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    作者简介：本文作者朱英浩同志系沈阳变压器研究所总工程师，我国变压器行业唯一的中国工程院院士。       

1.局部放电(一)

2.局部放电(二)

3.局部放电(三)

4.局部放电(四)

5.三相交流系统的对称分量法

6.空载电流的谐波分量

7.变压器不对称运行时的对称分量

   在电场强度作用下，在变压器绝缘系统中局部区域有绝缘性能薄弱的地方会被激发出局部放电，局部放电是不足以贯通施加电压的两个电极间形成放电通道，即平常所说的击穿。如果将局部放电量控制在一定放电量水平以下，对绝缘不会引起损伤，所以局部放电试验是一种无损探测绝缘特性的试验，在一定的局部放电试验电压与大于局部放电试验电压并模拟运行中过电压的局部放电预激发电压作用后，在以后的局部放电试验电压持续时间内测局部放电视在放电量，如局部放电视在放电量小于标准规定值，即认为变压器能通过局部放电试验。这项试验比传统的短时工频耐压试验要严格，因短时工频耐压试验是以绝缘结构中是否有击穿作为能否通过试验的准则。局部放电试验能检测出绝缘上薄弱的部位，在运行中检测局部放电量可探测出潜在的绝缘薄弱部位。而短时工频耐压试验，只能探测到绝缘结构能否承受住各种过电压或试验电压的作用，要么承受住，要么承受不住，发现不了潜在的绝缘薄弱地位。所以说，局部放电试验是一种比较理想的绝缘试验项目，是一项正在推广应用范围的试验项目，凡是能通过局部放电试验的变压器，在运行中可靠性是比较高的。因此应对局部放电特性及检测加以研究，使变压器达到低局部放电量水平的要求，某些试验用变压器还应达到无局部放电的水平。

   在油纸绝缘的变压器中，在内部带电电极上，固体绝缘部件的表面(油与绝缘材料的分界面)或内部、变压器油内部所发生的局部放电都统称为局部放电，发生在被气体所包围的电极表面或附近气体中局部放电则称为电晕。变压器的允许局部放电量水平不包括套管在空气中的电晕所产生的允许局部放电量水平，只是指油箱内部所产生的局部放电量水平。对三相变压器可以分相测出每一相的局部放电量水平。对每一相的局部放电量而言，包括其它绕组传递到被测绕组的局部放电量。每一相的高压、中压与低压绕组有其各自的局部放电量。每一相高压绕组(或中压或低压绕组)的局部放电量可能来自线端套管、中点套管、有载调压分接开关或无励磁分接开关、引线、绕组、各种接地零部件、绝缘内部、变压器油等处。但最容易产生局部放电的地方是气隙、绝缘件内部的气隙、变压器油中气泡。

   当变压器上施加电压后，绝缘介质内承受的电场强度与介电常数成反比，如纸中含气隙，纸的介电常数比气隙的介电常数要高。因此气隙要承受较高的电场强度，而气隙的允许场强又低。因此，纸中气隙是绝缘上的薄弱点，最易产生局部放电。当然气隙会不会产生局部放电要达到两个因素：首先，气隙上的承受场强超过起始局部放电允许场强；其次气隙内要存在一定的有效自由电子。

   所以，要控制绝缘材料内不准有气隙存在，包括制造中剩留的气隙及运行中绝缘材料裂解出的气体所形成的气隙，在绝缘件干燥时要注意加温与降温的速度，防止骤热膨胀后形成绝缘件开裂层中的气隙。变压器油必须脱气后才能注入变压器中。要控制最热点温度不超过140℃～160℃，避免纸和油的裂解。变压器试验前要停放足够时间，局部放电试验前要将顶部存气，通过放气阀释放尽。

   另外，对带电电极或接地电极而言都应有电极表面圆整化处理，以降低承受场强。防止各种悬浮电位的电极存在。因为带电电极，接地电极与悬浮电位电极都有可能产生局部放电，往往是接地电极产生的局部放电不被人们所注意。变压器油中存金属杂质时就是悬浮电位的电极。可通过采用低介电常数绝缘纸与纸板来改善场场强分布。

