干式變壓器油擊穿電壓試驗的幾個問題
摘要：對兩個國家標準和行業標準推薦的絕緣油擊穿電壓的測量方法進行了比較，分析了這些標準目前的執行現狀，提出了改進試驗方法的建議。從絕緣油的擊穿機理出發，分析了影響絕緣油擊穿電壓測量準確度的主要因素，以及判斷擊穿電壓測量準確度和精確度的原則。關鍵詞：絕緣油；擊穿電壓；目前，國內電力行業對絕緣油擊穿電壓的測試采用了幾種不同的方法和標準。這些方法之間存在明顯的差異，從而導致不同的測量結果。不同部門對方法和標準的理解和認識不統一，對結果的解釋也不盡相同。本文擬就測定方法的統一和結果的分析判斷進行探討。1試驗方法1.1標準對比目前，測試絕緣油擊穿電壓常用的標準有GB/T507—1986 《電氣用油絕緣強度測定法》和DL/T429—1991 《電力系統油質試驗方法》，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差別不大。GB/T507—1986和DL/T429—1991的試驗方法差異較大(前者簡稱為“方法1”，后者簡稱為“方法2”)。主要有兩個區別：一是電極形狀不同；方法1的電極形狀為球形和球冠形，而方法2的電極形狀為平倒角；第二，油杯容量的測量不同。方法1規定油杯容量為300~500 mL，方法2規定油杯容量不得小于200mL(DL/T429—1991附錄對小電極、小油杯、小間隙有其他試驗方法)。DL/T429—1991中有一條注釋：“經過濾、脫氣、干燥后的油和電壓高于220 k V的電氣設備，應按GB507 《電氣用油絕緣強度測定法》用球冠電極進行試驗。”測量干式變壓器油質的相關標準中明確規定了這兩種方法的應用：GB/T 2536—1990 《干式變壓器油》和SH0040—1991 《超高壓干式變壓器油》規定采用第一種方法測量擊穿電壓；GB/T 7595—2000《運行中干式變壓器油的質量標準》中規定，擊穿電壓應采用方法一或方法二測量。GB/T 50150—1991 《電氣設備安裝工程電氣設備交接試驗標準》中規定絕緣油的電氣強度試驗采用方法1，但試驗電極采用平倒角電極。1.2.1現狀據筆者調查，目前國內電力行業，尤其是供電系統和安裝系統，大多采用方法2來測試絕緣油的擊穿電壓，即采用平倒角電極和小油杯進行測試，但忽略了DL/T429—1991中的注意事項，從任何狀態和電壓等級的電氣設備上采集的油樣均采用方法2進行測試。1.2.2原因分析基本上用第二種方法測試電力系統中絕緣油的擊穿電壓。這種情況有歷史原因，也有第一種方法油耗大的原因。多年來，各石油部門一直采用第二種方法測試擊穿電壓，并設計了相應的測試設備(如電極和油杯)以適應第二種方法。為了嚴格執行標準，根據不同的油樣隨時更換油杯和電極，檢測設備必須更新改造，給檢測人員增加了很多麻煩。在大多數情況下，測試人員使用一個電極和一個油杯來測試所有油樣。如果測試結果能滿足不同等級絕緣油的擊穿電壓標準，這也是一個不錯的選擇，不會有異議。但是，如果測量值介于合格和不合格之間，就會出現麻煩。比如需要測量一臺500kV干式變壓器油在運行中的擊穿電壓，使用平倒角電極，小油杯，配套升壓設備等測試設備。電極間距為2.5 mm，測得結果為46 k V，明顯不符合GB/T 7595—2000擊穿電壓不低于50 K V的要求，但此時不能判定此油樣不合格，因為根據DL/T429—1991中的注釋，電壓高于220 kV的電氣設備的油擊穿電壓試驗應按方法1進行。來判斷這個油樣
有的單位采用散裝油深化處理的手段，仍然使用平倒角電極，直到測量值合格。這使得絕緣油的絕緣更加可靠，但卻增加了加工成本，極不經濟。平倒角電極、球形電極和球冠電極測得的擊穿電壓值存在顯著差異。在GB/T 7959—2000附錄B中，比較了三種電極測量的擊穿電壓值：球形電極比平倒角電極高6 KV左右；球冠電極比平倒角電極高3 ~ 6 K V。當油的擊穿電壓低于30 k V時，球形和平面倒角電極的測量值基本相同。然而，這只是一個統計規則。不可能簡單地在平倒角電極測得的擊穿電壓值上加3 ~ 6千伏，對單個油樣來說可能差別很大，也可能很小。方法一是耗油量大，需要從電氣設備上多次取樣。對于油量較少的電氣設備，如變壓器、電抗器、開關等油量較少的設備，必須在多次取樣后進行補油。所以很多單位都選擇了第二種方法，用小油杯測試。1.3檢驗方法的改進建議A)方法標準要向國際標準靠攏。目前，IEC156的測試方法得到了世界上大多數國家的認可，其普遍性和先進性毋庸置疑。在標準化工作中，優先采用先進的、國際通行的標準制定國家標準是一個非常重要的原則。GB/T507-1986基本參照IEC156制定，要求基本一致。b)考慮到運行中的電氣設備的油量略少，試驗油杯的容量對試驗結果影響不大，GB/T507—1986中油杯容量的限制可以放寬，如從300500ml放寬到200500ml。c)第一種方法比第二種方法更接近絕緣油的實際使用情況。充油電氣設備中的油隙擊穿是在場強相對較高且集中的區域，更類似于球形或球冠形電極間隙，而不同于平倒角。
