油流带电分析

一、油流带电现象在强迫油循环的大型电力变压器中，由于变压器油流过绝缘纸及绝缘纸板的表面时，会发生油流带静电现象，简称油流带电。

油流带电现象国内外均有发生，惕1989年报导，美国曾有12台大型变压器因油流带电现象而损坏。

我国曾于1992年对国产大型变压器质量进行过调查，调查结果表明，油流带电引发的静电放电是威胁国内大型变压器安全运行的重要因素之一。

油流带电机理关于油流带电的机理目前尚有争论，现有的研究结果认为可以从油流的流动作用和交流电场的电动作用两方面来认识。

就油流的流动作用而言，比较普遍的看法是，变压器的固体绝缘材料（如绝缘纸和纸板）的化学组成是纤维素和木质素，其中纤维素带有羟基（-OH），木质素带有羟基、醛基（-CHO）和竣基（-COOH）。

在变压器油的不断流动下，油与绝缘纸板发生摩擦，使得这些基团发生电子云的偏移，即这样，纤维素和木质素分子就被-Hδ+的正电性所覆盖，绝缘纸板表面就如同覆盖着一层正极性的氢原子。

带正电性的-Hδ+对油中负离子具有较强的亲合作用，进而吸附油中负离子，并在油一纸界面上形成仍电层。

当变压器油以一定速度流动时，偶电层的电荷发生分离，负电荷仍附着在纸板表面，正电荷进入油中并随油流动，形成冲击电流，如图1－－82所示。

这样，油就带正电，而纸板表面带负电。

随着油的循环流动，油中正电荷越积越多，当积聚到一程度就可能向绝缘纸板放电。

影响油流带电的主要因素（一）油流速度与温度的影响油流速度是最主要的影响因素。

油流速度增加，油流带电程度随之严重，通常认为在2～4倍的额定流速（平均流速）下，带电倾向较为明显。

例如，西北某水电厂的#1～#3主变压器油中乙炔、总烃含量超标，乙炔含量最高达30ppm，总烃最高达164PPm。

经测试和综合分析判断，认为#1～#3主变压器油中乙炔含量增高的重要原因是由于油流放电引起的。

为此将原来运行的4台潜油泵减少为3台，使油流速度降低，半年的监测表明：乙炔含量明显降低，并一直趋于稳定。

由于油流速度与温度有关，所以温度变化时，油流带电程度也随之变化。

图1－－87示出了在不同流速下，绕组泄漏电流与温度的关系曲线。

由图可见，当油温在50～60℃之间时，油流所产生的泄漏电流达最大值。

通常，变压器恰工作在这样的温度范围，显然是不利的。

研究表明，油的流速在0．29m／s以下时，就不会发生放电现象，但为了安全要留有一定的格度。

（二）油流状态的影响油的流动分为层流和湍流，油流状态通常以雷诺数表示。

图l－88示出了油流状态（雷诺数）与泄电流的图1-87 不同流速下绕组泄漏电流与温度的关系图1-88 泄漏电流与雷诺数的关系关系。

从目中可以看出，当油流处在展流区时，泄漏电流与雷诺数成正比，且与温度有关。

而在湍流区，则与雷诺数的平方成正比。

从展流到湍流的过渡区域，由于油流极不稳定，电荷的分离与雷诺数的2～5次方成正比。

以层压纸管的油流来模拟油流的试验结果如图l－89所示。

A B C 位置图1-89 在层压纸管模型中静电感应电流的分布由图可见：（1）在纸管的入油口油流极不稳定，属湍流状态，其泄漏电流最大。

（2）在纸管的出口处，也有类似的湍流效应。

在实际的变压器中，绕组下部的进油口附近区域属湍流状态，因此该区域油流带电程度严重。

（三）励孩对油流带电的影响图l－90所示为在一台实际的500kV单相自耦壳式变压器模型上进行不同励磁下测量静电泄漏电流的试验结果。

由图可知，泄漏电流随励孩电压升高而增大，且与油温有关，泄漏电流的峰值效应明显。

图1－90变压器励磁对泄漏电流的影响（四）油系对油流带电的影响当油泵突然起动时，由于油流的扰动，交界面的偶电展快速被油流分离，会使油很快增加到一个较高的起始带电度，频繁起动油泵会加剧这种现象。

