变压器油纸绝缘结构的击穿电压与频率和时间的关系

40
第 ４６ 卷
时间的电压作用下 ，V－t 特性曲线逐渐趋于平缓 ， 也
高压铜导体 应力锥 低压电极
就是说 ， 在长期的电压作用下 ， 击穿电压的下降越来 越不明显 。 另外 ， 油纸绝缘的击穿概率与威布尔分布更加 符合 ， 在一定电压下的击穿概率可用式 （1） 表示 ：
[4]
1cm 1cm
R＝0．44 5 层绝缘纸
V＝1．41t
－ 1 12．8
170 160 150 140 105 130 120 110 100 90 80
7．5
3 所示 。
实验施加的电压波形为矩形脉冲 ， 当在一定电
15
压等级下无击穿发生时 ， 电压降为 0 ， 并保持 2min 。 加压时间从 10s 一直延长到 10h 。
5 101 20 50 102
5．3cm ／ s ） 的击穿概率分布有所不同 ， 固 定 交 流 电 压
下的击穿概率与时间的关系如图 4 所示 。 静态油隙的时间形状参数 a＝0．76 ， 动态油隙的 时间形状参数 a＝0．98 ， 所以可以得到动态油隙的击 穿基本服从偶发故障模型 ， 该研究进一步证明了杂 质在初期故障模型里的重要作用 ， 在电场作用下 ， 油
１ 引言
我国 750kV 变压器已经投入运行 ，2006 年百万 伏变压器通过试验 ， 目前正在制造特高压示范工程 用百万伏变压器 ， 这种变压器将在特高压电网运行 中发挥重要作用 ， 其绝缘技术在很大程度上决定了 变压器运行可靠性和技术经济指标 。 特高压电力变压器主绝缘采用传统的油纸绝缘 结构型式 。 油纸绝缘结构的基础绝缘特性主要包括 ： 体积效应 ， 即随着油体积的增加 ， 击穿电场下降 ； 油 隙长度特性 ， 即随着电极间油隙长度的增加 ， 击穿电 场下降 ；V－t 特性 ， 即随着施加电压时间的增加 ， 击 穿电压下降 。 近年来 ， 国内工作者对于特高压变压器 油纸绝缘结构中的受潮 、 吸收现象均做了定量的研 究和讨论 ， 并总结了这些因素对绝缘结构击穿电压 的影响 ， 但是对于长期耐受电压与频率和加压时间 之间的关系 ， 国内所做的工作寥寥无几 。 笔者概括了 近年来国外在此方面的研究成果 ， 以期对我国特高 压变压器绝缘结构的设计 、 研究和检验能起到参考 和借鉴的作用 。
a＝0．98
0．1 0．2 0．3 0．5 0．7 1
2 3
5 7 10 20 30
曲线斜率随时间的变化关系 ， 如图 6 所示 。
时间 ／ min
图4
击穿概率与时间的关系
斜率 n
40 37 30
Fig．4
Curves of breakdown probability and time
隙里的杂质在电场高的区域凝聚 ， 并逐渐 “ 桥接 ”， 最 终导致击穿 。 根据计算 ， 这个过程最多只需要几十分 钟 ， 随着时间延长 ， 凝聚几乎不再出现 ， 所以在短时 间区域 ， 静态油隙很容易发生击穿 ， 然而在长时间区 域 ， 击穿将越来越困难 。 对于动态油隙来说 ， 情况就 不一样了 ， 流动的绝缘油不断为油隙带来新的杂质 ， 而杂质的凝聚在任何时间都有可能造成击穿 ， 所以 此时击穿概率服从偶发故障模型 [6]。 对于油纸复合绝缘结构也得到了相似的结果 ，
30cm
（a ） 油纸绝缘结构
式中
20
击穿电压 ／ kV
P＝1－exp[－( V )m] V0 —— 施加电压 V—
—— 尺度参数 V0— —— 形状参数 ， 表示分布的标准离差 m—
（1 ）
A油 B油
19 18 17
在一定击穿概率下 ， 施加电压与时间的关系可 由式 （2） 表示 ： · V ＝k t
基金项目 ： 国家杰出青年科学基金 （50625721 ）
２ 加压时间对油纸绝缘击穿电压的影响
2．1 线性 V－t 特性
