不同受潮類型油紙絕緣套管的高壓時/頻域介電響應(yīng)特性分析

楊定乾，李龍飛，劉清松，張維寧，簡 政，杜兆廣，郝 建

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830013；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))，重慶 400044；3.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 引言

油紙絕緣套管是變壓器的重要組成部分[1]。據(jù)研究表明，變壓器近一半的故障都是由于絕緣套管絕緣性能劣化所導(dǎo)致[2]，高壓套管發(fā)生故障將會直接影響到供電的可靠性和變壓器的安全運行[3]。絕緣套管故障大多是由局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)所引起的，其中絕緣受潮是引起套管絕緣性能缺陷故障最主要的原因[4]。

空氣中的水分易在加工制造套管芯子或套管運行過程這兩個環(huán)節(jié)侵入套管內(nèi)部[5]。水分侵入后會溶解于絕緣油中，然后使絕緣油紙受潮，進(jìn)而導(dǎo)致水分嚴(yán)重影響絕緣系統(tǒng)的電氣強(qiáng)度，缺陷被擴(kuò)大，最終出現(xiàn)套管故障[6-8]。絕緣狀態(tài)檢測方法包括油中溶解氣體分析(Dissolved Gas Analysis, DGA)、油中糠醛含量分析以及絕緣紙聚合度分析(Degree of Polymerization, DP)等，但這些方法得到的結(jié)果不準(zhǔn)確且易造成設(shè)備損壞[9-12]。

近年來，基于介電響應(yīng)特性的無損檢測方法，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[13-16]。這些方法主要包括基于測量絕緣介質(zhì)的時域介電響應(yīng)特性的極化去極化電流測試法(Polarization and Depolarization Currents, PDC)、回復(fù)電壓法[17-20](Return Voltage Measurement, RVM)和基于測量絕緣介質(zhì)的頻域介電響應(yīng)特性的頻域介電譜法[21-24](Frequency Domain dielectric Spectroscopy, FDS)。

基于以上無損檢測方法，國內(nèi)外學(xué)者對油紙絕緣套管的時/頻域介電響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。華北電力大學(xué)張軍強(qiáng)基于PDC測量方法對絕緣紙和絕緣油在不同受潮情況下進(jìn)行測量，獲得極化/去極化電流特性曲線，發(fā)現(xiàn)極化/去極化電流隨濕度的增加而增大，濕度越大電流抬升就越明顯，濕度的升高導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)絕緣電阻降低、電容增大、容電荷能力增強(qiáng)[25]。深圳供電局孔燦等人利用了FDS對油紙絕緣變壓器套管的受潮特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，基于頻域介電譜基礎(chǔ)理論，對均勻與不均勻受潮的油紙絕緣模型的介電響應(yīng)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電容型油紙絕緣設(shè)備不均勻受潮時其FDS曲線存在明顯的極化損耗峰[26]。西安交通大學(xué)張大寧等人基于FDS測量方法對油紙絕緣套管在不同受潮程度和受潮類型時的變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水分分布不均勻時，對油紙絕緣整體FDS特性曲線影響較大的是水分含量高的部分，且不均勻程度和曲線波動呈正相關(guān)[27]。Lundgaard等人基于FDS測量方法對不同含水量的油浸絕緣紙樣品進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)水分的增加會導(dǎo)致介電常數(shù)虛部和實部在低頻部分增加，但高頻段基本不變[28]。

但現(xiàn)有研究的時/頻域介電響應(yīng)測試電壓低，測試結(jié)果易受干擾且難以完全反應(yīng)套管等大型電力設(shè)備的絕緣特性；并且現(xiàn)有研究僅關(guān)注套管整體受潮狀態(tài)，未對芯子和絕緣油分別受潮的狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分研究。為研究不同受潮類型油紙絕緣套管的高壓時/頻域介電響應(yīng)特性差異，本文開展不同受潮類型油紙絕緣套管的高壓時/頻域介電響應(yīng)特性分析。首先，基于油紙絕緣套管設(shè)計芯子受潮缺陷套管和絕緣油受潮套管；然后，在不同激勵電壓下開展高壓時/頻域介電響應(yīng)測試，分析激勵電壓對套管時/頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果的影響；最后，研究不同受潮類型油紙絕緣套管的高壓時/頻域介電響應(yīng)特性，為高壓時/頻域介電響應(yīng)測試分析應(yīng)用與油紙絕緣套管提供參考。

