变压器油流带电现象及其影响因素分析.pdf

第 4 5卷 第 2期 2 0 0 8年 2月 囊 珏 删 Vo 1 4 5 No 2 F e br u a r y 2 0 0 8 变 压 器 油 流 带 电 现 象 及 其 影 响 因 素 分 析 李 川 张贤明 顾 宏 徐 君 余成洲 重庆工商大学工业废油资源化技术与装备教育部工程研究中心 重庆 4 0 0 0 6 7 摘 要 分析了变压器油流带电的影响因素 并阐述了变压器油流带电现象的产生机理 关键词 变压 器 油流 带 电 分析 中 图分 类号 T M4 0 6 文献 标识 码 B 文章编 号 l O O l 一 8 4 2 5 2 0 0 8 0 2 0 0 2 9 0 4 An a l y s i s o f F a c t o r s t o I n f l u e n c e Oi l El e c t r if ic a t i o n Ph e n o me n o n i n Tr a n s f o r me r L I Ch u a n ZHANG Xi a n mi n g GU H o n g XU J u n YU Ch e n g z h o u E n gi n e e r i n g R e s e a r c h Ce n t e r f o r I n d u s t r i a l Wa s t e Oi l Re c o v e r y T e c h n o l o g y a n d E qu i p me n t o f Mi n i s t r y o f E du c a t i o n Ch o n gq i n g T e c h n o l o g y Bu s i n e s s Un i v e r s it y Ch o n g qi n g 4 0 0 0 6 7 Ch i n a Ab s t r a c t T h e f a c t o r s t o i n f l u e n c e o i l e le c t r i f i c a t io n p h e n o me n o n a r e a n a l y z e d T h e me c h a n i s m o f t r a n s f o r me r o i l ele c t r i f i c a t i o n ph e n o me n o n is s u mma r i z e d K e y wo r d s T r a n s f o r me r Oi l e l e c t r i f i c a t i o n An a ly s i s 1 引言 在向变压器等 电力设备进行真 空注油及 运行 中冷却油泵运转时 由油流带电引起的事故或故障 时有发 生 由于 变压 器 内油 流 速度 的增 加 变 压 器 油与固体绝缘表面电荷加剧 了分离 由于油 中游离 电荷的泄放能力降低 从而使变压器油流带 电问题 成为影响电网安全稳定运行的因素之一 对绝缘油 流动带 电度进行定量分析 计算绝缘油的流动带电 量值 降低影 响带 电量 的因素 对避免灾 害性 事故 的发 生是非 常 有益 的 2 变压器油流带电机理的分析 2 1 流 动带 电的 形成 过程 变压器绝 缘系统一般是 由变压器油和绝缘纸 组成的 当绝缘油在绝缘纸表面流过时 由于摩擦 油温和水分变化等原因 以及至今还难 以解释的一 些因素 引起固体与液体界面上 的电荷的分离 即 接触表面静电荷 的产生和静电荷极性的改变 使 电 荷重新排列 集聚 油液被充电 为达到对变压器冷却的 目的 常采用油泵强制 将油流从绕组底部流入并从顶部流出 这股油流流 过变压器内的绝缘物时 如果油液本身的充电趋势 较强 流速较大 将使电荷快速集 聚 形成 电位差使 液体带电 给充油设备带来危害 影响电力设备的安 全 运行 总 的来说 变 压器 油流 带 电机 理可 从油 流 的 流动作用和交流电场的电动作用两方面来认识 2 2变压 器油 流 动作用 下 带电机 理分 析 变压器绝缘纸中含有纤维素和木质素 它们带 有羟基 一 O H 此外 木质素还带有醛基 一 C H O 和 羧 基 一 C O O H 在这些基 团中的氧原子具有较大的电负性 吸 引与其结合的氢原子中的电子 使氢原子带正电 这 样 当绝缘油与绝缘纸相接触时 绝缘纸表面的正 电 荷就吸引油中的负电荷 在表面形成固定层 而油中 的负离子被固定层吸引 靠近负电荷层形成一层称 为附着层的正电荷层 如图 1 所示 在这种由固定层 和附着层形成的偶电层结构中 因变压器油高速流 动 偶 电层 的电荷发生分离 负电荷仍附着在绝缘纸 板的表面 正电荷随油流动 形成的油流带正电荷 随着变压器油的循环流动 被带走 的正电荷在油中 的浓 度差 就显 示 出来 另一种研究认为 油 的流动使得油一 