早期的研究认为 ， 油纸绝缘的击穿电压随时间 的增加迅速下降 ，V－t 特性是斜率不变的线性关系 。 模拟的油纸绝缘结构如图 1 所示 [1]。 采用 5 层绝缘 纸作为实验试样 ， 每层厚 76μm ， 中间包裹长方形高 压铜电极 ， 在外层绝缘壁上选用长 18cm 的锡纸条 作为接地电极 ， 接地应力锥固定在两端构成三电极 系统 。 选择两种绝缘油 ， 工业用变压器油 B 和催化脱 蜡实验用油 A 。 整个模型先经过真空干燥和浸油处 理 ， 实验在干燥的氮气环境中进行 ， 施加电压为交流 工频电压 ， 温度保持在 105℃ ， 击穿电压与时间的关 系如图 2 所示 。 从图 2 中可以看出 ， 击穿电压随加压 时间的增加线性下降 ， 其中 A 油的 变 化 很 大 ， 击 穿 电压从 20kV 降至 15．5kV ， 而 B 油明显要稳定得多 ， 受施压时间影响较小 。 还有研究人员采用高精度精炼的环烷基矿物油 （Marco170 ）作试样 ， 施加电压为 100μs 矩形脉冲 ， 发
12．8
次方下降 。
2．3
非线性的双对数 V－t 特性 近年来 ， 随着研究的进一步深入和细致 ， 发现了
与上述研究均不同的规律 ， 大量的成果显示在更长
第４期
李盛涛、 张
10 30 40
拓、 黄奇峰： 变压器油纸绝缘结构的击穿电压与频率和时间的关系
41
三种复合结构如图 5 所示 [7]， 施加工频交流电压 。 实 验结果显示 ，V －t 特 性 曲 线 在 10min 后 不 断 趋 于 平 缓 。 对不同频率下交流击穿电压与时间 V－t 特性的 研究得到了相同的结果 [8]。
HV 2．4 130 170 R0．8 300 394 46．8 ＋
（a ） 匝间模型
4．7
（a ） 油隙结构
160 140 120
击穿电压 ／ kV
300 394 P 50％ 20％ 10％ 5％ 2％
46．8 ＋
（b ） 饼间模型
100 90 80 70 60 (sec) 100 101 102 40 －2 10 10－1 100 50
20 10－1 100 101 102 103 104
时间 ／ min
图6
时间与斜率的关系
Fig．6 Curves of time and slope
选择 n ＝37(1h～10h) ， 因为此时 V －t 曲线已足够 平缓 ， 以斜率 37 画出模拟的 V－t 曲线 ， 如图 7 所示 。 预计长期耐受电压为 E， 从图 7 中可以看出 ， 加压
第 ４６ 卷 第 ４ 期 ２００９ 年 ４ 月
TRANSFORMER
Vol．46 April
No．4 2009
变压器油纸绝缘结构的击穿电压 与频率和时间的关系
李盛涛，张 拓，黄奇峰
（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049 ） 摘要 ： 总结了电压频率对于油纸绝缘击穿电压的影响 ， 给出了击穿时间的计算方法 。 关键词 ： 变压器 ； 油纸绝缘 ； 击穿电压 中图分类号 ：TM401＋．1 文献标识码 ：B 文章编号 ：1001－8425（2009）04－0039－05
[3]
图2
均匀分布油隙 V－t 特性
Fig．2
V－t curves of uniform oil gap
现在极短的时间范围内 （μs 级 ） 击穿电压随加压时 间的增加也下降得非常迅速 。
[2]
2．2
双对数线性 V－t 特性 另外有一些实验室选择了电场均匀分布的油
隙 ，其 他 实 验 条 件 相 同 ，测 得 的 结 果 如 图 2 所 示 。 从图 2 中可以看出 ，V －t 特性基本符合双对 数 线 性 关系 ， 击穿电压按加压时间的 － 1
353
(hour) 100 101 102 101 102 103 104 时间 ／ min
（b ）V－t 特性
4．0
110
图3
油隙结构及 V－t 特性
Fig．3
80 60 40
击穿概率 ／ ％
wenku.baidu.com
Oil gap structure and V－t curves
（c ） 围屏间油道模型 静止的油
93
3
Relation among Breakdown Voltage, Frequency and Time in Oil－Paper Insulation of Transformer
LI Sheng蛳tao, ZHANG Tuo, HUANG Qi蛳feng
