水分對電力變壓器油紙絕緣的影響研究

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水分對電力變壓器油紙絕緣的影響研究

0引言

電力變壓器是電能傳輸和配送過程中能量轉換的核心，是整個電網安全運行的核心設備之一。在電力變壓器長期運行過程中，水分是其絕緣性能的重要影響因素，對變壓器的電氣壽命和機械壽命均會產生巨大影響[1]。研究水分對變壓器內絕緣系統(tǒng)的影響，對評估變壓器絕緣狀態(tài)和經濟壽命有重要意義。

以介電響應理論為基礎的回復電壓法(recovery voltage method，RVM )、極化去極化電流法(polarization and depolarization current，PDC)和頻域介電譜法(frequency domain spectroscopy，F(xiàn)DS)，具有無損攜帶信息豐富、測量準確等優(yōu)點[2]。國內外學者采用模型仿真和實驗相結合的手段，大量研究了溫度、酸和老化等因素對變壓器絕緣狀態(tài)的影響[3-5]，推動了介電響應方法在電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測方面的應用。

本文在實驗室條件下，以PDC法為基礎，制備不同水分含量的油紙絕緣樣品，并進行PDC測試，分析評估樣品的絕緣狀況；以極化電導率為中間量，將PDC測量結果轉換為復介電常數(shù)，并在頻域中診斷樣品的絕緣狀況；推導水分含量公式，并開展實驗，以驗證其正確性。

1極化去極化電流(PDC)法

PDC法是一種基于介質響應理論的電氣測量方法，主要用來分析介質的緩慢極化過程和變壓器固體絕緣老化狀態(tài)[6]。PDC法的測量原理如圖1所示。

圖1　PDC法的測量原理圖

在0～tp時間內，閉合S1,斷開S2,在樣品兩端加上一個直流電壓Uc,樣品開始極化。其極化電流為Ip,這個電流是由不同絕緣材料引起的不同時間常數(shù)的極化過程以及直流電導共同形成的[7]。

(1)

(2)

式中：Cm為幾何電容；εr為相對介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù),其取值為8.85 pF/m；σD為直流電導率;f(t)為介電響應函數(shù),是試品的固有屬性，與試品的老化有直接關系；Z(t)為隨充電時間變化的油紙絕緣阻抗，與油紙絕緣厚度L和截面積S有關。

在tp～td時間內斷開S1,閉合S2,短接高壓端和低壓端進行放電,此時的電流即為去極化電流Idp。

(3)

為準確測量，充放電時間一般設置得較長。通過判斷極化電流和去極化電流的初始值大小、后續(xù)時刻的電流值大小和電流曲線整體變化趨勢，來判斷絕緣油和絕緣紙板的絕緣老化狀態(tài)，進而判斷變壓器的老化程度[8]。

2實驗步驟及模型

2.1實驗步驟

本次實驗采用的絕緣紙為厚度0.20 mm的普通新牛皮紙，絕緣油為25#克拉瑪依產新變壓器油。具體實驗步驟如下。

① 將牛皮絕緣紙剪成直徑為90 mm 的圓形紙片，共25片，分為5份，每份5片。將絕緣紙樣品放入烘干箱中進行干燥，干燥時間設定為10 h，溫度設定為70 ℃。

② 將新油樣品平均分為25份，放入事先經過干燥處理且貼有號碼1～25的磨口玻璃瓶中，分為5份，每份5瓶；將油樣分別放在溫度設定為70 ℃的烘干箱中進行干燥，干燥時間設定為10 h。

③ 用干燥棉簽將電子秤托盤表面擦拭干凈，并進行調零。在每次測量之后對對其進行擦拭，以減小測量誤差。

④ 分別用鑷子將經過干燥處理的紙樣品和油樣品放在電子秤上稱重，并將實驗室門窗關閉。測量結束之后，記錄樣品質量。

⑤ 將紙樣品和帶有玻璃瓶的油樣品分別放在溫度設定為30℃的恒濕箱中吸收水分，每份樣品吸水時間相同，不同份樣品的吸水時間不同。然后對樣品進行稱重，即得到不同含水量的油紙樣品，記錄吸水后樣品的質量。結合兩次測量結果，得到不同含水量的樣品。

⑥ 用鑷子將測量結束的紙樣分別放入測量裝置中，向測量裝置中倒入經過干燥處理的絕緣油后密封裝置，并在室溫下放置 12 h，保證水分在油紙系統(tǒng)之間達到平衡；將油樣分別放入事先放置有干燥牛皮紙的測試裝置后密封裝置，并在室溫下放置12 h。

