關(guān)于變壓器油擊穿電壓試驗的幾個問題

當前國內(nèi)電力行業(yè)測定絕緣油的擊穿電壓采用了幾種不同的方法和標準，各方法之間有明顯的差異，導致測定結(jié)果不同。各部門對方法和標準的認識、理解不盡統(tǒng)一，對結(jié)果的解釋也不盡相同。本文擬就測定方法的統(tǒng)一以及結(jié)果的分析判斷作些探討。
1　測試方法
1．1　標準的比較
　　目前關(guān)于絕緣油擊穿電壓測試方法的標準比較常用的有GB／T507—1986《電氣用油絕緣強度測定法》和DL／T429—1991《電力系統(tǒng)油質(zhì)試驗方法》，其中GB／T507—1986主要參照IEC156《絕緣油電氣強度測定方法》制定，與IEC156差別很小。GB／T507—1986和DL／T429—1991這兩種標準的測試方法（前者簡稱“方法一”，后者簡稱“方法二”）差別較大，主要差別有兩點：一是電極形狀不同，方法一采用球形和球蓋形電極，方法二的電極為平板倒角形；二是測定油杯容量不同，方法一規(guī)定油杯容積為300～500mL，而方法二規(guī)定油杯容積不得小于200mL（DL／T429—1991的附錄中另有小電極、小油杯、小間隙的試驗方法）。在DL／T429—1991中有一條注釋：“經(jīng)過濾處理，脫氣和干燥后的油及電壓高于220kV以上的電力設(shè)備，應(yīng)按GB507《電氣用油絕緣強度測定法》，采用球蓋形電極進行試驗。”這兩種方法的應(yīng)用在相關(guān)變壓器油質(zhì)量測定標準中有明顯的規(guī)定：GB／T2536—1990《變壓器油》和SH0040—1991《超高壓變壓器油》中規(guī)定擊穿電壓的測定采用方法一；在GB／T7595—2000《運行中變壓器油的質(zhì)量標準》中規(guī)定擊穿電壓的測定采用方法一或方法二；在GB／T50150—1991《電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》中規(guī)定絕緣油的電氣強度試驗采用方法一，但試驗電極采用平板倒角形電極。
1．2．1　現(xiàn)狀
　　據(jù)筆者調(diào)查了解，目前國內(nèi)電力行業(yè)，尤其是供電系統(tǒng)和安裝系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用方法二測試絕緣油擊穿電壓，即以平板倒角形電極和較小的油杯進行測試，但又忽略了DL／T429—1991中的注釋，無論是什么狀態(tài)的油，從什么電壓等級的電氣設(shè)備中采集的油樣，統(tǒng)統(tǒng)都用方法二進行測試。
1．2．2　原因分析
　　在電力系統(tǒng)中基本上采用方法二測試絕緣油擊穿電壓，這種狀況的形成有歷史沿革的原因，也有方法一用油量大的原因。
　　多年來，各用油部門一直采用方法二進行擊穿電壓的測試，相應(yīng)的試驗設(shè)備（如電極、油杯）都為適應(yīng)方法二而設(shè)計。要嚴格執(zhí)行標準，針對不同油樣，隨時更換油杯、電極，必須對測試設(shè)備進行更新改造，這給試驗人員增添了許多麻煩。絕大多數(shù)情況下，試驗人員就用一種電極、一種油杯測試所有油樣，若試驗結(jié)果能滿足不同等級要求的絕緣油擊穿電壓標準，這也是一種不錯的選擇，而且不會產(chǎn)生任何分歧，但是，如果測定值介于合格與不合格之間，麻煩就出現(xiàn)了。例如，需測定一臺500kV運行中變壓器油的擊穿電壓，采用平板倒角形電極和小油杯，以及相配套的升壓設(shè)備等試驗設(shè)備，電極之間距離2．5mm，測定的結(jié)果為46k V，這顯然不滿足GB／T7595—2000規(guī)定的擊穿電壓不小于50kV的要求。但是此時并不能判斷此油樣不合格，因為按照DL／T429—1991中的注釋規(guī)定，電壓高于220kV的電氣設(shè)備的油擊穿電壓試驗應(yīng)按方法一進行。要判斷此油樣是否合格，就必須再取樣，用球蓋形電極和大油杯進行試驗。