2 電介質(zhì)基礎(chǔ)理論

2.1 極化/去極化電流法測試的基本原理

極化/去極化電流法的測試原理如圖1(a)所示。PDC測試過程中對絕緣介質(zhì)施加的電壓以及測量的電流值變化情況如圖1(b)所示。當(dāng)把開關(guān)連接至a處，直流電源會給被測絕緣介質(zhì)施加直流高壓，此時流經(jīng)絕緣介質(zhì)的電流即為極化電流Ip，此過程為絕緣介質(zhì)的極化過程，其持續(xù)時間為極化時間Tp。極化電流由位移電流、吸收電流和泄漏電流組成。對樣品幾何電容進(jìn)行充電時所產(chǎn)生的電流即為位移電流，此電流在極短時間內(nèi)就會衰減完畢，因此可忽略不計。極化電流由泄漏電流和吸收電流組成，可以表示為：

(1)

式中，C0為幾何電容；U0為極化電壓；ε0為真空介電常數(shù)；σr為電導(dǎo)率；f(t)為介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)。式(1)展開式的第一項代表泄漏電流，第二項代表吸收電流；把開關(guān)連接至b處使得被測絕緣介質(zhì)兩端接地，實現(xiàn)對樣品的短接放電，此時由絕緣介質(zhì)流出的放電電流即為去極化電流Id，此過程為絕緣介質(zhì)的去極化過程，其持續(xù)時間為極化時間Td。去極化電流由位移電流和吸收電流組成，可以表示為：

id(t)=C0U0[f(t)-f(t+tc)]

(2)

式中，tc為對絕緣介質(zhì)加壓時間。去極化電流與介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)在充電時間tc很大的情況下近似為正比關(guān)系。具體原因是由于介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)f(t)在定義域內(nèi)單調(diào)衰減，導(dǎo)致充電時間tc很大時f(t+tc)近似為0，可以被忽略。

2.2 頻域介電譜法測試的基本原理

FDS測試原理如圖2所示。在外加電場的作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)能夠在宏觀上綜合反映介質(zhì)極化的微觀過程。如果用相對介電常數(shù)為εr的電介質(zhì)將平行平板式電極充滿，使其電容量C=ε0εrS/d(S為極板面積，d為電介質(zhì)厚度)。當(dāng)角頻率為ω=2πf的交流電壓U=U0ejωt被施加給電極時，電極上出現(xiàn)的電荷Q=CU，則外電路上的電流為：

圖2 頻域測試原理圖

(3)

此時電流與電壓之間的相位差為90°。如果填充的電介質(zhì)是具有弱導(dǎo)電性的或極性的，又或者同時具有兩種特性，則必須考慮電介質(zhì)材料導(dǎo)電性的影響，電流和電壓之間的相位差就不再是原來的90°。此時，電壓的同相位方向增加了一個電導(dǎo)分量GU，總電流變?yōu)閮蓚€部分的電流的總和，即：

I=jωCU+GU=(jωC+G)U

(4)

式中，G=ωCnε″r；C=ε′rCn，Cn為真空電容。將G、C代入式(4)可求出電流I為：

(5)

(6)

(7)

