套管油紙絕緣受潮與老化的介電響應(yīng)非線性特性和辨識(shí)方法

張大寧， 梁兆杰， 李璇， 田杰， 穆海寶， 張冠軍

(1.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展，大量高電壓等級(jí)、大容量的變壓器、電抗器等電力設(shè)備投入運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)水平提出了更高的要求[1]。作為大型油紙絕緣變壓器的重要組成部分，高電壓油紙絕緣套管具備使用量大、絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，其絕緣性能直接影響變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。因此，對(duì)其絕緣狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)有效的診斷與評(píng)價(jià)決定了高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

油浸紙電容型套管運(yùn)行中不僅要承受高電壓、大負(fù)荷，還要承受外界的雨、雪、凝露及大溫差等環(huán)境因素帶來(lái)的運(yùn)行壓力，其絕緣性能日益劣化。2015年CIGRE A2.37工作組關(guān)于變壓器故障起因報(bào)告的統(tǒng)計(jì)顯示[3]，隨著電壓等級(jí)增加，由套管導(dǎo)致的變壓器故障比例逐漸增加，100～200 kV等級(jí)的246臺(tái)變壓器中套管故障變壓器占比13.0%，而500～700 kV的18臺(tái)變壓器統(tǒng)計(jì)結(jié)果中套管故障變壓器占比達(dá)到27.8%。電壓等級(jí)越高，套管故障的帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失也相應(yīng)的越大。CIGRE統(tǒng)計(jì)報(bào)告中還顯示，2005年前制造的100 MVA以上的輸電變壓器中，故障主要發(fā)生在套管和線圈中。同時(shí)還指出鹽的污染會(huì)引起套管法蘭和管件的異常腐蝕，導(dǎo)致密封惡化，進(jìn)而導(dǎo)致大氣中的水分進(jìn)入，使得套管的絕緣狀況日益劣化[3]。

套管受潮是其絕緣故障出現(xiàn)的主要誘因之一，絕緣紙中水分的積聚使得局部放電明顯增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)大幅降低，進(jìn)而引發(fā)電力事故[4-5]。近年來(lái)，由套管密封失效、結(jié)構(gòu)件銹蝕及外力因素導(dǎo)致的絕緣失效事故日益突出。2019年南網(wǎng)超高壓公司通過(guò)對(duì)某500 kV主變故障套管解體取樣發(fā)現(xiàn)，套管頂部注油口密封圈劣化，芯子內(nèi)部出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，內(nèi)部絕緣紙含水量大于6%，同時(shí)芯子內(nèi)部絕緣紙上出現(xiàn)明顯的放電炭黑痕跡[6]。2018年云南電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)某套管瓷套在法蘭附近出現(xiàn)隱裂，進(jìn)而導(dǎo)致水分入侵，解體發(fā)現(xiàn)內(nèi)絕緣下端受潮，最終形成芯子表面爬電[7]。

現(xiàn)場(chǎng)套管事故案例還表明，套管的受潮和老化往往是伴隨發(fā)生且相互促進(jìn)的。2018年深圳供電局聯(lián)合西安交通大學(xué)對(duì)某110 kV主變正常退役套管解體取樣發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行年限的增加，老化的套管絕緣紙呈深褐色，纖維素的聚合度明顯下降且含水量明顯大于正常套管。套管芯子初始含水量高還會(huì)導(dǎo)致絕緣紙干燥過(guò)程中產(chǎn)生褶皺，進(jìn)而出現(xiàn)小油隙，在電應(yīng)力的作用下絕緣油劣化產(chǎn)生X蠟。如2018年南網(wǎng)超高壓對(duì)某500 kV故障套管解體發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層絕緣紙出現(xiàn)粘稠的X蠟，且絕緣紙形成條紋狀褶皺。

