局部放电作用下变压器匝间油纸绝缘加速劣化规律

程养春 魏金清 李成榕 荣智海 王广真 马振丽



局部放电作用下变压器匝间油纸绝缘加速劣化规律

程养春1魏金清1李成榕2荣智海1王广真1马振丽1

（1. 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206 2. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206）

为研究变压器内油纸绝缘材料局部放电作用下劣化缺陷的发展规律及其与局部放电特征量的关联性，构建了匝间局部放电模型，进行了多组不同加压时间长度的恒压试验，并记录了试验过程中的局部放电信号。利用匝间绝缘纸带可层层拆解的结构特点，获得了匝间绝缘在加速电劣化下炭化通道发展的统计性规律。研究结果表明，恒压加速电劣化作用下匝间油纸绝缘局部放电缺陷即炭化通道沿宏观电场的纵向发展过程呈现增长、停滞和击穿三个基本阶段；脉冲重复率和脉冲1s内总放电量可以宏观地表征匝间油纸绝缘电劣化缺陷的发展状况，为油纸绝缘局部放电严重程度阶段性的准确划分提供参考依据。

变压器 油纸绝缘 局部放电 加速电劣化 炭化通道 发展规律

0 引言

油浸纸绝缘是目前电力变压器中最广泛使用的绝缘材料，其在制造、运输、装配和运行过程中不可避免地产生各种缺陷，例如气隙、尖刺和杂质 等[1]。变压器发生绝缘故障的主要原因是绝缘缺陷处的长期局部放电而引发的绝缘劣化，并最终导致绝缘的失效和击穿。

近20多年来，研究学者们针对局部放电引发固体介质电劣化的机理以及以局部放电信号特征反映固体绝缘劣化状态进行了大量研究。1986年，T. Okamoto在对环氧树脂材料内缺陷发展研究的基础上发现了局放信号-散点图的偏斜度与电树枝的发展具有密切的关联性[2]。1990年，M. Hikita研究了气隙缺陷中的气压和气体组分对其局放特性的影响。结果表明，气压对局放没有显著影响，而随着气隙内氧气的消耗，当氧气含量低于一定值时，局放的谱图特征将会发生变化[3]。1993年，L. A. dissado用放电破坏模型来描述树枝生长过程，将放电通道看作导体或认为其内部场强为一常数求得整体的电场分布，并认为树枝生长由放电破坏量所决定[4]。1995年，G. C. Montanari提出了基于电树枝长度或放电量密度的绝缘电老化寿命模型[5]。1998年，R. Bozzo研究表明，局部放电脉冲幅值的Weibull分布参数与气隙以及电树枝通道内的局部放电有着密切的联系，以此获得了电树枝引发的先兆表征[6]。1999年，西安交通大学的吴锴根据细长气管与聚合物中电树枝呈现一致的翼形或者三角形的局放谱图特点，建立了电树枝放电的物理模型，揭示了电树枝放电谱图的形成机理，并指出电树枝中放电趋于由针电极尖端引发并沿树枝管传播[7]。2012年，A. Cavallini在交联聚乙烯气隙缺陷模型的试验基础上，依据局放统计特征量的变化趋势对绝缘劣化程度进行了阶段性划分，并指出可以用walfa（放电重复率×放电幅值）来表征绝缘电劣化缺陷的发展速度[1]。国内其他学者在相关方面也进行大量的研究[8-13]。综合来看，各学者所获得的结果不尽相同，关于局放信号特征量的选取以及局放机理的解释暂未形成统一的定论。