⑦ 連接儀器和測量裝置，分別對樣品進行測量，記錄測量結果，并繪制相應曲線。

2.2測試系統(tǒng)模型

實驗所采用的測量儀器是由OMICRON公司生產的介質響應分析儀DIRANA，它可以實現(xiàn)3種方式的測量：PDC、FDS和FDS-PDC。該儀器測量電壓為200 V，PDC法測量電流范圍為20 mA，分辨率為0.1 pA，準確度為0.5%±1 pA。

實驗所設計的測試系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2　測試系統(tǒng)模型

該模型是一個長方體金屬容器，容器中有兩個直徑分別為90 mm的圓形平行銅電極，用來夾持絕緣紙樣品。容器內充入經過處理的絕緣油，將樣品放入測量裝置后，通過兩邊的兩個旋轉螺母來調整壓緊桿，進而固定容器蓋。

3結果及分析

3.1紙樣品PDC測試結果及分析

油紙樣品經過先后兩次稱重、計算，得到不同水分含量的樣品，油和紙樣品的水分含量近似為：0%、0.1%、1.9%、2.7%和3.8%。對不同水分含量絕緣紙和新變壓器油組成的每份中的5組樣品均進行測試，取5個測量結果的平均值作為最終結果，以減小誤差，并繪制曲線，結果如圖3所示。

圖3　紙樣品極化電流和去極化電流示意圖

實驗時，DIRANA測量電壓取200 V，極化時間設定為3 600 s，去極化時間為4 800 s。

極化電流和去極化電流均隨水分含量升高而幅值增大，且電流值隨時間的延長而減小；不同的是極化電流在極化時間2 000 s之后速度減慢，曲線變得平緩，并一直保持下去，末端值隨水分的不同而不同；水分含量較低時，曲線之間的差異較小；去極化電流在時間0～2 000 s之間急劇下降，2 000 s之后變化開始變緩，且?guī)讞l曲線末端幾乎重合，并維持在一個較小值。

水分作為一種強極性分子在油紙絕緣系統(tǒng)中大部分會被絕緣紙吸收[9]，而水分在絕緣紙中會促使纖維素等高分子化合物裂解成為小分子。樣品在兩端施加電壓初期，介質內部的水分子、帶電粒子等在電場作用下迅速聚集，介質內部極化過程加劇，電導率上升，極化電流初始值變大。隨極化時間的延長，介質內部極化過程趨于結束，在直流電阻的作用下，極化電流Ip達到相對穩(wěn)定值。在去極化過程中，短接樣品的高壓端和低壓端進行放電，去極化電流Idp在很短的時間內迅速減低，然后緩慢趨于一個較小值，并保持穩(wěn)定。Idp的初始值隨著水分的增加逐漸變大，這是因為水分增加促使介質內部的帶點粒子數(shù)量增多，電容增大，電荷釋放時間變長，釋放速率變大。隨去極化時間的增長，去極化過程接近結束，帶電粒子釋放電荷數(shù)目變少，導致去極化電流曲線末端值幾乎重合。由曲線的變化趨勢和末端值變化可知，水分的增加促使絕緣紙樣品的電導率上升、絕緣能力下降，使老化速度加快。

3.2油樣品PDC測試結果及分析

為測試變壓器油的影響，對每份油樣品和新絕緣紙組成油紙絕緣系統(tǒng)進行測量。對每份中的5組樣品均進行測試，取5個測量結果的平均值作為最終的測量結果，繪制如圖4所示的PDC測量曲線。

圖4　油樣品的極化電流和去極化電流示意圖

由圖4可以看出，不同水分含量油樣品對PDC結果的影響和紙樣品的類似。不同的是在水分含量為0%時，Ip幅值較大，且各個曲線之間的變化趨勢類似；Idp幅值則較小，且末端重合時間晚于紙樣品。

水分含量的增加，促使帶電粒子釋放速度加快，電荷遷移變快，導致曲線初期下降較快而隨后變得緩慢，極化曲線也隨著水分含量的增加逐漸提升。極化初期，電荷的注入速率很快，而后緩慢[10]。油樣品吸收水分后，電導率上升，但增幅小于紙樣品。隨著時間的延長，電導率變小，導致電導電流幅值相應變小，使Ip相對穩(wěn)定。在去極化過程開始時，電壓被去掉， 電極與油紙間以及油紙介質內部的快速運動電荷迅速中和。Idp在較短時間內迅速減低，然后慢慢趨于平穩(wěn)。由曲線的初始值和變化趨勢可以判斷，水分的增加促使樣品的絕緣能力下降，加深老化程度。

