變壓器油紙絕緣狀態(tài)與極化譜中心時(shí)間常數(shù)關(guān)系分析

，，

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 410014)

變壓器油紙絕緣狀態(tài)與極化譜中心時(shí)間常數(shù)關(guān)系分析

吳桂良，王岸，常晨琛

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 410014)

變壓器作為電力系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備，其絕緣性能的好壞直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。為了診斷變壓器油紙絕緣的絕緣性能，采用回復(fù)電壓法測(cè)試不同水分含量和老化程度的油紙絕緣試樣的極化譜，探討油紙絕緣中的水分含量和老化程度對(duì)中心時(shí)間常數(shù)的影響。結(jié)果表明：變壓器油紙絕緣中的水分含量和老化程度與中心時(shí)間常數(shù)均有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，分別滿足二階和三階的線性關(guān)系。

變壓器；油紙絕緣；回復(fù)電壓法；中心時(shí)間常數(shù)

1 引言

變壓器作為電力傳輸和分配的核心和樞紐，是電網(wǎng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其絕緣狀態(tài)的優(yōu)劣直接關(guān)系到電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。在電、熱、機(jī)械、化學(xué)等多種因素影響下，變壓器油紙絕緣將逐漸老化，隨著老化程度的不斷加深，油紙絕緣的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度都會(huì)下降，從而導(dǎo)致變壓器的安全系數(shù)下降，降低其運(yùn)行可靠性。因此，對(duì)變壓器的絕緣狀況和故障信息進(jìn)行診斷，掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)制定科學(xué)、合理的電力變壓器運(yùn)行、維護(hù)以及更新計(jì)劃，對(duì)提高變壓器的可用率和整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性而言，都具有重大意義。

本文采用以介質(zhì)響應(yīng)理論為基礎(chǔ)的回復(fù)電壓法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬變壓器油紙絕緣的老化，研究回復(fù)電壓中心時(shí)間常數(shù)在不同老化程度下的變化規(guī)律，深入研究回復(fù)電壓曲線中心時(shí)間常數(shù)與變壓器油紙絕緣狀態(tài)的關(guān)系。

2 變壓器油紙絕緣回復(fù)電壓法測(cè)量原理

絕緣油和絕緣紙組成的復(fù)合絕緣構(gòu)成了油浸式變壓器的絕緣系統(tǒng)，典型變壓器單相繞組的結(jié)構(gòu)是由緊繞在鐵芯上的低壓繞組和繞在其外面的高壓繞組以及高低壓繞組之間的主絕緣系統(tǒng)組成，是一種復(fù)合電介質(zhì)。

根據(jù)電介質(zhì)原理，外部無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部偶極子無(wú)規(guī)則排列，在外電場(chǎng)作用下，偶極子定向排列，電荷產(chǎn)生定向位移，電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷，產(chǎn)生極化電流；撤去外加電場(chǎng)，短接兩極后，由于失去外加電場(chǎng)的誘導(dǎo)，內(nèi)部偶極子由有序狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)，表面極化電荷和界面束縛電荷部分釋放；切斷短接線路的短時(shí)間內(nèi)，一部分尚未完全釋放的自由電荷和一些定向排列的束縛電荷，會(huì)在電介質(zhì)兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差即是回復(fù)電壓Ur[1]。整個(gè)過(guò)程中，電壓與電流曲線如圖1所示。

圖1 回復(fù)電壓曲線示意圖

在充電電壓U和充放電時(shí)間比tc/td(通常取為2)保持不變的條件下，逐步改變充電時(shí)間tc(一般在0.02～104s范圍內(nèi))，可以得到一系列的回復(fù)電壓曲線；如將各曲線中峰值電壓Urmax和對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間tc繪制成圖，即可得到反映介質(zhì)極化特性的極化譜。其中，回復(fù)電壓極化譜的回復(fù)電壓峰值對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間定義為中心時(shí)間常數(shù)tdom。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及預(yù)處理[6-7]

本文進(jìn)行變壓器油紙絕緣測(cè)試試驗(yàn)材料為普通牛皮變壓器絕緣紙(厚度為0.3mm)和25#克拉瑪依變壓器礦物絕緣油。

為了控制試樣的初始狀態(tài)，將裁剪好的絕緣紙?jiān)嚇又糜跍囟葹?5℃、濕度為50%的濕度箱中一個(gè)月，采用MS-C卡爾費(fèi)休微水測(cè)量?jī)x測(cè)得絕緣紙中的微水含量約為8.5%。礦物絕緣油真空脫氣，40℃下干燥至微水含量約為11ppm(電氣性能滿足IEC 60296-2003和ASTMD 3487-2000，油中水分測(cè)試參照GB 7600-1987)。

