應用極化/去極化電流法評估變壓器油紙絕緣水分含量

白吉昌，王林，彭永洪，李永軍，馬強，周利軍

(1.國網四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000;2.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

1 引言

當前油紙絕緣系統普遍應用于電力變壓器中，其絕緣狀態的好壞對電力變壓器正常運行有著重大影響［1－6］，大量研究資料表明:電力變壓器失效的主要原因是其絕緣性能劣化所致［7，8］。水分能嚴重降低油紙絕緣的擊穿電壓，并加速油紙絕緣的老化速率，對油紙絕緣的電氣壽命和機械壽命都有嚴重影響［9－11］。因此如何準確有效評估變壓器油紙絕緣水分含量，對電力系統運行的有效性、安全性和可靠性有著重大意義。

始于上世紀70年代的電介質響應法基于電介質極化的基本原理，是一種無損的檢測手段，近年來取得較大的發展，已從實驗室研究逐步擴大到現場測試。其中，極化/去極化電流法通過對油紙絕緣系統進行一定時間的充放電測試其極化/去極化電流，從而獲得油紙絕緣直流電導率可直接反映油紙絕緣的狀態，且具有靈敏度高、抗現場干擾能力強等特點而備受廣大學者和工程師的關注［12－14］。目前對極化/去極化電流法的研究，主要集中在溫度、水分和老化等因子對極化/去極化電流的影響規律及其原因的研究［15－20］，能直接應用于現場變壓器油紙絕緣系統的狀態評估和水分含量檢測的有效的成套測試系統的報道較少。

本文在實驗室條件下搭建了實驗平臺，提出了新的反映油紙絕緣狀態的特征量—極化電導率，建立了時域電導模型，測試了油紙絕緣試品在不同溫度和水分含量條件下的極化/去極化電流，通過應用最小二乘法對時域電導模型的參數進行擬合，提出了油紙絕緣水分含量評估的方法并進行了驗證，為應用極化/去極化電流法診斷變壓器油紙絕緣系統的水分含量提供了參考。

2 時域電導模型

絕緣紙由纖維素交互疊加構成，表面結構見圖1，絕緣紙中分布著數量眾多、大小不等、形狀不相的空隙，由空氣充滿，浸油后變壓器油便填充到這些空隙中，形成了油紙絕緣。

圖1 絕緣紙表面電鏡圖

搭建如圖2所示的實驗平臺，設充電電壓200V，充電時間 104s。將干燥后的絕緣紙圓板(直徑120mm)置于正負電極之間，并浸于25#新變壓器油(水分含量15ppm)中。同時為了消除邊緣效應，在測試電極外增加了保護電極;將整個試驗裝置置于恒溫箱中以便控制實驗溫度。

極化/去極化電流示意圖如圖2所示，測試過程如下:

