沈陽變壓器回收專題超高壓變壓器絕緣結構中的樹枝狀局部放電
摘要本文研究分析了變壓器絕緣結構中樹枝狀放電的起因是由局部的高電場直接形成，或者由局部放電發展而成。而兩者又和結構設計，制造工藝以及原材料的各種缺陷密切相關。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測問題。
關鍵詞：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械性能下降，是導致絕緣材料老化的主要原因。國內外的運行實踐表明，局部放電和樹枝狀放電是導致高壓電氣設備絕緣故障的主要原因。我國運行中的變壓器多次發生沿圍屏的樹枝狀放電事故，嚴重威脅著變壓器的安全運行，特別是大容量發電機用變壓器的故障，經濟損失更為重大。近年來，在變壓器制造廠中新產品的局部放電測量試驗中，也發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注。對樹枝狀放電的產生、發展及其預防措施，開展了廣泛的試驗研究。因放電現象受很多因素的影響，很難用方程式進行解析計算。因此除了用試驗的方法進行研究以外，國內外已開始用計算機對放電現象進行模擬分析，從而得到了滿意的結果。對各種論點進行仔細分析，可得出如下結論：
(1)樹枝狀放電的產生與絕緣材料中局部高電場的形成密切相關。
(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-隔板絕緣結構中的樹枝狀放電的起因，或者由局部的高電場直接引起，或者由局部放電發展而成。我們的研究表明，在絕緣油良好的前提下，當電位梯度為16kV/mm時，便可出現局部放電；而蘇聯的研究指出，在實際變壓器中，當場強E＝3.5MV/m時，線圈中部便可出現局部放電。試驗表明，變壓器油-隔板絕緣結構，在短時過電壓的作用下，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(那怕場強較低，大約只有1MV/m)，也有可能發展為圖1所示的樹枝狀放電。長期的局部放電會使絕緣材料發生物理和化學變化，并伴隨著局部放電通道的增長(樹枝狀放電)而導致擊穿。試驗還表明，當局部放電強度大約為10-6～10-8C時，絕緣隔板上就能呈現出明顯的樹枝狀放電痕跡；而當局部放電強度低于10-9C時，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-隔板絕緣結構中，由于油的介電系數低，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度。而實際上油的絕緣強度又低于固體絕緣，再加上油中含水、含氣、含有懸浮微粒等，因此油隙的絕緣強度就更低了。尤其是緊靠高壓線圈的第一個油隙，因為其中導線、墊塊、撐條等棱角的存在，使這個油隙中的電場嚴重畸變，局部的場強大大超過絕緣材料的容許限度，因此，一般說來在這個油隙中首先出現局部放電。局部放電時，隨著油的分解而產生氣體，在油中形成氣泡，它們在高電場的作用下使局部放電持續發展，當放電能量超過一定限度時，則因電氣化學的作用，將會促進鄰接絕緣的損傷，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。可見樹枝狀放電是一種高能量的局部放電，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線還是端部進線，緊靠高壓線圈的第一個油隙是油-隔板絕緣結構的最薄弱環節，所以通常把此油隙發生擊穿時的電壓(或強度)，理解為油-隔板絕緣的電氣強度，而這個擊穿電壓則是以隔板表面出現明顯的樹枝狀放電痕跡為標志的。
從本世紀60年代起，國外就對變壓器油-隔板絕緣結構中，緊靠高壓線圈的油隙的電場強度進行了試驗研究，確定了該油隙中出現故障的電場強度的平均值和該油隙中容許電場強度的推薦值(表1、表2)，并指出，對于220～750kV電壓等級的變壓器而言，緊靠線圈的油隙寬度，應根據線圈冷卻、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，也應根據線圈冷卻、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］。這些數據為絕緣結構的設計提供了可靠的數據。
表1緊靠線圈的油隙中出現故障的電場強度的平均值［2］
Tab.1TheaveragevalueofEunderfailureintheoil
ductagainstthewindings
E/(MV. m-1) 線圈端部進線
E/(MV. m-1) 沖擊系數
