1　引言

　　树枝状放电是固体绝缘材料中的一种局部放电。局部放电和树枝状放电可使绝缘材料的电气性能和机械性能下降，是导致绝缘材料老化的主要原因。国内外的运行实践表明，局部放电和树枝状放电是导致高压电气设备绝缘故障的主要原因。我国运行中的变压器多次发生沿围屏的树枝状放电事故，严重威胁着变压器的安全运行，特别是大容量发电机用变压器的故障，经济损失更为重大。近年来，在变压器制造厂中新产品的局部放电测量试验中，也发生多例沿围屏的树枝状放电事故。鉴于上述情况，树枝状放电早就引起了许多国家的极大关注。对树枝状放电的产生、发展及其预防措施，开展了广泛的试验研究。因放电现象受很多因素的影响，很难用方程式进行解析计算。因此除了用试验的方法进行研究以外，国内外已开始用计算机对放电现象进行模拟分析，从而得到了满意的结果。对各种论点进行仔细分析，可得出如下结论：
　　(1)树枝状放电的产生与绝缘材料中局部高电场的形成密切相关。
　　(2)树枝状放电或者由局部的高电场直接引起，或者由局部放电发展而成。

2　变压器中树枝状放电的起因

　　变压器油-隔板绝缘结构中的树枝状放电的起因，或者由局部的高电场直接引起，或者由局部放电发展而成。我们的研究表明，在绝缘油良好的前提下，当电位梯度为16kV/mm时，便可出现局部放电；而苏联的研究指出，在实际变压器中，当场强E＝3.5MV/m时，线圈中部便可出现局部放电。试验表明，变压器油-隔板绝缘结构，在短时过电压的作用下，一旦形成局部放电，那末这种放电即使在工作电压的长期作用下(那怕场强较低，大约只有1MV/m)，也有可能发展为图1所示的树枝状放电。长期的局部放电会使绝缘材料发生物理和化学变化，并伴随着局部放电通道的增长(树枝状放电)而导致击穿。试验还表明，当局部放电强度大约为10^-6～10^-8C时，绝缘隔板上就能呈现出明显的树枝状放电痕迹；而当局部放电强度低于10^-9C时，绝缘隔板上没有任何痕迹。

图1　变压器中的树枝状放电
Fig.1　The electrical tree in the insulation of transformers

　　在变压器的油-隔板绝缘结构中，由于油的介电系数低，因此在电场的作用下，油隙常承受比固体绝缘更高的电场强度。而实际上油的绝缘强度又低于固体绝缘，再加上油中含水、含气、含有悬浮微粒等，因此油隙的绝缘强度就更低了。尤其是紧靠高压线圈的第一个油隙，因为其中导线、垫块、撑条等棱角的存在，使这个油隙中的电场严重畸变，局部的场强大大超过绝缘材料的容许限度，因此，一般说来在这个油隙中首先出现局部放电。局部放电时，随着油的分解而产生气体，在油中形成气泡，它们在高电场的作用下使局部放电持续发展，当放电能量超过一定限度时，则因电气化学的作用，将会促进邻接绝缘的损伤，这种损伤大致可分为沿厚度方向的穿孔和沿表面的树枝状放电，通常后者最易发生。这种沿表面的树枝状放电比沿厚度方向的穿孔要明显很多。可见树枝状放电是一种高能量的局部放电，它起源于较弱的局部放电，以后才逐步形成树枝状碳化通道^［1］。
　　因此，不论变压器的高压线圈是中部进线还是端部进线，紧靠高压线圈的第一个油隙是油-隔板绝缘结构的最薄弱环节，所以通常把此油隙发生击穿时的电压(或强度)，理解为油-隔板绝缘的电气强度，而这个击穿电压则是以隔板表面出现明显的树枝状放电痕迹为标志的。
　　从本世纪60年代起，国外就对变压器油-隔板绝缘结构中，紧靠高压线圈的油隙的电场强度进行了试验研究，确定了该油隙中出现故障的电场强度的平均值和该油隙中容许电场强度的推荐值(表1、表2)，并指出，对于220～750kV电压等级的变压器而言，紧靠线圈的油隙宽度，应根据线圈冷却、工艺装配等条件来考虑，宜采用8～10mm；线圈端部静电板和与其紧靠的隔板之间的油隙宽度，也应根据线圈冷却、工艺装配以及该处电场最大程度的均匀等条件来考虑，其辐向宜取10mm，轴向宜取15mm^［2］。这些数据为绝缘结构的设计提供了可靠的数据。