因此油泵的起动和切断应该逐步进行。

此外，由于油泵本身的油流速度较高，很容易分离电行，在设计时，油泵大多是位于冷却器下部，油泵旋转时产生的电荷经油泵本体对地释放一部分，但有人认为，人释放量不够，会影响变压器内部的油流带电，因此有些设计作了改进，其目的是使油进／变压器之前，有一段较长的电荷释放距离。

（五）油中水分的影响油中水分含量对油的流动带电倾向有明显的影响。

随着油中微量水分的减小，油中的带电倾向将增加，从图1-91所示的9种美国产新绝缘油的含水量与电荷密度的关系曲线中可以看出，当怕中微水含量小于15PPm时，油中电行密度剧增。

这与油的种类也有关，电荷密度较高的是一种经水解处理后再用漂白土过滤的油种，电行密度较低的是一种经水解处理后再以溶剂革取的油种，两者的区别是前者无抑制剂，后者则添有抑制剂，也即抽中的其他物质对电荷密度会有一定的影响。

合格的大型变压器中的绝缘油徽水含量低（约10PPm），使得电荷的泄放困难，故运行中的大型电力变压器油流带电问题较严重。

由于温度的变化，水分在油和纸质材料问有一个连续的动态平衡过程，由于这个过程在连续变化。

这相当于液、固两态界面的电导率在连续变化，这也就直接影响了油流带电。

图1-91电荷密度与油含水量的关系（六）固体纸绝缘材料表面状态的影响固体纸质绝缘表面吸附电荷的能力，随着其表面的粗糙度增加而增加，即纸质材料表面的网状结构将直接影响电荷的分离。

变压器内所使用的各种固体绝缘材料，在油流流过时的带电量（带电电位）与其表面状态的关系如图1－92所示。

由图可见，各种材料带电量图1一则电行密度与油含水量的关系大小不同，其大小顺序是：棉布带＞结纹纸＞压制板＞牛皮纸。

这是由于它们表面粗糙度不同所致，例如，棉布带表面粗糙度约为牛皮纸的10倍，其带电量也约为牛皮纸的10倍。

材料表面粗糙度增大，实际上是增加了与油质的接触面积，从而增加了吸附电荷的能力。

当表面的积累电荷一旦放电后，将会使材料表面变得更粗糙，从而变得更易积累电荷。

（七）油的电导率的影响油的电导率直接影响油中离子的含量和影响电荷的松弛时间常数。

一般认为，当电导率较低时，带电程度随电导率增大而增强，如图1－93所示。

但是，当电导率超过某一临界值时，油流带电程度则又随着电导率的增大而减小，且油流带电达到峰值时，电导率的区间一般是（2～5）×10-8S/cm.（八）介质损耗因数tgδ的影响图1-92 不同固体绝缘材料的带电量图1-93 油电导率与电荷密度的关系（测试温度30℃）油流带电与油本身的介质损耗团数tgδ的关系如图1－59所示。

尽管油流带电与其办存在有一定范围的不确定性，但总的趋势是tgδ增大时，带电倾向增加。

（九）其他现已查明，大型电力变压器的油流带电现象，除上述外，还与变压器油的加工精制工艺、油的老化、变压器的结构（包括泵、散热器、油箱等）、运行状况、油中杂质、光照、油一纸之间水分的迁移等因素有关。