近年來(lái)，介電響應(yīng)作為一類新型無(wú)損診斷方法，因具有內(nèi)含絕緣信息豐富、不破壞絕緣等優(yōu)點(diǎn)，有望發(fā)展成為一種套管絕緣的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損診斷評(píng)估手段，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試方法提供有效的補(bǔ)充。介電響應(yīng)測(cè)試方法在油紙絕緣上的應(yīng)用主要包括時(shí)域介電響應(yīng)和頻域介電響應(yīng)兩大類，時(shí)域法包括極化去極化電流(polarization and depolarization current, PDC)[8]和回復(fù)電壓法(recovery voltage method,RVM)[9]，頻域法主要為頻域介電譜(frequency-domain dielectric spectroscopy,FDS)[10-11]。目前應(yīng)用較多的主要為FDS法，但該方法在受潮與老化狀態(tài)辨識(shí)上仍存在一定局限性。加拿大魁北克大學(xué)的I.Fofana[12]等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱老化程度的加深及含水量的增加，tanδ-f曲線均會(huì)增加，并指出老化和水分對(duì)tanδ-f曲線的影響規(guī)律相似，難以區(qū)分兩者之間的影響。同時(shí)I.Fofana[13]等人借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法嘗試對(duì)受潮與老化頻域介電譜進(jìn)行區(qū)分，但在受潮與老化的FDS曲線相近時(shí)評(píng)估受限。國(guó)內(nèi)學(xué)者廖瑞金[14]等人研究表明，相同含水量的油紙樣品在不同熱老化程度下的tanδ-f曲線差異較小，而相同熱老化程度不同含水量的tanδ-f曲線差異較大。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)學(xué)者王有元[15]等人通過(guò)對(duì)0.001～0.1 Hz和0.1～10 Hz頻段內(nèi)tanδ-f曲線定積分，建立了熱老化下聚合度和含水量的特征值擬合方程。現(xiàn)有的研究成果中受潮與老化區(qū)分研究較少，仍需繼續(xù)開(kāi)展受潮、老化與受潮老化共存狀態(tài)下介電響應(yīng)特性與機(jī)理研究，進(jìn)一步形成可靠的且具有明確物理意義的特征參量和量化判據(jù)。

現(xiàn)有介電響應(yīng)方法中測(cè)試電壓低且形式單一，難以激發(fā)套管油紙絕緣的電導(dǎo)與極化行為。油紙絕緣在不同幅值和極性的電壓激勵(lì)下表現(xiàn)出的介電響應(yīng)非線性特性，有望給絕緣狀態(tài)評(píng)估帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)Gubanski等人[16]首次在油紙絕緣FDS結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了由Garton效應(yīng)引起的非線性頻域介電響應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)于油紙絕緣樣品，隨著測(cè)試電壓的增加，tanδ-f曲線在低頻區(qū)域逐漸減小。然而該研究并沒(méi)有針對(duì)不同絕緣狀態(tài)的油紙絕緣樣品展開(kāi)對(duì)比試驗(yàn)和機(jī)理分析。此外，清華大學(xué)周遠(yuǎn)翔[17]等人研究發(fā)現(xiàn)，在低場(chǎng)強(qiáng)(E<0.44 kV/mm)下絕緣油的響應(yīng)電流和激勵(lì)電壓之間的關(guān)系近似符合歐姆定律。電壓與電流的曲線并不是線性關(guān)系，而是隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加，電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)。澳洲昆士蘭科技大學(xué)Nielsen[18]等人通對(duì)10 kV油浸變壓器進(jìn)行FDS測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同激勵(lì)電壓下低頻段響應(yīng)電流的3、5次諧波含量比例不同。由此可推斷，隨著電壓的改變，F(xiàn)DS響應(yīng)電流的波形不再是標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。澳洲昆士蘭大學(xué)學(xué)者Saha[19]等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著電壓增加，油紙絕緣極化與去極化電流成非線性增加，并建立了非線性電路模型擬合不同激勵(lì)電壓下PDC曲線。但是該研究并沒(méi)有建立非線性參數(shù)與絕緣狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

場(chǎng)強(qiáng)對(duì)介電響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在電導(dǎo)過(guò)程。美國(guó)耶魯大學(xué)學(xué)者Onsager[20]基于布朗運(yùn)動(dòng)方程及動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了外加電場(chǎng)對(duì)弱電解質(zhì)解離系數(shù)增加程度的影響。并通過(guò)對(duì)弱電解質(zhì)水溶液中電導(dǎo)率的定量測(cè)量證實(shí)了歐姆定律的偏差。隨后法國(guó)學(xué)者Denat[21]等人在Onsager理論的基礎(chǔ)上給出了低介電常數(shù)液體中弱電解質(zhì)解離復(fù)合松弛時(shí)間與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系式。Denat[22]等人在后續(xù)研究中給出了分子解離平衡弛豫時(shí)間與液體介電常數(shù)的關(guān)系。英國(guó)學(xué)者Garton[23]提出關(guān)于纖維素對(duì)離子運(yùn)動(dòng)限制的理論，依據(jù)該理論解釋了工頻tanδ隨場(chǎng)強(qiáng)變化的原因。Garton指出隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加，正負(fù)離子定向移動(dòng)導(dǎo)致正負(fù)離子復(fù)合減少，進(jìn)而提升了離子濃度，離子來(lái)源為油紙絕緣中弱電解質(zhì)，如水分及有機(jī)酸等的解離。