式中，C*為復(fù)電容；C′為C*的實部；C″為C*的虛部。

在實際含油紙絕緣的電力設(shè)備中，通過測試獲得的復(fù)電容和相對介電常數(shù)等曲線可以分析絕緣油和絕緣紙的不同信息，通過分析不同條件下曲線各段的變化并確定每個部分與油紙絕緣系統(tǒng)狀態(tài)信息之間的關(guān)系，就可以診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)。國內(nèi)外學(xué)者研究表明，絕緣紙的性能主要由頻域介電譜FDS曲線的低頻(<10-2Hz)和高頻(>10 Hz)來反映，而中間部分則受到絕緣油性能的影響[29]。

3 實驗部分

3.1 典型缺陷套管的設(shè)計

本研究根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60137 & GB/T 4109，設(shè)計加工了最高電壓為40.5 kV，額定電流為630 A的穿纜式油紙絕緣套管,如圖3所示。

圖3 套管的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖與實物圖

3.1.1 套管芯子受潮缺陷

待套管芯子浸漬完成后，將其置于潮濕空氣環(huán)境中自然吸潮約48 h，再進(jìn)行充油封裝，用于模擬套管芯子受潮缺陷。芯子受潮缺陷套管的示意圖如圖4所示。

圖4 芯體受潮缺陷套管示意圖

3.1.2 套管絕緣油受潮缺陷

待套管芯子浸漬完成后，將填充所用絕緣油置于上述相同潮濕空氣環(huán)境中自然吸潮約48 h，再進(jìn)行填充封裝，用于模擬套管絕緣油受潮缺陷。絕緣油受潮缺陷套管的示意圖如圖5所示。

圖5 絕緣油受潮缺陷套管示意圖

3.2 高壓時/頻域介電測試

3.2.1 極化/去極化電流法測試

極化/去極化電流法實驗平臺由直流穩(wěn)壓電源，不同缺陷油紙絕緣套管以及電流信號采集裝置組成。通過對油紙絕緣套管頂部導(dǎo)電桿施加直流電壓，在套管末屏引線可獲得極化/去極化電流信號。本研究選用的電壓激勵源為日本Matsusada公司的AU-20R3-LC型直流穩(wěn)壓電源，其可以提供0～20 kV連續(xù)可調(diào)的直流電壓。電流采集裝置選用美國Keithley公司的6517B型靜電計，其測量范圍為1 fA～20 mA。套管的極化/去極化測試示意圖與實物接線圖如圖6所示。

圖6 套管的極化/去極化電流測試示意圖

實驗中，對測試套管施加的極化電壓分別為200 V、500 V、1 000 V、2 000 V和4 000 V。極化過程與去極化過程都為3 000 s，在極化與去極化過程中檢測套管末屏引線處的電流。測試時的環(huán)境溫度為20 ℃，空氣濕度為62%。

3.2.2 頻域介電譜法測試

頻域介電譜法實驗平臺由介電響應(yīng)測試儀、電壓放大器以及不同缺陷油紙絕緣套管組成。通過對油紙絕緣套管頂部導(dǎo)電桿施加不同頻率交流正弦電壓，在套管末屏引線可獲得電流信號。本研究選用的頻域介電響應(yīng)測試設(shè)備為瑞典Megger公司的IDAX-300介電響應(yīng)測試儀，其可以提供頻率為1 mHz～1 kHz，峰值為0～200 V連續(xù)可調(diào)的正弦交流電壓。電壓放大器選用美國Trek公司的2220型放大器，其電壓放大倍數(shù)為200倍，最大輸出正弦交流電壓峰值為2 kV。套管的頻域介電譜法測試示意圖如圖7所示。

圖7 套管的頻域介電譜法測試示意圖

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 不同受潮類型套管時域介電特性

4.1.1 正常套管時域介電特性

圖8(a)和圖8(b)分別為正常套管在不同電壓下的極化電流與去極化電流。由圖8(a)可知，無論在任何極化電壓下，其極化電流幾乎都不會隨時間有大幅改變。此外，隨著極化電壓的增大，套管的極化電流也隨之增大，極化電流曲線整體向上移動。