   总之，低局部放电量的变压器具有较高的运行可靠性。

   目前都是通过视在放电电荷来评定局部放电对绝缘系统的危害程序。实际发生局部放电处的放电电荷无法检测，通过等效电路可推导出视在放电电荷与实际放电电荷的关系式，所以可用稳定的、最大的视在放电电荷pC量来标定局部放电量。一般视在放电电荷要比实际放电电荷小，故允许的变压器本体局部放电量已考虑这个因素而规定得低些。但应注意，当变压器采用油纸套管时，套管的局部放电量将按变压器入口电容与套管电容之比放大而相当于变压器本体的视在放电量。所以套管的局部放电量允许值要比变压器本体局部放电量允许值低得多。如变压器入口电容等于套管电容的10倍，那么套管内产生10pC的放电量，相当于100pC的变压器本体视在放电量。对变压器本体局部放电量有严格要求时，应同时对套管放电量作严格的控制，只有套管局部放电量符合规定后才能装到变压器主体上。

   另外要注意，只有在变压器线端测得的局部放电量才能评定变压器的局部放电水平，在三相变压器中点测得的局部放电量不能用作评定变压器局部放电水平的评定，因为从中点测得的放电量有较大偏差，不能反映实际情况。从A、B、C三个套管(包括高压、中压、低压各三个套管)可测得每相每个绕组的局部放电量。

   评定变压器局部放电量主要指油内绝缘系统，不包括套管在空气中的电晕，因此允许在套管顶部带电部分加屏蔽罩以防止外部电晕对局部放电量实测值的影响，联接线外加防晕管(注：外部电晕一般用无线电干扰的μV数评定，μV与pC间无直接联系，还不能折算)。要防止来自电源的高频干扰，来自中间变压器产生的局部放电量的干扰，试验时可采用安全接地与保护接地，但接地线不能形成环路，接地阻抗要尽量小，应在有屏蔽的大厅内作局部放电试验。

   在局部放电试验中，还应测量局部放电的起始放电电压与熄灭放电电压，对油纸绝缘的油浸式变压器而言，熄灭放电电压低于起始放电电压，所以，熄灭放电电压应高于系统最高工作电压，即U_m/。变压器本体、套管、有载分接开关或无励磁分接并关都应符合熄灭放电电压的规定。

   局部放电试验是一项出厂试验，在试验程序上，局部放电试验可预做一次，以便发现有无潜在绝缘性故障，另外在全部绝缘介质试验后正式做一次，以检测绝缘介质试验中有无绝缘上的潜在故障。

   局部放电试验时，对地试验电压与相间试验电压是不相等的。以单相电源作局部放电试验时，相间试验电压等于1.5倍对地试验电压，以三相电源作局部放电试验时，相间试验电压等于倍对地试验电压。所以，必须核对局部放电试验时的相间试验电压，要防止相间有较高的局部放电水平。如果U_m=126kV变压器要进行长时间感应试验并附带测量局部放电水平的特殊试验时，必须核对局部放电时相间的承受场强。

   对一台三绕组变压器而言，允许的局部放电的视在放电电荷pC规定值是适用于每个绕组。不是单指高压绕组要遵守此限值。对用于高压的套管要控制其局部放电量，用于中压与低压套管也要控制其局部放电量。对于分接开关也一样。对于低压注油式套管要另接电容分压器测低压的局部放电量。

