變壓器油耐壓試驗(yàn)的方法與分析
無論是在日常的維護(hù)或是設(shè)備新裝過程中，變壓器油的耐壓試驗(yàn)都是一項(xiàng)重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，直接關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行。所以，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性就尤為重要。而不同的方法和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果不同。本文就試驗(yàn)方法及結(jié)果的分析判斷進(jìn)行一些討論。
1.試驗(yàn)方法
1.1.試驗(yàn)方法的分類
現(xiàn)階段我國(guó)關(guān)于絕緣油擊穿電壓測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)比較常用的有GB／T507—1986《電氣用油絕緣強(qiáng)度測(cè)定法》和DL／T429—1991《電力系統(tǒng)油質(zhì)試驗(yàn)方法》，其中GB／T507—1986主要參照IEC156《絕緣油電氣強(qiáng)度測(cè)定方法》
制定，GB／T507—1986和DL／T429—1991這兩種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法差別較大。
GB／T507—1986 DL／T429—1991
電極形狀 采用球形和球蓋形電極 采用平板倒角形電極
油杯容積 300～500mL， 不得小于200mL
適用范圍 GB／T2536—1990《變壓器油》和SH0040—1991《超高壓變壓器油》中規(guī)定擊穿電壓的測(cè)定采用GB／T507—1986；在GB／T7595—2000《運(yùn)行中變壓器油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定擊穿電壓的測(cè)定采用GB／T507—1986或DL／T429—1991；在GB／T50150—1991《電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定絕緣油的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)采用GB／T507—1986，但試驗(yàn)電極采用平板倒角形電極。來源:
圖1試驗(yàn)方法的主要區(qū)別
1.2不同分類對(duì)擊穿電壓測(cè)定值的影響
選擇1號(hào)樣品油代表50~60KV的變壓器油
2號(hào)樣品油代表40~50KV的變壓器油
3號(hào)樣品油代表30~40KV的變壓器油
4號(hào)樣品油代表20~30KV的變壓器油
油樣編號(hào) 電極
形狀 按升壓速度統(tǒng)計(jì)平均 按間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)平均
3KV/s 2KV/s 5min 3min
擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV
1號(hào) 平板 54.8 3.2 50.9 3.5 52.2 3.7 53.5 3.0
球形 59.7 1.1 58.7 3.2 58.9 2.3 59.5 1.9
球蓋形 56.4 4.2 55.5 5.8 55.4 5.1 56.5 5.0
平均值 57.0 2.8 55.5 4.2 55.5 3.7 56.5 3.3
2號(hào) 平板 46.8 6.5 43.5 4.7 44.6 5.2 45.7 5.9
球形 52.4 4.9 50.8 6.5 51.9 5.0 51.3 6.4
球蓋形 46.7 7.9 44.4 10.1 44.1 10.9 47.0 7.0
平均值 48.6 6.4 46.2 7.1 46.9 7.0 48.0 6.4
3號(hào) 平板 31.6 4.5 35.4 4.5 33.8 4.4 33.2 4.7
球形 38.2 5.4 40.4 6.5 37.8 5.9 40.8 5.4
球蓋形 36.7 7.6 37.9 7.1 36.1 7.2 38.6 7.5
平均值 35.5 5.8 37.9 6.0 35.9 5.8 37.5 6.0
4號(hào) 平板 28.1 3.6 31.7 3.8 29.3 3.9 30.5 3.4
球形 29.8 2.4 34.7 6.0 31.5 3.6 33.0 4.8
球蓋形 27.8 1.8 27.7 2.6 27.0 2.2 28.5 2.2
平均值 28.6 2.6 31.4 4.1 29.3 3.2 30.7 3.6
圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：使用三種不同結(jié)構(gòu)形狀電極測(cè)得擊穿電壓不論對(duì)那種油樣，都以球形電極的擊穿電壓值為最高，球蓋形次之，平板形相對(duì)較低。不同升壓速度和不同間隔時(shí)間對(duì)擊穿電壓影響不大。
