微水含量對老化后變壓器油介電性能影響分析

賈海峰　劉驥　張明澤　呂佳璐　程煒超

摘 要：變壓器油是油浸式電力變壓器中重要的液體絕緣介質(zhì)，有滅弧、絕緣、冷卻等作用。但國內(nèi)外多年的研究表明變壓器油是油浸式電力變壓器內(nèi)部絕緣性能最薄弱的環(huán)節(jié)，因此其絕緣性能直接決定了電力變壓器能否正常安全的運行。為了探尋老化過程中微水對變壓器油介電性能的影響，以45號變壓器油為研究對象，利用自行搭建的頻域介電譜測試平臺以及載流子遷移率測試平臺，得到了變壓器油水分含量對其介電損耗因數(shù)、復介電常數(shù)實部、載流子遷移率的影響規(guī)律。研究結果表明：變壓器油含水量增加時，其介電損耗因數(shù)、載流子遷移率和直流電導率均有所增大;在低頻范圍內(nèi)，復介電常數(shù)實部會隨著水分含量的增加而增加，并且頻率越低增加的越大;在高頻范圍內(nèi)，介電損耗因數(shù)曲線上的拐點會隨著水分含量的增加逐漸消失;隨著老化程度的加劇，變壓器油的直流電導率增大的速率隨含水率的增加而增加。

關鍵詞：變壓器油;含水率;介電響應;載流子遷移率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.010

中圖分類號： TM85

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）06-0070-07

Analysis of Influence of Moisture Content Ondielectric

Properties of Transformer Oil after Aging

JIA Hai-feng1，2， LIU Ji1， ZHANG Ming-ze1， L Jia-lu2， CHENG Wei-chao2

（1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application （Ministry of Education）， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：Transformer oil is an important liquid insulating medium in oil-immersed power transformers， which has the functions of arc extinguishing， insulation and cooling. However， many years of domestic and foreign researches have shown that transformer oil is the weakest link in the insulation of oil-immersed power transformers. Therefore， its insulation performance directly determines whether the power transformer can operate normally and safely. In order to explore the influence of moisture on the dielectric properties of transformer oil during the aging process， the 45# transformer oil is taken as the research object. The self-built frequency domain dielectric spectrum test platform and carrier mobility test platform were used to obtain the influence of the moisture content of the transformer oil on its dielectric loss factor， real dielectric constant real part and carrier mobility. The results show that the dielectric loss factor， carrier mobility and DC conductivity increase when the water content of the transformer oil increases. In the low frequency range， the real part of the complex permittivity increases with the moisture content increasing. And the lower the frequency， the greater the real part of the complex permittivity increases. In the high frequency range， the inflection point which appears on the dielectric loss factor curve will gradually disappear with the increase of moisture content. As the degree of aging increases， the increasing rate of DC conductivity of the transformer oil increases with the water content increasing.

試樣制備過程如下： 準備4組含水量相同的變壓器油，將其中3組進行老化處理，即放入真空老化箱中在130℃的溫度下老化，等到其老化7、15、20d時，分別取出1組試樣。然后在4組試樣中分別取適量的變壓器油并注入一定水分，攪拌均勻后置入烘箱中加熱至60℃使水分充分溶解于變壓器油中，然后冷卻至室溫并進行抽真空處理，使油樣中不存在空氣。所有實驗油樣均用庫倫微水儀對其含水量進行標定。配制好的油樣倒入密封容器內(nèi)儲存?？紤]到空氣中水分對油樣的影響，在對油樣進行試驗前，再次測量含水率，并以此為最終含水量。

2.2 測試平臺

2.2.1 頻域介電譜測試平臺

變壓器油的頻域介電譜測試系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)是由液體電極、真空干燥箱、IDAX-300以及采集數(shù)據(jù)的上位機組成。

IDAX-300的基本原理是把絕緣系統(tǒng)置于較寬的頻率范圍，測量其在不同頻率下和溫度下的介質(zhì)響應，可以獲得較為全面的介電性能與絕緣狀態(tài)評估。該裝置可以直接測得材料的介質(zhì)損耗角正切值，經(jīng)過輸入測試電極尺寸后，可以通過測得的電容量計算出材料的相對介電常數(shù)。其損耗測量范圍0～100，頻率范圍為10-4～104Hz且具有較強的抗干擾能力。

試驗時將試驗試樣（約40mL變壓器油）倒入液體電極中，隨后放入真空干燥箱。真空干燥箱起保持干燥的測試環(huán)境和屏蔽干擾信號的作用。用IDAX-300進行測量，并用上位機采集與保存測試數(shù)據(jù)。頻域介電譜測試試驗的測試頻段是10-3～104Hz，測試電壓是140V。