   对高压、超高压与特高压变压器而言，如采用强油循环冷却时，在作局部放电试验过程中，标准中没有规定要启动潜油泵。但应保证变压器内无杂质。

   也可以对运行中变压器作局部放电的在线检测，这样，可及时发现潜在绝缘故障，可提醒应及早解决这些潜在故障。

   承受电场强度的大小能较大程度地影响变压器局部放电的视在放电电荷值。

   对油浸式变压器而言，当变压器油中含有不同介电常数的杂质时，场强分布会受到一定的影响。是引起局部放电的主要因素。

   今以平板电极为例来说明：

   图1a为平板电极间均匀电场的等位线分布电极间介质的介电常数为ε₁；

   图1b为平板电极间含有介电常数为ε₂的介质时电场畸变，ε₂＜ε₁；

   图1c为平板电极间含有介电常数为ε₂的介质时电场畸变，ε₂＞ε₁。

图1 不同介电常数的杂质对均匀电场的影响

   在平板电极间混入另一球形介质时场强计算可按图2进行。

（1）

   式中E₀为原均匀电场的场强。

   当ε₂＜ε₁时,E_z＞E₀意思是介电常数为ε₂的介质球位于介电常数为ε₁＞ε₂的均匀电场中时，由于电场的畸变，使介质球内的场强增大了。如果ε₁为变压器油的介电常数，且ε₁＝２.5;ε_２为空气的介电常数ε_２＝１，那么，E_z=1.25E₀。由于空气泡的工频许用场强很低，仅2MV/m左右，故当变压器油内的场强E₀达1.6MV/m时，空气泡就放电了，这样，一旦在变压器油中混入空气泡时，就会使油的许用场强降低，同时，由于空气泡受到介质力的作用还会向低场强处移动。

   再计算球外(r≥R)的场强：

   r方向为

       (2)

   θ方向为

      （3）

    （4）

   ε₁＞ε₂时，于r=R处，sinθ=1，即θ=90°、270°时E₁最大。这相当于图1b中A与B点。

（5）

   在ε₁=2.5、ε₂=1的情况下(即变压器油中混入空气泡时)E_1max=1.25E₀。但是，这种情况实际上是不存在的，因为此时空气泡早已放电了。溶于油中空气释放出来变为悬浮气泡也属此情况。

  当ε₁＞ε₂时。且r=R，cosθ=1时，即θ=0°，180°时E₁最小，这相当于图1b中的C与D点，由于介质球的ε₂＜ε₁使C与D处等位线变得稀疏，等位线都集中到A与B处去了。E_1min可从式(2)求出。

   当混入的介质球的介电常数ε₂大于电极间介质的介电常数ε₁，球内场强就减小，当ε₂≈∞，即混入金属球时，球内场强E≈0。球处场强于r=R，cosθ=1，即θ=0°、180°时E₁最大，故

(6)

   如ε₁为变压器油的介电常数，ε₁=2.5，ε₂为悬浮水珠的介电常数，ε₂=80，介质球表面最大场强为：

   E_1max=2.822E₀ (7)

   上式相当于图1c中的C与D点。因ε₂＞ε₁，就使C与D处的等位线密集，C与D点场强大于原均匀电场的场强E₀。如ε₂＝∞（即金属杂质或碳粒)，E_2max=3E₀。

   这些混入的金属球屑或悬浮水珠还要向高场强区移动。

   在r=R的球外最小场强位于sinθ=1，即θ=90°、270°处，相当于图1c中的A与B点。

   当(水珠)，(变压器油)时，E_2min=0.089E₀，即A与B点附近的场强接近于零。此时，等位线密集于C与D点处。

   如混入介质为圆柱形时，如纤维或金属丝，即可利用类似公式计算。混入金属丝(圆柱形)时E_2max=2E₀

   综上所述，油中不宜混入异物，油中含气与含水不能释放出来成为自由气体与自由水珠。

   油浸式变压器中纸中含水，在很大程度上影响局部放电量水平。

   当场强为3MV/m时，如纸中含水为0.5%，在220℃下才出现局部放电，当相同场强、纸中含水增加到2%时，在130℃下就出现局部放电。如热点温度为130℃，这是超名牌容量运行时允许的温度，如含水量为2%，就可能在这一热点温度下出现局部放电。如纸中含水超过2%时，会在更低温度下就出现局部放电。

  所以，在绕组或器身进行真空干燥处理时，应以纸中含水允许值作为干燥处理的终点判断依据，对厚绝缘的里外纸中含水应接近同一水平。同时还要控制油中含水。在运行中，根据不同运行温度，纸中含水会与油中含水达到平衡，运行温度提高，纸中含水向油中迁移，运行温度降低，油中含水向纸中迁移。所以在低温时，在较低温度就会出现局部放电。如厚绝缘里外纸中含水不等，在运行时里外纸中含水也会平衡。

  为了不能从外界空气中吸收潮气，对要保证局部放电量的油浸式变压器一定要采用全密封结构。用胶囊作隔膜时，还要使胶囊有较低的透气率。

   在变压器结构中，随着绝缘材料的老化，纸中氢、氧会因老化而结合成水。所以热点温度要加以控制，以免高温老化时析出化学结合水。

   控制变压器局部放电量主要因素还是控制电极表面形状，降低电极表面的电场强度，不同试验电压值，可设计成不同电极表面曲率半径，从而获得相同的电场强度。不仅要使带电电极表面能有较低的电场强度，更重要的是使接地电极表面也能有较低的电场强度。使带电的电极表面电场强度与接地电极表面电场强度都在允许电场强度以下。铁心是电容性接地，要注意控制远离接地片处的叠片电位。