以上关于固体绝缘电劣化的研究大多针对环氧树脂、聚乙烯等聚合物材料，而涉及变压器油纸绝缘内部放电的研究，国外文献鲜见报道。国内重庆大学廖瑞金、杨丽君等人基于油浸纸板气隙放电模型，研究了放电发展过程中传统放电图谱和指纹特征参量的变化情况，采用因子分析手段提取了新的放电特征指纹用于放电严重程度的评估，并对局部放电损伤油浸纸板过程中纸板的微观结构及其与电气性能的关系进行了分析，取得了一定的成果[14,15]。西安交通大学李彦明、李军浩等人同样基于油浸纸板气隙放电模型，依据放电不同阶段PRPD谱图的变化趋势，采用计算机模拟研究了电劣化过程中气隙内部物理参数的变化规律[16]。但是以上的研究均未涉及到绝缘内部因局部放电而引发电劣化缺陷的发展速度问题，所提出的严重程度评估或者阶段性划分缺乏相应的物理机理。

国内外对绝缘纸板内部电树枝或炭化通道形成机理及发展特性的研究较少，究其原因很大程度上是由于绝缘纸板材料的不透明导致难以借助设备有效地观测和记录放电通道的演变过程。本文在实验室中构建匝间电极局部放电模型，进行了多组不同加压时段的恒压试验，利用匝间电极的结构特点，对试验后试品包扎的绝缘纸带进行层层的拆解，观察并分析绝缘层的炭化痕迹形貌特征，获得了匝间绝缘炭化通道发展的统计性规律，理论分析了炭化通道的发展机理，并提出了可以利用局放信号特征量表征炭化通道沿宏观电场方向的发展趋势。

1 试验平台及研究方法

1.1 试验平台

试验研究平台由两部分组成：局部放电模拟系统和局部放电检测系统，如图1所示。

图1 试验平台

图中，试验变压器为120kV无晕变压器，在120kV下放电量不大于5pC。高压引线经过无晕处理。在50kV最高试验电压下，整个加压系统的背景干扰不大于10pC。局部放电测量使用DST—4型局部放电测试仪，检测频带为40～80kHz，采用并联测试回路。局部放电信号经局放仪测量和处理后，在示波器中进行显示和数据采集。采集到的数据经由USB接口传入计算机，在计算机中进行数据存储和分析。

1.2 电极模型

本文选用变压器厂绕制的绕组线匝制成匝间放电试验模型。绕组线匝由扁铜导线以及包扎的绝缘纸层构成。根据绕组不同电压等级的要求，可采用不同厚度的匝绝缘层。本文试验中采用的绕组线匝规格为：扁铜导线宽11.25mm，厚1.25mm，两边绝缘层总厚度2.45mm。匝间放电电极模型的尺寸结构如图2所示，该电极模型被称为pig-tail模 型[17,18]。试验前，匝间电极试样均置于105℃、气压小于100Pa的状态下加热并真空抽气24h以上，然后真空注油，电极试品在油中静置24h以上。经过上述处理后，匝间电极绝缘内部的水分和气体被析出，达到真实变压器内部绝缘水分和气体含量要求。

图2 pig-tail匝间电极模型结构

1.3 试验加压方式

缓慢升高电压直至出现稳定的局部放电信号。由于匝间电极间的电场近似均匀电场，且未人为设置绝缘缺陷，因而起始放电电压一般可达到50kV左右。此时放电较为剧烈，在起始放电电压下维持10s待产生初始缺陷后，按2kV/5s的速度将电压降至40kV并保持恒定。此后分别进行10min、30min、60min、90min、120min和180min 6个加压时间长度的试验，同一个时间长度包含多个试品。试验中施加的40kV恒定电压强场加速了匝间绝缘的局部放电劣化速度，因此可在较短的时间内获取大量的试验样本，获得绝缘缺陷发展规律的统计性结果。20次试验的起始放电电压分布如图3所示。平均起始放电电压为50.3kV，波动均在8%以内，表明各试品的初始绝缘状态基本一致，满足试验要求。