圖8 正常套管在不同電壓下的極化電流與去極化電流

在200 V和500 V極化電壓下，套管的極化電流隨著時間的變化出現(xiàn)較大波動，這是由于油紙絕緣套管的絕緣尺寸大，絕緣性能優(yōu)異，在低壓下的極化電流較小，極易受環(huán)境噪聲的干擾，進(jìn)而引起電流的波動。而隨著極化電壓的增大，極化電流在增大的同時也逐漸趨于穩(wěn)定，在4 000 V極化電壓下，其極化電流最為穩(wěn)定。

由圖8(b)可知，套管的去極化電流在前50 s左右減小速度較快，而隨著時間的推移，其減小的趨勢逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定。這是由于在測試套管時域介電特性時，極化/去極化電流主要從套管芯子電導(dǎo)電容層沿著末屏流出，因此套管芯子的絕緣水平對套管時域介電特性占主導(dǎo)因素，因套管未存在絕緣缺陷，其絕緣性能良好，能在較短時間內(nèi)完成充放電過程。此外，隨著極化電壓的增大，套管在充電完成后其鋁箔極板上所積聚的電荷也更多，因此在撤去電壓源后其放電過程也更加劇烈，反映為去極化電流更大，其曲線呈整體向上移動的趨勢。

4.1.2 芯子受潮套管的時域介電特性

圖9(a)和圖9(b)分別為絕緣油受潮缺陷套管在不同電壓下的極化電流與去極化電流，由圖9(a)可知，無論在任何極化電壓下，其極化電流在較短時間內(nèi)會隨著時間逐漸減小，而后慢慢趨于穩(wěn)定。這是由于水分是強(qiáng)極性物質(zhì)，當(dāng)套管芯子在吸收大量水分后，會直接降低芯子整體的絕緣電阻，同時增大其電容，加劇介質(zhì)內(nèi)部的極化過程。此外，隨著極化電壓的增大，套管的極化電流也隨之增大，極化電流曲線整體向上移動。在200 V和500 V極化電壓下，套管的極化電流較高壓下會產(chǎn)生更大的波動，這是由于油紙絕緣套管的絕緣尺寸大，絕緣性能優(yōu)異，在低壓下的極化電流較小，極易受環(huán)境噪聲的干擾，進(jìn)而引起電流的波動。而隨著極化電壓的增大，極化電流在增大的同時也逐漸趨于穩(wěn)定，在4 000 V極化電壓下，其極化電流最為穩(wěn)定。

圖9 芯子受潮缺陷套管在不同電壓下的極化電流和去極化電流

由圖9(b)可知，套管的去極化電流在前500 s左右減小速度較快，而隨著時間的推移，其減小的趨勢逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定。這是由于受潮使得套管芯子的電容量增大，在充電完成后所存貯的電荷量也較多，因此在釋放過程中所消耗的時間更長。此外，隨著極化電壓的增大，套管在充電完成后其鋁箔極板上所積聚的電荷也更多，因此在撤去電壓源后其放電過程也更加劇烈，反應(yīng)為去極化電流更大，其曲線呈整體向上移動的趨勢。

4.1.3 絕緣油受潮套管時域介電特性

圖10(a)和圖10(b)分別為絕緣油受潮缺陷套管在不同電壓下的極化電流與去極化電流。由圖10(a)可知，無論在任何極化電壓下，其極化電流幾乎都不會隨時間有大幅改變。此外，隨著極化電壓的增大，套管的極化電流也隨之增大，極化電流曲線整體向上移動。在200 V和500 V極化電壓下，套管的極化電流隨著時間的變化出現(xiàn)較大波動，這是由于油紙絕緣套管的絕緣尺寸大，絕緣性能優(yōu)異，在低壓下的極化電流較小，極易受環(huán)境噪聲的干擾，進(jìn)而引起電流的波動。而隨著極化電壓的增大，極化電流在增大的同時也逐漸趨于穩(wěn)定，在4 000 V極化電壓下，其極化電流最為穩(wěn)定。

