高压发生器中变压器油对绝缘性能的影响分析

高压发生器中变压器油对绝缘性能的影响分析

发表时间：2018-09-18T15:06:45.580Z 来源：《电力设备》2018年第14期作者：宋申工[导读]

（上海超群无损检测设备有限责任公司上海 200000）在X射线源高压发生器中，变压器油是最主要的绝缘介质，在实际使用中，高压发生器内部打火现象是射线源主要故障之一，发生这个现象的原因就是由于变压器油被击穿所至，因此变压器油的好坏也就成为产品质量的关键因素之一。

当变压器油介质的电流与外界施加的电压达到一定程度时，如果电压继续增加时，电流就会急剧增加，直至绝缘被破坏，变压器油将被击穿。此时，在高电场的作用下，液体或杂质分子在电场作用下解离为离子；电极溢出电子，由于高电场的作用从电极引出电子；碰撞电离，电子在高电场作用下被加速到能在碰撞液体分子时使液体分子电离。当外加电场增强至很高时，电流将急剧增加而导致液体击穿。同时，由于液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电场作用下由于阴极的强场发射的电子电流加热变压器油，使他分解出气体。由气泡内的气体放电也会引起液体介质击穿。

当变压器油中气泡中的场强比油中场强大2.2~2.4倍，由于气体介质的击穿场强比变压器油低的多，所以气泡先开始电离，这又使气泡温度升高、体积膨胀，电离将进一步发展；而带电粒子又会撞击油分子，使油分解出气体，扩大气体通道。如果电离的气泡在电场中堆积成气体“小桥”，击穿就可能在这个通道中发生。同时，变压器油在放电作用下会发生分子的裂解，产生新的气体。

由于在发生器制造过程中难免会有杂质混入，工作中也会因变压器油劣化而分解出气体。由于水和纤维的相对介电常数很大，使得这些杂质很容易被极化，而在沿电场方向定向排列形成连续小桥，由于水分及纤维等的电导系数大而引起泄漏电流大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大；如果纤维尚未贯穿整个电极间隙，则由于纤维的介电常数大而使气泡扩大。最后导致液体介质在气体信道中发生击穿。

影响变压器油击穿电压的主要原因有以下几个：（1）水分

水分会以沉积、溶解和结合三种形式存在于变压器油中。油中含水量越小，击穿电压就越高。当变压器油中含水量为3％时，其耐压强度约下降10％。变压器油中如果存在着悬浮状态的气体和水分会使击穿电压明显下降；纯净的变压器油可达80～100kV/mm，而有杂质的变压器油击穿场强只有12～20kV/mm。

因此我们在实际生产中就采用真空加热喷雾干燥的方法去除变压器油中的水份。变压器油首先经过加热，将油中水份的温度提高，当油和水份同时以雾状喷出时，因为油的热容量较高，其微粒仍能再合成较重的油粒滴入罐内，而水份微粒本身带有一定热量。在从油罐上部抽真空，这时油罐上部的真空度会比较高，由于变压器油的饱和蒸汽压力比水的饱和蒸汽压力低，于是，水微粒很快形成“汽化”状态，被真空泵吸走。这就能大大降低变压器油中的含水量。

（2）杂质

纯净的变压器油击穿场强很高。当油中存在杂质时，油的击穿电压会明显下降。发生器中有各式各样的绝缘材料，特别是G10这种含玻璃丝的环氧绝缘板。这些纤维杂质，特别是含有水分的纤维更容易导电。这些杂质很容易沿电场方向排列成小桥。沿小桥的泄漏电流大，发热多，容易引起水分汽化。从而使气泡扩大，引起击穿。

因此，在实际生产中，我们还在对变压器油真空干燥处理的同时用精细的过滤器（5um）将油中的杂质过滤掉，同时在产品装配后进行仔细检查，清除发生器内部杂质和异物，最大程度保证产品清洁度。另外，为了减少发生器内气泡和杂质形成“小桥”的可能性，在设计中选用了PC（聚碳酸酯）零件放置于高电位处，已减少直接形成这个通道的可能性。