表2緊靠線圈的油隙中容許場強的推薦值
E/(MV. m-1) 線圈端部進線
E/(MV. m-1)
試驗研究和對故障變壓器的解體檢查發現，樹枝狀放電的產生往往和產品的結構設計、制造工藝和原材料的缺陷有關，這些缺陷可以導致局部高電場的形成或者局部放電的產生，從而引起油-隔板絕緣結構的樹枝狀放電。根據對故障變壓器產品的事故原因分析，可以看出，這些產品之所以產生樹枝狀放電，主要是由于：
(1)尚未完全做到根據電場分布、波過程分析為基礎來選擇設計合理的絕緣結構。如靜電板和角環處的場強過高；圍屏支撐墊塊的位置，靜電板的圓角半徑和絕緣厚度，角環的形狀尺寸不夠合理等，都是結構設計中常見的缺陷。
(2)在器身裝配過程中工藝水平差。圍屏形狀不穩定，亦即油隙邊界不穩定。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。試驗結果表明，油中雜質和水分的存在，會降低絕緣結構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，絕緣紙板質量差，有雜質，鼓泡、分層嚴重、翹曲變形、表面不平整，成型性不好。此外，導線有毛刺，導線絕緣局部有缺陷等等。所有這些缺陷，都能導致變壓器油-隔板絕緣結構中產生局部放電和樹枝狀放電，給安全運行帶來威脅，因此是絕對不允許的。
變壓器除了上述產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現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防
變壓器油-隔板絕緣結構中的樹枝狀放電，或者由局部的高電場直接引起，或者由局部放電發展而成。而局部高電場的形成和局部放電的產生，又取決于變壓器的結構設計、制造工藝和原材料的質量。因此，從變壓器的結構設計、制造工藝和原材料的選用入手，設法消除絕緣結構中的局部高電場，防止絕緣結構中產生局部放電，是防止變壓器中樹枝狀放電的根本措施。
3.1結構設計
由于計算機的應用和電場解析技術的進步，目前已能準確計算出線圈內部的電位分布和梯度分布，為更加合理的設計匝間絕緣和段間絕緣提供了理論依據。在電場計算中，由于采用了有限元法、差分法、表面電荷法及電荷疊加法等，已能準確求出變壓器各部位電壓的大小及電場的分布情況。根據計算結果，來確定理想的絕緣結構。這種結構應該是，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度的同時，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低于局放強度；角環形狀和尺寸，應垂直于電場方向，從而避免由于切向分量存在，沿角環表面樹枝狀放電及沿面放電。近年來的研究結果表明，對油-隔板絕緣結構而言，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，有人提出了復合絕緣結構，就是把用絕緣隔板將油隙分割成細小油隙的方式，和用絕緣體填充油隙的方式結合起來，靠這兩種方式的最佳配合，使絕緣結構更加合理。模型試驗結果表明，若500kV傳統絕緣結構的端絕緣模型的起始局部放電電壓為100%，則復合絕緣的端絕緣模型，其起始局部放電電壓增長到150%。這種復合絕緣可承受工頻750kV，沖擊1500kV的試驗電壓，還有足夠的裕度。
根據目前我國變壓器制造業的現狀，結合對故障變壓器的解體檢查結果，認為在結構設計時應注意以下幾點：
(1)用計算機仔細分析電場，根據電場分布情況選擇合理的絕緣結構。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)改進上角環的結構，抬高上角環的位置，使角環不集聚氣泡或讓氣泡集聚在場強較弱的部位。
(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，使油中的最高場強得以降低。
(4)調整圍屏支撐墊塊的位置，使其位于低場強區域，圍屏支撐墊塊前端的兩個尖角應該倒成圓角。
3.2制造工藝
合理的結構設計是靠先進的制造工藝來保證的。實踐證明，國內外凡是發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。目前我國變壓器的制造工藝水平與國外先進水平相比，是存在一定差距的，這是我國變壓器產品質量不高的根本原因。例如蘇聯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%；日本近幾年來投運在100多個變電站的變壓器，從未出現過事故；我國變壓器的年事故率遠遠高于他們。這應該引起有關部門的認真思考和足夠重視。要想提高我國變壓器的產品質量，使其迅速達到國外同行業的先進水平，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。