圖10 絕緣油受潮缺陷套管在不同電壓下的極化電流和去極化電流

由圖10(b)可知，套管的去極化電流在前100 s左右減小速度較快，而隨著時間的推移，其減小的趨勢逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定。這是由于絕緣油受潮后，由于絕緣紙的吸水能力遠(yuǎn)強(qiáng)于絕緣油，同時還會有少量油浸漬到套管芯子中的絕緣紙中，導(dǎo)致芯子也會處于輕微受潮狀態(tài)，導(dǎo)致其電導(dǎo)率和電容增加，進(jìn)而對極化/去極化特性產(chǎn)生一定影響。此外，隨著極化電壓的增大，套管在充電完成后其鋁箔極板上所積聚的電荷也更多，因此其放電過程也更加劇烈，反映為去極化電流更大，其曲線呈整體向上移動的趨勢。

4.1.4 受潮絕緣套管高壓時域介電響應(yīng)對比分析

圖11(a)和圖11(b)分別為不同套管在4 000 V高壓下的極化電流與去極化電流。由圖11(a)可知正常套管在高壓條件下極化電流幾乎不會隨時間有大幅改變，但芯體受潮套管的極化電流比絕緣油受潮套管的極化電流更大，衰減得更快。這是因為芯體受潮相對于絕緣油受潮其電導(dǎo)率和電容增加更明顯。由圖11(b)可知，在任意去極化時刻，芯體受潮套管的去極化電流均最大，絕緣油受潮套管次之，正常套管最小。這是由于芯體受潮套管油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)的微水含量相較于絕緣油受潮套管更多，導(dǎo)致其電容量和電導(dǎo)率的顯著增大，提高了容納和傳導(dǎo)電荷載流子的能力，因此促進(jìn)了鋁箔界面附近處積聚電荷的積聚過程，從而導(dǎo)致在去極化過程中的電流更大，且持續(xù)時間更長。

圖11 正常套管、絕緣油受潮套管、芯體受潮套管在4 000 V高壓下的極化電流和去極化電流

4.2 不同受潮類型套管頻域介電特性

4.2.1 正常套管頻域介電特性

圖12(a)和圖12(b)分別為正常套管的介損曲線和電容實部曲線。由圖12(a)可知，隨著測試頻率的降低，正常套管的介損值整體上呈上升趨勢。隨著激勵電壓的升高，介損值在高頻部分幾乎沒有變化，而低頻區(qū)的介損值有略微減小的趨勢，這主要反應(yīng)為Garton效應(yīng)的影響[30-32]。其中Garton效應(yīng)主要表示為在油紙絕緣介質(zhì)中，隨著電場強(qiáng)度的增加tanδ會明顯地減小。由圖12(b)可知，套管的電容實部測量值不會隨著測試時電壓頻率的變化而變化，而隨著測試電壓的增大，電容實部也沒有出現(xiàn)電壓相關(guān)性，始終趨于恒定。

圖12 正常套管在不同電壓下的介質(zhì)損耗和電容實部頻域譜

4.2.2 芯子受潮套管頻域介電特性

圖13(a)和圖13(b)分別為芯子受潮缺陷套管的介損曲線和電容實部曲線。由圖13(a)可知，隨著測試頻率的降低，芯子受潮缺陷套管的介損值在高頻部分幾乎沒有變化，而在低頻部分呈上升趨勢。此外，隨著激勵電壓的升高，低頻區(qū)的介損值有略微增大的趨勢，這時由于套管芯子在發(fā)生受潮后，水分會侵入到油紙絕緣系統(tǒng)中，會增加油紙絕緣的電導(dǎo)率。而水分作為強(qiáng)極性物質(zhì)，會導(dǎo)致油紙界面處的極化損耗增大，進(jìn)一步使得油紙絕緣系統(tǒng)的介質(zhì)損耗增大，在頻域介電譜中表現(xiàn)為介損曲線的上移。此時的Garton效應(yīng)幾乎被水分強(qiáng)極性所淹沒。由圖13(b)可知，套管芯子在發(fā)生受潮后其電容實部明顯增大，同時，隨著頻率的降低，電容實部呈逐漸增加的趨勢。而電容量與測試電壓的大小幾乎不存在相關(guān)性。

