样化验设备用于对所述油箱内部的变压器油进行取样化验。
2.根据权利要求1所述的变压器长油隙击穿测试系统，其特征在于，所述击穿试验平台还包括有透明观察窗，所述透明观察窗设置于所述油箱外壁上。
3.根据权利要求1所述的变压器长油隙击穿测试系统，其特征在于，所述油箱的直径为1624mm，所述均压球的直径为350mm，所述油箱的高度为3000mm，所述可调电极的调节范围为0～415mm。
4.根据权利要求1所述的变压器长油隙击穿测试系统，其特征在于，所述油泵循环系统的流量为80m3/h，扬程为2.8m，功率为1.5kW。
5.根据权利要求1所述的变压器长油隙击穿测试系统，其特征在于，所述油样化验设备包括：
变压器油分析气相色谱仪、微量水分测定仪、油介损电阻率测量仪、全自动绝缘油测量仪、液体颗粒计数器和油隙绝缘试验平台。
6.一种变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的变压器长油隙击穿测试系统，所述方法包括：
通过油样化验设备对油箱内部的变压器油进行试验工况设置；
采用阶梯加压方法对所述击穿试验平台进行加压测试，直至所述可调电极与所述均压球之间的油隙被击穿，并记录击穿电压；
所述阶梯加压方法具体为在所述可调电极与所述均压球之间施加低电压并维持预置时间，在所述可调电极与所述均压球之间的油隙没被击穿的时候增加预置电压并维持所述预置时间，以此类推，直至所述可调电极与所述均压球之间的油隙被击穿；
所述试验工况包括正常油样、油中含水、油中含气、油中含纤维杂质、旧油油样、油中含金属丝、均压球加绝缘覆盖。
7.根据权利要求6所述的变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，进行油中含水的试验工况的设置过程具体为：向油箱内注水并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含水变压器油；
所述含水变压器油的水分含量包括16ppm和36ppm；
进行油中含气的试验工况的设置过程具体为：向油箱内注入空气并开启油泵循环系统进行搅拌，获得充分搅拌后的含气变压器油；
所述含气变压器油的含气量包括2.25％、5.7％和7.3％。
8.根据权利要求6所述的变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，进行油中含纤维杂质的试验工况的设置过程具体为：向变压器油中混入纸屑以构造含纤维杂质的变压器油，所述含纤维杂质的变压器油中大于5μm的纤维颗粒的含量为5450且大于2μm的纤维颗粒的含量大于1万。
9.根据权利要求6所述的变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，进行油中含金属丝的试验工况的设置过程具体为：在油箱内部的可调电极的平板中部位置挂一根直径为0.02mm的铜丝，并采用绝缘纸隔开所述铜丝与所述可调电极。
10.根据权利要求6所述的变压器长油隙击穿测试方法，其特征在于，进行均压球加绝缘覆盖的试验工况的设置过程具体为：在均压球的表面设置一层3mm的绝缘进行覆盖。
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