油纸系统典型绝缘缺陷火花放电发展过程的多参量特征分析.pdf

油纸系统典型绝缘缺陷火花放电发展过程的多参量特征分析高久国1，王新伟2，熊军辉3，王骁1，郝治国3，李博宇3，薛众鑫3（1.国网浙江省电力有限公司安吉县供电公司，浙江 湖州313300；2.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州313000；3.西安交通大学电气工程学院，西安710049）摘要：现有的变压器保护措施受制于断路器固有动作时间，对油纸系统电弧放电导致的严重事故的保护效果欠佳。而基于电弧击穿前夕火花放电发展过程伴随的电量和非电量特征为判据的保护策略成为解决上述问题的有效方案。文中搭建了油纸绝缘典型放电类缺陷试验平台，基于脉冲电流与特高频检测分析了火花放电的谱图特性及其演变规律，研究了放电伴随的声信号时频特性及其发展规律。结果表明：随着绝缘缺陷不断劣化，放电相位左移，放电幅值与重复率增加且在过零相位区尤为显著，声信号主频不断下降；界面电荷累积效应是放电相位左移与过零相位放电重复率陡增的主要原因，声信号主频下降则与气泡动力学特性相关。文中研究成果可为新型油浸式变压器主动式保护方法的开发奠定一定基础。关键词：油纸绝缘；火花放电；多参量特征Multiparameter Characteristic Analysis of Spark Discharge Process of Typical InsulationDefects in Oilpaper SystemGAO Jiuguo1，WANG Xinwei2，XIONG Junhui3，WANG Xiao1，HAO Zhiguo3，LI Boyu3，XUE Zhongxin3（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，LTD.Anji County Power Supply Company，Zhejiang Huzhou 313300，China；2.State Grid Zhejiang Power Co.，LTD.Huzhou Power Supply Company，Zhejiang Huzhou 313000，China；3.School of Electrical Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:The protection measures of existing transformer are limited by the inherent operation time of circuit breaker and the protection effect for serious accidents due to arc discharge in the oil paper system is weak.However，theprotection strategy based on the electric and non electric characteristics of spark discharge development process prior to arc breakdown becomes an effective solution to above problems.Therefore，a typical discharge defect test platform of oil paper insulation is set up in this paper.Based on pulse current and UHF detection，the spectral characteristics and evolution of spark discharge are analyzed，and the timefrequency characteristics and development of acoustic signal accompanying discharge are studied.The results show that with the continuous deterioration of insulationdefects，the discharge phase shifts to the left，the discharge amplitude and repetition rate