由上述可得，盡管不同激勵(lì)電壓下油紙絕緣介電響應(yīng)表現(xiàn)出非線性特性，但該非線性現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制與絕緣劣化狀態(tài)緊密相連。因此，本文著重針對(duì)變電壓激勵(lì)下變壓器套管的介電響應(yīng)非線性特性與受潮、老化狀態(tài)區(qū)分開(kāi)展相關(guān)研究。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與模型制備

本文依照文獻(xiàn)[4,24]中的制備方法獲取了不同含水量、老化程度的單元疊層油紙?jiān)嚻?。將干燥好的油浸紙樣品取出立即置于高精度電子天平稱重，通過(guò)控制自然吸潮中重量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)不同含水量樣品的制備，其中含水量大于6%的樣品采用噴霧機(jī)加濕獲得。制備好的油浸紙樣品置于含油的密封瓶中靜置48 h，使絕緣紙中氣泡溢出。制備好的同批次油浸紙樣品送至西安熱工院通過(guò)卡爾費(fèi)休水分測(cè)定計(jì)KFT831進(jìn)行水分標(biāo)定。隨后依據(jù)標(biāo)定結(jié)果篩選出含水量依次為0.5%～7%的待測(cè)樣品，并保存至密封瓶中。上述油浸紙樣品制備流程如圖1所示。

根據(jù)Montsinger提出的6 ℃老化原則，140 ℃下加熱老化時(shí)間為800 h時(shí)，相當(dāng)于實(shí)際套管98 ℃下運(yùn)行12年[25]。將上小節(jié)中制備的干燥油浸紙疊層放在老化腔體中，并置于真空烘箱中，控制熱老化溫度為140℃。老化的油浸紙樣品制備流程如圖1所示。

圖1 油紙樣品制備流程

本文中的26 kV套管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡娙菪透邏鹤儔浩魈坠芸s比例模型，其主絕緣是一系列內(nèi)置鋁箔電極與油紙絕緣組成的同軸串聯(lián)電容器。本文設(shè)計(jì)的26 kV套管模型外殼采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)材質(zhì)的透明護(hù)套，如圖2所示。電容芯子絕緣結(jié)構(gòu)包括四個(gè)均勻鋁箔極板。模型零屏的半徑R0為16.5 mm，長(zhǎng)度L0為260 mm。為了使模型的等效電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到500 kV套管的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)整套管各層之間的厚度和臺(tái)階長(zhǎng)度以滿足要求，如表1所示。套管模型的最大徑向場(chǎng)強(qiáng)度為4.5 kV/mm。上端的最大軸向電場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 kV/mm，下端的最大軸向電場(chǎng)強(qiáng)度為0.43 kV/mm。套管模型場(chǎng)強(qiáng)偏差小于5%。

圖2 油紙絕緣套管模型

表1 26 kV套管模型參數(shù)

選取的測(cè)試接線方式為基于三電極的UST-g模式，如圖3所示。試品表面的泄露電流及樣品邊緣處雜散電容流過(guò)的電流經(jīng)保護(hù)極流入介電響應(yīng)測(cè)試儀的屏蔽端，從而確保了介電響應(yīng)測(cè)試過(guò)程中響應(yīng)電流的準(zhǔn)確性。圖4為變壓器套管及模型的介電響應(yīng)測(cè)試接線圖，其中輸出端連接至套管導(dǎo)電桿，末屏引線連接至輸入端，測(cè)量線的屏蔽線接地。為滿足介電響應(yīng)測(cè)試及油紙絕緣加速熱老化需求，對(duì)真空烘箱進(jìn)行改造，在烘箱背部加裝屏蔽電極，以便于接線引出進(jìn)行介電響應(yīng)測(cè)試。通過(guò)加裝進(jìn)油閥可以實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)的待測(cè)樣品真空注油，避免外界水分的影響。加裝進(jìn)氣閥，對(duì)老化箱內(nèi)充入氮?dú)猓苊鈿埩艨諝庵械难鯕鈱?duì)絕緣紙?jiān)斐杉铀贌崂匣?。改造后的烘箱溫控范圍為環(huán)境溫度+5 ℃～200 ℃，溫度波動(dòng)±1 ℃以內(nèi)，真空度<100 Pa，有效容積50 L。