3.3頻域結果及分析

由式(2)和式(3)可知，Ip和Idp均可用極化電導率σ(t)表示。

(4)

結合式(1)和式(2)可知：

(5)

對油紙組成的絕緣系統(tǒng)來說,時域響應函數(shù)f(t)可表示為：

(6)

m>1。

因此可得：

(7)

式中：A=ε0a。

(8)

結合上述公式，對公式進行擬合，可將極化電流Ip和去極化電流Idp換算為極化電導率值，并繪制出不同水分影響下的油紙絕緣極化電導率曲線，如圖5所示。

極化電導率隨水分含量的增加幅值逐漸上升，并隨時間的加大逐漸減小。這是因為水分含量增加，促使油紙絕緣介質內部正負電荷的注入和遷移速度加快，傳導電流增大；一些親水性離子或基團，和水分子結合形成帶電離子，更加容易離開平衡位置，增強離子極化；水分子自身在電場作用下也可形成誘導偶極矩，增強了系統(tǒng)的界面極化，進而增大極化電導率[11]。隨著極化和去極化過程的進行，離子極化速度變慢，帶電粒子釋放電荷數(shù)目較少，致使極化電導率變小。

圖5　不同水分含量油紙絕緣的極化電導率示意圖

復極化系數(shù)χ(ω)可表示為：

(9)

由式(6)可知：

(10)

則復介電常數(shù)為：

ε(ω)=1+χ(ω)

(11)

(12)

結合式(8)和式(12)，并將Ip和Idp的值代入式中，可計算出不同水分含量下油紙絕緣的復介電常數(shù)，以頻率的對數(shù)為橫坐標繪制曲線,如圖6所示。

圖6中，復介電常數(shù)實部、虛部均隨頻率的增加而變小，且幅值隨水分含量的增加而加大；實部在頻率對數(shù)為0之后變化緩慢，并最終重合，虛部則在頻率對數(shù)為1之后變化緩慢，并一直保持穩(wěn)定值。在頻率對數(shù)大于0后，隨著水分含量的增加而變化不大，特別是在3以后基本保持不變。

隨水分含量的增加，油紙內部大分子鏈發(fā)生裂解的速度逐漸加大，生成的小分子鏈個數(shù)增加，導致電介質中的帶電離子數(shù)量增加，電導率變大，電導損耗也隨之增加;同時，大分子鏈中非極性鍵的增加消弱了分子的極化能力，促使小分子鏈中極性鍵變多，松弛損耗隨之加大，損耗大小也隨之增大。在低頻區(qū)，水分的增加使離子的極化強度加大，介質束縛電荷的能力增強，而在高頻區(qū)，極化速度不能跟上電場的變化速度，極化變慢，松弛損耗相繼減小。這就是實部和虛部在低頻區(qū)隨水分含量的增加均有所增加，而在高頻區(qū)則有所減小的原因[12]。

圖6　不同水分含量油紙絕緣的復介電常數(shù)

結合上述分析可知，水分的增加，介質內部大分子裂解加快，聚合度下降，促使電導率增加，復介電常數(shù)的實部和虛部均隨之增加。通過復介電常數(shù)實部和虛部的變化，說明水分能加劇老化，降低絕緣能力[13]，也進一步證明了試驗中由PDC測試結果對油紙樣品絕緣能力判斷的正確性。

4水分與直流電導率的函數(shù)關系

隨著水分含量增加，直流電導率相應增大，兩者具有很好的對應關系，可通過直流電導率來估算變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的含水量。應用最小二乘法對直流電導率與水分含量公式進行擬合，可得直流電導率與水分含量m的關系如式(13)所示。

σD=Cedm+E

(13)

式中：m為水分含量；d、C、E為常數(shù)，值分別為1.245、0.103和0.214。

結合溫度對直流電導率的影響：

(14)

式中：Ea為分子活化能，J；C為常數(shù)，4.916×108；T為絕對溫度，K；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.381×1023J/K。

將式(14)代入到式(13)中，可得：

(0.103 e1.245m+0.214)+f

(15)