increase，especially in thezero crossing phase region，and the dominant frequency of acoustic signal continuously decreases.The interfacecharge accumulation effect is the main reason for the left shift of the discharge phase and the sharp increase of the discharge repetition rate of the zero crossing phase.However，the decrease of the dominant frequency of the acoustic signal is related to the bubble dynamics.The research results of this paper can lay a foundation for the development of anew type of oilimmersed transformer active protection method.Key words:oil paper insulation；spark discharge；multiparameter features第59卷第8期：005300602023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：00530060Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.006_收稿日期：20230223；修回日期：20230505基金项目：国家电网公司科技项目(5211UZ220004)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation(5211UZ220004).2023年8月第59卷第8期0引言油浸式电力变压器在电力系统中有着广泛的应用，截至2018年底，国网所属110 kV及以上电压等级变压器在运量超过4.6万台1-2。一旦油浸式变压器内部产生了电弧故障且没有被及时切除，电弧能量会快速积累并伴随大量产气，致使油箱内部压力单边骤升而面临开裂风险3，根据2013年CIGRE变压器小组工作报告显示，发生内部电弧故障后占比54%的油浸式变压器出现了油箱开裂、爆炸的情况4。减少油浸式变压器开裂爆燃事故的关键是在故障电弧能量积累到不可控程度之前及时切除故障设备，要求保护装置尽可能快速地辨识并切除内部电弧故障，以减小故障电弧持续时间。然而，油浸式变压器常配备的电流差动保护和瓦斯保护只能在电弧故障产生之后动作，其准确动作率长期低于线路保护5-7，并且受限于断路器的固有动作时间，故障切除时间缩小的余地并不大。考虑到油箱内绝大多数油纸绝缘缺陷演化为电弧故障需要有局部放电和火花放电的发展阶段，而在火花放电时期多参量信息更加明显且一般有迹可循，因此利用比工频电量、气体或是油流等更加灵敏的多参量信息对严重火花放电阶段进行判别，在电弧故障产生之前主动切除设备，是保护油浸式变压器免于爆燃事故的最佳手段。针对油纸绝缘系统中的放电故障，国内外学者开展了广泛而深入的研究。相关研究主要集中在如下几个方面：特定放电类型下的信号特征分析，包括脉冲电流、特高频、声音、气体组分8-13等；借助聚类算法进行放电缺陷类型的辨识抑或是放电阶段的划分14-15；对电弧产生过程中的压力、流速等信号的理论分析和仿真模拟16-17。少有研究着重于严重火花放电缺陷时各种表征参量的特征，也少有学者着眼于如何把在线监测常用技术手段，例如脉冲电流、特高频等信号进行综合分析从而构建新的多参量融合的变压器主动式保护。文中在实验室内搭建了典型油纸绝缘典型放电类缺陷试验平台，分析总结了典型油纸绝缘缺陷在电弧故障产生之前的严重火花放电阶段中脉冲电流信号、特高频信号和声信号特征的变化规律，讨论了部分特征变化的内在机理，为新型油浸式变压器主动式保护方法的开发奠定基础。1试验平台1.1试验回路及测量系统文中采用的试验平台见图1，其组成部分包括试验变压器、放电测试回路、试验油箱、缺陷模型以及信号测量采集系统，能够实现试验油箱内部脉冲电流信号、特高频信号和声信号的同步采集。其中，试验变压器容量为20 kVA，高压侧最高输出电压为100 kV。