圖3 油紙絕緣樣品測(cè)試接線圖

圖4 變壓器套管測(cè)試接線圖

2 受潮油浸紙的FDS非線性特性與評(píng)估方法

2.1 變電壓激勵(lì)下受潮油浸紙的FDS特性

1)低含水量時(shí)的非線性FDS。

不同激勵(lì)電壓下含水量為0.5%油浸紙樣品FDS測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)可以得到，在高頻部分(1 Hz～5 kHz)，tanδ-f的曲線不會(huì)隨場(chǎng)強(qiáng)的變化而變化。而在低頻部分(1 mHz～1 Hz)，隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大tanδ呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。圖5(a)中，復(fù)電容的虛部的變化規(guī)律與tanδ一致。低水分含量時(shí)，復(fù)電容的實(shí)部在整個(gè)頻段內(nèi)基本不變。復(fù)合電容C*的虛部主要表征電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗和極化損耗過(guò)程。由于水分的存在，電導(dǎo)損耗和極化損耗的增加導(dǎo)致復(fù)合電容器C*的虛部在整個(gè)頻帶中的增加。但在低頻段，由于測(cè)試頻率足夠低，極化過(guò)程有足夠的時(shí)間來(lái)完成，低頻段主要貢獻(xiàn)來(lái)自電導(dǎo)過(guò)程。當(dāng)頻率較低時(shí)，tanδ-f的曲線在低頻段的斜率取決于電導(dǎo)率。

圖5 不同場(chǎng)強(qiáng)下含水量0.50%的FDS結(jié)果

2)高含水量時(shí)的非線性FDS。

含水量為6.2%油浸紙樣品FDS測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以得到，在高頻部分(1 Hz～5 kHz)，tanδ-f的曲線不會(huì)隨場(chǎng)強(qiáng)的變化而變化。而在低頻部分(1 mHz～1 Hz)，tanδ隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。圖6(a)中，復(fù)電容的虛部的變化規(guī)律與tanδ一致。高水分含量時(shí)，復(fù)電容的實(shí)部在高頻段內(nèi)基本不變，而在低頻段出現(xiàn)隨場(chǎng)強(qiáng)增大明顯減小。這主要是由于電導(dǎo)率改變，從而使得油紙之間的界面極化過(guò)程隨電壓改變。

圖6 不同場(chǎng)強(qiáng)下含水量6.2%的FDS結(jié)果

2.2 受潮油紙樣品非線性介電響應(yīng)的機(jī)理與模型

絕緣紙與絕緣油混合時(shí)，油浸紙的電導(dǎo)機(jī)理與絕緣油有很大的差別。微觀上，雜質(zhì)離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到絕緣紙中的纖維素的阻礙作用。這種阻礙效應(yīng)降低了離子電導(dǎo)電流的有效值。絕緣油作為一種填充劑浸漬于多孔狀絕緣紙中。如圖7所示，由纖維素形成的多孔邊界限制了絕緣油中離子和載流子的運(yùn)動(dòng)，tanδ和電場(chǎng)強(qiáng)度不再是完全獨(dú)立的。對(duì)于不同含水量的油紙絕緣樣品，其雜質(zhì)離子電導(dǎo)的主要來(lái)源為水分與雜質(zhì)。因而，通過(guò)對(duì)不同含水量不同場(chǎng)強(qiáng)下的頻域介電響應(yīng)電導(dǎo)損耗過(guò)程建模，可獲取含水量的間接評(píng)估參量。

1)低含水量時(shí)的電導(dǎo)損耗。

依據(jù)非線性電導(dǎo)損耗特性可推論，當(dāng)施加在電介質(zhì)上的交流電場(chǎng)頻率較低時(shí)，多數(shù)極化過(guò)程有足夠的時(shí)間來(lái)完成。在低粘度液體中，油紙絕緣的電導(dǎo)損耗占介質(zhì)損耗的主導(dǎo)地位。當(dāng)含水量較低時(shí)，纖維素的非晶區(qū)內(nèi)尚未形成離子運(yùn)動(dòng)的貫穿性通道。盡管雜質(zhì)分子的解離勢(shì)壘隨場(chǎng)強(qiáng)增加而減小，但離子濃度的提升而導(dǎo)致的電導(dǎo)損耗并不占據(jù)主導(dǎo)作用。相反，隨著濃度的提升，纖維素阻礙效應(yīng)增強(qiáng)并占據(jù)主導(dǎo)作用。在實(shí)際套管芯子中，初始水分集中在絕緣紙纖維素表面。絕緣紙是多孔材料，絕緣油浸漬于絕緣紙纖維素的孔隙內(nèi)。孔隙的大小與離子在不同交流電場(chǎng)下的周期性運(yùn)動(dòng)軌跡不匹配。如圖7所示，孔隙的邊界限制了油中離子和其他載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡。故電導(dǎo)損耗與離子的運(yùn)動(dòng)軌跡及離子濃度相關(guān)。由此可見(jiàn)在上述條件下，交流電場(chǎng)下的tanδ和電場(chǎng)強(qiáng)度不再是相互獨(dú)立的。