形電極間隙。2 影響試驗結果的主要因素 嚴格地講，不含水分、灰塵和纖維等雜質的純凈油，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，不同牌號和產地的絕緣油應該具有大致相同的擊穿電壓，并且同一試樣平行試驗結果的分散性也不大，擊穿電壓值能達到200 k V以上（電極距離2．5 mm）。但實際應用中的油和“純凈油”有極大的不同，用目前世界上較先進的凈化設備多次處理后的絕緣油，其含水量也往往大于2 mg／kg，每100 mL油中長度大于5μm的雜質顆粒不少于數千個；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。這些油中的雜質和溶解于油并與油分子緊密結合的水分子，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密切相關。油中雜質分布的不均勻性和雜質顆粒的運動，導致油隙間雜質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，各種試驗標準都規定取6次試驗的平均值作為試驗結果，這種規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定，使這些因素對結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）、數據輸出裝置（模擬儀表或數顯打印機）、計時裝置等，每一部分的異常都會使測定結果產生誤差，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定。升壓裝置的此項性能應由生產廠家在儀器的設計生產中予以保證，用戶可在選購儀器時向生產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果帶來影響，為此相關標準中都有明確的規定。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果帶來明顯的差異。2．2 環境的影響 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，應盡可能在有空調的潔凈、干燥的試驗室內進行測定，尤其是在我國南方潮濕多雨的季節和北方沙塵較大的季節，防止環境條件對測定結果的影響。3 對試驗結果的分析判斷3．1 試驗數據的分散性 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和絕緣油中所含雜質的分布狀態都是隨機的。數據處理中，不論6個數據分散性有多大統統進行平均，或者按照數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個數據的標準差s≥10kV（電極距離2．5 mm）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生電擊穿的概率較大，偏離此點較多的過高值和過低值出現電擊穿的概率較低，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 試驗數據的準確性 得到準確可靠的絕緣油擊穿電壓值，是擊穿電壓試驗的較終目的。若對試驗結果產生懷疑，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。此項工作一般生產廠家都已做了，在正常使用中發生變化的可能性不大，在使用中若沒有發生明顯的損壞，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，油杯的材料、形狀等，都會使測定值出現負誤差，即測得結果小于真值。4 結束語 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定，統一測定方法，繼這樣將可以大大提高我國絕緣油擊穿電壓測定的技術水平。參考文獻：
［1］溫念珠，郝有明．電力用油及監督［Z］．沈陽：東北電力試驗研究院，1993．［2］GB／T7595—2000，運行中干式變壓器油質量標準［S] 來源：廣東電力
