上官璇峰　蔣思遠(yuǎn)　周敬樂　宋偉康　朱學(xué)佳

摘要：為了研究系統(tǒng)的老化狀態(tài)和水分含量對(duì)油紙絕緣介電響應(yīng)特性的影響，測量了在相同試驗(yàn)條件下，經(jīng)過相同處理油浸紙板試樣的去極化電流、頻域介電譜以及含水率，獲得時(shí)頻域的介電響應(yīng)特性曲線，利用最小二乘法、擴(kuò)展Debye模型對(duì)去極化電流曲線進(jìn)行擬合，分析擬合結(jié)果，得到熱老化對(duì)松弛時(shí)間較長的擴(kuò)展Debye支路影響較為明顯；利用DavidsonCole模型對(duì)不同老化程度及不同含水率試樣的頻域介電譜實(shí)測曲線進(jìn)行擬合，并提取介電特性相關(guān)參數(shù)，得到松弛時(shí)間隨老化程度加深和含水率的增大均呈減小趨勢，此變化規(guī)律可用于對(duì)變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)和含水率的評(píng)估。

關(guān)鍵詞：油紙絕緣；去極化電流；介電響應(yīng)；老化；含水率

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號(hào)：TM 835.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

變壓器尤其是大型油浸式電力變壓器作為電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行可靠性與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定密切相關(guān)，而變壓器良好的絕緣系統(tǒng)又是變壓器長期可靠運(yùn)行的重要保障[1]。電力變壓器的主絕緣系統(tǒng)是油紙絕緣系統(tǒng)，該絕緣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)對(duì)變壓器的運(yùn)行壽命發(fā)揮著重要作用。在變壓器的長期運(yùn)行過程中，其內(nèi)部油紙絕緣會(huì)受到電場、溫度、水分和機(jī)械應(yīng)力等因素的綜合作用而逐漸老化，引起變壓器的絕緣性能下降[2-3]。因此對(duì)變壓器絕緣系統(tǒng)進(jìn)行有效檢測和診斷至關(guān)重要。

近年來，以介電響應(yīng)特性為基礎(chǔ)的介電響應(yīng)法被廣泛用于變壓器的絕緣診斷中，用來分析變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)及含水率等。介電響應(yīng)法包括時(shí)域回復(fù)電壓法（recovery voltage method，RVM）[4-5]、極化去極化電流法（polarization and depolarization current，PDC）[6-7]和頻域介電譜法（frequencydomain dielectric spectroscopy，F(xiàn)DS）[8-10]。國外學(xué)者LEIBFRIED等人通過現(xiàn)場測試對(duì)現(xiàn)場變壓器進(jìn)行了極化去極化電流測試，并初步使用極化去極化電流法評(píng)估了變壓器油紙絕緣的水分含量[11]。國內(nèi)學(xué)者吳廣寧等人利用FDS法對(duì)不同溫度下油紙絕緣頻域譜進(jìn)行測量，并運(yùn)用雙弛豫ColeCole模型擬合測試值，得到頻域譜隨溫度的變化，并在熱力學(xué)角度剖析溫度對(duì)油紙絕緣體系的影響[12-13]。廖瑞金、楊麗君等人在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用FDS方法獲得不同溫度下油紙絕緣試品不同水分含量的頻域復(fù)介電常數(shù)，研究了水分及測量溫度對(duì)油紙絕緣頻域譜的影響規(guī)律，并引入“FDS曲線頻率平移法”，提高了絕緣紙板水分定量評(píng)估的可靠性[14-16]。

為了系統(tǒng)的研究老化狀態(tài)和水分含量對(duì)油紙絕緣介電響應(yīng)特性的影響，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬出多組不同老化時(shí)間油浸紙板的XY等效模型，測出其極化去極化電流曲線，并對(duì)其擬合；應(yīng)用絕緣診斷分析儀IDAX300，對(duì)不同老化時(shí)間下的油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行了頻域介電譜曲線測試，并對(duì)其擬合，提取介電特性相關(guān)參數(shù)；應(yīng)用萃取法測量出油浸紙板的含水率，并測出不同含水率油浸紙板的頻域介電譜曲線，對(duì)其擬合并提取介電特性相關(guān)參數(shù)。通過對(duì)去極化電流、頻域介電譜及含水率的介電特性相關(guān)參數(shù)的提取，分析了油紙絕緣系統(tǒng)松弛時(shí)間τ隨老化程度和含水率的變化情況，可用于對(duì)油紙絕緣老化狀態(tài)和含水率的評(píng)估，對(duì)變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的可靠性預(yù)測具有指導(dǎo)意義。