试验选用1 2 000的阻容式分压器测量试验变压器的输出电压，耦合电容选用电容值为10 nF的高压脉冲电容器组成放电回路为放电脉冲提供回路。试验油箱整体为方形，长宽高为(300200300)mm3，尺寸比例参照10 kV单相变压器设计，主体为亚力克玻璃材质。此外，高频电流传感器检测频带为460 kHz120 MHz，特高频传感器检测频带为300 MHz1.5 GHz，考虑到声信号在介质中传播的衰减比例与其频率的平方成正比，超声波在传播过程中衰减较大，传递至油箱壁上传感器内的声信号幅值较小18，文中声信号检测频带为4 Hz90 kHz，仅涵盖可听声和低频段超声范围。实验室内环境噪声小于5 pC，试验回路和测量回路接地信号也进行了有效隔离以保证传感器和采集箱能够正常工作。图1试验平台示意图Fig.1Schematic diagram of test platform1.2典型缺陷模型由于油浸式变压器内部可能存在的绝缘缺陷种类颇多且位置不一，采用不同的等效模型进行放电类缺陷模拟，以研究不同类型的放电类缺陷的普适性规律。文中选择的典型油纸绝缘缺陷模型为针板油隙放电模型和柱板沿面放电模型，其中针板油隙放电模型用来模拟油纸系统中因极不均匀电场引发的绝缘缺陷放电，可由金属悬浮物、绕组变形产生的尖端、焊点打磨不平整等因素导致；柱板沿面放电模型模拟的是在有强垂直分量的电场作用下的沿面放电，多发于长垫块或是围屏处。根据国标绝缘材料电气强度试验方法19推荐，电极尺寸见图2，试验用绝缘纸板大小为5.5 cm5.5 cm，厚度为2 mm，纸板在试验之前均已在105、50 Pa的条件下烘干24 h，然后在80、50 Pa的条件下浸油24 h。所用25号克拉玛依变压器油经处理，气体体积分数小于2%，微水量小于10 L/L，标准油杯击穿电压大54于70 kV，符合IEC 60296：202020；干燥的绝缘纸含水量小于1%，电气强度(空气中)大于15 kV/mm，符合IEC 6064131：200821。图2电极模型示意图Fig.2Schematic diagram of electrode model1.3试验过程在针板油隙放电与柱板沿面放电试验中，均采用恒压法加压，以模拟变压器正常运行过程中外加电压工况。外加电压的幅值由预实验确定，在预实验中采用阶梯升压法，每5 min抬升工频电压峰值2 kV，直至缺陷模型高压电极附近出现肉眼可见的火花为止，最终确定针板油隙放电与柱板沿面放电试验中外加工频电压的幅值为36 kV，试验过程中保持电压恒定，直至发生电弧击穿。2针板油隙放电试验2.1脉冲电流信号和特高频信号高速相机拍摄的针板油隙试验画面见图3，依据电火花的明亮程度和产气量的大小，可以认为图 3(a)对应的试验初期阶段是轻微火花放电阶段，图3(b)为电弧击穿前夕的试验图像，对应为严重火花放电阶段针板油隙放电试验不同阶段单次采样的100个周波的脉电流信号幅值相位图见图4。图3针板油隙放电试验图像特征Fig.3Image characteristics of needle plate oil gapdischarge test可以看到相较于轻微火花放电阶段，脉冲电流信号在电弧击穿前夕表现为以下3个典型特征：首先是脉冲电流信号放电幅值和放电频次的大幅增加；其次是放电脉冲存在明显的相位左移“过零”和相位分布范围快速扩展，由30120、210300扩展至0120、180300和330360相位区间内；最后是脉冲电流信号正负半波对称性显著增强。这主要是由于放电初期金属导体在负极性下更易发射电子，并在与正离子的碰撞过程中发生二次电子发射，脉冲电流信号在负半波更为集中。当发展至放电末期时，正半波放电幅值、频次快速增长，正负半波对称性显著增强。针板油隙放电试验不同阶段特高频信号的幅值相位见图5。通常认为特高频信号由小范围内绝缘介质快速击穿引起的陡电流脉冲激发而来，由此，脉冲电流信号和特高频信号的放电重复率和相位关联十分密切。对比图4和图5发现，对应时间点下特高频信号和脉冲电流信号分布的相位区间总体保持一致。区别在于特高频信号响应较脉冲电流信号响应更为灵敏。两个信号对应的放电次数随时间的变化趋势图见图6，此外，文中定义150，180和330，360为2个过零相位区间，统计分析2个过零相位区间内脉冲电流信号(HFCT)和特高频信号(UHF)分布特征见图7。从图6和图7的对比可以发现，随着火花放电的不断发展，全相位的放电次数在随时间不断增加，但是过零相位区间内的放电次数变化率在电弧击穿前夕更加显著。结合试验过程中放电图像图4脉冲电流信号幅值相位图Fig.4Pulse current signal amplitude phase diagram变压器技术高久国，王新伟，熊军辉，等.