图3 起始放电电压分布情况

2 炭化通道发展规律

2.1 匝间绝缘炭痕情况

施加固定时长的40kV恒压试验后，匝间绝缘电劣化下形成的绝缘表层炭化痕迹情况如图4所示。炭痕主要分布在匝间电极的棱边位置，且不同放电点处炭化痕迹的形貌和规模各异。将高压和接地电极的炭痕依照试验时电极摆放的位置一一对应起来就构成了各放电通道的整体形态。记录各放电点位置后，对电极试品包扎的绝缘纸带进行逐层拆解，直至观察不到炭痕为止。拆解下来的绝缘纸带如图5所示。将各放电点处高压电极和接地电极炭化痕迹所渗透的绝缘纸带层数求和来表征各炭化通道的长度。借助光学显微镜可进一步观察并拍摄绝缘纸带表面炭化痕迹的形貌特征。

图4 试验后匝间电极表面炭痕

图5 拆解下来的绝缘纸带

表1中显示的是一个典型的试品炭化通道中各层绝缘纸带表面炭化痕迹的形貌图像。该试品的炭化通道共渗透了9层绝缘纸带，其中高压电极上的纸带3层，接地电极上的纸带6层。将纸带由外层至内层编号并观察绝缘纸带上的炭痕。炭痕的面积大致逐层减小，炭痕的颜色深度也逐层减弱。层与层之间炭痕的形貌没有统一的特征，表现出较强的随机性。

表1 绝缘纸带表面炭化痕迹（放大100倍）

2.2 炭化通道的发展趋势

针对单次试验多放电点多炭化通道的特点，引入了最大层数炭化通道来表征匝间绝缘缺陷电劣化的严重程度。对比试验过程中观察记录的各主要放电点起始时间以及试验后统计的各炭化通道层数，发现以下普遍规律：不论是未击穿试品具有最大层数炭化通道的放电点还是被击穿试品的击穿点，都是在试验初期阶段形成的。因此，若对未击穿试验的试品继续施加电压，则其中具有最大层数炭化通道的放电点很可能演变成最后的击穿点。根据以上的分析，使用最大层数炭化通道来表征当前加压时间段内绝缘缺陷电劣化的严重程度是合理的。各试品最大层数炭化通道的绝缘纸带层数统计结果见表2。以30min加压时间段为例，该时间段内共进行了4次试验，各试品最大层数炭化通道分别为11、8、7和6层。

表2 各试品渗透层数最多的炭化通道统计

最大层数炭化通道随加压时间的变化发展趋势如图6所示。尽管同一加压时间段内各试样中获得的最大层数炭化通道具有分散性以及不同加压时间段的数据存在着交叉现象，但从整体的变化趋势中可以看出明显的规律性。由图6中最大层数炭化通道的平均值随加压时间变化趋势可以得出，炭化通道沿宏观电场方向的发展经历了增长和停滞两个基本阶段。加压时间从0～60min为第一阶段，该阶段内炭化通道呈现逐渐增长的趋势，增长的速率随试验时间的延伸而减小；60min之后至临界击穿前为第二阶段，该阶段一般可持续较长时间，且炭化通道层数无明显增大趋势。该阶段炭化通道沿宏观电场方向的发展进入停滞期，转而向更易形成放电的绝缘纸带层间的横向发展。

图6 炭化通道随加压时间的发展趋势

实际上一次完整的、从开始加压至最后击穿的试验，还应包括击穿过程即匝间绝缘完全贯穿的第三阶段。在已进行的20次未击穿的试验中，获得的最大炭化通道绝缘纸带层数为18层，是总绝缘纸带层数的50%，表明在40kV恒压条件下，有半数甚至半数以上的绝缘纸带是瞬间被贯穿的。由于击穿时间极短，按照本试验方法无法获取此过程中炭化通道的发展变化规律，且联系现场实际中对于变压器预警预测的需求，本文重点讨论第一和第二阶段。

