干式变压器油击穿电压试验的几个问题
摘要：对两个国家标准和行业标准推荐的绝缘油击穿电压的测量方法进行了比较，分析了这些标准目前的执行现状，提出了改进试验方法的建议。从绝缘油的击穿机理出发，分析了影响绝缘油击穿电压测量准确度的主要因素，以及判断击穿电压测量准确度和精确度的原则。关键词：绝缘油；击穿电压；目前，国内电力行业对绝缘油击穿电压的测试采用了几种不同的方法和标准。这些方法之间存在明显的差异，从而导致不同的测量结果。不同部门对方法和标准的理解和认识不统一，对结果的解释也不尽相同。本文拟就测定方法的统一和结果的分析判断进行探讨。1试验方法1.1标准对比目前，测试绝缘油击穿电压常用的标准有GB/T507—1986 《电气用油绝缘强度测定法》和DL/T429—1991 《电力系统油质试验方法》，其中GB/T507—1986主要参照IEC156 《绝缘油电气强度测定方法》制定，与IEC156差别不大。GB/T507—1986和DL/T429—1991的试验方法差异较大(前者简称为“方法1”，后者简称为“方法2”)。主要有两个区别：一是电极形状不同；方法1的电极形状为球形和球冠形，而方法2的电极形状为平倒角；第二，油杯容量的测量不同。方法1规定油杯容量为300~500 mL，方法2规定油杯容量不得小于200mL(DL/T429—1991附录对小电极、小油杯、小间隙有其他试验方法)。DL/T429—1991中有一条注释：“经过滤、脱气、干燥后的油和电压高于220 k V的电气设备，应按GB507 《电气用油绝缘强度测定法》用球冠电极进行试验。”测量干式变压器油质的相关标准中明确规定了这两种方法的应用：GB/T 2536—1990 《干式变压器油》和SH0040—1991 《超高压干式变压器油》规定采用第一种方法测量击穿电压；GB/T 7595—2000《运行中干式变压器油的质量标准》中规定，击穿电压应采用方法一或方法二测量。GB/T 50150—1991 《电气设备安装工程电气设备交接试验标准》中规定绝缘油的电气强度试验采用方法1，但试验电极采用平倒角电极。1.2.1现状据笔者调查，目前国内电力行业，尤其是供电系统和安装系统，大多采用方法2来测试绝缘油的击穿电压，即采用平倒角电极和小油杯进行测试，但忽略了DL/T429—1991中的注意事项，从任何状态和电压等级的电气设备上采集的油样均采用方法2进行测试。1.2.2原因分析基本上用第二种方法测试电力系统中绝缘油的击穿电压。这种情况有历史原因，也有第一种方法油耗大的原因。多年来，各石油部门一直采用第二种方法测试击穿电压，并设计了相应的测试设备(如电极和油杯)以适应第二种方法。为了严格执行标准，根据不同的油样随时更换油杯和电极，检测设备必须更新改造，给检测人员增加了很多麻烦。在大多数情况下，测试人员使用一个电极和一个油杯来测试所有油样。如果测试结果能满足不同等级绝缘油的击穿电压标准，这也是一个不错的选择，不会有异议。但是，如果测量值介于合格和不合格之间，就会出现麻烦。比如需要测量一台500kV干式变压器油在运行中的击穿电压，使用平倒角电极，小油杯，配套升压设备等测试设备。电极间距为2.5 mm，测得结果为46 k V，明显不符合GB/T 7595—2000击穿电压不低于50 K V的要求，但此时不能判定此油样不合格，因为根据DL/T429—1991中的注释，电压高于220 kV的电气设备的油击穿电压试验应按方法1进行。来判断这个油样
有的单位采用散装油深化处理的手段，仍然使用平倒角电极，直到测量值合格。这使得绝缘油的绝缘更加可靠，但却增加了加工成本，极不经济。平倒角电极、球形电极和球冠电极测得的击穿电压值存在显著差异。在GB/T 7959—2000附录B中，比较了三种电极测量的击穿电压值：球形电极比平倒角电极高6 KV左右；球冠电极比平倒角电极高3 ~ 6 K V。当油的击穿电压低于30 k V时，球形和平面倒角电极的测量值基本相同。然而，这只是一个统计规则。不可能简单地在平倒角电极测得的击穿电压值上加3 ~ 6千伏，对单个油样来说可能差别很大，也可能很小。方法一是耗油量大，需要从电气设备上多次取样。对于油量较少的电气设备，如变压器、电抗器、开关等油量较少的设备，必须在多次取样后进行补油。所以很多单位都选择了第二种方法，用小油杯测试。1.3检验方法的改进建议A)方法标准要向国际标准靠拢。目前，IEC156的测试方法得到了世界上大多数国家的认可，其普遍性和先进性毋庸置疑。在标准化工作中，优先采用先进的、国际通行的标准制定国家标准是一个非常重要的原则。GB/T507-1986基本参照IEC156制定，要求基本一致。b)考虑到运行中的电气设备的油量略少，试验油杯的容量对试验结果影响不大，GB/T507—1986中油杯容量的限制可以放宽，如从300500ml放宽到200500ml。c)第一种方法比第二种方法更接近绝缘油的实际使用情况。充油电气设备中的油隙击穿是在场强相对较高且集中的区域，更类似于球形或球冠形电极间隙，而不同于平倒角。