2.2.2 載流子遷移率測試平臺

變壓器油載流子遷移率測試系統(tǒng)如圖3所示，變壓器油遷移率測試系統(tǒng)由液體電極、開關系統(tǒng)、接線屏蔽盒、試樣屏蔽盒、靜電計6517B以及采集數(shù)據(jù)的上位機組成，其中開關系統(tǒng)是由時間繼電器以及為其供電的直流電源組成。開關系統(tǒng)起控制線路開斷的作用，可以設置施加直流電壓的時間。

靜電計6517B比其他同類型的儀表具有更高的精度和靈敏度指標。它最大電阻測量值可達1016Ω，測量電流的范圍為1fA～20mA，內(nèi)置±1kV電源，獨特的高電阻測量電壓反接方法等優(yōu)點。由于靜電計6517B配備內(nèi)置電源且測試所需電壓較低，可使用靜電計的內(nèi)置電源控制直流電壓的極性反轉。因此測試開始以及極性反轉時的直流電壓均可視為階躍電壓。

測試變壓器油的載流子遷移率時，先將試驗油樣（約40mL變壓器油）倒入液體電極中，然后放入試樣屏蔽盒。設置施加直流電壓的幅值與時間，本文中施加的直流電壓幅值為80V，測量時間為2h（電壓反轉時間設為1h），為了提高數(shù)據(jù)的準確度采樣時間間隔設為0.1s。隨后打開開關系統(tǒng)，使用靜電計6517B檢測電流，最后用上位機收集與保存實驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結果與分析

3.1 含水量對變壓器油介電損耗因數(shù)的影響

圖4為25℃時不同老化程度變壓器油在不同含水量下測試的介電損耗因數(shù)示意圖。

如圖4所示，在雙對數(shù)坐標系下，變壓器油的介電損耗因數(shù)tanδ與頻率f總體上呈線性關系;隨著變壓器油中含水量的不斷增大，其介電損耗因數(shù)曲線向右上平移;介電損耗因數(shù)在高頻處（1000Hz左右）會出現(xiàn)一個拐點，隨著變壓器油中水分含量的增加，其拐點會逐漸消失。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：電介質(zhì)在交變電場作用下的能量損耗由電導損耗及松弛極化損耗構成。電導損耗存在于頻域介電譜的所有頻率段，因此電介質(zhì)的電導損耗隨著頻率的增加而減小。由于頻率較低時松弛極化都能完全建立，電介質(zhì)中僅存在電導損耗。隨著頻率不斷增大，松弛極化損耗開始產(chǎn)生并不斷增大。當頻率很大時，電介質(zhì)的損耗以松弛極化損耗為主。因此，介電損耗因數(shù)在高頻處會出現(xiàn)一個拐點。隨著變壓器油中水分含量的增加，使得參與電介質(zhì)極化的粒子數(shù)增多。并且水分子是極性分子，通過電離過程得到的離子會使電導損耗快速增大，也會使電介質(zhì)的損耗在高頻段下降的趨勢變緩。因此，隨著變壓器油中含水量的不斷增大，其介電損耗因數(shù)曲線向右上平移，高頻段的拐點會逐漸消失。

3.2 含水量對變壓器油相對介電常數(shù)的影響

圖5為25℃時不同老化程度變壓器油在不同含水量下測試的復介電常數(shù)實部示意圖。

如圖5所示，在高頻范圍內(nèi)，變壓器油復介電常數(shù)實部基本不會改變;而在低頻范圍內(nèi)，變壓器油復介電常數(shù)實部會隨著油中含水量的增大而增加，并且頻率越低增加的越大。

變壓器油的復介電常數(shù)實部隨頻率變化的原因是：在低頻范圍內(nèi)，變壓器油中的極化主要是雜質(zhì)引起的空間電荷極化[20]，隨著測試電壓的頻率不斷增大，空間電荷極化來不及完成，因此變壓器油的復介電常數(shù)實部逐漸變小。當電場頻率較大時，變壓器油中主要存在的極化為電子位移極化，而電子位移極化完成極化所需時間較短，在測試頻率范圍內(nèi)能充分完成，因此變壓器油的復介電常數(shù)實部沒有什么改變。

3.3 含水量對變壓器油載流子遷移率的影響

根據(jù)式（4）可知，變壓器油載流子遷移率的計算受試樣兩端的階躍電壓、電極間的距離及載流子遷移時間等影響。表1列出了變壓器油載流子遷移率的影響因素。

在上述因素的影響下，依據(jù)式（4）可計算出不同老化程度變壓器油在不同含水量下測試的載流子遷移率，如圖6所示。

根據(jù)表1和圖6可知，在其他影響因素不變的情況下，變壓器油載流子的遷移時間隨微水含量的增加而變小，并且其遷移率隨微水含量的增加而變大;變壓器油的載流子遷移率隨著微水含量增加而升高的速率也越來越大。