（Xi＇an Jiaotong University, Xi＇an 710049, China ）
纸板
180
图5
三种绝缘结构
Fig．5
a＝0．76
流动的油
Three insulation structures
20 10 5 3 2 1
由于油中颗粒杂质的存在 ， 导致击穿电压在短 时间区间随时间变化下降很快 ， 所以不能从短时间 区间内的 V－t 特性得出变压器长期耐受电压 。 为了 从 V－t 曲线推出变压器长期耐受电压测试标准 ， 必 须考虑到趋于平缓后的 V－t 曲线 ， 画出双对数 V－t
9．5 11．8
42
1．6 1．5 1．4 1．3 1．2 1．1 1．033 1．0 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1 0．0 10－1 100
第 ４６ 卷
穿电压随频率上升不断下降 ， 而变压器油击穿电压
n＝37
与频率之间则无明显关系 ， 并且在工频区 ， 复合油纸 绝缘的击穿电压高于油绝缘 ， 但是随着频率升高 ， 前 者的击穿电压不断下降 ， 在高频区已低于油绝缘 。 在复合油纸绝缘中 ， 绝缘纸一方面可以看作是 一个 “ 壁垒 ”， 提高了击穿电压 ， 但是另一方面 ， 绝缘 纸表面会沉积大量电荷 。 在低频区 ， 一个周期内正负 电压可以消除大量的异性沉积电荷 ， 但是在高频区 ， 沉积电荷在一个周期内不能被完全中和 ， 这样在下 一个周期时 ， 残留电荷起到了加强电场的作用 ， 所以 击穿电压会随频率的上升不断下降 ， 最后低于变压 器油的击穿电压 。 还有研究人员选用了相同的油纸绝缘结构 ， 在 不同频率下进行了长期耐受电压试验， 频率从
图1
油纸绝缘结构与相应 V－t 特性
式中
Fig．1
Oil－paper insulation and its V－t curves
A 实验 B 实验 C 实验 D 实验 E 实验 F 实验 G 实验
200 190 180
击穿电压 ／ kV
—— 时间的形状参数 ，a＝m ／ n 。 当 a＞1 时 ， 疲 a— 劳故障型 ； 当 a＝1 时 ， 偶发故障型 ； 当 a＜1 时 ，初期故障型 极少数研究者认为击穿服从偶发故障模型 ， 如 果这种假设成立 ，V－t 曲线的斜率与形状参数相等 ， 击穿电压将随时间变化无限制地减小 [5]。 但是大多 数人倾向于击穿服从初期故障模型 ， 一种电场均匀 分布的油隙以及实验测得的击穿概率 V－t 特性如图
－a m －1 n
· ＝k t
（2 ）
16 15 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000
时间 ／ h （b ）V－t 特性
而包含时间和电压的扩张威布尔分布函数可用式 （3 ） 表示 ： · P＝1－exp[－( V )m ( t )a] V0 t0 —— 时间的尺度参数 t0— （3 ）
0．2 0．5 2 0．02 0．05 10－2 100 10－1 时间 ／ min
从图 3 中可以看出 ， 只有在 10min 以内 ， 击穿电 压随着时间的增加迅速下降 ，10min 后 ， 电压下降趋 势逐渐减慢 ， 当加压时间延长至 10h 时 ， 击穿电压几 乎不随时间变化 。 实验结果显示击穿应该服从初期 故障模型 。 在短时间 （ 几十分钟 ） 内 ， 主要是油隙中的 杂质导致了最终的击穿 ， 但是随着时间增长 ， 杂质逐 渐消失 ， 所以双对数 V－t 曲线不断趋于平缓 。 另外 ， 进一步的研究工作表明 ， 在其他实验条件 相同的情况下 ， 静态油隙与动态油隙 （ 油流速度 v ＝
Abstract ：The influence of voltage frequency to breakdown voltage of oil－paper insulation is summarized． The method to calculate breakdown time is presented． Key words：Transformer ； Oil－paper insulation ； Breakdown voltage