變壓器PDC參數(shù)受水分與老化的作用分析及研究

王亞男

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

油浸式電力變壓器作為電力系統(tǒng)電能傳輸和能量轉(zhuǎn)換的“中轉(zhuǎn)站”，它的平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)保障系統(tǒng)安全及區(qū)域穩(wěn)定意義重大[1]。變壓器內(nèi)部普遍采用絕緣油與紙復(fù)合而成的內(nèi)絕緣系統(tǒng)，其材料老化程度是影響變壓器使用壽命的決定因素。準(zhǔn)確檢測(cè)該系統(tǒng)的劣化水平，對(duì)延長(zhǎng)變壓器在役年限意義重大[2]。

極化去極化電流(polarization/depolarization current,PDC)法是在時(shí)域內(nèi)對(duì)絕緣材料進(jìn)行極化的參數(shù)檢測(cè)方法。該方法不損壞樣品，提供的參數(shù)全面，較傳統(tǒng)方法能得出準(zhǔn)確的絕緣介質(zhì)緩慢極化的信息參數(shù)，對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣系統(tǒng)老化程度有較好的反映[3]。

通過制備樣品，開展極化測(cè)試，分析PDC參數(shù)隨極化時(shí)間、聚合度(degree of polymerization,DP)值和水分的改變情況，提出兩個(gè)特征量。對(duì)特征量曲線展開分析，得出可以較好反映絕緣系統(tǒng)絕緣能力的特征量[4]，為更好地評(píng)估充油變壓器老化水平提供新方法。

1 PDC測(cè)試原理

PDC法的工作原理是在樣品兩端施加直流電壓，使樣品中產(chǎn)生極化電流，然后去掉直流電壓，將樣品兩端短接，測(cè)量得出回路中的去極化電流[5]。經(jīng)過對(duì)樣品充、放電，繪制出極化和非極化電流對(duì)反應(yīng)時(shí)間的相互作用，組成PDC電流圖譜。PDC法的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 PDC法的測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram of PDC method

2 極化試驗(yàn)

2.1 樣品制備及測(cè)試系統(tǒng)

絕緣油：新疆克拉瑪依產(chǎn)25#環(huán)烷基絕緣油。

絕緣紙：新出廠的普通絕緣紙。

試驗(yàn)使用的測(cè)試設(shè)備為OMICRON公司研發(fā)的介質(zhì)響應(yīng)分析儀DIRANA。該儀器能完成三種手段的測(cè)試：PDC、FDS和FDS-PDC。該儀器額定電壓為±200 V，PDC法電流范圍為±20 mA，準(zhǔn)確率為0.5%(±1 pA)。

試驗(yàn)采用的是一個(gè)三電極測(cè)試系統(tǒng)，包括兩個(gè)測(cè)量電極和一個(gè)保護(hù)電極，半徑分別是50 mm、50 mm和60 mm。測(cè)試時(shí)，將樣品放置在高壓電極與測(cè)量電極之間，保護(hù)電極通過金屬箱接地，起安全保護(hù)作用；同時(shí)，需在測(cè)試裝置中灌滿絕緣變壓器油，利用引出線對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行連接，開展測(cè)量[6]。測(cè)試系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)模型Fig.2 Test system model

2.2 試驗(yàn)流程

首先，對(duì)樣品進(jìn)行干燥預(yù)處理，保證油樣中含水量小于10×10-6、紙樣中含水量小于0.5%。利用特性粘度檢測(cè)手段，對(duì)樣品DP值進(jìn)行測(cè)量。剛開始，DP值保持在大約1 000；隨反應(yīng)過程的不斷進(jìn)行，DP值不斷下降[7]；通過密閉房間自然吸潮，利用卡氏滴定法就每組絕緣紙樣品開展水分含量測(cè)量。樣品制作流程如圖3所示。

圖3 樣品制作流程Fig.3 Sample preparing process

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)樣品進(jìn)行老化處理，分別在時(shí)間為0 d、10 d、30 d、50 d和75 d時(shí)取出樣品多份，標(biāo)記為A組、B組、C組、D組、E組。然后對(duì)五組樣品分別進(jìn)行DP測(cè)試，獲得五組樣品DP值，分別為233、406、517、748和817；隨后對(duì)五組樣品進(jìn)行自然吸潮，開展水分測(cè)試。不同DP值樣品含水量如表1所示。

表1 不同DP值樣品含水量Tab.1 Water content of samples with different DP values

2.3.1 水分對(duì)PDC參數(shù)的影響

選取C組、D組的樣品，研究水分對(duì)PDC參數(shù)產(chǎn)生的作用。C組、D組的樣品電流變化分別如圖4、圖5所示。圖4和圖5中，同一老化狀態(tài)下，樣品的極化/去極化電流伴隨含水量的增加而變大，伴隨極化時(shí)間的變長(zhǎng)而逐漸下降；此外，DP值變大，Id的開始值相應(yīng)變小，Idp的開始值則正好相反。伴隨極化過程的進(jìn)行，含水量會(huì)相應(yīng)增多，導(dǎo)致紙樣和油樣電導(dǎo)率顯著上升，電導(dǎo)電流相應(yīng)變大[8]；隨著水分的增加，樣品內(nèi)部極化反應(yīng)加劇，主要有電子位移極化和油紙界面極化，促使極化電流隨之增大。去掉樣品兩端的電壓后，去極化過程中的位移極化和界面極化則隨之減弱，去極化電流也相應(yīng)減小。