油纸系统典型绝缘缺陷火花放电发展过程的多参量特征分析552023年8月第59卷第8期特征判定放电阶段，发现两类信号在过零相位区间内均表现为：轻微火花放电阶段几乎没有放电脉冲，而临近电弧击穿时出现放电脉冲频次的大幅急剧攀升。对于脉冲电流与特高频信号均出现随放电发展相位左移“过零”的特征，可结合图8所示放电类缺陷模型在不同阶段下电场和电荷分布图22对这一现象的形成机理进行分析：初次放电发生后，针板电极油隙中会产生正负电荷，其中与针电极极性相同的电荷由于斥力会吸附于绝缘纸板面上形成表面电荷，图8中针电极上正负号表示外施电压极性，纸板面处正负号表示表面电荷极性。Et为外施电场切向分量，En为外施电场法向分量，Ep为纸板表面电荷产生的场强。由于En和Ep始终反向，油隙内部的合成场强Ei=|En-Ep|。图8针板电极不同阶段电场和电荷分布Fig.8Distribution of electric field and charge at differentstages of needle plate electrode一般情况下，正负半波电压下降阶段，由于En不断减小，Ei偏小不足以导致放电发生，因此电压下降阶段放电频次较低。但放电发展末期由于放电幅值和频次增加，电荷积聚速度加快，且累积电荷量较大，此时Ep大幅增强。且由于En随外施电压下降不断减小，会出现Ei反向且大于临界放电场强的情况，导致临近电压过零点时出现与电压极性相反的放电脉冲，在脉冲电流与特高频信号幅值相位图上则表现为相位“过零”的特征。2.2声信号放电发展不同阶段下声信号时频域波形见图9。不同于正常运行变压器发出的平稳声信号，放电声信号的时域波形存在明显的波峰且表现为衰减振荡趋势。此外，由于单次放电持续时间短，声波持续时间短且存在间断性。图7过零相位区间分布特征Fig.7Distribution characteristics of zero crossingphase interval图5特高频信号幅值相位图Fig.5UHF signal amplitude phase diagram图6放电次数变化趋势图Fig.6Trend chart of discharge times56图9声信号时频分析Fig.9Time frequency analysis of acoustic signal分析对比图9(a)和图9(b)可知，放电发展不同阶段下声信号表现为3个典型特征：首先，随着油间隙放电量的不断增加，声信号的主频率不断下滑，临近电弧击穿时可下滑至 4 kHz，这与文23中根据一种电力声类比方法得出的放电声信号频率与放电量大小成负相关关系的结论相吻合；其次，不同时间点下的声信号主频分量幅值在逐渐增大，由初期的1.3510-3增长至末期的0.012；最后，声信号幅值有一定程度的增加，声信号波峰更加密集，且波峰所处的相位有所前移，与脉冲电流信号、特高频信号相位左移趋势保持一致。3柱板沿面放电试验柱板沿面放电是一种同时沿横向和纵向双向发展的复合放电形式，既存在纸板面上的沿面流注放电，又存在柱电极圆角与纸板间的楔形油隙流注放电。在强垂直分量的作用下，纸板存在沿横向和纵向的同时劣化，表现为纸板上同时存在碳环和爬电痕迹，试验中的火花更多见于柱电极圆角与纸板间的楔形油隙处。柱板沿面火花放电发展一定时间后易形成沿面闪络，试验发现沿面放电发展过程中，伴随有间歇性的沿面闪络见图10(a)，此时形成的放电通道难以维持，退压后发现纸板碳化痕迹不够显著，纸板绝缘强度仍处在较高水平，文中将其定义为间歇性闪络阶段。当纸板严重劣化致使发生的闪络足以形成强烈续流时，此时形成的电弧不易熄灭见图10(b)，文中将其定义为持续性闪络阶段。图10闪络图像特征Fig.10Flashover image features3.1脉冲电流信号和特高频信号柱板沿面放电试验不同阶段脉冲电流信号和特高频信号幅值相位图见图11、12。从图11、12可以看到对应于闪络前夕，无论是间歇性闪络还是持续性闪络，两类信号都存在与针板油隙放电试验电弧击穿前类似的结论，即放电脉冲左移“过零”和相位分布范围快速扩展。图11脉冲电流信号幅值相位图Fig.11Pulse current signal amplitude phase diagram区别在于持续性闪络前夕，两类信号响应更为剧烈，“过零”更为严重即在两个电压过零点附近脉冲更为密集，且具有更大的放电幅值和频次。特别地，柱板沿面放电过程中，特高频信号较脉冲电流变压器技术高久国，王新伟，熊军辉，等.