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1、超高压变压器绝缘结构中的树枝状放电1引言树枝状放电是固体绝缘材料中的一种局部放电。局部放电和树枝状放电可使绝 缘材料的电气性能和机械性能下降，是导致绝缘材料老化的主要原因。国内外的运 行实践表明，局部放电和树枝状放电是导致高压电气设备绝缘故障的主要原因。我 国运行中的变压器多次发生沿围屏的树枝状放电事故,严重威胁着变压器的安全运 行，特别是大容量发电机用变压器的故障，经济损失更为重大。近年来，在变压器 制造厂中新产品的局部放电测量试验中，也发生多例沿围屏的树枝状放电事故。鉴 于上述情况，树枝状放电早就引起了许多国家的极大关注。对树枝状放电的产生、 发展及其预防措施，开展了广泛的试验研究。因放电
2、现象受很多因素的影响，很难 用方程式进行解析计算。因此除了用试验的方法进行研究以外，国内外已开始用计 算机对放电现象进行模拟分析，从而得到了满意的结果。对各种论点进行仔细分析， 可得出如下结论：(1) 树枝状放电的产生与绝缘材料中局部高电场的形成密切相关。(2) 树枝状放电或者由局部的高电场直接引起，或者由局部放电发展而成。2变压器中树枝状放电的起因变压器油-隔板绝缘结构中的树枝状放电的起因，或者由局部的高电场直接引 起，或者由局部放电发展而成。我们的研究表明，在绝缘油良好的前提下，当电位 梯度为16kV/mm时，便可出现局部放电；而苏联的研究指出，在实际变压器中，当 场强E=3.5MV/m时
3、，线圈中部便可出现局部放电。试验表明，变压器油-隔板绝缘 结构，在短时过电压的作用下，一旦形成局部放电，那末这种放电即使在工作电压 的长期作用下(那怕场强较低，大约只有1MV/m)，也有可能发展为图1所示的树枝 状放电。长期的局部放电会使绝缘材料发生物理和化学变化，并伴随着局部放电通 道的增长(树枝状放电)而导致击穿。试验还表明，当局部放电强度大约为10-61 0-8C时，绝缘隔板上就能呈现出明显的树枝状放电痕迹；而当局部放电强度低于1 0-9C时，绝缘隔板上没有任何痕迹。图1变压器中的树枝状放电Fig.在变压器的油-隔板绝缘结构中，由于油的介电系数低，因此在电场的作用下， 油隙常承受比固体绝
4、缘更高的电场强度。而实际上油的绝缘强度又低于固体绝缘， 再加上油中含水、含气、含有悬浮微粒等，因此油隙的绝缘强度就更低了。尤其是 紧靠高压线圈的第一个油隙，因为其中导线、垫块、撑条等棱角的存在，使这个油 隙中的电场严重畸变，局部的场强大大超过绝缘材料的容许限度，因此，一般说来 在这个油隙中首先出现局部放电。局部放电时，随着油的分解而产生气体，在油中 形成气泡，它们在高电场的作用下使局部放电持续发展，当放电能量超过一定限度 时，则因电气化学的作用，将会促进邻接绝缘的损伤，这种损伤大致可分为沿厚度 方向的穿孔和沿表面的树枝状放电，通常后者最易发生。这种沿表面的树枝状放电 比沿厚度方向的穿孔要明显很
5、多。可见树枝状放电是一种高能量的局部放电，它起 源于较弱的局部放电，以后才逐步形成树枝状碳化通道1。因此，不论变压器的高压线圈是中部进线还是端部进线，紧靠高压线圈的第一 个油隙是油-隔板绝缘结构的最薄弱环节，所以通常把此油隙发生击穿时的电压(或 强度)，理解为油-隔板绝缘的电气强度，而这个击穿电压则是以隔板表面出现明显 的树枝状放电痕迹为标志的。从本世纪60年代起，国外就对变压器油-隔板绝缘结构中，紧靠高压线圈的油 隙的电场强度进行了试验研究，确定了该油隙中出现故障的电场强度的平均值和该 油隙中容许电场强度的推荐值(表1、表2)，并指出，对于220750kV电压等级的 变压器而言，紧靠线圈的油
6、隙宽度，应根据线圈冷却、工艺装配等条件来考虑，宜 采用810mm；线圈端部静电板和与其紧靠的隔板之间的油隙宽度，也应根据线圈 冷却、工艺装配以及该处电场最大程度的均匀等条件来考虑，其辐向宜取10mm， 轴向宜取15mm 2。这些数据为绝缘结构的设计提供了可靠的数据。表1紧靠线 圈的油隙中出现故障的电场强度的平均值2过电压种类线圈中部进线E/(MV.m- 1)线圈端部进线E/(MV.m-1)冲击系数 雷电过电压24161.90操作过电压1711.51. 35工频一分钟电压96表2紧靠线圈的油隙中容许场强的推荐值(油隙宽度为81 0mm时)过电压种类线圈中部进线E/(MV.m-1)线圈端部进线E/