纸界面形 成扩 散 次层 而 油 中负 离子 在油 一 纸 界 面能 对 纸 板 维普资讯 3 0 委 珏 器 凳 固体绝缘材料 f 一 干干干干干千千千干 F千千干千 油 士士 士 固 本 绝缘材料 模型的冲流电流为 a 油静止 h 油流动 图 1 电荷分离过程示意图 F i g 1 S e p a r a t i o n p r o c e s s d i a g r a m o f c h a r g e s 发生基于电化学反应的放电作用 这样 界面处负 离子浓度降低 在油体内部与界面处形成负离子的 浓差梯度 从而使大量的负离子在浓差扩散力 的作 用下 从油体内部源源不断地越过扩散次层 而到达 界面 并对界面放电 最后 油 中正离子过剩使得油 体带正电 绝缘纸板表面就带负电 尽管不 同的研究对变压器油流作用下带 电机 理有不同的解释 但对 电流带正 电荷和绝缘表 面带 负电荷的观点是一致 的 2 3变压 器运行 交流 电场 的 电动 作用 带电 外加交流电场能大大加剧静电起 电作用 这就 是所谓油流带电的电动作用 目前对电动作用机理 还没 有达 到共识 一 种 观点 认 为 在 低 场 强 区域 场 强 1 k V mm 交流 电场则 加速 了油一 纸 界 面 上正负电荷的生成 导致油 中正电荷密度增大 如 美 国核电站 5 1 1 MV A升压变压器绝缘击穿事故 发 生在该变压器处于轻负载时 说 明了高场强交流电 对油流带电起到的加剧作用 根据 Mo r i n提 出的电荷迁移一 注射理论 在一个 交流周期内 外电场的存在增加 了油体 内部的带 电 量 并且形成一个从界面指向油体 内部 的静电流密 度 这样在迁移和注射行为的共 同作用下 油流静 电起电作用急剧增强 再有一种观点认 为 电场激励下的电离作用使 得油中离子浓度增大 并通过正负离子迁移率 的不 同和正负离子与界面相作用的差别 从而增大油中 空间电荷 除了以上几种典型 的观点外 还有其他一些不 同的看法 根据 目前 的研究 还无法断定哪一种或 几种说法较为合理 3 油流带电计算方法 该模型以放 电机制为理论依据 确定理想流道 L x 1 一 e 1 式 中 一冲流 电流 A 油道距离计算原点的轴向长度 m 一 油道截面上的平均速度 m s 油 品松弛 时间 s 饱和冲流电流 A 可由下式计算 I m c 叫 式中 C 界面处 电荷密度梯度 C m A 德拜长度 m 油道油隙的宽度 m 6 厂一 扩散层厚度 m 摩 擦流 速 m s 变压器油的运动粘度 m 2 s 考虑交流电场对油流带电的影响时 冲流电流 计算为 1 一 e 叫 儿 m 3 式 中 考虑外加交流电场的饱和冲流电流 A 7 考虑外加交流电场的油品松驰时间 S 当 6 n 6 l 时 和 7 按下式计算 2 C 7 W D m q 垒 鱼 6 2 一 等 了1 7 式中 油道半高 m 4 油带电的影响因素 4 1 油 流带 电影 响因素 分析 根据式 1 一 式 7 的变压器 油流带 电计算模 型 分别考虑各影 响因素的影响 在不施加外加交 维普资讯 第2 期 李 i 塑 室 蔓 堑 墨 塑 堂 皇 墨 垦 墨 墅 堕 望 三 3 1 流 电场 的情 况 下 调 整不 同 的流速 在 0 4 m s 3 2 m s 之间变化 按式 1 干 式 2 汁算不同温度下的总的 f tU 漏 电流 其 结 果如 图 2所 爪 从 图 2可 知 随着 流 速 的增 大 总 的泄漏 电流逐 渐增 大 流 速 m s 图 2泄漏 电流 与 变 压 器 油 流 速 的关 系 Fi g 2 Re l at i on be t we e n l e a kag e c ur r en t s and flo w v el o c i t i e s o f t r a ils f or me r oi l 在 不施 加外 J J J J 交流 电场 的情 况 下 凋整 不 同 的 油温 在 2 0 7 0 之 问 变 化 汁算 不 同流 速 下总 的 泄漏 电流 其结 果如 图 3所乐 从 图 3中可知 随 着 温 度 的增 大 总 的 泄 漏 电流逐 渐 增 大 在 低 流 速 的 情况 下趋势稍弱 流速越高 温度对 总的泄漏 电 流 的影响越 大 1 0 0 0O F 一 0 8 1 0 0 0O E 0 9 0 5 m s I 1 r n s l 1 5 m s I 2 m s 2 51 3 s I 3 m s l 油 温 图 3泄 漏 电流 与变 压 器 油 温 的 关 系 Fi g 3 Re l a t i on b e t we e n l ea ka ge c ur r e nt s an d t e mpe r at u r e o f t ra ns f o r m e r oi l 分 别施 加 l O k V l O O k V的 交流 