趙凱林，張晨萌2，侯世英，高晨璐，程 銘

(1.輸配電裝備系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電容器作為電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的無功補(bǔ)償和濾波設(shè)備，其良好的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。然而近幾年，輸電系統(tǒng)中發(fā)生的故障事故大多數(shù)都來源于電容器的絕緣劣化[4]，而電容器絕緣性能下降的主要原因是由于頻繁的投切使其承受多次的操作過電壓。電力電容器內(nèi)的絕緣材料為芐基甲苯和聚丙烯構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)(其中芐基甲苯作為絕緣油，聚丙烯作為有機(jī)膜)，電力電容器在承受多次操作過電壓下的失效過程也與這兩種材料密切相關(guān)。因此，通過對(duì)電容器施加多次的沖擊電壓來模擬其老化過程，從中找到判斷電容器老化程度的檢測(cè)方法與相關(guān)特征量顯得十分必要。

傳統(tǒng)的電力電容器老化狀態(tài)檢測(cè)方法主要包括油中溶解氣體、糠醛、平均聚合度、局部放電法等[5-6]，但前3種方法或多或少都存在取樣困難、不易檢測(cè)等問題，而局部放電法作為一種無損的絕緣檢測(cè)技術(shù)，不僅可通過放電量、放電次數(shù)等參數(shù)來反映介質(zhì)的絕緣狀態(tài)，而且測(cè)試的靈敏度較高，在電力行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。文獻(xiàn)[7]中研究了油膜介質(zhì)中聚丙烯薄膜的絕緣狀態(tài)對(duì)局部放電情況的影響，隨著聚丙烯老化程度的加深，局部放電的嚴(yán)重程度明顯增加，且放電部位周圍介質(zhì)的電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生變化。文獻(xiàn)[8]通過直流局部放電信號(hào)研究了脈沖電容器的老化規(guī)律，并設(shè)計(jì)了一套直流局部放電測(cè)試系統(tǒng)；該系統(tǒng)能夠?yàn)V除干擾脈沖從而提取出局部放電脈沖數(shù)，得到了不同老化階段的局部放電統(tǒng)計(jì)特性，解決了現(xiàn)場(chǎng)局部放電測(cè)試中的低靈敏度和干擾大的問題。

近年來，作為一種新興的老化程度檢測(cè)手段，極化去極化電流法(polarization-depolarization current，PDC)受到廣大學(xué)者的重視[9-11]。該方法基于介電響應(yīng)理論，在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中的偶極子受到力的作用發(fā)生轉(zhuǎn)向，該過程稱為極化現(xiàn)象，主要包括偶極子轉(zhuǎn)向極化、位移極化、分子界面極化等，產(chǎn)生一個(gè)極化電流；當(dāng)撤去外電場(chǎng)時(shí)，偶極子不再受到力的作用，分子由于自身的弛豫性質(zhì)會(huì)逐漸恢復(fù)到離散的狀態(tài)[12]，稱為去極化過程，產(chǎn)生一個(gè)去極化電流。PDC法具有非破壞性、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)，且當(dāng)電介質(zhì)材料出現(xiàn)老化后，其極化和去極化電流中包含了介質(zhì)的絕緣狀態(tài)信息，利用測(cè)試得到的PDC曲線提取相應(yīng)的指標(biāo)從而可以有效地對(duì)油膜介質(zhì)的老化程度進(jìn)行判斷。文獻(xiàn)[13]研究了變壓器油紙絕緣極化/去極化電流法特征量，分別對(duì)油老化和紙老化提出了不同的特征量，并驗(yàn)證了其可行性。文獻(xiàn)[14]采用極化去極化電流法來評(píng)估配電網(wǎng)中運(yùn)行的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的絕緣狀態(tài)，通過對(duì)比不同電纜的去極化電流曲線從而判斷其絕緣性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合也達(dá)到了理想的效果。

因此，基于上述兩種方法，分別對(duì)不同次數(shù)沖擊電壓下的油膜介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以油膜介質(zhì)交流局部放電下的起始放電電壓與PDC曲線去極化電流最大值作為老化程度的判斷依據(jù)，并結(jié)合電介質(zhì)在沖擊電壓下其內(nèi)部微觀變化對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。

1 實(shí)驗(yàn)基本原理

1.1 極化去極化電流法

當(dāng)對(duì)待測(cè)的電介質(zhì)施加一個(gè)電壓時(shí)，由于復(fù)合電介質(zhì)可等效為電容，即可理解為外加電場(chǎng)E(t)作用在試品電容上，根據(jù)全電流公式，電介質(zhì)材料內(nèi)部的電流可表示為

i(t)=

(1)