   匝绝缘的允许电场强度还和匝绝缘与匝绝缘的接触面积有关，接触面积越大，允许电场强度越低。匝绝缘的允许电场强度还和包匝绝缘的单张纸带厚有关。

   改变电极表面曲率半径比增加绝缘距离有效。有时也可用屏蔽结构增加曲率半径。

   当中压和低压侧有局部放电时，它们会被传递到高压侧去。因此，当测出的变压器高压侧局部放电的视在放电电荷较大时，有时，不一定是高压侧产生局部放电的原因，而是由低压或中压侧传递过去的。因此要特别注意传递局部放电的放电量。

   对超高压和特高压变压器而言，还应注意长期工作电压下的局部放电水平。这是因为超高压和特高压变压器的各种试验电压在相对地下降，因而长期工作电压就显得突出。还要注意相间的局部放电水平。超高压和特高压变压器的相间绝缘水平相对讲要高些。

   根据连续几篇的局部放电方面的介绍，可以看出，局部放电试验是一项较好的试验项目，影响局部放电的因素又较多，包括电磁计算的场强控制，工艺参数的控制、如油中含水与含气控制，纸中含水控制，油中杂质含量控制，干燥时升温速度控制，电极表面圆整化加工，防止接地电极的较小曲率半径等等。要达到较低局部放电水平是要经过努力才能达到的，但是一旦能使变压器的局部放电水平符合标准规定要求，变压器的可靠性是高的，所以，在降低变压器局部放电水平上作些科研是值得的。随着技术的进步，对变压器局部放电的要求会越来越严，如不早作科研的预研，不会轻易达到要求的。

   新的IEC标准即将局部放电试验扩大到Um≥126kV的变压器，长期或短期工频感应试验都要测局部放电的视在放电电荷量，以前已作过介绍。

   在三相变压器中，由于磁路的饱和，会引起空载激磁电流含有高次谐波，当3、6、9……3n次高次谐波无回路时，会引起平顶波的磁通或尖顶波的感应电压。另外，在三相变压器运行中也会遇到不对称现象，即外施电压的不对称或负荷不对称所产生的不对称现象。分析上述问题的方法是采用三相对称分量法，将不对称三相参数分解为：正序分量、负序分量与零序分量的三组对称分量。因为空载激磁电流不呈正弦波形时可由傅立叶变换而分解成基波与高次谐波的分量，即。因为空载激磁电流是横轴对称波形的稳态电流。所以在高次谐波中不含偶次谐波，其余各次谐波也可用三相对称分量法来分析，如基波认为是正序分量，5次谐波为负序分量，3次谐波为零序分量。

   正序分量就是正常使用的三相稳态量，应具有下列物理概念：

   1.三相中每一相的电压与电流都应是正弦波的参数，即电压与电流随时间的变量应是正弦变量；

   2.三个相的相互间相位移都是120°电气角，见图1；

图1 正序分量相量图

   3.A、B、C三相相量以相同角频率逆时针方向同步旋转，A先达最大值、B与C依次达最大值；

   4.A、B、C三相相量的峰值与方均根值都相等；

   5.正序分量视为三相对称，三相分量的相量和为零。

   至于负序分量，仅图1中，B改为C，C改为B，即A先达最大值，C与B依次达量大值，其余与正序分量的概念完全相同三相分量的相量和也为零；不对称电压与不对称负荷的负序分量逆时针方向旋转，频率与正序分量逆时针方向旋转频率都相同，都是额定频率，负序分量是故障条件下建立起来的分量，而高次谐波的负序分量有5、7、11、13……等次高次谐波负序分量，逆时针方向旋转频率与基波正序分量逆时针方向旋转频率不同，而为5、7、11、13倍额定频率 。