1.3現(xiàn)狀調(diào)查
我局在2008年以前，設(shè)備都是在220KV及以下的電壓等級(jí)。所以我們?cè)谧儔浩饔湍蛪涸囼?yàn)的方法上一直采用的是DL／T429—1991《電力系統(tǒng)油質(zhì)試驗(yàn)方法》。而從500KV香山變電站的投運(yùn)以及即將開工的平頂山南500KV變電站開始，我局設(shè)備電壓等級(jí)又上了一個(gè)新的臺(tái)階。從而對(duì)我們?cè)诂F(xiàn)有設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件下電氣用油絕緣強(qiáng)度的測(cè)定提出了新的要求。
2影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素
嚴(yán)格地講，不含水分、灰塵和纖維等雜質(zhì)的純凈油，擊穿起始于個(gè)別油分子在電場(chǎng)中的極化、電離，其化學(xué)組成對(duì)擊穿電壓影響不大，不同牌號(hào)和產(chǎn)地的絕緣油應(yīng)該具有大致相同的擊穿電壓，并且同一試樣平行試驗(yàn)結(jié)果的分散性也不大，擊穿電壓值能達(dá)到200kV以上（電極距離2．5mm）。但實(shí)際應(yīng)用中的油和“純凈油”有極大的不同，用目前世界上最先進(jìn)的凈化設(shè)備多次處理后的絕緣油，其含水量也往往大于2mg／kg，每100mL油中長(zhǎng)度大于5μm的雜質(zhì)顆粒不少于數(shù)千個(gè)；另外在取樣測(cè)定過程中油樣也不可避免地與周圍大氣接觸，大氣中的水分、飄塵會(huì)不可避免地混入油中。這些油中的雜質(zhì)和溶解于油并與油分子緊密結(jié)合的水分子，在純凈的油分子遠(yuǎn)未在電極之間極化和電離之前，就沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向排列、聚集，進(jìn)而電離形成微小通路，即所謂“小橋”，小通路連接貫穿兩極，導(dǎo)致油迅速擊穿。油中雜質(zhì)越多，越易形成小橋，擊穿電壓越低。測(cè)定絕緣油的擊穿電壓，實(shí)際上是在衡量絕緣油中雜質(zhì)含量的多少，即判斷絕緣油被污染的程度。
油的擊穿過程實(shí)際上是隨機(jī)的，與油隙電場(chǎng)的瞬間狀態(tài)密切相關(guān)。油中雜質(zhì)分布的不均勻性和雜質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致油隙間雜質(zhì)顆粒的分布隨時(shí)間改變而不同，因此小橋在電場(chǎng)中的位置是不可預(yù)知的。尤其是對(duì)于平板倒角形電極而言，相對(duì)均勻的電場(chǎng)比球形和球蓋形電極所形成的同等強(qiáng)度的電場(chǎng)所占的空間體積要大得多，小橋形成的位置更加不可預(yù)知，形成的概率也要大得多。這也是平板倒角形電極測(cè)定油的擊穿電壓值比另兩種電極的測(cè)定值低的根本原因。
由以上擊穿機(jī)理的分析，我們可以得知油隙的擊穿雖然是短暫的一瞬間，其過程卻是復(fù)雜的，即使是一杯試樣，在多次擊穿試驗(yàn)中的測(cè)得值也是分散性很大的，各種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定取6次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，這種規(guī)定在一般的測(cè)試中是不多見的。把一些顯而易見的影響因素作人為的嚴(yán)格規(guī)定，使這些因素對(duì)結(jié)果的影響維持在一個(gè)恒定的水平是十分必要的。
2．1試驗(yàn)儀器的影響
驗(yàn)儀器包括升壓裝置（手動(dòng)或自動(dòng)）、油杯和電極、攪拌裝置（手動(dòng)或自動(dòng)）、數(shù)據(jù)輸出裝置（模擬儀表或數(shù)顯打印機(jī)）、計(jì)時(shí)裝置等，每一部分的異常都會(huì)使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生誤差，全自動(dòng)的儀器較好，在測(cè)定過程中基本上消除了人為因素的影響。
2．1．1升壓裝置
升壓裝置的輸出電壓波形是否近似正弦波，輸出電壓是否與輸出顯示一致，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，不同的測(cè)試儀器，其升壓裝置的性能必須確保符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。升壓裝置的此項(xiàng)性能應(yīng)由生產(chǎn)廠家在儀器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中予以保證，用戶可在選購(gòu)儀器時(shí)向生產(chǎn)廠家索要升壓裝置輸出電壓頻譜分析和輸出電壓峰值的檢測(cè)報(bào)告。