把外加電壓替換成直流電壓，此時(shí)電介質(zhì)處于極化狀態(tài)，即利用一恒定的直流源U(t)為試品電容充電。由于是直流電壓，式(1)中便不存在微分項(xiàng)，極化電流ip可表示為

(2)

式中：C0為試品電介質(zhì)的等效電容；σ0、ε0分別為電介質(zhì)的直流電導(dǎo)率與真空介電常數(shù)；f(t)為一衰減函數(shù)，用來表示電介質(zhì)極化過程的響應(yīng)能力，且衰減情況取決于電介質(zhì)的材料以及外界因素。

當(dāng)撤去該直流電源，即外電場(chǎng)的作用也相應(yīng)地消失，進(jìn)入去極化過程。電介質(zhì)中的帶電粒子由于自身弛豫性質(zhì)產(chǎn)生與極化電流相反的去極化電流id，則id可表示為

id(t)=-C0U[f(t+td)-f(t)]

(3)

式中，td為極化時(shí)間。

采用極化-去極化電流法所得出的曲線如圖1所示。

圖1 極化去極化電流曲線

從圖1曲線可以看出：不論電介質(zhì)處于極化還是去極化狀態(tài)，電流總是呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)由電介質(zhì)中分子的極化程度是否充分決定；并且當(dāng)極化時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，極化電流與去極化電流均會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，去極化電流會(huì)逐漸衰減到0而極化電流的穩(wěn)態(tài)值并不為0。這是因?yàn)橛秃湍そM成的復(fù)合電介質(zhì)存在一定的電阻，當(dāng)外加電場(chǎng)作用于該介質(zhì)時(shí)，極化電流的來源不僅是電介質(zhì)中偶極子的定向移動(dòng)，還有外加電壓在等效電阻上產(chǎn)生的電導(dǎo)電流，所以其穩(wěn)態(tài)值就是電導(dǎo)電流的大??；當(dāng)移除了直流電壓源，偶極子不再受到力的作用而恢復(fù)到起始的無序狀態(tài)，這時(shí)沒有電導(dǎo)電流的影響，故其穩(wěn)態(tài)值會(huì)衰減到0。

綜上所述，為了能夠得到復(fù)合介質(zhì)更精確的絕緣狀態(tài)信息，完全反映電介質(zhì)的絕緣情況，并排除電導(dǎo)電流的干擾，故將去極化電流作為對(duì)象來研究其與電介質(zhì)老化程度的關(guān)系。

1.2 交流下局部放電試驗(yàn)

高壓電力設(shè)備絕緣內(nèi)部由于各種原因存在氣泡、雜質(zhì)等，而這些正是發(fā)生局部放電的根本原因。對(duì)于油膜絕緣這樣的復(fù)合電介質(zhì)，其內(nèi)部存在的氣泡可以等效為一個(gè)平行板電容器中含有氣泡，相應(yīng)的等值電路如圖2所示。

圖2 等值電路

由于每次發(fā)生局部放電的時(shí)間極短，且是高頻的脈沖信號(hào)，所以等值電路中不用考慮Ra、Rb、Rc這3個(gè)電阻的作用，即等值電路由其他介質(zhì)的電容Ca、與氣泡串聯(lián)介質(zhì)的電容Cb和氣泡的電容Cc三者組成[15]。

隨著交流電壓的增加，氣泡上的電壓隨著外加電壓的變化而變化。當(dāng)氣泡兩端的電壓增加到其擊穿值時(shí)，氣泡發(fā)生放電并電離出正負(fù)離子，這些離子在外電場(chǎng)作用下移動(dòng)形成反向電場(chǎng)使氣泡兩端的電壓降低，氣泡即停止放電。局部放電就是上述過程的重復(fù)。根據(jù)局部放電的特點(diǎn)，找到電介質(zhì)中氣泡第一次被擊穿的電壓，即起始放電電壓，是關(guān)鍵的一步。在起始放電電壓下不僅能夠觀察到局部放電的特征信號(hào)，而且也不會(huì)對(duì)電介質(zhì)造成很大的損傷，故可將其作為判斷電介質(zhì)老化程度的一個(gè)判據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究方案

2.1 老化平臺(tái)

采用如圖3所示的連續(xù)沖擊電壓發(fā)生器來對(duì)油膜介質(zhì)施加不同次數(shù)的沖擊電壓，通過改變球隙之間的距離來確保沖擊電壓發(fā)生器能夠完全觸發(fā)。為了使沖擊電壓能夠連續(xù)施加，并且防止油膜介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)過程中不慎被擊穿，該實(shí)驗(yàn)將沖擊電壓的幅值設(shè)置為17 kV，且每60 s施加一次沖擊。