圖7 交流電場(chǎng)下纖維素孔隙與離子運(yùn)動(dòng)軌跡

無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)正負(fù)離子分布符合玻爾茲曼分布。當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，正負(fù)離子在電場(chǎng)力的作用下往電極方向移動(dòng)。當(dāng)含水量較小時(shí)，水解離子及其他雜質(zhì)離子在纖維素構(gòu)成的孔隙內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而，在纖維素構(gòu)成的小孔中，離子的宏觀運(yùn)動(dòng)軌跡變化不可忽略。不同電場(chǎng)強(qiáng)度下離子運(yùn)動(dòng)軌跡可能存在以下幾種情況，如圖8所示。

圖8 離子運(yùn)動(dòng)軌跡與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

圖8中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，由于離子運(yùn)動(dòng)軌跡幅度小，外加電場(chǎng)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響不顯著。隨著外加電場(chǎng)的增加，離子運(yùn)動(dòng)軌跡的振幅增大。當(dāng)離子層的軌跡超過(guò)孔隙的邊界時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到纖維素的阻礙。由上述可得，外加電場(chǎng)的影響分為三種情況：?E

(1)

式中：F為電場(chǎng)力；v為離子運(yùn)動(dòng)的速度；q為離子電荷；d為孔隙中一側(cè)到另一側(cè)的距離；N為離子數(shù)量；U為孔隙中施加電壓的峰值；ω為交流電場(chǎng)的角速度；m為常數(shù)，取決于離子的質(zhì)量。微孔之間的無(wú)功功率由Wc=πU2CP給出，其中CP是孔隙的電容。因此，介電損耗角的正切可以表示為：

(2)

當(dāng)U小于Ecd時(shí)，孔隙邊界的限制作用可以忽略不計(jì)，tanδ和場(chǎng)強(qiáng)無(wú)關(guān)。當(dāng)電壓超過(guò)Ecd，tanδ和U之間的關(guān)系可以由式(2)得到，如圖9所示。

圖9 tanδ與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系(低含水量)

2)高含水量時(shí)的電導(dǎo)損耗。

現(xiàn)有研究表明[26]，纖維素中的水分主要分為初級(jí)結(jié)合水、次級(jí)結(jié)合水及自由水。隨著含水量的增加，在纖維素的非晶區(qū)內(nèi)，次級(jí)結(jié)合水及自由水所占比重增大，在纖維素內(nèi)形成離子通道，導(dǎo)致纖維素對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用大幅減小。大量自由水的存在為自由移動(dòng)的離子提供了更多的途徑。此時(shí)，離子受纖維素阻礙效應(yīng)影響較小，tanδ和場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系符合圖9中飽和區(qū)規(guī)律。

另一方面，水分含量是制約離子數(shù)量的主要因素。隨著水分的增加，其他雜質(zhì)分子在水溶液狀態(tài)下解離，使得可以在介質(zhì)內(nèi)自由移動(dòng)的離子的數(shù)量增加。此外，場(chǎng)強(qiáng)的增加使得雜質(zhì)分子解離勢(shì)壘下降，弱電解質(zhì)解離的離子濃度增加。因此，在高水分含量為tanδ變化的原因主要是由離子濃度的增加引起的電導(dǎo)損耗。

隨著外加電場(chǎng)的增加，離子遷移克服的平均勢(shì)壘降低。同時(shí)，隨著外加電場(chǎng)的增加，弱電解質(zhì)分子的解離勢(shì)壘將會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致離子濃度增加，電導(dǎo)率上升。離子濃度變化滿足下式[27]：

(3)

式中：ξ為離子的復(fù)合系數(shù)；N0為分子的濃度；υ為相對(duì)熱振動(dòng)頻率；ua為分子解離平均勢(shì)壘。隨著外加電場(chǎng)的增加，分子解離勢(shì)壘將會(huì)下降Δua，這也被稱為離子的Poole-Frenkel效應(yīng)[27]。

由上述分析可得，在電導(dǎo)損耗與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系近似為

(4)

式中：n0為離子濃度；m為離子濃度相關(guān)系數(shù)；n為溫度相關(guān)系數(shù)。由式(4)可得介質(zhì)損耗的變化量與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 tanδ與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系(高含水量)

2.3 受潮油紙樣品非線性介電響應(yīng)的特征參數(shù)