根據對事故變壓器的解體檢查認為，在當前變壓器的制造過程中，應特別注意以下幾點：
(1)在線圈繞制過程中，應防止線段繞制和線圈裝配的誤差所引起的線匝凸起。應防止線餅換位處由于扭折使導線絕緣局部受損。
(2)在器身裝配過程中，一定要保證圍屏形狀的穩定性，即油隙邊界的穩定性。在器身套裝時，要嚴防由于圍屏紙板搭接處邊棱翹曲而與線圈表面相碰，甚至劃破線圈的導線絕緣。
(3)線圈的繞制和絕緣件的制造及其存放應在凈化的環境中進行。墊塊和撐條等絕緣件應無尖角、毛刺，表面要光潔。對粘合絕緣件要嚴防層間有氣泡存在。
(4)要嚴格控制變壓器油中的含水、含氣量和雜質的含量。
(5)改進真空注油工藝，提高真空度，減少器身內部的殘余氣體。
3.3絕緣材料的選用
有了合理的結構設計和先進的制造工藝，若沒有優質的原材料供應，仍然生產不出高質量的產品。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，除了采用先進的結構設計和提高工藝水平外，必須研究和發展不易產生樹枝狀放電的固體絕緣材料，而其中最關鍵的乃是絕緣紙板。因為高電壓油-隔板絕緣變壓器運行的可靠性，在很大程度上是由用作主、縱絕緣件的紙板的性能決定的。我們應當選用純度高、無鼓泡起層、不變形的優質紙板，嚴格把關，防止把有缺陷的紙板用到產品上去。
為了確保產品質量，國外對于不同種類的絕緣件，早已開始采用不同牌號的絕緣紙板了。不同牌號的紙板，具有不同的結構和性能。例如，對于制造主絕緣的紙板，特別要求提高它的沿面放電強度；而對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，首先應該設法防止局部放電的發生。防止局部放電的方法有，消除絕緣材料中產生局部放電的氣泡、裂紋、雜質等缺陷，降低絕緣材料的表面電阻，從而使電場得到飽和。為了實現上述目的，除了提高材料的加工工藝，確保材料的質量以外，還研制出了能夠降低絕緣材料表面電阻的各種添加劑。試驗表明，當絕緣材料的固有表面電阻降低到1010Ω以下時，起始局部放電電壓將升到相當高的數值。
總之，只要從結構設計、制造工藝、原材料的選用等各方面入手，防止油-隔板絕緣結構中局部高電場的形成和局部放電的產生，那么超高壓變壓器絕緣結構中的樹枝狀放電，是完全能夠避免的。
4變壓器中樹枝狀放電的監測
固體絕緣材料中的樹枝狀放電，是導致絕緣材料迅速老化的主要原因。為防止變壓器絕緣結構中的樹枝狀放電現象，除變壓器生產部門從結構設計、制造工藝、原材料的選用等各方面入手，確保產品質量以外，對運行部門來說，在運行中加強對變壓器的監測，及時診斷和發現事故隱患，采取有效措施，防患于未然，對于變壓器的安全運行，也是很重要的一個方面。
近年來，油的色譜分析作為一種早期故障的監測手段，正廣泛應用于運行狀態的變壓器監視和工廠試驗中。從我國故障實例的剖析可知，在東北電網發生的8次樹枝狀放電故障中，有6次在油的色譜分析時事先是有預兆的。因此，在運行中加強對變壓器油的色譜分析，是發現樹枝狀放電等潛伏性故障的有效手段。當油的色譜分析發現異常時，還可通過測量變壓器的局部放電來進一步發現問題。不過這時應注意，以前作為局部放電測量參數的最大電荷量，最大的和平均的電流值，已不能有效地發現樹枝狀放電，樹枝狀放電的發展過程反映著局部放電時脈沖電流與施加電壓相角關系曲線畸變的程度。隨著微機的廣泛應用，局部放電測試技術不斷完善，國外已能在高電壓和各種過電壓下，對變壓器的局部放電進行精確的測量，從而使變壓器的可靠性不斷提高。我國為了提高對局部放電的檢測手段，也大力開展了有關測試裝置的研究工作。
另外，按照大修周期的要求，有計劃地安排大修，大修時應打開圍屏進行檢查，若發現有樹枝狀放電痕跡，應認真分析原因，進行妥善處理。
總之，只要生產部門和運行部門密切配合，共同努力，樹枝狀放電對變壓器絕緣的危害，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大學電氣系從事超高壓變壓器的產品研究和高電壓試驗工作。
王秀春男，1949年生，北京科技大學熱能工程專業研究生畢業，工學碩士，1979年至1996年曾在保定天威集團長期從事變壓器的熱研究，現任河北工業大學動力系副教授，主要研究方向是變壓器及其他電機電器中的傳熱和強化傳熱。
作者單位：河北工業大學動力系300132
參考文獻
1超高壓變壓器圍屏爬電情況與分析.東北電力試驗研究院，1985.
2第23屆國際大電網會議第12組(變壓器)會議論文集，12～06，1970.