2.2 PDC測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)如圖4所示的實(shí)驗(yàn)原理圖對(duì)樣品及測(cè)量裝置進(jìn)行接線。其中，真空高壓繼電器、限流電阻、皮安表都內(nèi)置于PDC測(cè)量?jī)x器中。被試樣品采用四層12 μm的聚丙烯薄膜，并將其完全浸沒于芐基甲苯的絕緣油中。測(cè)量時(shí)，為保證油膜介質(zhì)的充分極化以及足夠的采樣點(diǎn)數(shù)從而計(jì)算出更為精確的數(shù)據(jù)，因此將極化電壓設(shè)置為1500 V，極化時(shí)間設(shè)為1800 s，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為1200個(gè)。

圖3 沖擊電壓發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理

圖4 PDC測(cè)試原理

2.3 交流局部放電測(cè)試平臺(tái)

利用如圖5所示的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同老化程度的油膜樣品進(jìn)行交流下的局部放電試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT)作為局部放電信號(hào)的檢測(cè)儀器。HFCT的優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)較寬頻帶的電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)的穩(wěn)定性好、精度較高。通過將HFCT安裝在試品電容一端與接地線之間的導(dǎo)線上，不僅保證了局部放電信號(hào)的完整采集，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的安全性也得到了保障。

圖5 局部放電測(cè)試原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 PDC結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中分別對(duì)樣品施加100、200、300、400次沖擊，通過對(duì)比不同老化程度下油膜介質(zhì)PDC曲線，并對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油膜介質(zhì)的去極化電流最大值呈現(xiàn)出如圖6所示的變化規(guī)律。

當(dāng)樣品無損時(shí)，其去極化電流最大值僅為1.69 nA。當(dāng)對(duì)樣品施加100次沖擊后，其去極化電流最大值幾乎增加了1倍，變?yōu)?.30 nA。隨著沖擊電壓次數(shù)的增加，樣品的去極化電流最大值也是呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，最終當(dāng)對(duì)樣品施加400次沖擊時(shí)，去極化電流最大值達(dá)到了5.62 nA。結(jié)合油膜介質(zhì)在多次沖擊電壓下的微觀變化，圖6中的遞增規(guī)律可以概括為：隨著樣品老化程度的加深，復(fù)合介質(zhì)中的油和膜均發(fā)生了不同程度的損傷，聚丙烯薄膜內(nèi)部的部分分子鏈發(fā)生斷裂生成新物質(zhì)，部分絕緣油分子也會(huì)分解生成新的物質(zhì)[16]，如帶電粒子等；帶電粒子數(shù)量的增加會(huì)使得在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)的粒子數(shù)量增加，當(dāng)電場(chǎng)撤去的一瞬間，去極化電流的最大值也會(huì)增加，故去極化電流的最大值會(huì)隨著老化程度的增加而上升。

圖6 不同老化程度下去極化電流最大值變化情況

3.2 交流局部放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)不同沖擊次數(shù)下的油膜介質(zhì)進(jìn)行交流局部放電實(shí)驗(yàn)來測(cè)量其起始放電電壓，結(jié)果如表1所示。

表1 不同沖擊次數(shù)下的油膜介質(zhì)起始放電電壓

由表1可以看出，樣品無損時(shí)的起始放電電壓為8.4 kV，隨著沖擊電壓次數(shù)的增加，油膜介質(zhì)交流局部放電下的起始放電電壓在逐漸下降。當(dāng)施加400次沖擊時(shí)，油膜介質(zhì)在6.3 kV的交流電壓下就會(huì)出現(xiàn)局部放電信號(hào)。這是因?yàn)闆_擊電壓的反復(fù)施加使油膜介質(zhì)的損傷加大，油和膜的分子結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化，復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部的氣泡和新生成的雜質(zhì)物質(zhì)都會(huì)增加；這將會(huì)使油膜介質(zhì)在更低的電壓下出現(xiàn)放電現(xiàn)象，因此其起始放電電壓也會(huì)隨之降低。

4 結(jié) 語

為了模擬電容器在運(yùn)行過程中承受的多次操作過電壓，對(duì)油膜介質(zhì)樣品施加不同次數(shù)的沖擊電壓，并分別利用極化去極化電流(PDC)法與交流下的局部放電法對(duì)不同老化程度樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析其去極化電流最大值與起始放電電壓的變化趨勢(shì)，從而得出以下結(jié)論：

1)隨著油膜介質(zhì)老化程度的加深，油膜介質(zhì)在沖擊電壓的反復(fù)作用下生成了新的帶電粒子，去極化電流的最大值呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；

2)沖擊電壓次數(shù)的增加導(dǎo)致油膜介質(zhì)的絕緣狀態(tài)不斷下降，新增的氣泡與雜質(zhì)使得油膜介質(zhì)的在交流下的起始放電電壓降低。