為了便于描述，提取了不同含水量下tanδ在1 mHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，tanδ和E之間的關(guān)系如圖11所示。由圖11可得，0.001 Hz時(shí)tanδ-E的曲線隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加逐漸減小，并隨著場(chǎng)強(qiáng)的進(jìn)一步增大而進(jìn)入飽和區(qū)，tanδ-E曲線變化幅度開(kāi)始減小。低含水量的樣品在場(chǎng)強(qiáng)大于50 V/mm時(shí)開(kāi)始進(jìn)入飽和區(qū)，而隨著含水量的增大，tanδ-E的曲線進(jìn)入飽和區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)開(kāi)始增大。這說(shuō)明隨著含水量的增加，次級(jí)結(jié)合水增多，水解離的離子數(shù)量增加，受纖維素阻礙作用的離子數(shù)目增多。在含水量低于5%時(shí)，纖維素的阻礙作用起主導(dǎo)作用，而Poole-Frenkel效應(yīng)并不明顯。

圖11 不同場(chǎng)強(qiáng)下油浸紙的tanδ(1 mHz)

圖11所示規(guī)律符合纖維素阻礙模型變化趨勢(shì)，因此基于式(2)及式(3)建立如下擬合公式：

(5)

依據(jù)式(5)對(duì)圖11所示結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得擬合參量隨含水量的變化規(guī)律，如表2所示。在表2中，隨著含水量的變化，參數(shù)β和n基本不變，而參數(shù)α與m明顯變化。根據(jù)理論分析，參數(shù)β表示臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec。參數(shù)α表示參與纖維素限制作用的離子數(shù)目，與含水量密切相關(guān)。參數(shù)m表示因場(chǎng)強(qiáng)提升而新增的解離離子數(shù)量。由上分析得，參數(shù)α與樣品的含水量具有直接關(guān)聯(lián)，兩者之間的擬合圖如圖12所示。如圖12可得，參數(shù)α與含水量具有較好的線性關(guān)系。

表2 不同含水量tanδ-E擬合結(jié)果

圖12 參數(shù)α與含水量擬合結(jié)果

本節(jié)提取了不同含水量下的tanδ在1 mHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，tanδ和場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系如式(6)所示。由圖(15)可得，0.001 Hz時(shí)的tanδ隨著場(chǎng)強(qiáng)E的增加逐漸增加。說(shuō)明隨著含水量的增加，次級(jí)結(jié)合水及自由水增多，水解離的離子數(shù)量增加，自由水形成的離子通道使得纖維素阻礙作用大幅減少。在含水量高于5%時(shí)，離子的Poole-Frenkel效應(yīng)占主導(dǎo)作用。因此基于式(4)建立如下擬合公式：

(6)

圖13 不同場(chǎng)強(qiáng)下油浸紙的tanδ(1 mHz)

圖14 參數(shù)m與含水量擬合結(jié)果

依據(jù)式(5)、式(6)對(duì)所示結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得擬合參量隨含水量的變化規(guī)律，如表3所示。在表3中，隨著水分含量的變化，參數(shù)m變化范圍較大，但參數(shù)n基本保持不變。根據(jù)前文分析，參數(shù)m表示取決于水分及弱電解質(zhì)的分子數(shù)，參數(shù)n表示與場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)的分子解離勢(shì)壘。對(duì)參數(shù)m與水分含量的擬合結(jié)果如圖16所示，擬合結(jié)果顯示參數(shù)m與水分含量的相關(guān)性較好，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

表3 不同含水量tanδ-E擬合結(jié)果

m=A1+exp(-(m.c.)/t1)+y0。

(7)

3 熱老化油紙絕緣的非線性介電響應(yīng)與評(píng)估方法

3.1 不同電壓對(duì)熱老化樣品FDS的影響規(guī)律

對(duì)不同老化階段油紙樣品在40 ℃時(shí)進(jìn)行了不同電壓的FDS測(cè)量，部分結(jié)果如圖15、圖16與圖17所示。對(duì)比各圖發(fā)現(xiàn)，不同激勵(lì)電壓下各試品的tanδ-f曲線高頻段基本重合，低頻段隨測(cè)試電壓升高而降低。tanδ-f曲線尾部(0.001 Hz)呈現(xiàn)“收縮”狀，老化程度越深收縮越明顯。并且不同電壓下的結(jié)果中出現(xiàn)明顯的老化導(dǎo)致的極化峰，并且隨老化程度加深，極化峰往高頻移動(dòng)。

圖15 不同電壓下老化100 h的油浸紙F(tuán)DS特性(40 ℃)

圖16 不同電壓下老化400 h的油浸紙F(tuán)DS特性(40 ℃)