   至于零序分量，三相的每相零序分量都是同相位，峰值都相同，三相相量和不等于零，是每相零序分量的三倍，所以零序分量是单相相量。不对称电压与不对称负荷的零序分量逆时针方向旋转频率与正序分量逆时针方向旋转频率都相同，都是额定频率。而高次谐波的零序分量有3、9……等次高次谐波零序分量，逆时针方向旋转频率与基波正序分量逆时针方向旋转频率不同，为3、9倍额定频率。

   不对称运行与高次谐波的三相对称分量相量可用图2表示。

图2 三组对称分量，a.正序分量；

b.负序分量；c.零序分量。

   在图2中，三个分量都有各自的峰值，即正序分量的幅值与负序或零序分量的幅值不一定相同。三个分量都有各自的起始旋转电气角，即每个相三个分量的峰值不一定同时达最大值。不对称运行时n=m=1；高次谐波时n与m为谐波的高阶次数。一般情况的三组对称分量见图3。

图3 通常情况的三组对称分量，同一瞬间相量

   当然，高次谐波也可用时间函数表示，空载激磁电流的波形可用图4(忽略5次以上谐波)表示。

图4 空载激磁电流波形

   将正弦波波形的电压施加于绕组上后，由于磁路的饱和现象，在铁心中产生的磁通波形为正弦波时，空载电流中激磁部分电流就不是正弦波波形。为保持正弦波波形的磁通与感应电压，变压器的接法应使绕组能从电源吸取空载激磁电流的谐波分量。

   当变压器为Y接法时，就不能从电源吸取空载激磁电流的谐波分量，磁路中磁通将为平顶波波形，感应电压就变为尖顶波波形。有时变压器虽为YN或ZN接法，电源侧中点绝缘，则这种YN或ZN接法与Y接法相同。

   变压器为Y接法时，一般只适用于配电变压器，铁心必须为三相三柱式，对三相三柱的磁路而言，零序磁通(即3、6、9……3n次谐波)不能在磁路内成回路，而必须在空气中在油箱的箱壁内成回路，它的磁阻较大，因此零序三次谐波磁通不大，对配电变压器而言，这一零序磁通只占基波磁通的5％左右，即使低压也为星形接法，感应电压还是接近于正弦波波形。但要注意，零序三次谐波磁通会在箱壁内产生损耗。另外两侧夹件不能通过铁轭螺杆形成短路，以免三次谐波磁通在短路环内感应电流而发热，尤其Yyn接法干式变压器更应注意这一现象。其它结构件也要防止对于零序三次谐波磁通形成短路环。

   如果一次侧为Y接法，二次侧为d接法时，铁心中零序三次谐波磁通就会在闭合d接法内感应出在d接内部循环的三次谐波电流，相当于空载激磁电流从d接法内吸取零序三次谐波空载激磁电流分量。此电流产生的三次谐波磁通抵消原有三次谐波磁通，最终保持正弦波波形磁通。

   对三相五柱铁心而言，情况就不同，当一次侧为Y接法时，零序三次谐波磁通能在旁轭中成回路，磁通就呈平顶波波形，感应电压呈尖顶波波形。这使感应电压为正弦波波形，在绕组中应有一绕组接成d接法，如用户不要求d接法绕组，也要有一个独立的d接法绕组以提供空载激磁电流的零序三次谐波分量。

   从以上分析可知，为获得正弦波波形的感应电压，三相三柱Yyn接法仅限于配电变压器。如不能从电源获得空载激磁电流的零序三次谐波分量时，也可从呈闭合回路的d接法绕组中吸取。三相五柱铁心结构的变压器必须有一个提供零序三次谐波空载激磁电流的d接法绕组，此d接绕组可单独输出功率或不输出功率仅为提供零序三次谐波空载激磁电流的一个绕组。

   Yyn接法配电变压器中，如负载也为yn接法，则空载激磁零序三次谐波电流也可在中点与各相内流通。有的照明负载也会吸取三次谐波电流(有磁路且易饱和的负载)，因Yyn接法的二次中线负载电流有限制时(限制高压一次侧中点电位漂移的需要)最好改用Dyn接法。