表1　紧靠线圈的油隙中出现故障的电场强度的平均值^［2］
Tab.1　The average value of E under failure in the oil
duct against the windings

表2　紧靠线圈的油隙中容许场强的推荐值
(油隙宽度为8～10mm时)
Tab.2　The recommended value of E in the oil duct
against the windings

3　变压器中树枝状放电的预防

　　变压器油-隔板绝缘结构中的树枝状放电，或者由局部的高电场直接引起，或者由局部放电发展而成。而局部高电场的形成和局部放电的产生，又取决于变压器的结构设计、制造工艺和原材料的质量。因此，从变压器的结构设计、制造工艺和原材料的选用入手，设法消除绝缘结构中的局部高电场，防止绝缘结构中产生局部放电，是防止变压器中树枝状放电的根本措施。

3.1　结构设计
　　由于计算机的应用和电场解析技术的进步，目前已能准确计算出线圈内部的电位分布和梯度分布，为更加合理的设计匝间绝缘和段间绝缘提供了理论依据。在电场计算中，由于采用了有限元法、差分法、表面电荷法及电荷叠加法等，已能准确求出变压器各部位电压的大小及电场的分布情况。根据计算结果，来确定理想的绝缘结构。这种结构应该是，在采用成型绝缘隔板将油隙分割成多层小油隙来提高绝缘强度的同时，必须尽量使油-隔板的分界面与电场的等位面相互平行，并且在电场分布不均匀的部位，采用形状与电场等位面完全相同的成型绝缘件，从而使电场得到缓和，消除局部的高电场。静电板的绝缘厚度，宜使其表面油中场强低于局放强度；角环形状和尺寸，应垂直于电场方向，从而避免由于切向分量存在，沿角环表面树枝状放电及沿面放电。近年来的研究结果表明，对油-隔板绝缘结构而言，不仅要求油和隔板都具有较高的击穿电压，而且还要求具有较高的起始局部放电电压。
　　为了提高起始局部放电电压，有人提出了复合绝缘结构，就是把用绝缘隔板将油隙分割成细小油隙的方式，和用绝缘体填充油隙的方式结合起来，靠这两种方式的最佳配合，使绝缘结构更加合理。模型试验结果表明，若500kV传统绝缘结构的端绝缘模型的起始局部放电电压为100%，则复合绝缘的端绝缘模型，其起始局部放电电压增长到150%。这种复合绝缘可承受工频750kV，冲击1500kV的试验电压，还有足够的裕度。
　　根据目前我国变压器制造业的现状，结合对故障变压器的解体检查结果，认为在结构设计时应注意以下几点：
　　(1)用计算机仔细分析电场，根据电场分布情况选择合理的绝缘结构。必须使绝缘隔板和油的分界面，尽可能和电场等位面平行。使所有绝缘件的圆角与电场等位面大体吻合。
　　(2)改进上角环的结构，抬高上角环的位置，使角环不集聚气泡或让气泡集聚在场强较弱的部位。
　　(3)线圈的轴向油隙取得较小而静电板的圆角半径取得较大，使油中的最高场强得以降低。
　　(4)调整围屏支撑垫块的位置，使其位于低场强区域，围屏支撑垫块前端的两个尖角应该倒成圆角。

3.2　制造工艺
　　合理的结构设计是靠先进的制造工艺来保证的。实践证明，国内外凡是发生树枝状放电的变压器，无一不和制造工艺上的缺陷密切相关。目前我国变压器的制造工艺水平与国外先进水平相比，是存在一定差距的，这是我国变压器产品质量不高的根本原因。例如苏联9万kVA及以上的大型变压器的年事故率，早在1975年就降到了0.8%；而瑞典变压器的年事故率只有0.43%；日本近几年来投运在100多个变电站的变压器，从未出现过事故；我国变压器的年事故率远远高于他们。这应该引起有关部门的认真思考和足够重视。要想提高我国变压器的产品质量，使其迅速达到国外同行业的先进水平，不从根本上改变目前某些陈旧落后的制造工艺，是没有出路的。
　　根据对事故变压器的解体检查认为，在当前变压器的制造过程中，应特别注意以下几点：
　　(1)在线圈绕制过程中，应防止线段绕制和线圈装配的误差所引起的线匝凸起。应防止线饼换位处由于扭折使导线绝缘局部受损。
　　(2)在器身装配过程中，一定要保证围屏形状的稳定性，即油隙边界的稳定性。在器身套装时，要严防由于围屏纸板搭接处边棱翘曲而与线圈表面相碰，甚至划破线圈的导线绝缘。
　　(3)线圈的绕制和绝缘件的制造及其存放应在净化的环境中进行。垫块和撑条等绝缘件应无尖角、毛刺，表面要光洁。对粘合绝缘件要严防层间有气泡存在。
　　(4)要严格控制变压器油中的含水、含气量和杂质的含量。
　　(5)改进真空注油工艺，提高真空度，减少器身内部的残余气体。

