基于極化/去極化電流法的變壓器油紙絕緣影響因素研究

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(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

特高壓輸電技術具有輸送容量大、系統穩定性高、線路損耗低等優點，在我國具有廣泛的應用前景[1，2]。當前電力變壓器絕緣普遍采用油紙絕緣體系，其絕緣狀態對變壓器絕緣的電氣性能及其剩余壽命均有嚴重影響[3-10]。因此，如何準確診斷變壓器油紙絕緣體系的絕緣狀態一直備受國內外廣大專家和學者關注，具有重要現實意義。

極化/去極化電流法是在一定充放電時間內測試油紙絕緣的極化/去極化電流，通過分析其直流電導率來評估油紙絕緣性能，是一種評估變壓器油紙絕緣狀態的新方法，具有精度高、抗干擾能力強等諸多優點[11]。

對極化/去極化電流法的研究，目前還處在起始階段。Leibfried等通過現場測試對現場變壓器進行了極化電流測試，并初步使用極化電流法評估變壓器油紙絕緣的水分含量[12，13]；Saha等通過實驗室加速實驗研究了油紙絕緣老化對極化電流特性的影響規律[14-16],并通過收集眾多文獻的實驗數據，初步建立了運用極化電流法評估變壓器絕緣狀態的專家系統[17]。由于油紙絕緣的極化機理復雜，用極化/去極化電流法評估變壓器絕緣狀態尚需大量實驗和驗證[18-20]。

本文對極化/去極化電流法進行了建模，搭建了實驗室測試平臺，測試了油紙絕緣樣品在不同溫度和水分含量的條件下的極化/去極化電流特性，為應用極化/去極化電流法診斷油紙絕緣狀態提供了有益思考。

2 極化/去極化電流基本原理

絕緣紙由纖維素交互疊加構成，表面電鏡圖見圖1，絕緣紙中分布著眾多大小不等、形狀不相的空隙，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，充電電壓為200V，充電時間為104s。將干燥絕緣紙板置于電極之間，并浸于25#新變壓器油一周。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測試不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

圖2 極化/去極化電流測試電路

不同水分含量的絕緣紙板通過吸濕法準備：將絕緣紙板于干燥箱中充分干燥后用精度0.1mg的精確天平稱重，然后暴露于潮濕空氣中吸收一定量的水分再稱重，制備出不同水分含量的絕緣紙板試樣，置于電極之間并浸于25#新變壓器油一周，在50℃時測試不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

極化/去極化電流測試過程如下：

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。

(1)

式中，Cm為幾何電容；εr為相對介電常數；σ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。

(2)

對變壓器油和纖維素絕緣材料，時域響應函數f(t)一般可表示為[21]

(3)

由此，極化/去極化電流可表示

(4)

(5)

3 實驗結果及分析

不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性如圖3所示。溫度增加，極化/去極化電流都增大，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，另一方面加速了油紙絕緣的弛豫極化過程，弛豫時間ξ滿足以下關系[20，21]

(6)

式中，Wη為分子粘性流動活化能；k為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度。

溫度升高，油紙絕緣內部分子動能增加，偶極子轉向加快，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，顯現出一個表觀的誘導偶極矩，使界面極化增強。

圖3 不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

應用式(4)、(5)對不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流進行擬合，如圖4所示，各參數列于表1，擬合優度均在0.9以上。隨溫度增加，參數σ和a均增大，進一步擬合可知二者與溫度大致呈指數關系。

表1 不同溫度下油紙絕緣極化/去極化特性的擬合參數

不同水分含量下油紙絕緣的極化/去電流特性如圖5所示。絕緣紙纖維素有較強的親水能力，能吸收油紙絕緣中大部分水分，使油中水分含量較低，50℃時形成懸浮水和沉積水的可能性很小，大都呈溶解狀態，水是強極性分子，對油紙絕緣極化電流特性的影響，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，增強了油浸紙的界面極化，極化/去極化電流增大。

圖4 不同溫度下油紙絕緣極化/去極化電流特性擬合曲線(圖中符號為測試值，曲線為擬合曲線)

應用式(4)、(5)對不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流進行擬合，如圖6所示，各參數列于表2，擬合優度均在0.92以上，隨紙中水分含量增加，參數σ和a均增大，進一步擬合可知二者與水分含量大致呈指數關系。

圖5 不同水分含量下油紙絕緣的極化去電流特性

圖6 不同水分含量下油紙絕緣極化/去極化電流特性擬合曲線(圖中符號為測試值，曲線為擬合曲線)

表2不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流特性擬合參數

水分σ(pS/m-1)at0nm1%0.15270.018904.80.0172.1062%0.57030.116596.90.0151.7043%0.87400.183788.70.0212.5024%1.00000.7528300.0192.229

3 結論

(1)溫度和水分作為影響油紙絕緣系統絕緣性能的重要因素，溫度升高，極化/去極化電流增大，水分增加，極化/去極化電流亦增大。

(2)擬合參數σ和a隨溫度和水分含量變化而變化，可以作為評估油紙絕緣的絕緣狀態的特征量。

(3)極化/去極化電流法能較為清晰的反映油紙絕緣狀態變化，是一種評估油紙絕緣狀態的有效方法。

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