   Yyn接法配电变压器在空载运行时二次感应电压不呈正弦波波形。

   单相变压器组成的三相组、三相壳式变压器都不宜用全星形接法，因无法提供空载激磁电流零序三次谐波分量的回路。所以必须加一个d接绕组，或二次改为d接。

   在对单相变压器作空载性能试验时，如电源容量太小，零序三次谐波空载激磁电流会使发电机输出的电压波形畸变无法获得正弦波波形。但新的国标，对空载性能试验用发电机波形有一定要求，即以方均根值表示的平均值电压表读数与方均根值电压表读数之差在± 3％以内的电源才能用作变压器的空载性能试验。故要注意试单相变压器试验电源的发电机容量，要保持发电机能输出正弦波波形的电压，即使变压器吸取零序三次谐波空载激磁电流时也应如此，发电机容量要足够大，串联内阻抗要小。

   变压器的不对称运行主要是指外施电压的不对称与负荷不对称的不对称三相系统。如运行中发生单相短路，二相短路也是不对称运行工况。这一不对称三相系统可用三个对称三相分量表示，即用三相对称分量法来分析或计算，即分解成正序分量、负序分量与零序分量三个对称三相分量。

   分析不对称运行特性的正序分量、负序分量与零序分量与空载激磁电流的三个分量有不同概念，也有共同点。主要是相量的旋转频率，不对称运行时三个分量的旋转频率都相同。

   分析不对称负载时的关键参数是正序阻抗、负序阻抗与零序阻抗。这些阻抗都是指额定频率与主分接位置的值。因为变压器属于静止型电器，因此正序阻抗等于负序阻抗，它们的值就是变压器性能参数之一的短路阻抗。

   零序阻抗与变压器接法与铁心结构有关。希望零序阻抗小些为好，这样，可允许的负载不平衡程度可大一些。零序阻抗大的变压器则要求负载不平衡程度要小些，就是三相负载要更接近于平衡。上面已经说明，零序阻抗是额定频率下的参数(空载激磁电流的零序分量为三次、六次……3n次额定频率)。

   电力系统也有零序阻抗，零序阻抗中被关心的零序电抗。电力系统的零序阻抗与变压器零序阻抗也有关。电力系统零序电抗大小影响电力系统中性点绝缘水平。

   对于系统最高工作电压Um为126kV、252kV中点有效接地系统而言，接地系数≤80%，电力系统的零序电抗X₀与正序电抗X₊而言，X₀／X₊≤3。变压器的高压绕组一般为YN接法，在运行时YN的中点可接地也可不接地，中点接地的变压器台数应使电力系统的接地系数≤80％，此时，不接地的YN中点电位为

   当X₀＝3 X₊时，U_N＝，即中点绝缘水平应按此电压作绝缘配合。

   当U_m=126kV时，U_N＝43.5kV。U_m＝252kV时U_N＝87kV。

   YN接法中点不接地时，无零序回路，在系统发生单相接地故障时，健全相的电压为0.8U_m，此时0.8为接地系统。

   对U_m≤72.5 kV的中点绝缘系统而言，接地系数＞80％，X₀＞3X_＋。中点绝缘系统的中点绝缘水平采用线端绝缘水平，比中点有效接地系统的中点绝缘水平要高。

   电力系统的零序阻抗决定中点绝缘水平。

   综上分析，在变压器接法与铁心结构选择时应注意零序阻抗大小。

   对Yyn0接法的三相三柱铁心的变压器而言，零序阻抗约50％～60％，同一接法的三相五柱铁心的变压器的零序阻抗约10⁴％，因此，不宜用这一接法，三相五柱变压器的接法中必须有d接法绕组，以作为零序电流的通道。

   对YNd11接法变压器而言，不论铁心为三相三柱还是五柱，其零序阻抗略小于正序阻抗或略小于短路阻抗。

   另外，还要注意，在Yyn0接法三相三柱铁心变压器中，零序阻抗还是非线性的。yn中零序电流越大，零序阻抗越小，变压器容量越大，零序阻抗的欧姆值越小。Dyn接法的零序阻抗则是线性的，即零序阻抗与零序电流大小无关。

   Yyn0变压器的负载接成yn时，负载侧中点电位会在不对称运行时漂移。不对称运行时，变压器负载侧中点有电流，此电流要小于25％额定电流以限制中点电位的漂移不超过5％，中点电位漂移大，有的相的相电压会升高。中点电位漂移程度与零序阻抗有关。零序阻抗越小，中点电位漂移就少，负载不平衡程度就可大些。如Dyn接法可允许接单相负载，而Yyn接法不允许接单相负载。