电场 考 察不 同 温度 和流速 情况 下 总 的泄漏 电流 的变化情 况 如 图 4所示 从 图 4可知 J I D H 交 流 电场 在一 定 程度上 增 大 了 总 的泄 漏 电 流 而 且 随着 外 加 交 流 电 场 的 增 大 总 的泄漏 电流会 逐 渐增 大 4 2降低 油 流带 电的措 施 根据 以上 分 析 油 流带 电主要 受 到变 压器 油 自 外加电场 k 图 4外 加 交 流 电 场 对 泄 漏 电 流 的影 响 Fi g 4 I n flu e n c e o f a p p l i e d AC e le c t r i c fi e l d t o l e aka ge c ur r e nt s 身的特性和运行条件两方面因素的影响 根据研究 变 压器 油 的 含水量 微粒 物 质 介 电 强度 原油 的 充 乜趋势 以及油 中表面活性剂等都会影响油流带 电 从变压器 自身特性方面着手可 以降低油流带 电程 度 上面 的计算 着重 考 虑 了变压 器油 的运行 环境 对 油流带电产生的影响 降低油流带 电强度可以从以 下几 个方 面考 虑 1 降低油液流动速度 从计算结果可知 充电 趋势随流速 的增加而增加 因此 尽量降低油液的流 动速度可在一定程度上降低油流带 电 2 降低运 行温 度 油的 充 电趋 势是 随温 度增加 而增强的 在上面的计算 中 最高温度取 7 0 对于 一 台变压器 充电水平存在一个最大值 这个值由叫 做 驰豫 的一个 电荷泄漏过程所决定 最大充电趋 势发生在某个中间温度值附近 但在一般变压器运 行 过 程 中 降低 油温 对减 轻油 流带 电是 有利 的 3 降 低外 加激 励 流动起 电强 度 与交流场 强 成 正 比 目前 在 流动油 液与 机制 纸板 系统 中的研 究 表 明 交流场强增大的影响能增强局域化的电荷密度 因此 在高 电压等级的变压器 中应当重视油流带电 及其破 坏性 4 降低油流的湍流 有研究指出 静电电荷的 运动及产生不取决于扩散 而取决于油的湍流运动 当表 面粗糙 度较 大 或者存 在 孔等 突变 结构情 况下 都容易产生湍流 当流速降低时 油液向层流状态发 展 湍 流 电流会 降低 5 注意油泵的使用 油泵是一个重要的电荷产 生源 这在运行中的变压器或等效模型上已经得到 了证实 因此 仅从油流带 电角度来讲 油泵强制冷 却 的变压器 更 应 当重 视油 流带 电 维普资讯 受 醢 篆 5 结论 随着变压器 向大容量和超高电压等级的发展 且变压器的绝缘结构设计 日趋 紧凑 介质绝缘性能 普遍提高 变压器油流带 电现象 日益引起重视 油 流带电的因素很多 通过对油流带 电的机理进行分 析 对带 电度进行计算 可 以定量分析油流带 电的 影响因素 在变压器油 自身特性 的基础上 通过改 变变压器油运行过程 中的流速 油温 b J J U 电场 流 型以及冷却方式等 可以在一定程度上降低带 电程 度 提高变压器运行的安全性 参 考文 献 1 周 刚 咸 日常 赵利 大型变压器中的油流带 电现象及抑 制对策 J 山东电力技术 2 0 0 3 2 4 6 4 8 2 涂愈明 王赞基 江缉光 等 超高压变压器油流静 电带 电 问题的研究现状 J 变压器 1 9 9 7 3 4 6 1 8 3 王菊芬 蒲 家宁 孟浩 龙 变压器油道 内冲流电流的一 种 计算方法 J 中国电机工程学报 2 0 0 6 2 6 1 5 1 0 5 一 l 1 2 4 顾宏 电力变压器中的静电起电L I 变压器 2 0 0 2 3 9 1 2 2 3 2 5 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 2 8 作者简介 李川 1 9 7 5 一 男 重庆市人 工业废油资源化技术与教育部工程研究 中心副主任 高级工程师 从事油液净化 技术 及设备研究工作 上接第 1 2页 策提供有效支持 对进一步全面实现电气设备在线 监测起到有效 的促进作用 该方案安全 能够满足 企业的 O L A P要求 可以进行二次开发 并满足客户 的特殊要求 其有灵活和投资小的优点 具有一定 的推广价值 在其他电气设备的维修方案中也可以 尝试 以真正提 高在线监测的应用水平 为状态维 修奠定基础 参考文献 1 王 珊 数据仓库技 术与联 机分析处理 M 北京 科学 出 版 社 l 9 9 8 2 张维明 邓 苏 刘青宝 等 数据仓 库原理与应用 M 北 京 电 子工 业 出版 社 2 0 0 2 3 史忠植 知识发现 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 2 4 董其国 电力变压器故 障与诊 断 M 北京 中国电力出版 社 2 0 0 1 5 贾端君 关于变压器油 中溶解气体在线监测的综述f J 变 压 器 2 0 0