為了研究不同的老化程度對(duì)變壓器絕緣系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)25#克拉瑪依變壓器礦物絕緣油和絕緣紙一起在90℃的溫度下進(jìn)行老化，老化時(shí)間分別為新油，15天，2個(gè)月，6個(gè)月，得到不同老化程度的油紙絕緣試樣。

為了研究不同水分含量對(duì)變壓器油紙絕緣測(cè)試系統(tǒng)的影響分析。對(duì)含水量的處理如下：將絕緣紙靜置與絕緣油中充分浸泡，本文根據(jù)實(shí)際變壓器不同的絕緣狀態(tài)，選取初始微水含量為0.5%、1%、3%、5%的絕緣試品，為了使得同一絕緣試樣中水含量能分布均勻，采用真空干燥法，通過(guò)調(diào)整干燥箱內(nèi)干燥時(shí)間、溫度和真空度以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣試樣微水含量的控制，具體的實(shí)驗(yàn)處理流程如表1所示。

表1 不同初始微水含量絕緣試樣的處理流程

實(shí)驗(yàn)室對(duì)油紙絕緣分別采用不同的方法進(jìn)行不同老化狀態(tài)和不同含水量的處理后，在保證實(shí)驗(yàn)預(yù)處理的準(zhǔn)確性上采用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)器材對(duì)油紙絕緣測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)測(cè)試裝置為三電極測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試原理圖如圖2所示。兩個(gè)電極板之間為實(shí)驗(yàn)的絕緣試樣-油紙絕緣測(cè)試系統(tǒng)，在進(jìn)行絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)裝置的上旋蓋，在容器內(nèi)部導(dǎo)入適量的經(jīng)過(guò)處理的絕緣油，然后在下電極板上放上對(duì)應(yīng)的絕緣紙，然后蓋上上旋蓋，調(diào)節(jié)旋鈕棒，使得上下電極之間壓緊。

圖2 三電極測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.2 試驗(yàn)流程

RVM測(cè)試試驗(yàn)接線如圖3所示，油紙絕緣試樣測(cè)試的具體操作步驟如下：

第一步：選取一組經(jīng)過(guò)相同處理后的油紙絕緣試樣樣品，將一張絕緣紙與絕緣油放入樣品測(cè)試電極裝置(三電極裝置)中，將測(cè)試電極裝置放入溫度為90℃的恒溫箱中靜止12h，使電極裝置中絕緣油和絕緣紙的水分的分布及整體溫度分布達(dá)到均衡；

第二步：將回復(fù)電壓測(cè)試儀的高壓電纜與測(cè)試電極裝置的高電壓電極相連，接地電纜接至測(cè)試電極裝置的測(cè)量電極，如圖2所示。

第三步：?jiǎn)?dòng)回復(fù)電壓測(cè)試裝置，設(shè)置實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)。參數(shù)設(shè)置包括充電電壓Uc，充電時(shí)間tc，放電時(shí)間td。測(cè)量開(kāi)始后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成充電、放電、采集過(guò)程；當(dāng)所測(cè)回復(fù)電壓曲線先上升再平滑下降，一直到電壓值基本穩(wěn)定后，可以手動(dòng)終止數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)量完成后，回復(fù)電壓測(cè)試裝置自動(dòng)完成回復(fù)電壓參數(shù)(中心時(shí)間常數(shù)tdom)的計(jì)算并給出特征值參數(shù)。最后將樣品組號(hào)、測(cè)試數(shù)據(jù)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)給出變壓器絕緣狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

第四步：關(guān)閉裝置電源，將測(cè)試電極測(cè)試裝置的電壓電極接線與測(cè)量電極接線連接10～20分鐘，然后斷開(kāi)，重復(fù)上述步驟二至四，進(jìn)行下一次測(cè)量。

第五步：完成所有測(cè)試后整理測(cè)試儀器與接線。

圖3 RVM測(cè)試接線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 水分含量對(duì)中心時(shí)間常數(shù)的影響