1模型建立

1.1變壓器油紙絕緣等效模型

變壓器的主絕緣系統(tǒng)是由一系列的絕緣紙板、油隙以及對(duì)絕緣紙板起支撐作用的撐條組成，如圖1所示。

圖1是對(duì)變壓器主絕緣系統(tǒng)較為理想的簡化模型。該模型既能反映油紙絕緣的介電響應(yīng)特性，又能直接和變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，被廣泛用來診斷變壓器主絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)[17-19]，其中X值為絕緣紙板總厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度之比，Y值為撐條總寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長之比。對(duì)于不同幾何結(jié)構(gòu)的油浸變壓器，通常0.2

εr=Y1-Xεpaper+Xεpaper+1-Y1-Xεoil+Xεpaper。（1）

式中：εr為油紙絕緣系統(tǒng)總的相對(duì)介電常數(shù)；εoil為絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)；εpaper為絕緣紙板的相對(duì)介電常數(shù)。

1.2油紙絕緣擴(kuò)展Debye模型

變壓器內(nèi)多層油紙絕緣結(jié)構(gòu)可由一系列電容和電阻串并聯(lián)組成的R-C電路模型表示，即擴(kuò)展Debye模型，如圖2所示。

在外加電場作用下，擴(kuò)展Debye模型每個(gè)支路的松弛電流疊加為去極化電流，由電路定理得極化去極化電流為：

id=∑ni=1Aie-t/τi，（2）

ip=UcR0+∑ni=1Aie-t/τi，（3）

Ai=-Uc（1-e-tc/τi）Ri， i=1，2，3，…，n。（4）

其中：各支路的松弛時(shí)間τi=RiCi，表征不同松弛極化的時(shí)間常數(shù)；R0為介質(zhì)絕緣電阻；tc為充電電壓Uc的施加時(shí)間。

研究可得去極化電流的末端主要取決于i=n時(shí)的電阻、電容值，由此利用式（2）～式（4）對(duì)id的末端進(jìn)行擬合，可得到An和τn。由等效電路圖可看出，id減去第n條支路對(duì)應(yīng)的電流，可得剩余n-1條支路的電流，再對(duì)剩下的n-1條支路的末端進(jìn)行擬合，可得到An-1和τn-1[20-22]，以此類推，經(jīng)過擬合可得各支路Ai和τi，從而得到各支路的電阻Ri和Ci。其擬合步驟如圖3所示。

1.3油紙絕緣修正ColeCole模型

通常采用模型函數(shù)來分析介電弛豫過程，常用的模型函數(shù)包括Debye方程、ColeCole方程、DavidsonCole方程、HavriliakNegami方程[23-24]。其中DavidsonCole模型是在ColeCole模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析得到的非對(duì)稱形式，能夠很好地分析高分子體系的介電弛豫過程，絕緣紙板主要由纖維素大分子組成，屬于高分子體系[25-27]，因此可以采用DavidsonCole非對(duì)稱模型來研究其介電弛豫特性。故實(shí)驗(yàn)和擬合均采用了DavidsonCole非對(duì)稱模型，其函數(shù)式為

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）試驗(yàn)紙板的處理。

測試所需要的設(shè)備為：真空干燥箱，高壓直流電源，Keithly6517B型靜電計(jì)，絕緣診斷分析儀IDAX300，電磁攪拌器等。將絕緣紙板裁成長寬為12 cm×12 cm，厚度為1 mm的正方形和長寬為12 cm×4 cm，厚度為1 mm的長方形紙板條，建立變壓器的XY模型。然后對(duì)制備好的絕緣紙板XY模型進(jìn)行預(yù)處理，其流程圖如圖4所示。

首先取適量變壓器油于油槽中，并與制備好的絕緣紙板XY模型分別放入抽真空烘箱中，在105 ℃下真空干燥24 h后，將紙板模型浸入到變壓器油中，再次放入抽真空烘箱，每隔2 h抽一次真空，直至沒有氣泡冒出。靜置24 h，然后將處理好的XY油浸紙板模型分成3組，分別進(jìn)行PDC、FDS及含水率的測試，并對(duì)其擬合提取介電特性參數(shù)，進(jìn)而分析老化和含水率對(duì)油紙絕緣影響。