3.3　绝缘材料的选用
　　有了合理的结构设计和先进的制造工艺，若没有优质的原材料供应，仍然生产不出高质量的产品。随着变压器电压的不断提高，容量的不断增大，为将树枝状放电引起的绝缘事故防患于未然，除了采用先进的结构设计和提高工艺水平外，必须研究和发展不易产生树枝状放电的固体绝缘材料，而其中最关键的乃是绝缘纸板。因为高电压油-隔板绝缘变压器运行的可靠性，在很大程度上是由用作主、纵绝缘件的纸板的性能决定的。我们应当选用纯度高、无鼓泡起层、不变形的优质纸板，严格把关，防止把有缺陷的纸板用到产品上去。
　　为了确保产品质量，国外对于不同种类的绝缘件，早已开始采用不同牌号的绝缘纸板了。不同牌号的纸板，具有不同的结构和性能。例如，对于制造主绝缘的纸板，特别要求提高它的沿面放电强度；而对于用作纵绝缘件的纸板，则要求减少它的收缩性。
　　为了抑制由于局部放电而引起的树枝状放电，首先应该设法防止局部放电的发生。防止局部放电的方法有，消除绝缘材料中产生局部放电的气泡、裂纹、杂质等缺陷，降低绝缘材料的表面电阻，从而使电场得到饱和。为了实现上述目的，除了提高材料的加工工艺，确保材料的质量以外，还研制出了能够降低绝缘材料表面电阻的各种添加剂。试验表明，当绝缘材料的固有表面电阻降低到10¹⁰Ω以下时，起始局部放电电压将升到相当高的数值。
　　总之，只要从结构设计、制造工艺、原材料的选用等各方面入手，防止油-隔板绝缘结构中局部高电场的形成和局部放电的产生，那么超高压变压器绝缘结构中的树枝状放电，是完全能够避免的。

4　变压器中树枝状放电的监测
　　固体绝缘材料中的树枝状放电，是导致绝缘材料迅速老化的主要原因。为防止变压器绝缘结构中的树枝状放电现象，除变压器生产部门从结构设计、制造工艺、原材料的选用等各方面入手，确保产品质量以外，对运行部门来说，在运行中加强对变压器的监测，及时诊断和发现事故隐患，采取有效措施，防患于未然，对于变压器的安全运行，也是很重要的一个方面。
　　近年来，油的色谱分析作为一种早期故障的监测手段，正广泛应用于运行状态的变压器监视和工厂试验中。从我国故障实例的剖析可知，在东北电网发生的8次树枝状放电故障中，有6次在油的色谱分析时事先是有预兆的。因此，在运行中加强对变压器油的色谱分析，是发现树枝状放电等潜伏性故障的有效手段。当油的色谱分析发现异常时，还可通过测量变压器的局部放电来进一步发现问题。不过这时应注意，以前作为局部放电测量参数的最大电荷量，最大的和平均的电流值，已不能有效地发现树枝状放电，树枝状放电的发展过程反映着局部放电时脉冲电流与施加电压相角关系曲线畸变的程度。随着微机的广泛应用，局部放电测试技术不断完善，国外已能在高电压和各种过电压下，对变压器的局部放电进行精确的测量，从而使变压器的可靠性不断提高。我国为了提高对局部放电的检测手段，也大力开展了有关测试装置的研究工作。
　　另外，按照大修周期的要求，有计划地安排大修，大修时应打开围屏进行检查，若发现有树枝状放电痕迹，应认真分析原因，进行妥善处理。
　　总之，只要生产部门和运行部门密切配合，共同努力，树枝状放电对变压器绝缘的危害，是一定能够彻底消除的。

参考文献

1　超高压变压器围屏爬电情况与分析.东北电力试验研究院，1985.
2　第23届国际大电网会议第12组(变压器)会议论文集，12～06，1970.
3　Higaki M, et al. A Calculation of potential distribution caused for electrification owing to oil flow in an oil-paper insulation system and its application to partial discharge phenomena in oil. IEEE Trans. on PAS, 1979, 98(4):1275～1285