電力變壓器絕緣中水分的來(lái)源主要是空氣中水分的直接進(jìn)入是變壓器，一般而言，油紙絕緣測(cè)試系統(tǒng)中含水量的增加會(huì)導(dǎo)致介電強(qiáng)度的下降。對(duì)絕緣油來(lái)說(shuō)，含水量增加，會(huì)使介電性能逐漸劣化，但在絕緣油的溶水能力飽和以前，絕緣性能變化并不明顯，溶水能力飽和后，絕緣性能急劇降低。水是極性較強(qiáng)的液體(水的相對(duì)介電常數(shù)值為81，比絕緣油和絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)高得多)，變壓器中含有的水分更容易被強(qiáng)電場(chǎng)所吸引。溫度較低時(shí)，油中的水分處于懸浮態(tài)時(shí)，電場(chǎng)引起的水分聚集將更為嚴(yán)重，如果溫度降得很低，水分就會(huì)從油中或固體絕緣表面析出，形成水滴或水膜，使油和介質(zhì)表面的擊穿強(qiáng)度大大降低，絕緣系統(tǒng)的介質(zhì)損耗就大大降低，這樣在同樣的測(cè)試條件下得到的回復(fù)電壓曲線就存在較大的差異，如圖4所示。

對(duì)油紙絕緣水分含量分別為0.5%、1%、3%、5%的試樣進(jìn)行了回復(fù)電壓曲線測(cè)試，回復(fù)電壓曲線與中心時(shí)間常數(shù)分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，油紙絕緣中的水分含量變化會(huì)對(duì)回復(fù)電壓曲線的中心時(shí)間常數(shù)tdom產(chǎn)生影響。由圖5可知，隨著水分含量的增大，中心時(shí)間常數(shù)tdom減小。通過(guò)對(duì)中心時(shí)間常數(shù)tdom與水分含量m的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6、式(1)所示。

tdom=81.1929-20.249m+7.7976m2-1.0212m3

(1)

圖4 不同水分下的回復(fù)電壓曲線

圖5 不同水分含量絕緣試樣的中心時(shí)間常數(shù)

圖6 中心時(shí)間常數(shù)與水分含量的擬合曲線

由圖6可知，水分含量的增加對(duì)中心時(shí)間常數(shù)tdom的影響在不同區(qū)間不同，在水分含量較低和較高時(shí)，中心時(shí)間常數(shù)tdom變化速率較快，并且二者滿足三階線性關(guān)系。

4.2 老化程度對(duì)中心時(shí)間常數(shù)的影響

在電、熱、機(jī)械、化學(xué)等多種因素影響下，變壓器油紙絕緣將逐漸老化，這樣會(huì)使絕緣材料發(fā)生一系列的物理變化和化學(xué)變化，而使得絕緣材料發(fā)生劣化。在高熱應(yīng)力下，絕緣材料的C-H鍵和C-C鍵會(huì)發(fā)生斷裂。這些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水、酸性物質(zhì)、二氧化碳、一氧化碳以及油泥等老化物質(zhì)。溫度超過(guò)90℃，絕緣油的老化更加明顯，絕緣油中會(huì)出現(xiàn)更多的雜質(zhì)，雜質(zhì)的溶解進(jìn)一步的加劇了變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的老化速度，影響了變壓器的絕緣性能，絕緣紙也會(huì)出現(xiàn)聚合分子的斷裂而使得絕緣系數(shù)降低，隨著油紙絕緣系統(tǒng)的進(jìn)一步老化，變壓器將退出運(yùn)行。

對(duì)油紙絕緣老化時(shí)間分別為0、15天、2個(gè)月、6個(gè)月的試樣進(jìn)行了回復(fù)電壓曲線測(cè)試，回復(fù)電壓曲線與中心時(shí)間常數(shù)分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同老化時(shí)間下的回復(fù)電壓曲線

圖8 不同老化時(shí)間絕緣試樣的中心時(shí)間常數(shù)

由圖7可知，油紙絕緣的老化程度會(huì)對(duì)回復(fù)電壓曲線的中心時(shí)間常數(shù)tdom產(chǎn)生影響。由圖8可知，隨著老化時(shí)間的增多，中心時(shí)間常數(shù)tdom減小。通過(guò)對(duì)中心時(shí)間常數(shù)tdom與老化時(shí)間x的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖9、式(1)所示。

tdom=71.9924-0.1911x+5.49×10-4x2

(2)