這樣無疑給試驗工作帶來更大的麻煩。有些單位則采取加深本體油處理的手段，仍用平板倒角形電極，直至測定值合格為止。這樣做使絕緣油的絕緣性更可靠，但卻加大了處理成本，是極不經(jīng)濟的。用平板倒角形電極、球形電極和球蓋形電極測得的擊穿電壓值有顯著的差異，GB／T7959—2000附錄B中對采用3種電極測定的擊穿電壓值進行了比較：采用球形電極比采用平板倒角形電極約高6kV；采用球蓋形電極比采用平板倒角形電極高3～6 k V；當油的擊穿電壓值在30kV以下時，球形和平板倒角形電極的測定值基本一致。但這只是一種統(tǒng)計規(guī)律，不能簡單地把采用平板倒角形電極測得的擊穿電壓值都加上3～6kV，對單個油樣來說差別可能很大，也可能很小。
　　方法一用油量大，需從電氣設(shè)備中多次取樣，對于互感器、電抗器和少油開關(guān)等少油電氣設(shè)備，多次取樣后，油量不足就必須補油。因此很多單位都選擇方法二，以小油杯進行測試。
1．3　試驗方法的改進建議
　　a）方法標準應(yīng)向國際標準靠攏。目前IEC156的試驗方法是得到世界上大多數(shù)國家承認的，其通用性、先進性不容置疑。在標準化工作中，優(yōu)先采用先進的、國際通用的標準制訂本國的標準是一條很重要的原則，GB／T507—1986基本上是參照IEC156制訂的，要求基本相同。
　　b）考慮到運行中電氣設(shè)備的油量稍少及測試油杯的容量稍小對測試結(jié)果影響不大的情況，可對GB／T507—1986中油杯容量的限制放寬，例如從300～500mL放寬至200～500mL。
　　c）方法一比方法二更接近于絕緣油的實際使用情況，充油電氣設(shè)備中發(fā)生油隙擊穿是在場強較高又相對集中的區(qū)域，與球形或球蓋形電極間隙更相似，而不同于平板倒角形電極間隙。
2　影響試驗結(jié)果的主要因素
　　嚴格地講，不含水分、灰塵和纖維等雜質(zhì)的純凈油，擊穿起始于個別油分子在電場中的極化、電離，其化學組成對擊穿電壓影響不大，不同牌號和產(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結(jié)果的分散性也不大，擊穿電壓值能達到200kV以上（電極距離2．5mm）。但實際應(yīng)用中的油和“純凈油”有極大的不同，用目前世界上*先進的凈化設(shè)備多次處理后的絕緣油，其含水量也往往大于2mg／kg，每100mL油中長度大于5μm的雜質(zhì)顆粒不少于數(shù)千個；另外在取樣測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，在純凈的油分子遠未在電極之間極化和電離之前，就沿電場強度方向排列、聚集，進而電離形成微小通路，即所謂“小橋”，小通路連接貫穿兩極，導致油迅速擊穿。油中雜質(zhì)越多，越易形成小橋，擊穿電壓越低。測定絕緣油的擊穿電壓，實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。
　　油的擊穿過程實際上是隨機的，與油隙電場的瞬間狀態(tài)密切相關(guān)。油中雜質(zhì)分布的不均勻性和雜質(zhì)顆粒的運動，導致油隙間雜質(zhì)顆粒的分布隨時間改變而不同，因此小橋在電場中的位置是不可預(yù)知的。尤其是對于平板倒角形電極而言，相對均勻的電場比球形和球蓋形電極所形成的同等強度的電場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定油的擊穿電壓值比另兩種電極的測定值低的根本原因。
　　由以上擊穿機理的分析，我們可以得知油隙的擊穿雖然是短暫的一瞬間，其過程卻是復雜的，即使是一杯試樣，在多次擊穿試驗中的測得值也是分散性很大的，各種試驗標準都規(guī)定取6次試驗的平均值作為試驗結(jié)果，這種規(guī)定在一般的測試中是不多見的。把一些顯而易見的影響因素作人為的嚴格規(guī)定，使這些因素對結(jié)果的影響維持在一個恒定的水平是十分必要的。
2．1　試驗儀器的影響