形电极间隙。2 影响试验结果的主要因素 严格地讲，不含水分、灰尘和纤维等杂质的纯净油，击穿起始于个别油分子在电场中的极化、电离，其化学组成对击穿电压影响不大，不同牌号和产地的绝缘油应该具有大致相同的击穿电压，并且同一试样平行试验结果的分散性也不大，击穿电压值能达到200 k V以上（电极距离2．5 mm）。但实际应用中的油和“纯净油”有极大的不同，用目前世界上较先进的净化设备多次处理后的绝缘油，其含水量也往往大于2 mg／kg，每100 mL油中长度大于5μm的杂质颗粒不少于数千个；另外在取样测定过程中油样也不可避免地与周围大气接触，大气中的水分、飘尘会不可避免地混入油中。这些油中的杂质和溶解于油并与油分子紧密结合的水分子，在纯净的油分子远未在电极之间极化和电离之前，就沿电场强度方向排列、聚集，进而电离形成微小通路，即所谓“小桥”，小通路连接贯穿两极，导致油迅速击穿。油中杂质越多，越易形成小桥，击穿电压越低。测定绝缘油的击穿电压，实际上是在衡量绝缘油中杂质含量的多少，即判断绝缘油被污染的程度。 油的击穿过程实际上是随机的，与油隙电场的瞬间状态密切相关。油中杂质分布的不均匀性和杂质颗粒的运动，导致油隙间杂质颗粒的分布随时间改变而不同，因此小桥在电场中的位置是不可预知的。尤其是对于平板倒角形电极而言，相对均匀的电场比球形和球盖形电极所形成的同等强度的电场所占的空间体积要大得多，小桥形成的位置更加不可预知，形成的概率也要大得多。这也是平板倒角形电极测定油的击穿电压值比另两种电极的测定值低的根本原因。 由以上击穿机理的分析，我们可以得知油隙的击穿虽然是短暂的一瞬间，其过程却是复杂的，即使是一杯试样，在多次击穿试验中的测得值也是分散性很大的，各种试验标准都规定取6次试验的平均值作为试验结果，这种规定在一般的测试中是不多见的。把一些显而易见的影响因素作人为的严格规定，使这些因素对结果的影响维持在一个恒定的水平是十分必要的。2．1 试验仪器的影响 试验仪器包括升压装置（手动或自动）、油杯和电极、搅拌装置（手动或自动）、数据输出装置（模拟仪表或数显打印机）、计时装置等，每一部分的异常都会使测定结果产生误差，全自动的仪器较好，在测定过程中基本上消除了人为因素的影响。2．1．1 升压装置 升压装置的输出电压波形是否近似正弦波，输出电压是否与输出显示一致，对结果的准确性有很大影响，不同的测试仪器，其升压装置的性能必须确保符合标准的规定。升压装置的此项性能应由生产厂家在仪器的设计生产中予以保证，用户可在选购仪器时向生产厂家索要升压装置输出电压频谱分析和输出电压峰值的检测报告。2．1．2 油杯和电极 电极的形状不同，电极周围空间的电场也截然不同，平板倒角形电极之间的电场可以大致看成是均匀电场，而球形和球盖形电极之间的电场为不均匀电场，绝缘油在不同电场中的表现也完全不同。油杯的容量大小、电极浸入绝缘油的深浅都会给测定结果带来影响，为此相关标准中都有明确的规定。实践表明，电极的加工和装配水平、油杯的形状和材料等不同都会给测定结果带来明显的差异。2．2 环境的影响 大气中的飘尘和水气不可避免地要混入待测油样中，从而使测定值偏低，因此标准中有油杯加防尘盖和尽快完成测定的提法，有条件的话，应尽可能在有空调的洁净、干燥的试验室内进行测定，尤其是在我国南方潮湿多雨的季节和北方沙尘较大的季节，防止环境条件对测定结果的影响。3 对试验结果的分析判断3．1 试验数据的分散性 一个绝缘油油样6次击穿电压试验的测定值，其分散性是较大的，根本原因在于击穿瞬间两个电极之间的电场分布状态和绝缘油中所含杂质的分布状态都是随机的。数据处理中，不论6个数据分散性有多大统统进行平均，或者按照数处理原则舍弃离散值再进行平均，都不十分合适。笔者认为，有些仪器使用说明中建议当6个数据的标准差s≥10kV（电极距离2．5 mm）时重新取样测定，这一提法值得推荐。较准确地说，我们测得的击穿电压值只是说明该绝缘油在平均值附近发生电击穿的概率较大，偏离此点较多的过高值和过低值出现电击穿的概率较低，并不是说该绝缘油在此点一定被击穿。选择击穿电压值较集中的范围，取不少于6个测定值的平均值作为测定结果是较为合理的，这样更能较真实地反映绝缘油的平均被污染水平。3．2 试验数据的准确性 得到准确可靠的绝缘油击穿电压值，是击穿电压试验的较终目的。若对试验结果产生怀疑，建议用下述办法处理： a）检验升压装置输出电压波形和幅值。此项工作一般生产厂家都已做了，在正常使用中发生变化的可能性不大，在使用中若没有发生明显的损坏，由此引起的误差可能性很小。 b）在测得值介于合格与不合格之间时，采用对比试验的方法，验证油杯和电极对结果的影响，即同时在不同的试验室，用不同的电极和油杯测定同一油样，在确保两对电极间距离都是（2．5±0．1）mm的前提下，测定值较高的应更接近于真值。这是因为只有电极间距离过大才会使绝缘油的击穿电压测定值的误差为正误差，其余各种影响因素，包括电极形状、加工精度和表面状态，油杯的材料、形状等，都会使测定值出现负误差，即测得结果小于真值。4 结束语 综上所述，由于影响击穿电压测定的因素较为复杂，人为作一些严格的规定，统一测定方法，继这样将可以大大提高我国绝缘油击穿电压测定的技术水平。参考文献：
［1］温念珠，郝有明．电力用油及监督［Z］．沈阳：东北电力试验研究院，1993．［2］GB／T7595—2000，运行中干式变压器油质量标准［S] 来源：广东电力