在0～tc時間內閉合S1，斷開S2，油紙絕緣外施直流電壓U0時，通過油紙絕緣電導電流和各種極化產生位移電流疊加即為極化電流ip。

式中，Cm為幾何電容;εr為相對介電常數，σD為直流電導率，f(t)為時域響應函數，Z(t)為隨充電時間變化的油紙絕緣阻抗。

在tc～td時間內斷開S1，閉合S2，撤去外施電壓，殘余極化產生的位移電流即為去極化電流id。

Z(t)與油紙絕緣厚度l和截面積S有關，設油紙絕緣極化電導率σ(t)為

由此極化/去極化電流均可用極化電導率σ(t)表示。對變壓器油和纖維素絕緣材料，時域響應函數f(t)可表示為［21］

由式(1)、(4)，極化電導率σ(t)可表示為

式中，A= ε0·a。

圖2 極化/去極化電流測試電路

3 溫度和水分對油紙絕緣極化電導率的影響規律

在不同溫度下測試得到的油紙絕緣(紙中水分含量2%)的極化/去極化電流如圖3所示。

由式3可求得油紙絕緣極化電導率的測試值，如圖4所示，對極化電導率按式(5)進行擬合，如表1所示。溫度增加，極化電導率增大，時域電導模型參數中，σD、A2、t0均隨溫度升高而增大，n、m 隨溫度升高變化不大。溫度對油紙絕緣極化特性的影響，主要體現在以下兩方面:一方面增加了油紙絕緣的直流電導率，另一方面溫度升高，使油紙絕緣內部分子動能增加，偶極子運動加劇，轉向加快，弛豫時間減小，弛豫極化逐漸得以快速建立，弛豫極化增強，弛豫電流密度增加。同時，極性基團更易與材料中的自由電荷(正、負離子或電子)、水分等結合，離開平衡位置，界面極化增強。

圖3 不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

圖4 不同溫度下油紙絕緣的極化電導率測試值

表1 不同溫度下油紙絕緣的極化電導率與測試時間的擬合參數及優度

圖5 不同水分下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

60℃時紙中不同水分含量的油紙絕緣極化/去極化電流特性如圖5所示，由式(3)求得極化電導率的測試值，如圖6所示，對極化電導率按式(5)進行擬合，如表2所示。水分含量增加，極化電導率增大，時域電導模型參數中，σD、A均隨溫度升高而增大，微水含量增加，極化/去極化電流均增大，水是強極性分子，對油紙絕緣極化特性的影響，主要體現在以下兩方面:一方面水分子提高了油紙絕緣的直流電導率，使得油紙絕緣內部正負電荷的注入和遷移更加顯著，增大了傳導電流;另一方面一些親水性離子或基團，與水分子結合形成附著帶電離子，更容易離開平衡位置，造成離子極化增強;同時，水分子自身在電場作用下可形成誘導偶極矩，增強了油浸紙板的界面極化。

圖6 不同水分下油紙絕緣極化電導率測試值

表2 不同水分下油紙絕緣的極化電導率與充電時間的擬合參數及優度

4 應用時域電導模型評估油紙絕緣水分含量

從表2中可以看出，水分含量增加，時域電導模型參數σD均增大，兩者具有良好的一一映射關系，因此可以通過參數σD來估算變壓器油紙絕緣的水分含量。應用最小二乘法對參數σD與水分含量進行擬合可得60℃時直流電導率σD與水分含量的關系如式(6)所示。

式中:σD為直流電導率，pS·m－1;m 為水分含量，%。

考慮到溫度因素對直流電導率的影響

式中:Ea為活化能，J;T為絕對溫度，K;k為玻爾茲曼常數，1.381×1023J/K;A為與粒子運動相關的常數。

應用式(7)對式(6)進行修正可得

式中:B=Ea/k，c為待求常數;當溫度為60℃、水分含量為2%時，式(8)可改寫為

于是，常數c為

將常數c代入式8中可得

當水分含量為2%時，通過表1中直流電導率與溫度關系應用最小二乘法進行擬合可得A=4.978×108，B=6513，于是直流電導率與溫度和水分的關系為

因此，水分含量m可表示為

中數據可得到水分含量為2%時在不同溫度下水分含量的計算值，并算出相對誤差，如表所示。從中可以看出，當溫度較小時誤差較大，隨著溫度的增大，誤差逐漸減小。

表3 不同溫度下油紙絕緣水分含量實際值與計算值

中數據可得到60℃時不同水分含量下的計算值，并算出相對誤差，如表所示。從中可以看出，當水分含量較大時誤差較小。

表4 不同水分下油紙絕緣水分含量實際值與計算值

綜上，通過時域電導模型參數σD來估算油紙絕緣水分含量的方法是可行的，且當溫度較高、水分含量較大時誤差較小。

5 結論

(1)提出了新的時域介質響應特征量—極化電導率，其與油紙絕緣的溫度和水分含量有密切關系，可以作為評估變壓器油紙絕緣狀態的特征量。

(2)時域電導模型能較好地擬合在溫度和水分含量條件下的油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

(3)時域電導模型的參數直流電導率與溫度和水分含量有密切關系，可以作為評估變壓器油紙絕緣水分含量的特征量。

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