以上分析的炭化通道发展的阶段性与文献[9]中描述的XLPE电缆绝缘内生成电树枝发展过程的阶段性基本相符：XLPE电缆绝缘中会生成枝状、丛林状和混合状三类电树枝，并且在电树枝发展过程会呈现非常清晰的三个基本阶段，即引发阶段、滞长阶段和迅速发展阶段。再结合表1中呈现的炭化痕迹的簇状特征以及文献[9]中关于XLPE电缆绝缘中丛林状电树枝的生长规律，可以得出以下结论：匝间油纸绝缘炭化通道沿宏观电场的发展趋势与交联聚氯乙烯电缆绝缘中丛林状电树枝的生长规律较为相似。

2.3 炭化通道发展规律的数学模型

图6中最大层数炭化通道的平均值随加压时间变化趋势曲线在60min出现了转折点，而实际中炭化通道的发展应为连续的单调曲线。这是由于炭化通道的发展具有随机性，统计性的结果与真实情况难免存在偏差。为建立更为合理的炭化通道发展的数学模型，结合炭化通道发展的阶段性特征，对加压时间和最大层数炭化通道平均值分别求取对数，以ln为横坐标，ln为纵坐标绘制散点并作线性拟合如图7所示。拟合的函数表达式为

式（1）是在本文试验特定条件下得到的炭化通道发展的数学表达式。将式中的数值替换为变量可推导出炭化通道发展的通用数学表达式为

文献[5]提出交流电压下复合绝缘材料中生成的电树枝的生长规律可以表示为

式中，为电树枝的长度；3是关于外加电场（或电压）的函数；为电树枝的分形维数（树枝树为1.7，灌木树为2.5）；为加压时间。

对比式（2）和式（3），暂不考虑各对应变量的物理意义，可以发现两者是一致的，进一步验证了上文中提到的匝间油纸绝缘炭化通道的发展与XLPE电缆绝缘中丛林状电树枝的生长规律较为相似的这一结论。

利用同样的试验方法，将匝间绝缘纸带总层数减少6层并施加同样40kV恒压进行第2批次的附加试验。多次试验结果统计的炭化通道发展趋势如图8所示，图9为对相应变量求对数后的线性拟合。结果可进一步验证了式（2）在匝间绝缘结构电劣化缺陷发展规律研究中的适用性。得到炭化通道发展的数学表达式为

图9 lnL′和lnt的线性拟合

2.4 炭化通道形成的试验现象分析

纵观局部放电劣化绝缘领域的研究，学者们普遍采用CIGRE Method气隙缺陷模型和尖板结构电极模型进行局放研究。荷兰的Morshuis在文献[19]中总结了气隙缺陷模型所普遍认可的局部放电劣化过程，指出气隙中的局放引起了气隙表面介质电导率和粗糙度的变化，并生成例如晶体的固体产物。而晶体尖端的局部强场促进了局放的发展，电树枝开始引发。此后局放的电劣化过程与尖板结构电极模型较为类似。

对比本文构建的匝间电极放电模型，虽未人为设置气隙绝缘缺陷或者尖刺电极结构，而是外施高压强电场，使得匝间电极油膜间隙的绝缘薄弱处首先发生局部放电，产生初始缺陷。放电产生的带电粒子轰击绝缘纸层并产生热量，造成绝缘纸带纤维素分子链的断裂和热裂解，形成炭化痕迹。这一阶段，炭痕的形成使得局部电场集中，促进了局放和炭化通道的发展。

随着放电深入至绝缘内层，不断扩大的导电或半导电的炭化通道均匀化了局部强场，阻止了其沿外加宏观电场的进一步发展而转向更易形成放电的各绝缘纸带层间的横向扩展。

随着炭化通道面积不断扩大，由于有效绝缘距离的减小，施加在剩余绝缘层上的电场增强，经历一段时间之后，绝缘击穿。

3 局部放电统计特征分析

3.1 局部放电发展趋势分析

为了获取能够真实反映匝间绝缘加速电劣化过程中绝缘缺陷发展状态在局部放电信号上的表征，试验过程中利用局放检测仪进行局放信号的测量。由于存在多个放电点现象，采集到的局放信号亦为多个放电点局放信号的叠加。叠加后的局放信号与单一放电点情况是否具有一致的发展变化趋势，这是之后作统计分析所关心的问题。因此，以下先以某次单一放电缺陷试验（即试验中只出现了一个放电点）为例分析电劣化缺陷发展过程中局放信号特征量和统计谱图的变化趋势。