圖4 樣品電流變化曲線(C組)Fig.4 Sample current change curves(Group C)

圖5 樣品電流變化曲線(D組)Fig.5 Sample current change curves(Group D)

2.3.2 老化程度對(duì)PDC特性影響

為測(cè)試樣品老化程度對(duì)PDC測(cè)試結(jié)果的影響，鑒于水分影響變化情況一致,選取水分含量為2.93%的多份樣品開展測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 水分含量為2.93%的樣品電流變化曲線Fig.6 Current change curves of sample with water content 2.93%

在圖6中，DP值越小，Id和Idp就越大，且伴隨時(shí)間的增長(zhǎng)，2個(gè)電流均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)[9]。在極化反應(yīng)中，紙樣里的大分子纖維素會(huì)逐漸發(fā)生裂解，生成水分、小分子酸等，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電導(dǎo)率增大，相應(yīng)的電導(dǎo)電流也隨之增大。伴隨裂解反應(yīng)的不斷進(jìn)行，絕緣紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙變多。絕緣油可以更多地?cái)U(kuò)散到絕緣紙分子之間，產(chǎn)生較多的油紙界面[10]。這增強(qiáng)了紙樣和油樣之間的界面極化，使得Id和Idp相應(yīng)增大。

2.3.3 老化特征量提取

變壓器內(nèi)絕緣系統(tǒng)的絕緣油和絕緣紙部分，經(jīng)過等效合并得到僅包含絕緣紙、絕緣油和氣隙三部分按照比例組成的油紙絕緣擴(kuò)展Debye模型[11]。模型參數(shù)在外界環(huán)境影響下會(huì)發(fā)生改變，不能真實(shí)反映絕緣老化情況。模型參數(shù)如式(1)所示。

極化電阻Ri為：

(1)

極化電容Ci為：

(2)

極化過程中，極化時(shí)間常數(shù)τi與樣品的絕緣狀況無(wú)關(guān)，為一定值。絕緣系統(tǒng)極化過程里面的極點(diǎn)可表示為：

(3)

式中：Pi為樣品系統(tǒng)的第i個(gè)極點(diǎn)。

在樣品等效Debye模型中，時(shí)間常數(shù)大于1 000 s的極化支路參數(shù)能較為準(zhǔn)確地預(yù)估紙樣品老化情況。因此，本文選取大于1 000 s支路A、B曲線上面的極點(diǎn)P1、P2來(lái)表示油紙絕緣狀態(tài)特征量。極點(diǎn)隨水分變化情況如圖7所示。

圖7 極點(diǎn)隨水分變化情況Fig.7 Change of extreme points with water content

圖7中，DP值相同時(shí)，P1伴隨含水量的上升而變大，且每條曲線改變情況雷同，均表現(xiàn)出在水分含量為3.5%以后歸于平緩的趨勢(shì)。P2變化情況則與P1不盡相同，每條曲線變化趨勢(shì)相差較大，且DP值越大，其對(duì)應(yīng)的特征量曲線波動(dòng)也越大。當(dāng)DP取817時(shí)，P2在水分大于3.5%時(shí)趨于平緩，且隨著DP值的降低，該平緩起始值逐漸右移[12]。

特征量隨DP值變化情況如圖8所示。圖8(a)中，水分含量相同時(shí)，P1隨著DP值的增大而降低，變化情況較為穩(wěn)定，可以作為表征老化程度的特征量。圖8(b)中，P2曲線變化差異較大，在曲線變化初期含水量越高的曲線變化較為平緩，隨著老化的進(jìn)行出現(xiàn)先急劇下降而后又慢慢歸于平緩的趨勢(shì)。隨著DP值的增加，在曲線末端出現(xiàn)了近乎重合的現(xiàn)象，由于P2所取Debye模型支路時(shí)間常數(shù)較大，加之在變化初期有部分絕緣油滲透，使其表征的不僅是絕緣紙老化情況。

圖8 極點(diǎn)隨DP值變化情況Fig.8 Change of characteristic quantities with DP value

結(jié)合上述樣品的特征量曲線，可知P2的DP值曲線變化不穩(wěn)定，水分變化曲線則出現(xiàn)了上升和交叉的現(xiàn)象，使其不能準(zhǔn)確反映表征老化的參量DP值和水分之間的關(guān)系。而P1的變化情況可以較好地反映水分含量和DP值之間的變化情況。從圖7、圖8中也能清晰得出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即從特征量圖線上可以清晰且準(zhǔn)確地找到水分、DP值與絕緣系統(tǒng)絕緣老化的影響關(guān)系，為進(jìn)一步評(píng)估系統(tǒng)絕緣能力提供參考。

3 結(jié)論

為分析變壓器內(nèi)含水量和特征量之間的關(guān)系，開展極化測(cè)試，研究水分與DP值對(duì)樣品PDC參數(shù)的影響情況，并分析兩個(gè)特征參量對(duì)DP值和水分的影響關(guān)系，得出DP值與Id和Idp呈反比例關(guān)系，且在水分含量相同時(shí)，P1隨DP值的變大而下降。選擇P1作為反映絕緣老化程度的特征量，可清晰且準(zhǔn)確地找到水分、DP值與絕緣系統(tǒng)絕緣老化的影響關(guān)系，對(duì)評(píng)估系統(tǒng)絕緣能力有重要意義。