產(chǎn)生上述變化的原因是：水是弱電解質(zhì)，在外電場以及電離平衡的作用下會電離出正負離子（H+、OH-）。隨著變壓器油中微水含量不斷增加，電離出的正負離子不斷增多，使得變壓器油中的載流子增多，加強了變壓器油的導電性能。測試開始時階躍電壓把變壓器油中處于無規(guī)則熱運動的載流子聚集到電極表面附近，當電壓極性反轉時由于變壓器油的導電性能因載流子的增加而增強，聚集在電極表面的載流子能更快向對面電極遷移，即載流子的遷移時間減少。因此變壓器油的去極化時間減少，導致變壓器油的載流子遷移率增大。

3.4 含水量對變壓器油直流電導率的影響

使用ZC36型高絕緣電阻測量儀測量液體電極中變壓器油在1kV直流電壓下的絕緣電阻，測試過程中當電阻值不再變化時記錄下來（約為2min），并通過下述公式可計算出變壓器油的直流電導率σ0：

σ0=lRS（5）

圖7為25℃時不同老化程度變壓器油在不同含水量下測試的直流電導率示意圖。

如圖7所示，不同老化程度的變壓器油的直流電導率都隨著含水量的增加而不斷增大;并且隨著老化程度的不斷加劇，變壓器油的直流電導率受含水率的影響而變大的速率也越來越大。

變壓器油的直流電導率改變的原因是：變壓器油中微水含量增大時，為了達到電離平衡變壓器油中會產(chǎn)生更多的正負離子（H+、OH-），使得變壓器油中的離子增多。根據(jù)絕緣電介質(zhì)直流電導率σ0與離子濃度n0和載流子遷移率μ的關系：

σ0=2eμn0（6）

變壓器油微水含量的增加不僅使離子濃度增加還使載流子遷移率變大。因此變壓器油的直流電導率隨著微水含量的增加而增大。

4 結 論

研究了老化程度和含水量對變壓器油介電性能的影響規(guī)律，得到以下結論：

1）實驗表明，老化程度相同的情況下，在高頻范圍內(nèi)介電損耗因數(shù)曲線高頻上的拐點會隨著水分含量的增加逐漸消失。

2）變壓器油中微水含量對載流子遷移率的變化具有明顯影響。變壓器油中水分含量增大時，載流子在恒定電場條件下的遷移時間減少，導致載流子遷移率增大。

3）變壓器油的直流電導率受油中離子濃度以及載流子遷移率的影響。變壓器油中微水含量增大時，油中離子濃度以及載流子遷移率都增大，導致其直流電導率變大。因此變壓器油的直流電導率隨著含水量的增加而不斷增大，并且隨著老化程度的不斷加劇，變壓器油的直流電導率增大的速率隨微水含量的增加而增加。

實驗結果對油紙絕緣的微水含量評估具有一定的意義，可以結合其他的測量方法減少測量誤差。但仍存在一些不足，尤其在在不同老化程度微水含量相同的情況下變壓器油介電與理化性能的變化尚有研究空間。

參考文獻：

[1] 劉媛，董明，任明，等. 油紙絕緣頻域介電譜仿真模擬中XY模型與有限元模型對比研究[J]. 高電壓技術， 2014， 40（11）： 3483.

LIU Yuan， DONG Ming， REN Ming， et al. Comparison and Research of XY Model and Finite Element Model in the Simulation of Frequency Domain Spectroscopy of Oil-paper Insulation [J]. High Voltage Engineering， 2014， 40（11）： 3483.

[2] 魏建林，王世強，彭華東，等.變壓器油紙絕緣的介電響應特性研究-加速熱老化的介電譜[J]. 電工技術學報， 2012， 27（5）： 56.

WEI Jianlin， WANG Shiqiang， PENG Huadong， et al. Investigation of Dielectric Response Characteristics of Transformer Oil-paper Insulation—Dielectric Spectroscopy of Acceleratedly Thermal Aging [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012， 27（5）： 56.

[3] KAMAL M. Particles and Moisture Effect on Dielectric Strength of Transformer Oil using VDE Electrodes [J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， 1982， 101（3）： 756.

[4] 陳慶國，池明赫，王剛，等.含水率對復合電場下油紙絕緣電場分布的影響[J]. 電機與控制學報，2013，17（7）： 54.