油纸系统典型绝缘缺陷火花放电发展过程的多参量特征分析572023年8月第59卷第8期信号具有更大的放电频次，特高频检测灵敏度明显高于脉冲电流检测。柱板沿面火花放电过程中脉冲电流信号(HFCT)和特高频信号(UHF)放电次数随时间的变化趋势图见图13，图13中可见放电次数随时间的波动性较强，相较于图13的全相位放电次数变化，图14所示的两信号过零相位区间放电脉冲的变化更加集中于持续性闪络前夕，对应t=45 min间歇性闪络和t=55 min持续性闪络2个时间节点，过零相位区间内存在明显的大幅波动，其余时间点过零相位区间内放电脉冲均较为稀疏，特征并不显著。此外，脉冲电流信号和特高频信号过零相位区间分布曲线同样具有较强的相似性，侧面印证了两类信号之间的强相关性。对于柱板沿面放电试验中脉冲电流与特高频信号出现的随放电发展相位左移“过零”的特征，同样可结合图15所示不同阶段下电场和电荷分布图22进行分析，分析过程与针板油隙放电类似，此处不再赘述。3.2声信号沿面放电发展过程中，声信号频率分量同样表现为与放电量大小密切相关的特征。持续性闪络前夕单个周期放电声信号时域和频域波形见图16。与前述针板油隙放电结论类似，持续性闪络前夕放电量快速增加，声信号主频率分量快速下滑至2 kHz左右。特别地，相较于针板电弧击穿，持续性闪络前夕声信号波峰间断时间更短，试验过程中，人耳能听见“嗡嗡嗡”声响，预警了持续性闪络的发生。总体来看，可听声及低频段超声信号频率分量对于放电量大小的变化响应是较为灵敏的。图12特高频信号幅值相位图Fig.12 UHF signal amplitude phase diagram图13放电次数变化趋势图Fig.13Trend chart of discharge times图14过零相位区间分布特征Fig.14Distribution characteristics of zero crossingphase interval图15柱板电极不同阶段电场和电荷分布Fig.15Distribution of electric field and charge at differentstages of column plate electrode584结论文中通过在实验室中搭建典型放电类缺陷模型试验平台研究了典型油纸绝缘缺陷发展演化过程中的多参量特征，所得结论如下：1)在轻微缺陷发展演化为电弧故障的过程中脉冲电流和特高频信号均具有放电幅值和次数增加、放电相位左移、过零相位区间内脉冲剧烈波动等显著特征，且脉冲电流信号和特高频信号关联极为紧密；2)声信号主频率分量大小与视在放电量大小成负相关关系，故在放电发展过程中，声信号呈现主频率下滑的特征，临近电弧击穿时声信号主频率甚至可下滑至24 kHz的可听声范围；3)在电弧击穿之前存在较长时间的火花放电/间歇性闪络阶段，此阶段纸板绝缘性能尚佳，且信号特征变化较为显著，当出现脉冲电流信号和特高频信号脉冲幅值增加、过零相位区间放电次数陡增和声信号主频明显下降的现象时，可认为此时绝缘结构已有较明显破坏，处于电弧击穿前夕。以上信号特征可以为油浸式变压器主动保护故障切除时间节点的确定奠定基础，同时对以上特征进行量化，形成切实可行的保护判据将是下一步研究的方向。参考文献：1 中国电力年鉴 编辑委员会.2018中国电力年鉴M.北京：中国电力出版社，2018.Editorial Committee of China Electric Power Yearbook.2018 China electric power year bookM.Beijing：China Electric Power Press，2018.2 中国电力年鉴 编辑委员会.2019中国电力年鉴M.北京：中国电力出版社，2019.Editorial Committee of China Electric Power Yearbook.2019 China electric power year bookM.Beijing：China Electric Power Press，2019.3HAMEL A，DASTOUS J B，FOATA M.Estimating overpressures in poletype distribution transformers，part I：Tankwithstand evaluationJ.IEEE Transactions on Power 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