2）油紙絕緣系統(tǒng)PDC測量。

將經(jīng)過處理的一組XY絕緣紙板放入熱烘箱中，將溫控儀設(shè)置為130 ℃，每天加熱12 h，然后取出老化時(shí)間為0、15、20 d的油浸紙板，來測量其去極化電流，并對(duì)其擬合得到擬合參數(shù)τ。

3）油紙絕緣系統(tǒng)FDS測量。

將經(jīng)過處理的一組XY絕緣紙板放入熱烘箱中，將溫控儀設(shè)置為130 ℃，每天加熱12 h，然后取老化時(shí)間為0、10、15、20、25、30 d的油浸紙板，來測量其頻域介電譜。

對(duì)試樣進(jìn)行頻域介電譜測量時(shí)采用二電極系統(tǒng)，測試系統(tǒng)采用寬頻介電譜測試儀MEGGER IDAX300，頻譜測試范圍為10-4～104 Hz，其測試準(zhǔn)確誤差小，可得到被測試樣的復(fù)電容、介質(zhì)損耗因數(shù)等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出復(fù)介電常數(shù)。

4）油紙絕緣系統(tǒng)含水率測量。

在室溫下將經(jīng)處理好的一組油浸紙板模型放在空氣中吸潮，取吸潮時(shí)間為0、48、96、144 h的試樣測其FDS介電譜和含水率。

實(shí)驗(yàn)采用萃取法來測量油浸紙板的含水率，并計(jì)算出絕緣紙板的含水率為

W=4（A-B）Vm×10-4。（8）

其中：W為含水量，%；A為250 μl含樣品的萃取液的含水量，μg；B為250 μl空白甲醇的含水量，μg；m為干紙板質(zhì)量，g；V為所加萃取溶劑體積，ml。

經(jīng)計(jì)算可得到吸潮時(shí)間為0、48、96、144 h的油浸紙板試樣的含水率依次為0.76%、1.089%、1.73%、3.346%。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測試值擬合

3.1油紙絕緣系統(tǒng)PDC測試曲線及擬合結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理測出去極化電流并對(duì)其擬合，采取5條支路的擴(kuò)展Debye模型，利用式（2）～式（4）編寫程序，再根據(jù)圖3所示流程圖對(duì)實(shí)測曲線進(jìn)行擬合，得到如圖5所示曲線，擬合得到的擴(kuò)展Debye模型各支路參數(shù)值如表1所示。

從圖5可看出，實(shí)測曲線與擬合曲線幾乎重合，說明利用擴(kuò)展Debye模型可以很好地?cái)M合該組油浸紙板模型的去極化電流。從表1中的擬合參數(shù)可看出，隨老化時(shí)間的增大，老化程度加深，每條支路對(duì)應(yīng)電阻減小，電容增大，較大松弛時(shí)間支路的Ai、τi逐漸增大，較小松弛時(shí)間支路的Ai 、τi沒有明確的變化規(guī)律，由此可見老化對(duì)松弛時(shí)間長的支路影響較為明顯。

3.2油紙絕緣系統(tǒng)FDS測試曲線及擬合結(jié)果

根據(jù)上述的原理可測出油浸紙板的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ，復(fù)電容實(shí)部、虛部，并計(jì)算出復(fù)介電常數(shù)，則油浸紙板的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線如圖6所示。

油紙絕緣老化越嚴(yán)重，其極化損耗和電導(dǎo)損耗越大，頻率較低時(shí)，極化損耗和電導(dǎo)損耗同時(shí)存在，介質(zhì)損耗因數(shù)較大，隨著頻率升高，極化逐漸跟不上電場變化，極化損耗變小。如圖6中介質(zhì)損耗因數(shù)曲線，低于10 Hz時(shí)隨頻率的增大而減小，且在此頻段內(nèi)，老化程度對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響明顯。頻率繼續(xù)升高，偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)損耗的影響可以忽略，只剩電導(dǎo)損耗，而電導(dǎo)損耗在低頻范圍貢獻(xiàn)較大，高頻范圍貢獻(xiàn)較小，因此圖6中不同老化程度的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線在高頻段區(qū)分不明顯。