CHEN Qingguo， CHI Minghe， WANG Gang， et al. Moisture Influence on the Electric Field Distribution of Oil-Pressboard Insulation under Compound Electric Field [J]. Electric Machines and Control， 2013， 17（7）： 54.

[5] 廖瑞金，孫會剛，尹建國，等.水分對油紙絕緣熱老化速率及熱老化特征參量的影響[J]. 電工技術學報，2012，27（5）： 34.

LIAO Ruijin， SUN Huigang， YIN Jianguo， et al. Influence on the Thermal Aging Rate and Thermal Aging Characteristics Caused by Water Content of Oil-paper Insulation [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012， 27（5）： 34.

[6] 池明赫，陳慶國，王新宇，等.溫度對復合電壓下油紙絕緣電場分布的影響[J]. 中國電機工程學報，2015，35（6）： 1524.

CHI Minghe， CHEN Qingguo， WANG Xinyu， et al. Influence of Temperature on Electric Field Distribution of Oil-paper Insulation Under Compound Voltage [J]. Proceedings of the CSEE， 2015， 35（6）： 1524.

[7] WASSERBERC V， BORSI H， COCKENBACH E. Challenge of Mixed Insulating Liquids for Use in High-Voltage Transformers， Part1：Investigation of Mixed Liquids [J]. IEEE Electrical Insulation Magazine， 2002， 18（3）： 31.

[8] 祝景中.淺析變壓器油中的水分[J]. 中國電力， 1996， 29（3）： 61.

ZHU Jingzhong. Preliminary Analysis on Moisture Content within Tramsformer Oil [J]. Electric Power， 1996， 29（3）： 61.

[9] ZHOU L J， WU G N， LIU J . Modeling of Transient Moisture Equilibrium in Oil-paper Insulation [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2008， 15（3）： 872.

[10]GARCIA B， BURGOS J C， ALONSO A M， et al. A Moisture-in-Oil Model for Power Transformer Monitoring-Part I： Theoretical Foundation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（2）： 1417.

[11]GARCIA B， BURGOS J C， ALONSO A M， et al. A Moisture-in-Oil Model for Power Transformer Monitoring-Part Ⅱ： Experimental Verification [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（2）： 1423.

[12]廖瑞金， 馬志欽， 郝建， 等.水分對變壓器油和絕緣紙頻域介電譜特性的影響[J]. 高電壓技術， 2010， 36（12）： 2869.

LIAO Ruijin， MA Zhiqin， HAO Jian， et al. Influence of Water Content on Frequency Domain Spectroscopy Characteristics of Transformer Oil and Insulation Paper [J]. High Voltage Engineering， 2010， 36（12）： 2869.

[13]廖瑞金， 尹建國， 楊麗君， 等.油紙絕緣熱老化過程中含水量變化趨勢及水分轉移規(guī)律[J]. 高電壓技術， 2010， 36（4）： 828.

LIAO Ruijin， YIN Jianguo， YANG Lijun， et al. Moisture Content Variation and Transfer of Oil-paper Insulation During Thermal Aging Process [J]. High Voltage Engineering， 2010， 36（4）： 828.

[14]EKANAYAKE C， GUBANSKI S M， GRACZKOWSKI A， et al. Frequency Response of Oil Impregnated Pressboard and Paper Samples for Estimating Moisture in Transformer Insulation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2006， 21（3）： 1309.

[15]金維芳. 電介質(zhì)物理學 [M]. 2版. 北京：機械工業(yè)出版社， 1997.

[16]TOBAZEON R， FILIPPINI J C， MARTEAU C. On the Measurement of the Conductivity of Highly Insulating Liquids [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994， 1（6）： 1000.

[17]DIKAREV B， KARASEV G， ROMANETS R， et al. Modelling and Experimental Research of the Non-Stationary Processes of Conduction and Space Charge Accumulation in Dielectric Liquids[C]//IEEE International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids. 1999： 33.

[18]WATANABE M， NAGANO S， SANUI K， et al. Ionic Conductivity and Mobility in Network Polymers from Poly （Propylene Oxide） Containing Lithium Perchlorate[J]. Polymer Journal， 1986， 18（11）： 809.

[19]GB/T 7595-2008，運行中變壓器油的質(zhì)量[S].

[20]ZHOU Y X， WANG Y S， LI G F，et al. Space Charge Phenomena in Oil-paper Insulation Materials under High Voltage Direct Current [J].Journal of Electrostatics，2009，67（2/3）：417.

（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-05

基金項目： 國家自然科學基金 （51977051）.

作者簡介：

劉 驥（1972—），男，教授，博士研究生導師;

張明澤（1992—），男，博士研究生.

通信作者：

賈海峰（1995—），男，碩士研究生，E-mail： 1215678424@qq.com.