（3）油的含气量

变压器油中的含气量直接影响其绝缘性能。变压器油中正常溶解空气量为10％左右。当油的含气量超过饱和溶解量时，气体就会从油中释放出来，悬浮在油中。当油中存在悬浮的气泡时，由于两者的介电系数不同，界面电场就会产生畸变。而且气体的耐压强度低，会产生气泡放电。发生器工作时，油和绝缘材料在温度和电场的作用下会逐渐老化，产生少量气体。当发生器内部产生局部放电时，也会产生气体。

所以对发生器进行真空注油就是为了消除发生器内部油中的气泡，防止产品工作中产生放电。同时发生器采用常压真空密封设计，以减少变压器油长期使用裂化的途经，尽量延长变压器油的工作寿命。（4）温度

温度的高低会影响到变压器油中水分的气化，在0~60℃范围内，受潮的变压器油的击穿电压会随着温度升高而明显增加；在60~80℃时击穿电压最高，温度继续上升，又会使击穿电压下降；右图所示温度对油耐压强度的影响呈现“V”型特性。击穿电压极小值的温度随着油中含水量的增加而增加。而击穿电压极小值随着油中含水量的增大而降低。

因此，当射线源工作在0摄氏度左右的环境时，需要对发生器进行预热，我们可以采用低电压训机的方式进行预热，如果时间不允许的话，也可以用发生器外部安装预热加热带的方式提高初始工作温度。适当提高油温，避免油在“V”型曲线底部的油击穿电压最低值处运行。

右图所示在0～60℃范围内，变压器油受潮后其击穿电压随温度升高而明显上升，这是因为随着温度上升油中悬浮状态的水转化为溶解状态。在60～80℃范围内，受潮油击穿电压可能出现最大值。

（5）电压作用时间

变压器油的击穿电压会随着电压的作用时间的增加而呈下降趋势。因为油中杂质的聚集和介质的发热均需要一定的时间，当油的纯净度及温度较高时，电压作用时间对击穿电压的影响较小。长时间工作后，变压器油的耐压强度会逐步下降。正常油质在1min以后，耐压值下降很小。所以，一般做工频耐压试验耐压1min不击穿视同受长期运行电压作用也不击穿。

（6）电场均匀程度

在变压器油的洁净度比较高时，改善电场的均匀程度能使击穿电压明显提高。在品质较差的油中，因杂质的聚集和排列已使电场畸变，电场均匀的好处并不明显。含杂质的油受冲击电压作用时，因为杂质来不及形成“小桥”，则改善电场均匀程度能提高其击穿电压。图15为电场均匀程度对油击穿电压的影响。曲线1为劣质油工频击穿电压的变化曲线；曲线2为优质油工频击穿电压的变化曲线：曲线3为劣质油冲击电压的变化曲线。

在实际生产中的发生器内部留有金属异物、气泡、引线屏蔽不良、导体和外壳有毛刺等都会影响发生器内部电场均匀的程度，造成发生器局部放电、击穿。

因此在设计过程中，对于不同的问题采取各种措施来减少这种可能性。比如在灯丝变压器的磁芯外加增加屏蔽、选用屏蔽线做为发生器源内连接线、在阳极螺栓外增加一个螺栓帽等加大电极曲率半径的措施，对于可以选用尼龙螺钉的位置均选用尼龙螺钉，这样就可以改善变压器电场均匀程度，提高了产品质量。

（7）压力

如果变压器油中含有气体时，其击穿电压会随着变压器油的压力增大而升高。因为压力增加时，气体在变压器油中的溶解量增大，并且气泡的局部放电起始电压也提高。但是变压器油经过排气之后，则压力对冲击电压的影响减小。

因此在设计上我们增加了一个膨胀器，避免发生器在-20℃～60℃正常使用温度范围内发生器内部出现正压或者负压的情况。

综上所述，尽管影响变压器油击穿场强的因素有很多，但其中有一部分是间接的影响，例如压力因素，另一部分是发生器实际的工作特性而无法改善的，例如电压的作用时间。其余最直接的影响因素还是水份、杂质和电场均匀程度，同时这几个因素也是我们可以改进和完善的。所以在发生器的设计和制造当中，如何改善变压器油的性能以及延长变压器油的使用寿命也是主要从这几个方面着手进行。在设计中尽量避免出现金属尖端这样的设计，尽量采取圆角过渡的设计；在高电场附近尽量避免使用金属螺钉而选用尼龙螺钉或耐辐射的PEEK