實(shí)驗(yàn)所用電極上極板直徑為50 mm，紙板厚度為1 mm，計(jì)算得出不同老化時(shí)間的油浸紙板的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部，其曲線如圖7所示。絕緣紙板是由纖維素等大分子結(jié)構(gòu)組成的極性材料，其損耗包括電導(dǎo)損耗和松弛損耗兩部分。圖7中頻率低于10 Hz時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部隨著頻率的減小而增大，當(dāng)頻率逐漸升高，偶極子轉(zhuǎn)向極化來不及建立時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部基本不變。隨著老化程度的加深，絕緣紙裂解，水分、酸、呋喃化合物等雜質(zhì)也逐漸增多[21]，導(dǎo)致絕緣紙內(nèi)部帶電粒子含量增加，極化程度增大，因此老化程度越嚴(yán)重，在相同頻段內(nèi)油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)實(shí)部越大。

對(duì)上述計(jì)算得到的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部進(jìn)行擬合，擬合得到參數(shù)β、Δε、τ，如表2所示。由表2可以看出不同老化時(shí)間油紙絕緣系統(tǒng)DavidsonCole模型中的參數(shù)τ隨老化程度加深而減小，Δε隨老化時(shí)間增大而增大，因?yàn)镈avidsonCole模型中Δε為光頻介電常數(shù)與穩(wěn)態(tài)介電常數(shù)的差值，老化時(shí)間越長穩(wěn)態(tài)介電常數(shù)越大，所以Δε隨老化時(shí)間增大而增大。β表征圓弧偏離正圓的程度，由測試結(jié)果可得老化程度越大偏離正圓程度越大。

3.3油紙絕緣系統(tǒng)不同含水率頻域譜及擬合結(jié)果

根據(jù)上述的FDS實(shí)驗(yàn)原理可得含水率為0.76%、1.089%、1.73%、3.346%油浸紙板試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線如圖8所示，介電常數(shù)實(shí)部如圖9所示。

對(duì)于圖8，在含水率較小時(shí)，油紙絕緣系統(tǒng)的介質(zhì)損耗因數(shù)在102～103 Hz之間存在一個(gè)最小值。這是因?yàn)楹瘦^小時(shí)，在低頻范圍電導(dǎo)損耗起主導(dǎo)作用，隨頻率的增加，電導(dǎo)損耗減小，因此介質(zhì)損耗因數(shù)減??；當(dāng)頻率較大時(shí)，隨頻率的增大，極化損耗增大，在高頻范圍極化損耗占主導(dǎo)地位，因此介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率增大而增大。

由圖9可得，隨著含水率增大，油紙絕緣介電常數(shù)實(shí)部在低頻范圍時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率減小而增大，在高頻范圍時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率變化不大。經(jīng)擬合，可得不同含水率DavisonCole模型擬合參數(shù)如表3所示?？梢钥闯霾煌视徒埌錎avidsonCole模型中的參數(shù)τ隨含水率的增大而呈減小趨勢，Δε隨含水率的增大而增大。β表征圓弧偏離正圓的程度，由測試結(jié)果可得含水率越大圓弧偏離正圓的程度越大。

3.4不同老化程度及不同含水率的松弛時(shí)間分析

根據(jù)表2、表3的擬合參數(shù)為了更好地觀察松弛時(shí)間τ隨老化程度與含水率的變化情況，將其繪成散點(diǎn)圖如圖10和圖11所示，可得松弛時(shí)間τ隨老化程度加深和含水率的增大均呈減小趨勢。

4結(jié)論

本文主要測量不同老化程度油浸紙板試樣的去極化電流、頻域介電譜以及含水率，并對(duì)其擬合提取介電特性相關(guān)參數(shù)得到如下結(jié)論：

1）通過對(duì)去極化電流曲線的擬合得到較大松弛時(shí)間支路的Ai 、τi逐漸增大，較小松弛時(shí)間支路的Ai 、τi沒有明確的變化規(guī)律，因此在時(shí)域范圍內(nèi)老化對(duì)松弛時(shí)間較長的支路影響較為明顯。

2）當(dāng)頻率低于0.01 Hz時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部隨著頻率的減小而增大，且老化越嚴(yán)重其增加趨勢越明顯，但在頻域范圍內(nèi)，松弛時(shí)間隨老化程度的增大而減小。

3）通過對(duì)不同含水率油浸紙板復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部數(shù)值的擬合，分析得到τ隨含水率的增大而逐漸減小。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：邱赫男）