关于变压器油击穿试验的几个关注点

关于变压器油击穿电压试验的几个问题

当前国内电力行业测定绝缘油的击穿电压采用了几种不同的方法和标准，各方法之间有明显的差异，导致测定结果不同。各部门对方法和标准的认识、理解不尽统一，对结果的解释也不尽相同。本文拟就测定方法的统一以及结果的分析判断作些探讨。
1　测试方法
1．1　标准的比较
　　目前关于绝缘油击穿电压测试方法的标准比较常用的有GB／T507—1986《电气用油绝缘强度测定法》和DL／T429—1991《电力系统油质试验方法》，其中GB／T507—1986主要参照IEC156《绝缘油电气强度测定方法》制定，与IEC156差别很小。GB／T507—1986和DL／T429—1991这两种标准的测试方法（前者简称“方法一”，后者简称“方法二”）差别较大，主要差别有两点：一是电极形状不同，方法一采用球形和球盖形电极，方法二的电极为平板倒角形；二是测定油杯容量不同，方法一规定油杯容积为300～500mL，而方法二规定油杯容积不得小于200mL（DL／T429—1991的附录中另有小电极、小油杯、小间隙的试验方法）。在DL／T429—1991中有一条注释：“经过滤处理，脱气和干燥后的油及电压高于220kV以上的电力设备，应按GB507《电气用油绝缘强度测定法》，采用球盖形电极进行试验。”这两种方法的应用在相关变压器油质量测定标准中有明显的规定：GB／T2536—1990《变压器油》和SH0040—1991《超高压变压器油》中规定击穿电压的测定采用方法一；在GB／T7595—2000《运行中变压器油的质量标准》中规定击穿电压的测定采用方法一或方法二；在GB／T50150—1991《电气设备安装工程电气设备交接试验标准》中规定绝缘油的电气强度试验采用方法一，但试验电极采用平板倒角形电极。
1．2．1　现状
　　据笔者调查了解，目前国内电力行业，尤其是供电系统和安装系统，绝大多数采用方法二测试绝缘油击穿电压，即以平板倒角形电极和较小的油杯进行测试，但又忽略了DL／T429—1991中的注释，无论是什么状态的油，从什么电压等级的电气设备中采集的油样，统统都用方法二进行测试。
1．2．2　原因分析
　　在电力系统中基本上采用方法二测试绝缘油击穿电压，这种状况的形成有历史沿革的原因，也有方法一用油量大的原因。
　　多年来，各用油部门一直采用方法二进行击穿电压的测试，相应的试验设备（如电极、油杯）都为适应方法二而设计。要严格执行标准，针对不同油样，随时更换油杯、电极，必须对测试设备进行更新改造，这给试验人员增添了许多麻烦。绝大多数情况下，试验人员就用一种电极、一种油杯测试所有油样，若试验结果能满足不同等级要求的绝缘油击穿电压标准，这也是一种不错的选择，而且不会产生任何分歧，但是，如果测定值介于合格与不合格之间，麻烦就出现了。例如，需测定一台500kV运行中变压器油的击穿电压，采用平板倒角形电极和小油杯，以及相配套的升压设备等试验设备，电极之间距离2．5mm，测定的结果为46k V，这显然不满足GB／T7595—2000规定的击穿电压不小于50kV的要求。但是此时并不能判断此油样不合格，因为按照DL／T429—1991中的注释规定，电压高于220kV的电气设备的油击穿电压试验应按方法一进行。要判断此油样是否合格，就必须再取样，用球盖形电极和大油杯进行试验。这样无疑给试验工作带来更大的麻烦。有些单位则采取加深本体油处理的手段，仍用平板倒角形电极，直至测定值合格为止。这样做使绝缘油的绝缘性更可靠，但却加大了处理成本，是极不经济的。用平板倒角形电极、球形电极和球盖形电极测得的击穿电压值有显著的差异，GB／T7959—2000附录B中对采用3种电极测定的击穿电压值进行了比较：采用球形电极比采用平板倒角形电极约高6kV；采用球盖形电极比采用平板倒角形电极高3～6 k V；当油的击穿电压值在30kV以下时，球形和平板倒角形电极的测定值基本一致。但这只是一种统计规律，不能简单地把采用平板倒角形电极测得的击穿电压值都加上3～6kV，对单个油样来说差别可能很大，也可能很小。
　　方法一用油量大，需从电气设备中多次取样，对于互感器、电抗器和少油开关等少油电气设备，多次取样后，油量不足就必须补油。因此很多单位都选择方法二，以小油杯进行测试。
1．3　试验方法的改进建议
　　a）方法标准应向国际标准靠拢。目前IEC156的试验方法是得到世界上大多数国家承认的，其通用性、先进性不容置疑。在标准化工作中，优先采用先进的、国际通用的标准制订本国的标准是一条很重要的原则，GB／T507—1986基本上是参照IEC156制订的，要求基本相同。
　　b）考虑到运行中电气设备的油量稍少及测试油杯的容量稍小对测试结果影响不大的情况，可对GB／T507—1986中油杯容量的限制放宽，例如从300～500mL放宽至200～500mL。
　　c）方法一比方法二更接近于绝缘油的实际使用情况，充油电气设备中发生油隙击穿是在场强较高又相对集中的区域，与球形或球盖形电极间隙更相似，而不同于平板倒角形电极间隙。
2　影响试验结果的主要因素