　　試驗儀器包括升壓裝置（手動或自動）、油杯和電極、攪拌裝置（手動或自動）、數(shù)據(jù)輸出裝置（模擬儀表或數(shù)顯打印機）、計時裝置等，每一部分的異常都會使測定結(jié)果產(chǎn)生誤差，全自動的儀器較好，在測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，對結(jié)果的準確性有很大影響，不同的測試儀器，其升壓裝置的性能必須確保符合標準的規(guī)定。升壓裝置的此項性能應(yīng)由生產(chǎn)廠家在儀器的設(shè)計生產(chǎn)中予以保證，用戶可在選購儀器時向生產(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報告。
2．1．2　油杯和電極
　　電極的形狀不同，電極周圍空間的電場也截然不同，平板倒角形電極之間的電場可以大致看成是均勻電場，而球形和球蓋形電極之間的電場為不均勻電場，絕緣油在不同電場中的表現(xiàn)也完全不同。油杯的容量大小、電極浸入絕緣油的深淺都會給測定結(jié)果帶來影響，為此相關(guān)標準中都有明確的規(guī)定。實踐表明，電極的加工和裝配水平、油杯的形狀和材料等不同都會給測定結(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油樣中，從而使測定值偏低，因此標準中有油杯加防塵蓋和盡快完成測定的提法，有條件的話，應(yīng)盡可能在有空調(diào)的潔凈、干燥的試驗室內(nèi)進行測定，尤其是在我國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)境條件對測定結(jié)果的影響。
3　對試驗結(jié)果的分析判斷
3．1　試驗數(shù)據(jù)的分散性
　　一個絕緣油油樣6次擊穿電壓試驗的測定值，其分散性是較大的，根本原因在于擊穿瞬間兩個電極之間的電場分布狀態(tài)和絕緣油中所含雜質(zhì)的分布狀態(tài)都是隨機的。數(shù)據(jù)處理中，不論6個數(shù)據(jù)分散性有多大統(tǒng)統(tǒng)進行平均，或者按照數(shù)處理原則舍棄離散值再進行平均，都不十分合適。筆者認為，有些儀器使用說明中建議當6個數(shù)據(jù)的標準差s≥10kV（電極距離2．5mm）時重新取樣測定，這一提法值得推薦。較準確地說，我們測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*大，偏離此點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一定被擊穿。選擇擊穿電壓值較集中的范圍，取不少于6個測定值的平均值作為測定結(jié)果是較為合理的，這樣更能較真實地反映絕緣油的平均被污染水平。
3．2　試驗數(shù)據(jù)的準確性
　　得到準確可靠的絕緣油擊穿電壓值，是擊穿電壓試驗的*終目的。若對試驗結(jié)果產(chǎn)生懷疑，建議用下述辦法處理：
　　a）檢驗升壓裝置輸出電壓波形和幅值。此項工作一般生產(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小。
　　b）在測得值介于合格與不合格之間時，采用對比試驗的方法，驗證油杯和電極對結(jié)果的影響，即同時在不同的試驗室，用不同的電極和油杯測定同一油樣，在確保兩對電極間距離都是（2．5±0．1）mm的前提下，測定值較高的應(yīng)更接近于真值。這是因為只有電極間距離過大才會使絕緣油的擊穿電壓測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，都會使測定值出現(xiàn)負誤差，即測得結(jié)果小于真值。
4　結(jié)束語
　　綜上所述，由于影響擊穿電壓測定的因素較為復雜，人為作一些嚴格的規(guī)定，統(tǒng)一測定方法，繼這樣將可以大大提高我國絕緣油擊穿電壓測定的技術(shù)水平。
注：摘自：中國電力網(wǎng)。