圖13 芯子受潮缺陷套管在不同電壓下的介質(zhì)損耗頻域譜和電容實部頻域譜

4.2.3 絕緣油受潮套管頻域介電特性

圖14(a)和圖14(b)分別為絕緣油受潮缺陷套管的介損曲線和電容實部曲線。由圖14(a)可知，隨著測試頻率的降低，絕緣油受潮缺陷套管的介損值整體上呈上升趨勢。在0.1～1 Hz頻段處介損出現(xiàn)了“峰值”，介損值在該處達(dá)到最大。同芯子受潮缺陷套管類似，絕緣油在發(fā)生受潮后，由于絕緣紙的親水性遠(yuǎn)高于絕緣油，油中部分水分會轉(zhuǎn)移至套管芯子的絕緣紙中，進(jìn)一步加劇套管的極化損耗，導(dǎo)致介損值增大。隨著激勵電壓的增大，套管的極化現(xiàn)象越明顯，介損值也相應(yīng)越大。此時的Garton效應(yīng)幾乎被水分強(qiáng)極性所淹沒。由圖14(b)可知，套管的電容實部測量值不會隨著測試時電壓頻率的變化而變化，而隨著測試電壓的增大，電容實部也沒有出現(xiàn)電壓相關(guān)性，始終趨于恒定。

圖14 絕緣油受潮缺陷套管在不同電壓下的介質(zhì)損耗頻域譜和電容實部頻域譜

4.2.4 受潮絕緣套管高壓頻域介電響應(yīng)對比分析

圖15(a)和圖15(b)分別為不同套管在2 000 V電壓下的介損頻域譜和電容實部頻域譜。由圖15(a)可知，芯子受潮套管的介損值在任何頻率下均遠(yuǎn)大于其余缺陷套管，這表明當(dāng)芯子受潮后會嚴(yán)重影響套管的絕緣性能。由圖15(b)可知，套管芯子在發(fā)生受潮后其電容實部明顯增大，同時，隨著頻率的降低，電容實部呈現(xiàn)增加的趨勢，而其余缺陷情況電容實部測量值無明顯變化。

圖15 2 000 V電壓下的不同套管介質(zhì)損耗頻域譜和電容實部頻域譜

5 結(jié)論

本文對不同受潮狀態(tài)下的油紙絕緣套管開展了高壓時/頻域介電響應(yīng)測試及分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)通過提高時/頻域介電響應(yīng)測試的激勵電壓，能有效提高信噪比，提高套管絕緣狀態(tài)監(jiān)測與評估的準(zhǔn)確性。

(2)在正常電壓下時域介電特性結(jié)果表明：隨著時間的增加，正常套管和絕緣油受潮套管的極化電流略微減小，而去極化電流會先迅速減小后緩慢減小。芯子受潮套管的去極化電流衰減速率比正常套管和絕緣油套管低。頻域介電特性結(jié)果表明：隨著頻率的增加，正常套管和絕緣油受潮套管的介質(zhì)損耗會逐漸減小，電容實部略微減小。芯子受潮套管的電容實部隨著頻率的增加會發(fā)生明顯的減小。

(3)隨著激勵電壓的提高，套管的極化/去極化電流也隨之呈現(xiàn)增大的趨勢，而介質(zhì)損耗與電容也因油紙界面處極化損耗的增大而表現(xiàn)出一定的電壓依賴性。水分作為強(qiáng)極性物質(zhì)，會使得套管的絕緣電阻下降以及介質(zhì)損耗的提升，由于絕緣紙與絕緣油親水性的差異，芯子受潮對套管絕緣性能的影響較絕緣油受潮情況更為顯著，在高電壓激勵下的時/頻域介電響應(yīng)特性差異也更為明顯。