由圖9可知，水分含量的增加對(duì)中心時(shí)間常數(shù)tdom的影響在不同區(qū)間不同，在水分含量較低時(shí)，中心時(shí)間常數(shù)tdom變化速率較快，在水分含量較高時(shí)，中心時(shí)間常數(shù)tdom變化速率相對(duì)較慢，并且二者滿足二階線性關(guān)系。

圖9 中心時(shí)間常數(shù)與老化時(shí)間的擬合曲線

5 結(jié)論

本文基于回復(fù)電壓法(RVM)研究了中心時(shí)間常數(shù)與變壓器油紙絕緣狀態(tài)的關(guān)系，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)分析，得到了以下結(jié)論：

(1)變壓器油紙絕緣中的水分含量的增大，中心時(shí)間常數(shù)tdom減小，滿足三階線性關(guān)系。

(2)油紙絕緣的老化程度和中心時(shí)間常數(shù)tdom具有很好的二階線數(shù)關(guān)系，中心時(shí)間常數(shù)tdom可以作為一個(gè)很重要的測(cè)量指標(biāo)來(lái)分析油紙絕緣系統(tǒng)中的水分含量和受潮程度。

[1] 周利軍，李先浪，王曉劍，等.基于回復(fù)電壓曲線的油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估[J].高電壓技術(shù)，2014，40(2)：489-495.

[2] KALOCSAL L.Spectrum of Polarization Phenomena of Long Time-constant as a Diagnostic Method of Oil-paper Insulation System[C].Proceeding of the 3rd International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials.Tokyo,Japan:IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society and Insitute of Electrical Engineens of Japan,1991:723-726.

[3] NEMETH E.Measuring Voltage Response:a Non-destructive Diagnostic Test Method of HV Insulation[J].IEE Proceeding of Science.Measurement and Technology,1999,146(5):249-252.

[4] ZAENGL WS.Dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment.I.Theoretical considerations[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2003,19(5):5-19

[5] SAHA T K.Review of time-domain polarization measurements for assessing insulation condition in aged transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(4):1293-1301.

[6] 劉剛.變壓器油-紙絕緣狀態(tài)診斷的回復(fù)電壓法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[7] 廖瑞金，孫會(huì)剛，袁泉，等.采用回復(fù)電壓法分析油紙絕緣老化特征量[J].高電壓技術(shù)，2011，37(1)：136-142.

[8] 郭艷雪，蔡金錠.采用時(shí)域介電譜法確定變壓器油紙絕緣等效電路參數(shù)[J].供用電，2012，29(6)：52-54.

[9] Vahe Der Houhanessian,Walter S.Zaengl.Application of relaxation current measurements to on-site diagnosis of power transformers[C]// 1997 IEEE Annual Report-Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Minneapolis,USA,1997:45-51.

[10] 陳季丹，劉子玉.電介質(zhì)物理學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[11] 廖瑞金，袁泉，唐超，等.不同老化因素對(duì)油紙絕緣介質(zhì)頻域譜特性的影響[J].高電壓技術(shù)，2010，36(7).

[12] 彭華東，董明，劉媛，等.回復(fù)電壓法用于變壓器油紙絕緣老 化狀態(tài)評(píng)估[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012,28(9)：6-11.

[13] 劉 君，吳廣寧，周利軍，等.變壓器油紙絕緣微水?dāng)U散暫態(tài)的電介質(zhì)頻率響應(yīng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(1)：171-178.

AnalysisofTransformerOilpaperInsulatingStateandPolarizatioSpectrumCentreTimeConstant

WUGui-liang,WANGAn,CHANGChen-chen

(Central and Southern China Design Research General Institute Co.,Ltd.of China Municipal Works,Wuhan 410014,China)

Transformers anre key equipment of an electric system.Good or bad for their insulating property will directly affect safe operation of electric networks.In order to diagnose the insulating property of oil paper, adopt recovery voltage method to test different moisture and the polearization spectrum of the aging degree oil paper sample.Discuss the moisture and the aging degree of the oil paper insulation for the influence on the centre time constant.The result shows that the moisture and the aging degree of trnusformer oil paper inscelation and the centne time constant have strouger associate relations,which differentiates to the secondorder and third order linear relations.

transformer;oil paper insulation; recovery voltage method;centre time constant

1004-289X(2017)03-0098-05

TM41

B

文章編號(hào)：1004-289X(2017)03-0102-03

2017-03-02

吳桂良(1988-)，男，研究生，助理工程師，主要研究方向市政電氣自控設(shè)計(jì)。