7、(MV.m-1)雷电过电 压12.511.5操作过电压11.010.0试验研究和对故障变压器的解体检查发现，树枝状放电的产生往往和产品的结 构设计、制造工艺和原材料的缺陷有关，这些缺陷可以导致局部高电场的形成或者局部放电的产生，从而引起油-隔板绝缘结构的树枝状放电。根据对故障变压器产 品的事故原因分析，可以看出，这些产品之所以产生树枝状放电，主要是由于：(1) 尚未完全做到根据电场分布、波过程分析为基础来选择设计合理的绝缘结 构。如静电板和角环处的场强过高；围屏支撑垫块的位置，静电板的圆角半径和绝 缘厚度，角环的形状尺寸不够合理等，都是结构设计中常见的缺陷。(2) 在器身装配过程中工艺水平差。
8、围屏形状不稳定，亦即油隙边界不稳定。 在围屏纸板交叠处，纸板边棱翘曲变形，在套装器身的过程中易与线圈表面相碰, 甚至划破线圈的导线绝缘。(3) 绝缘零件的制造工艺水平差，撑条和垫块表面粗糙，有尖角毛刺，撑条层 间有气泡。(4) 油的净化工艺不完善，油中含水、含气、含有悬浮微粒。试验结果表明， 油中杂质和水分的存在，会降低绝缘结构中的起始局部放电电压，并增大局部放电 量。(5) 真空注油工艺不完善，仍有微小气泡进入油中。这些小气泡附着在线圈、 围屏、撑条棱角等易于集聚气泡的部位，在高电场的作用下，形成一系列的气泡放 电，逐步发展成为绝缘的局部放电或树枝状放电。(6) 原材料的主要缺陷是，绝缘纸板
9、质量差，有杂质，鼓泡、分层严重、翘曲 变形、表面不平整，成型性不好。此外，导线有毛刺，导线绝缘局部有缺陷等等。 所有这些缺陷，都能导致变压器油-隔板绝缘结构中产生局部放电和树枝状放电， 给安全运行带来威胁，因此是绝对不允许的。变压器除了上述产生树枝状放电的原因以外，近年来还在变压器绝缘纸筒上发 现了由于油流静电放电而形成的树枝状放电痕迹3。3变压器中树枝状放电的预防变压器油-隔板绝缘结构中的树枝状放电，或者由局部的高电场直接引起，或 者由局部放电发展而成。而局部高电场的形成和局部放电的产生，又取决于变压器的结构设计、制造工艺和原材料的质量。因此，从变压器的结构设计、制造工艺和 原材料的选用入手
10、，设法消除绝缘结构中的局部高电场，防止绝缘结构中产生局部 放电，是防止变压器中树枝状放电的根本措施。3.1结构设计由于计算机的应用和电场解析技术的进步，目前已能准确计算出线圈内部的电 位分布和梯度分布，为更加合理的设计匝间绝缘和段间绝缘提供了理论依据。在电 场计算中，由于采用了有限元法、差分法、表面电荷法及电荷叠加法等，已能准确 求出变压器各部位电压的大小及电场的分布情况。根据计算结果，来确定理想的绝 缘结构。这种结构应该是，在采用成型绝缘隔板将油隙分割成多层小油隙来提高绝 缘强度的同时，必须尽量使油-隔板的分界面与电场的等位面相互平行，并且在电 场分布不均匀的部位，采用形状与电场等位面完全相
11、同的成型绝缘件，从而使电场 得到缓和，消除局部的高电场。静电板的绝缘厚度，宜使其表面油中场强低于局放 强度；角环形状和尺寸，应垂直于电场方向，从而避免由于切向分量存在，沿角环 表面树枝状放电及沿面放电。近年来的研究结果表明，对油-隔板绝缘结构而言， 不仅要求油和隔板都具有较高的击穿电压，而且还要求具有较高的起始局部放电电 压。为了提高起始局部放电电压，有人提出了复合绝缘结构，就是把用绝缘隔板将 油隙分割成细小油隙的方式，和用绝缘体填充油隙的方式结合起来，靠这两种方式 的最佳配合，使绝缘结构更加合理。模型试验结果表明，若500kV传统绝缘结构的 端绝缘模型的起始局部放电电压为100%，则复合绝缘
12、的端绝缘模型，其起始局部 放电电压增长到150%。这种复合绝缘可承受工频750kV，冲击1500kV的试验电压， 还有足够的裕度。根据目前我国变压器制造业的现状，结合对故障变压器的解体检查结果，认为 在结构设计时应注意以下几点：(1)用计算机仔细分析电场，根据电场分布情况选择合理的绝缘结构。必须使 绝缘隔板和油的分界面，尽可能和电场等位面平行。使所有绝缘件的圆角与电场等 位面大体吻合。(2) 改进上角环的结构，抬高上角环的位置，使角环不集聚气泡或让气泡集聚 在场强较弱的部位。(3) 线圈的轴向油隙取得较小而静电板的圆角半径取得较大，使油中的最高场 强得以降低。(4) 调整围屏支撑垫块的位置，使其位于低场强区域，围屏支撑垫块前端的两 个尖角应该倒成圆角。3.2制造工艺合理的结构设计是靠先进的制造工艺来保证的。实践证明，国内外凡是发生树 枝状放电的变压器，无一不和制造工艺上的缺陷密切相关。目前我国变压器的制造 工艺水平与国外先进水平相比，是存在一定差距的，这是我国变压器产品质量不高 的根本原因。例如苏联9万kVA及以上的大型变压器的年事故率，早在1975年就 降到了 0.8%；而瑞典变压器的年事故率只有0.43%；日本近几年来投运在100多个 变电站的变压器，从未出现过事故；我国变压器的年事故率远远高于他们。这应该 引起有关部门的认真思考。
