變壓器油耐壓試驗的方法與分析
無論是在日常的維護(hù)或是設(shè)備新裝過程中，變壓器油的耐壓試驗都是一項重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，直接關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行。所以，試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性就尤為重要。而不同的方法和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致測定結(jié)果不同。本文就試驗方法及結(jié)果的分析判斷進(jìn)行一些討論。
1.試驗方法
1.1.試驗方法的分類
現(xiàn)階段我國關(guān)于絕緣油擊穿電壓測試方法的標(biāo)準(zhǔn)比較常用的有GB／T507—1986《電氣用油絕緣強(qiáng)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(qiáng)度測定方法》
制定，GB／T507—1986和DL／T429—1991這兩種標(biāo)準(zhǔn)的測試方法差別較大。
GB／T507—1986 DL／T429—1991
電極形狀 采用球形和球蓋形電極 采用平板倒角形電極
油杯容積 300～500mL， 不得小于200mL
適用范圍 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GB／T507—1986；在GB／T7595—2000《運(yùn)行中變壓器油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定擊穿電壓的測定采用GB／T507—1986或DL／T429—1991；在GB／T50150—1991《電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定絕緣油的電氣強(qiáng)度試驗采用GB／T507—1986，但試驗電極采用平板倒角形電極。來源:
圖1試驗方法的主要區(qū)別
1.2不同分類對擊穿電壓測定值的影響
選擇1號樣品油代表50~60KV的變壓器油
2號樣品油代表40~50KV的變壓器油
3號樣品油代表30~40KV的變壓器油
4號樣品油代表20~30KV的變壓器油
油樣編號 電極
形狀 按升壓速度統(tǒng)計平均 按間隔時間統(tǒng)計平均
3KV/s 2KV/s 5min 3min
擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV 擊穿電壓KV 偏差平均值KV
1號 平板 54.8 3.2 50.9 3.5 52.2 3.7 53.5 3.0
球形 59.7 1.1 58.7 3.2 58.9 2.3 59.5 1.9
球蓋形 56.4 4.2 55.5 5.8 55.4 5.1 56.5 5.0
平均值 57.0 2.8 55.5 4.2 55.5 3.7 56.5 3.3
2號 平板 46.8 6.5 43.5 4.7 44.6 5.2 45.7 5.9
球形 52.4 4.9 50.8 6.5 51.9 5.0 51.3 6.4
球蓋形 46.7 7.9 44.4 10.1 44.1 10.9 47.0 7.0
平均值 48.6 6.4 46.2 7.1 46.9 7.0 48.0 6.4
3號 平板 31.6 4.5 35.4 4.5 33.8 4.4 33.2 4.7
球形 38.2 5.4 40.4 6.5 37.8 5.9 40.8 5.4
球蓋形 36.7 7.6 37.9 7.1 36.1 7.2 38.6 7.5
平均值 35.5 5.8 37.9 6.0 35.9 5.8 37.5 6.0
4號 平板 28.1 3.6 31.7 3.8 29.3 3.9 30.5 3.4
球形 29.8 2.4 34.7 6.0 31.5 3.6 33.0 4.8
球蓋形 27.8 1.8 27.7 2.6 27.0 2.2 28.5 2.2
平均值 28.6 2.6 31.4 4.1 29.3 3.2 30.7 3.6
圖2實驗數(shù)據(jù)的比較
從實驗結(jié)果可以看出：使用三種不同結(jié)構(gòu)形狀電極測得擊穿電壓不論對那種油樣，都以球形電極的擊穿電壓值為最高，球蓋形次之，平板形相對較低。不同升壓速度和不同間隔時間對擊穿電壓影響不大。
1.3現(xiàn)狀調(diào)查
我局在2008年以前，設(shè)備都是在220KV及以下的電壓等級。所以我們在變壓器油耐壓試驗的方法上一直采用的是DL／T429—1991《電力系統(tǒng)油質(zhì)試驗方法》。而從500KV香山變電站的投運(yùn)以及即將開工的平頂山南500KV變電站開始，我局設(shè)備電壓等級又上了一個新的臺階。從而對我們在現(xiàn)有設(shè)備和實驗條件下電氣用油絕緣強(qiáng)度的測定提出了新的要求。
2影響試驗結(jié)果的主要因素
嚴(yán)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(xué)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(dá)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，用目前世界上最先進(jìn)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(yuǎn)未在電極之間極化和電離之前，就沿電場強(qiáng)度方向排列、聚集，進(jìn)而電離形成微小通路，即所謂“小橋”，小通路連接貫穿兩極，導(dǎo)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(jī)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(yùn)動，導(dǎo)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(qiáng)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(jī)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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
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(jī)）、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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。油杯的容量大孝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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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實驗結(jié)果及分析判斷
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(jī)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(jìn)行平均，或者按照數(shù)處理原則舍棄離散值再進(jìn)行平均，都不十分合適。筆者認(rèn)為，有些儀器使用說明中建議當(dāng)6個數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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)生電擊穿的概率最大，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(zhǔn)確性
得到準(zhǔn)確可靠的絕緣油擊穿電壓值，是擊穿電壓試驗的最終目的。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校
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(fù)誤差，即測得結(jié)果小于真值。
通過調(diào)查分析我們認(rèn)為，按照DL／T429—1991規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和操作方法可以保證500KV及以下變壓器油實驗結(jié)果的可靠性。即使是測得值介于合格與不合格之間，我們也可以采用對比試驗的方法，驗證油杯和電極對結(jié)果的影響。進(jìn)而保證變壓器油實驗結(jié)果。