式中：f為常數(shù)。

對溫度和直流電導率用最小二乘法進行擬合，可得到：

(16)

將式(16)代入式(15)中，并對得到的直流電導率公式進行轉化，可得水分含量與溫度和直流電導率的表示公式：

m=0.692 7ln[P+Q]

(17)

通過測量油紙絕緣的直流電導率，進而代入公式中，即可求出其水分含量，為電力變壓器油紙絕緣水分含量的測量提供了新思路。

為了驗證公式推導的正確性，在實驗室中使用相同方法制備了油紙樣品各25份，各分為5份，水分含量仍然是0%、0.1%、1.9%、2.7%和3.8%，進行電導率測量。測量儀器采用的是由貝爾公司生產的電導率儀BECSCAN10H，該儀器測量范圍為0.1～19.99 mS/cm，測量精度為1%F·S，校準點為1點，能圓滿完成本次測量任務。將經過測量得到的油紙絕緣系統(tǒng)的極化電導率曲線和圖5進行比較，對比的結果如圖7所示。

由于曲線較多，不便于觀察，在此僅列出水分含量為3.8%和1.9%兩組測量結果進行對比。圖7中，不同水分含量的極化電導率曲線和原曲線在初始值、末端值、幅值和變化趨勢方面均能很好地重合，每條曲線的測量值和實驗值的相似度均達到98%以上。通過對比，充分說明了上述公式推導的正確性，為變壓器油紙絕緣含水量的測量提供了新的方法。

圖7　極化電導率的試驗和儀器測量結果對比圖

5結束語

在實驗室條件下制備樣品，以PDC法為基礎搭建模型測試，在時域和頻域中分別對樣品絕緣狀況進行判斷，推導出水分測量公式并進行驗證，得到如下結論：

①研究PDC測試曲線的初始值和末端值以及曲線變化趨勢，能很好地判斷油紙的絕緣狀態(tài)；

②將極化電流和去極化電流通過極化電導率轉換為復介電常數(shù)，并在頻域分析油紙絕緣狀況，驗證了絕緣狀況在時域分析結果的正確性；

③通過開展直流電導率測量試驗，驗證了水分測量公式推導的正確性，并為水分測量提供了新方法，推廣了PDC法在油紙絕緣狀況方面的應用。

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Study on the Influence of Moisture on Oilpaper Insulation of Power Transformer

趙建利1張鵬1侯英灑2李潔2

(內蒙古電力科學研究院1，內蒙古 呼和浩特010000;內蒙古科技大學信息工程學院2,內蒙古 包頭014000)

摘要：為研究水分對電力變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的影響情況，在實驗室中分別制備了絕緣紙和絕緣油樣品進行極化去極化電流(PDC)測試，在時域分析樣品絕緣狀況；通過極化電導率將測試結果轉換為復介電常數(shù)，在頻域分析樣品絕緣狀況。以直流電導率為中間量進行推導，得出水分的測量公式，并進行實驗驗證。結果表明，PDC實驗結果通過轉化能在時域和頻域反映樣品的絕緣狀況，并可以相互驗證。通過開展直流電導率測試試驗，進一步驗證水分推導公式的正確性，為水分測量提供新思路。

關鍵詞：電力變壓器絕緣去極化電流水分電導率數(shù)據分析時域頻域

Abstract：In order to research the influence of moisture on oilpaper insulation system of power transformer,the samples of insulation paper and insulation oil are prepared in the laboratory to carry out the polarization current and depolarization current(PDC) tests,and the insulation condition of samples is analyzed in the time domain. The test results are conversed into complex permittivity constant by polarization conductivity,to analysis the insulation condition in the frequency domain. Taking the DC conductivity as the intermediate quantity,the measurement formula of moisture is derived and the experimental verification is conducted. The result shows that by converting,the PDC experimental results can reflect the insulation condition of samples in time domain and frequency domain,and can be verified by each other. The correctness of the moisture derived formula can be verified in further by develop the test of DC conductivity.

Keywords:Power transformerInsulationPolarization and depolarization current(PDC)MoistureConductivityData analysisTime domainFrequency domain

中圖分類號：TH86;TP202

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604007

修改稿收到日期：2015-08-19。

第一作者趙建利(1964-)，男，1990年畢業(yè)于北京科技大學電氣工程專業(yè)，獲碩士學位，副教授；主要從事電力系統(tǒng)方向的研究。