圖17 不同電壓下老化800 h的油浸紙F(tuán)DS特性(40 ℃)

與圖5中水分與電壓協(xié)同作用下的C′-f曲線不同，變電壓激勵(lì)時(shí)不同含水量下的復(fù)電容實(shí)部幾乎沒(méi)有任何變化。而老化與電壓協(xié)同作用下C′-f曲線實(shí)部變化明顯，C′-f曲線在低頻段隨測(cè)試電壓增加均降低。由于老化使纖維素晶區(qū)和非晶區(qū)變得疏松且出現(xiàn)了更多的短鏈纖維素，從而增加了大量的油紙界面。受潮與老化的本質(zhì)區(qū)別為纖維素微觀結(jié)構(gòu)變化。因此在絕緣紙中，纖維素微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的不同特征時(shí)間常數(shù)的非線性界面極化損耗峰，其松弛時(shí)間隨著老化的加劇而減小。

3.2 特征頻率提取

以200 V激勵(lì)電壓下tanδ-f曲線為基線，對(duì)不同電壓下不同老化狀態(tài)的tanδ-f曲線進(jìn)行重構(gòu)，得到不同激勵(lì)電壓作用下界面極化損耗峰的變化規(guī)律，如圖18所示。由圖中可以看出，老化時(shí)間為0 h的tanδ-f差值曲線在低頻段呈“開(kāi)口”形狀，隨著老化程度的加深，tanδ-f差值曲線呈現(xiàn)出收口的損耗峰。隨著老化程度的加深非線性損耗峰的主峰頻率往高頻段移動(dòng)，并且tanδ-f差值曲線隨電壓增加而減小，呈現(xiàn)“閉口”形狀。

以圖18中不同電壓下老化的油浸紙tanδ-f差值曲線損耗峰的最大值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為特征參量，建立特征頻率與老化時(shí)間的關(guān)系，擬合圖如圖19所示。由圖19可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，特征參量對(duì)應(yīng)的損耗峰最大值頻率呈指數(shù)上升。該損耗峰代表油紙之間微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的界面極化變化，且該界面極化的變化取決于纖維素聚合度的變化。聚合度降低，則油紙之間的微觀界面增加。由上述可得，界面極化損耗的特征松弛時(shí)間與纖維素聚合度、老化時(shí)間之間具有間接關(guān)系，如圖19所示。

圖18 不同電壓下熱老化的油浸紙tanδ-f差值曲線(40 ℃)

不同老化狀態(tài)油浸紙tanδ-f曲線滿足平移規(guī)律，依據(jù)Arrhenius模型對(duì)測(cè)試溫度40 ℃時(shí)老化特征頻率進(jìn)行特征值擴(kuò)展，得到不同測(cè)試溫度、140 ℃下不同老化時(shí)間的特征頻率曲線[28]。依據(jù)不同材料相對(duì)熱老化速率公式，可獲取不同熱老化溫度下的特征曲線。根據(jù)熱老化時(shí)間與聚合度之間的變化規(guī)律，可由特征頻率得到絕緣紙聚合度，如圖20所示。

3.3 診斷案例

為驗(yàn)證上小節(jié)中獲取非線性介電響應(yīng)特征參量的有效性，針對(duì)不同老化時(shí)間的變壓器套管縮比例模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，套管的老化溫度為140 ℃，老化時(shí)間分別為100 h和400 h。為了便于與上文對(duì)比，F(xiàn)DS測(cè)試溫度為40 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖21所示。

對(duì)圖21所示結(jié)果以200 V為基準(zhǔn)線做差值圖，結(jié)果如圖22所示。由圖可得，不同老化時(shí)間的兩支套管tanδ-f差值曲線出現(xiàn)明顯的損耗峰。對(duì)老化時(shí)間為100 h和400 h的差值曲線進(jìn)行峰值頻率提取，并代入特征頻率與老化時(shí)間的關(guān)系的擬合方程中得到老化時(shí)間的計(jì)算值，分別為100 h和400 h。由于tanδ-f差值曲線測(cè)試取點(diǎn)較少，曲線損耗峰的取點(diǎn)頻率依據(jù)測(cè)試頻率點(diǎn)選取，故與實(shí)際老化時(shí)間誤差極小，實(shí)際評(píng)估中，可以通過(guò)提高測(cè)試頻率點(diǎn)數(shù)量或數(shù)據(jù)插值處理提高聚合度計(jì)算精度。

圖21 不同電壓下熱老化套管tanδ-f曲線(40 ℃)

圖22 不同電壓下老化套管tanδ-f差值曲線(40 ℃)