2．1．2油杯和電極
電極的形狀不同，電極周圍空間的電場(chǎng)也截然不同，平板倒角形電極之間的電場(chǎng)可以大致看成是均勻電場(chǎng)，而球形和球蓋形電極之間的電場(chǎng)為不均勻電場(chǎng)，絕緣油在不同電場(chǎng)中的表現(xiàn)也完全不同。油杯的容量大孝電極浸入絕緣油的深淺都會(huì)給測(cè)定結(jié)果帶來影響，為此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定。實(shí)踐表明，電極的加工和裝配水平、油杯的形狀和材料等不同都會(huì)給測(cè)定結(jié)果帶來明顯的差異。
2．2環(huán)境的影響
大氣中的飄塵和水氣不可避免地要混入待測(cè)油樣中，從而使測(cè)定值偏低，因此標(biāo)準(zhǔn)中有油杯加防塵蓋和盡快完成測(cè)定的提法，有條件的話，應(yīng)盡可能在有空調(diào)的潔凈、干燥的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，尤其是在我國(guó)南方潮濕多雨的季節(jié)和北方沙塵較大的季節(jié)，防止環(huán)境條件對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析判斷
一個(gè)絕緣油油樣6次擊穿電壓試驗(yàn)的測(cè)定值，其分散性是較大的，根本原因在于擊穿瞬間兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)分布狀態(tài)和絕緣油中所含雜質(zhì)的分布狀態(tài)都是隨機(jī)的。數(shù)據(jù)處理中，不論6個(gè)數(shù)據(jù)分散性有多大統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行平均，或者按照數(shù)處理原則舍棄離散值再進(jìn)行平均，都不十分合適。筆者認(rèn)為，有些儀器使用說明中建議當(dāng)6個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差s≥10kV（電極距離2．5mm）時(shí)重新取樣測(cè)定，這一提法值得推薦。較準(zhǔn)確地說，我們測(cè)得的擊穿電壓值只是說明該絕緣油在平均值附近發(fā)生電擊穿的概率最大，偏離此點(diǎn)較多的過高值和過低值出現(xiàn)電擊穿的概率較低，并不是說該絕緣油在此點(diǎn)一定被擊穿。選擇擊穿電壓值較集中的范圍，取不少于6個(gè)測(cè)定值的平均值作為測(cè)定結(jié)果是較為合理的，這樣更能較真實(shí)地反映絕緣油的平均被污染水平。
3．2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性
得到準(zhǔn)確可靠的絕緣油擊穿電壓值，是擊穿電壓試驗(yàn)的最終目的。若對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生懷疑，建議用下述辦法處理：
a）檢驗(yàn)升壓裝置輸出電壓波形和幅值。此項(xiàng)工作一般生產(chǎn)廠家都已做了，在正常使用中發(fā)生變化的可能性不大，在使用中若沒有發(fā)生明顯的損壞，由此引起的誤差可能性很校
b）在測(cè)得值介于合格與不合格之間時(shí)，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證油杯和電極對(duì)結(jié)果的影響，即同時(shí)在不同的試驗(yàn)室，用不同的電極和油杯測(cè)定同一油樣，在確保兩對(duì)電極間距離都是（2．5±0．1）mm的前提下，測(cè)定值較高的應(yīng)更接近于真值。這是因?yàn)橹挥须姌O間距離過大才會(huì)使絕緣油的擊穿電壓測(cè)定值的誤差為正誤差，其余各種影響因素，包括電極形狀、加工精度和表面狀態(tài)，油杯的材料、形狀等，都會(huì)使測(cè)定值出現(xiàn)負(fù)誤差，即測(cè)得結(jié)果小于真值。
通過調(diào)查分析我們認(rèn)為，按照DL／T429—1991規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和操作方法可以保證500KV及以下變壓器油實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。即使是測(cè)得值介于合格與不合格之間，我們也可以采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證油杯和電極對(duì)結(jié)果的影響。進(jìn)而保證變壓器油實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