油流带电的抑制方法（一）降低流速降低油的平均流速是防止油流带电的有效措施，一般将流速控制在0.5m/s以下，就可能避免因油流带电而发生的放电。

通常，降低流速的做法是改造原有的冷却系统，采用低流速、大流量的工作方式。

对此，可借助于改进油泵设计、流速设计和对冷却系统采用自动控制来实现。

（二）换油这是抑制油流带电的有效方法之一，并为多年的运行经验初步证实。

具体做法是将具有高带电趋势的油改换为具有低带电趋势的油。

然而，这种处理方式的长期效果如何，还需进积累经验。

（三）添加苯并三唑这是日本研究出的抑制大型变压器油流带电的一种方法，并使用多年。

具体做法是在变压器油中添加苯共三唑（简称BTA），添加量一般为10～50Ppm。

由于BTA中含有过剩电子、加入油中后，过剩电子一方面被吸附于固体绝缘材料上，使油流动摩擦时不再产生静电；另一方面，即使产生静电，也很容易被油溶解的BTA的过剩电子所中和，使油保持不带电荷。

图1－94 BTA含量与放电量间的关系图1－94示出了BTA对油中放电量的影响。

由图可见，添加5～10Ppm的BTA 时，变压器油放电量的降低是很明显的。

我国某单位对添加BTA的变压器跟踪了两年半，试验结果一直良好。

原电力部电力科学研究院对变压器油添加BTA抑制油流带电的效果进行了研究，其结果如图l－95。

图l－96和图l－97所示。

由此可以得如下结论：图1-95 变压器器油的带电倾向及tgδ（90℃）与BTA浓度的关系图1-96 变压器油的工频火花放电电压及电导率（90℃）与BTA浓度的关系（1）添加BTA可以降低变压器油的带电趋势。

（2）添加BTA对油的工频火花放电电压、tgδ及电导率没有不良影响，能降低电tgδ和电导率。

（3）添加BTA对油的氧化稳定性能有影响，随着BTA浓度的增加，酸值升高。

由此说明运行中变压器添加BTA可能会加速油的老化。

这些结论对应用和进一步研究添加BTA的方法是有重要意义的。

图1－97变压器油在空气中经llh、125℃高温氧化后的酸值与BTA浓度的关系（四）改进变压器设计合理设计油路结构及在油路中管径变化部分，为避免接头处的棱角，改为圆弧结构，以减少湍流效应的影响。

(五）加强在线监测或带电测量1．油中溶解气体的色谱分析变压器内有静电放电时，如果长时间继续下去，同样会引起油中可燃性气体增加，特别是H2和C2H2含量增加较明显。

图1－98和图1－99示出了模拟试验的结果。

由图1－99可见，模拟和实际情况比较接近。

由于目前应用色谱分析较难区别油流静电放电和其他性质的电气放电，因此尚需作进一步研究。

2．测量局部放电变压器因油流带电而引起放电时，可同时产生局放信号和超声信号，研究表明，以超声一电气组合法测量油流带电引起的局部放电的效果甚佳，测量时可以改变该变压器励磁电压和油泵的起动组数，以区别于其他性质的放电，因为只有油流性质的放电才和油泵相关。

由于电行积累需要一定的时间，因此油流带电的局部放电试验时间较长图1-98 放电次数和油中溶解可燃性气体的关系图1-99 油中可燃性气体组成百分图3．测量接地电流测量铁芯和绕组对地的静电对地泄漏电流（或直流电压）也能反映出油流带电的情况，这种静电泄漏电流（或直流电压）与变压器结构有关。

图1－100示出了一种油流带电测试线路，利用此线路可以测量多种参数。

图1－100 油流带电测试线路H一高压套管；L一低压套管，0一中性点套管；Ir-铁芯央件套管，Z一附抗;W-局放仪，G一数字示波器；C-传感召;S-超声被放大辞；GW一计算机；TO-打印机；Q-闸刀开关；A一微安表；V一静电电压表有人曾用上述线路对一台500kV变压器进行了测量，当启用两台冷却器，进油口处油的平均流速约为1.5m/s时测出有油流放电问题。

后来增大了进油口管径，导油盒上又开放油四分流，油速降为0．7m/s。

，在这种情况下没有油流放电现象。

对另一台500kV变压器进行测量时，当启用3台冷却器时，进油口处油的平均流速为0．68m/s，西区采油厂危险废物管理办法此时有油流放电发生，启用两台冷却器时，油速降为0.45m/s，油流放电就停止了。