4 油紙受潮與熱老化并存時(shí)FDS特性

對(duì)于上節(jié)中老化400 h的樣品，將老化后樣品取出置于潔凈的玻璃器皿中進(jìn)行人工加濕，以研究老化與水分共同作用下的FDS特性。通過(guò)改變測(cè)試電壓，分析老化導(dǎo)致的油紙之間損耗峰與低頻段非線性電導(dǎo)損耗的演變規(guī)律。

將老化400 h的單元絕緣紙疊層拆開(kāi)，利用水分霧化器進(jìn)行人工加濕，將再次加濕的樣品置于40 ℃密閉烘箱中靜置5天使水分分布均勻，隨后進(jìn)行FDS測(cè)試。通過(guò)上述流程獲取了中度熱老化且含水量高的測(cè)試樣品。

將老化且受潮的樣品置于真空烘箱中進(jìn)行干燥，干燥溫度為70 ℃。在不同的干燥時(shí)間(0、12、60、96、156及204 h)將樣品取出，并進(jìn)行不同電壓下的FDS測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖23所示。

由圖23(a)可以看出，老化400 h的樣品再次受潮后，老化導(dǎo)致的非線性損耗峰被低頻段電導(dǎo)損耗替代，由于水分的引入使得油紙之間老化產(chǎn)生的微觀界面極化過(guò)程發(fā)生改變。圖23(a)可見(jiàn)低頻段曲線變化特征符合高含水量時(shí)的tanδ-f曲線變化規(guī)律。隨著干燥的進(jìn)行，圖23(b)中干燥時(shí)間為96 h的樣品曲線在中頻段(0.01～0.1 Hz)出現(xiàn)了非線性的損耗峰。以上兩圖中的現(xiàn)象說(shuō)明，大量水分的出現(xiàn)使得纖維素對(duì)離子的阻礙作用削弱，電壓對(duì)離子電導(dǎo)的提升作用占據(jù)主導(dǎo)，從而使得原有的非線性界面極化損耗峰消失。圖23(c)及(d)中，隨著干燥時(shí)間的增加，水分逸散出來(lái)，界面極化程度增強(qiáng)，在中低頻段(0.01～1 Hz)出現(xiàn)了非線性界面極化損耗峰。當(dāng)干燥時(shí)間達(dá)到156 h以上時(shí)，tanδ-f曲線中低頻段變化規(guī)律與含水量小于5%時(shí)的規(guī)律一致，說(shuō)明此時(shí)含水量小于5%。并且中低頻段出現(xiàn)了與老化400 h干燥樣品相似的非線性損耗峰，圖23(c)及(d)中損耗峰的特征頻率均為0.01 Hz，這與前文中結(jié)果一致。在小于0.002 15 Hz時(shí)，圖23(c)中低頻段存在由殘留水分導(dǎo)致的電導(dǎo)過(guò)程。由上述可得，當(dāng)含水量低于5%時(shí)，老化的特征頻率仍可作為典型特征量。圖23(d)中的測(cè)試結(jié)果與未受潮時(shí)圖16(a)中的結(jié)果較為一致，但仍存在較小的差距，這主要由于初級(jí)結(jié)合水不容易與纖維素分離，限制了絕緣干燥的程度。

圖23 不同電壓下老化400 h且受潮樣品干燥過(guò)程中tanδ-f曲線(40 ℃)

5 結(jié) 論

本文針對(duì)套管受潮程度與老化程度辨識(shí)問(wèn)題，提出了以變電壓激勵(lì)下的介電響應(yīng)非線性參量為判據(jù)的評(píng)估方法。主要包括：

1)針對(duì)受潮油紙絕緣，揭示了纖維素對(duì)離子運(yùn)動(dòng)存在阻礙效應(yīng)與電壓對(duì)分子解離勢(shì)壘存在減小效應(yīng)，構(gòu)建了離子動(dòng)能損失模型及離子濃度提升模型，建立了含水量、離子濃度與變電壓tanδ-f曲線之間的關(guān)系式；

2)針對(duì)老化油紙絕緣，明確了受潮與老化的本質(zhì)區(qū)別為纖維素微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的非線性界面極化損耗峰，根據(jù)差異溫度介電響應(yīng)曲線歸一化校正方法，得到了不同測(cè)試溫度下油紙絕緣非線性損耗峰特征頻率、老化程度之間的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了套管受潮與老化的狀態(tài)辨識(shí)。

通過(guò)受潮與老化共存實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上述兩種現(xiàn)象為受潮和老化獨(dú)有的現(xiàn)象，因此可用于對(duì)受潮和老化的區(qū)分，以及用于受潮程度和老化程度的判定。