该试验进行了90min。局放放电特征量随加压时间的变化趋势如图10所示。脉冲重复率、脉冲放电量最大值、脉冲放电量平均值和脉冲1s放电量分别为单位时间内（每秒内）的脉冲个数、脉冲视在放电量最大值、脉冲视在放电量平均值以及脉冲视在放电量总和，且每隔10min取1s的数据作为统计对象，绘制各特征量随加压时间的变化趋势图。由图10可以看出，脉冲重复率在70min之前逐渐增大，70min之后有微弱的减小趋势；脉冲放电量最大值呈现波浪形变化，无明显趋势特征；脉冲放电量平均值在60 min之前逐渐减小，60min之后有微弱的增大趋势；脉冲1s放电量在60min之前虽有一定幅值的波动，但整体趋势是逐渐增大，60min之后趋于恒定。

图10 局部放电特征量随加压时间的变化趋势

结合炭化通道发展过程分析局部放电特征量随加压时间变化趋势的可能原因。匝间电极油间隙的局部放电引发炭化通道之后，不断扩大的炭化通道增大了放电区域，向绝缘内部抽取和注入更多的电荷，表现为脉冲重复率的增大。不断扩大的炭化通道同时也使得局部电场均匀化，表现为小放电幅值脉冲的增多，脉冲放电量平均值减小。一段时间后，电场均匀化效应使局部强场削弱至一定值时，脉冲重复率趋于平缓甚至减小。此时炭化通道沿宏观电场方向的发展出现停滞，转向更易聚集气泡的层间发展，增加了局部放电特征量变化的随机性，例如脉冲放电量最大值的变化趋势。脉冲1s放电量的变化趋势是放电区域增大和局部强场均匀化效应的博弈过程，表现为脉冲1s放电量随加压时间的变化具有一定幅值的波动。

3.2 局部放电相位统计谱图分析

试验过程中各加压时间段内-散点图的变化如图11所示。将局放信号的放电相位幅值序列（，）以散点的方式绘制在二维-平面内，即可得到-散点图。由图4可以看出，放电相位分布由初始时刻的0°～90°和180°～270°逐渐向0°和180°附近扩展延伸，至90min时刻放电相位分布为-30°～90°和150°～270°。从30min开始，正负半周放电幅值小但放电密集区域的形状逐渐呈现“△”形，并与上方幅值大但放电稀疏的窄带状分布构成倒立的大头钉状散点图。“△”形区域中，正半周幅值大放电较为稀疏，负半周幅值小放电较为密集。

试验过程中各时间段内三维谱图的变化如图12所示。三维谱图反映了单位时间内，发生在一定相位窗内具有一定放电量的局放脉冲数目，即放电重复频率随相位和放电量的分布特性。其中已对脉冲幅值进行了全过程最大值归一化处理。

4 局放特征量表征绝缘缺陷的发展

图13显示了4次120min多放电点试验的脉冲重复率随加压时间的变化趋势。4次试验的脉冲重复率在前60min逐渐增大，60min之后除第4次试验外，整体上都呈现微弱增大的趋势。而第4次试验的脉冲重复率在60min之后有微弱减小的趋势，这与上文分析的单一放电点试验的脉冲重复率变化趋势相一致。结果表明，多放电点试验检测到的局放信号虽然是多放电信号某种关系的叠加值，但其宏观特征量脉冲重复率变化趋势与单一放电点的情况是一致的。参照对炭化通道的分析处理方式，同样求取同一试验时间段脉冲重复率的平均值作为统计性结果。