　　严格地讲，不含水分、灰尘和纤维等杂质的纯净油，击穿起始于个别油分子在电场中的极化、电离，其化学组成对击穿电压影响不大，不同牌号和产地的绝缘油应该具有大致相同的击穿电压，并且同一试样平行试验结果的分散性也不大，击穿电压值能达到200kV以上（电极距离2．5mm）。但实际应用中的油和“纯净油”有极大的不同，用目前世界上*先进的净化设备多次处理后的绝缘油，其含水量也往往大于2mg／kg，每100mL油中长度大于5μm的杂质颗粒不少于数千个；另外在取样测定过程中油样也不可避免地与周围大气接触，大气中的水分、飘尘会不可避免地混入油中。这些油中的杂质和溶解于油并与油分子紧密结合的水分子，在纯净的油分子远未在电极之间极化和电离之前，就沿电场强度方向排列、聚集，进而电离形成微小通路，即所谓“小桥”，小通路连接贯穿两极，导致油迅速击穿。油中杂质越多，越易形成小桥，击穿电压越低。测定绝缘油的击穿电压，实际上是在衡量绝缘油中杂质含量的多少，即判断绝缘油被污染的程度。
　　油的击穿过程实际上是随机的，与油隙电场的瞬间状态密切相关。油中杂质分布的不均匀性和杂质颗粒的运动，导致油隙间杂质颗粒的分布随时间改变而不同，因此小桥在电场中的位置是不可预知的。尤其是对于平板倒角形电极而言，相对均匀的电场比球形和球盖形电极所形成的同等强度的电场所占的空间体积要大得多，小桥形成的位置更加不可预知，形成的概率也要大得多。这也是平板倒角形电极测定油的击穿电压值比另两种电极的测定值低的根本原因。
　　由以上击穿机理的分析，我们可以得知油隙的击穿虽然是短暂的一瞬间，其过程却是复杂的，即使是一杯试样，在多次击穿试验中的测得值也是分散性很大的，各种试验标准都规定取6次试验的平均值作为试验结果，这种规定在一般的测试中是不多见的。把一些显而易见的影响因素作人为的严格规定，使这些因素对结果的影响维持在一个恒定的水平是十分必要的。
2．1　试验仪器的影响
　　试验仪器包括升压装置（手动或自动）、油杯和电极、搅拌装置（手动或自动）、数据输出装置（模拟仪表或数显打印机）、计时装置等，每一部分的异常都会使测定结果产生误差，全自动的仪器较好，在测定过程中基本上消除了人为因素的影响。
2．1．1　升压装置
　　升压装置的输出电压波形是否近似正弦波，输出电压是否与输出显示一致，对结果的准确性有很大影响，不同的测试仪器，其升压装置的性能必须确保符合标准的规定。升压装置的此项性能应由生产厂家在仪器的设计生产中予以保证，用户可在选购仪器时向生产厂家索要升压装置输出电压频谱分析和输出电压峰值的检测报告。
2．1．2　油杯和电极
　　电极的形状不同，电极周围空间的电场也截然不同，平板倒角形电极之间的电场可以大致看成是均匀电场，而球形和球盖形电极之间的电场为不均匀电场，绝缘油在不同电场中的表现也完全不同。油杯的容量大小、电极浸入绝缘油的深浅都会给测定结果带来影响，为此相关标准中都有明确的规定。实践表明，电极的加工和装配水平、油杯的形状和材料等不同都会给测定结果带来明显的差异。
2．2　环境的影响
　　大气中的飘尘和水气不可避免地要混入待测油样中，从而使测定值偏低，因此标准中有油杯加防尘盖和尽快完成测定的提法，有条件的话，应尽可能在有空调的洁净、干燥的试验室内进行测定，尤其是在我国南方潮湿多雨的季节和北方沙尘较大的季节，防止环境条件对测定结果的影响。
3　对试验结果的分析判断
3．1　试验数据的分散性
　　一个绝缘油油样6次击穿电压试验的测定值，其分散性是较大的，根本原因在于击穿瞬间两个电极之间的电场分布状态和绝缘油中所含杂质的分布状态都是随机的。数据处理中，不论6个数据分散性有多大统统进行平均，或者按照数处理原则舍弃离散值再进行平均，都不十分合适。笔者认为，有些仪器使用说明中建议当6个数据的标准差s≥10kV（电极距离2．5mm）时重新取样测定，这一提法值得推荐。较准确地说，我们测得的击穿电压值只是说明该绝缘油在平均值附近发生电击穿的概率*大，偏离此点较多的过高值和过低值出现电击穿的概率较低，并不是说该绝缘油在此点一定被击穿。选择击穿电压值较集中的范围，取不少于6个测定值的平均值作为测定结果是较为合理的，这样更能较真实地反映绝缘油的平均被污染水平。
3．2　试验数据的准确性
　　得到准确可靠的绝缘油击穿电压值，是击穿电压试验的*终目的。若对试验结果产生怀疑，建议用下述办法处理：
　　a）检验升压装置输出电压波形和幅值。此项工作一般生产厂家都已做了，在正常使用中发生变化的可能性不大，在使用中若没有发生明显的损坏，由此引起的误差可能性很小。
　　b）在测得值介于合格与不合格之间时，采用对比试验的方法，验证油杯和电极对结果的影响，即同时在不同的试验室，用不同的电极和油杯测定同一油样，在确保两对电极间距离都是（2．5±0．1）mm的前提下，测定值较高的应更接近于真值。这是因为只有电极间距离过大才会使绝缘油的击穿电压测定值的误差为正误差，其余各种影响因素，包括电极形状、加工精度和表面状态，油杯的材料、形状等，都会使测定值出现负误差，即测得结果小于真值。
4　结束语
　　综上所述，由于影响击穿电压测定的因素较为复杂，人为作一些严格的规定，统一测定方法，继这样将可以大大提高我国绝缘油击穿电压测定的技术水平。
注：摘自：中国电力网。