图13 120min各试验脉冲重复率的变化趋势

分别绘制30min、60min、90min和120min加压时间段各试验的平均脉冲重复率随试验时间的变化趋势如图14所示。由图14可以看出，虽然同等试品和试验条件下放电通道个数及特征的差异导致了局放特征量脉冲重复率在幅值上的差异，但脉冲重复率随试验时间的发展变化具有比较统一的阶段性趋势。

图14 不同加压时间试验的脉冲重复率变化趋势

以120min加压时间段的平均脉冲重复率为例，参照上文对炭化通道发展规律的幂函数拟合，同样对脉冲重复率随试验时间变化规律作幂函数拟合。转化为对脉冲重复率和时间分别求对数即ln和ln的线性拟合如图15所示。线性拟合求得参数为=0.271 6，7.220 5。进一步求得拟合的幂函数为

即拟合得到的幂函数与式（2）一样均为横抛上凸的幂函数，表明脉冲重复率与炭化通道具有相同的发展变化趋势。

图15 lnN和lnt的线性拟合

利用同样的方法，对局放信号的脉冲1s放电量进行分析处理，得到120min各试验脉冲1s放电量随试验时间的变化趋势、不同加压时间试验的1s放电量趋势和对脉冲1s放电量及时间分别求对数后的线性拟合分别如图16、图17和图18所示。并求得拟合的幂函数表达式为

图17 不同加压时间试验的脉冲1s放电量变化趋势

图18 lnq和lnt的线性拟合

试验表明脉冲1s放电量与炭化通道也具有相同的发展变化趋势。

5 结论

（1）恒压加速电劣化作用下匝间油纸绝缘局部放电缺陷即炭化通道沿宏观电场的纵向发展呈现增长、停滞和击穿三个基本阶段，这与交联聚乙烯电缆绝缘材料中丛林状电树枝的生长规律较为类似。

（2）匝间油纸绝缘电劣化缺陷发展过程中局部放电的脉冲重复率和脉冲1s放电量与炭化通道的纵向发展呈现一致的变化趋势，且均可较好地拟合为横抛上凸的幂函数。因此脉冲重复率和脉冲1s放电量可以宏观表征匝间油纸绝缘电劣化缺陷的发展状况，为油纸绝缘局部放电严重程度阶段的准确划分提供参考依据。

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Development Rules of Accelerated Degradation of Oil-Paper Insulation between Turns in Transformer Windings Induced by Partial Discharge

112111

（1. Beijing Key Laboratory of High Voltage and Electromagnetic Compatibility North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Tests based on the inter-turn partial discharge model are conducted to study the development rules of oil-paper insulation material defects generated by partial discharge in power transformers and its possible correlation with the characteristics of partial discharge. The constant voltage is adopted in this series of tests. High voltage is applied on the inter-turn electrode specimens with different time length in different groups of tests. Real-time detection is conducted to record conventional impulse current signals from partial discharge. After tests, insulation tapes were stripped from inter-turn electrodes lay by layer. In this way, the statistical laws about the development rules of the carbon channels generated by accelerated degradation between turns are acquired. The results show that the development of the carbon channels generated by accelerated degradation under a high constant voltage can be divided into three basic stages: growth, stagnation, and breakdown. The pulse repetition rate and the summation of pulse amplitude per second can reflect the insulate degradation development state of the inter-turn oil paper system. Based on these results, the severity of partial discharge in the oil-paper insulation can be assessed accurately.

Transformer, oil-paper insulation, partial discharge, accelerated degradation, carbon channels, development rule

TM835

程养春 男，1974年生，博士，教授，研究方向为高电压电气设备在线监测、故障诊断与状态评估，新型传感器及其应用和高电压测量技术。

魏金清 男，1989年生，硕士研究生，研究方向为高压电气设备在线监测与故障诊断。

2013-06-20 改稿日期 2013-08-07

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2009CB724508）资助项目。