絕緣油老化程度對(duì)變壓器絕緣系統(tǒng)極化譜參數(shù)影響規(guī)律的研究

鄧鎵卓，劉佩，王林

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000)

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絕緣油老化程度對(duì)變壓器絕緣系統(tǒng)極化譜參數(shù)影響規(guī)律的研究

鄧鎵卓，劉佩，王林

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000)

油浸式電力變壓器在運(yùn)行過程中絕緣油不斷地老化，嚴(yán)重影響其運(yùn)行壽命，因此評(píng)估變壓器絕緣油老化程度對(duì)確保變壓器安全可靠運(yùn)行具有重要意義。基于回復(fù)電壓的極化譜方法是一種無損的絕緣診斷方法，可以方便地對(duì)變壓器的絕緣狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷，已經(jīng)被用來評(píng)估變壓器的絕緣狀態(tài)。通過對(duì)由三種不同老化程度的絕緣油和普通纖維素絕緣紙組成的絕緣系統(tǒng)進(jìn)行的回復(fù)電壓測(cè)試，研究了回復(fù)電壓極化譜在不同老化程度絕緣油下的變化規(guī)律。結(jié)果表明：絕緣油老化程度對(duì)中心時(shí)間常數(shù)的影響最為明顯，對(duì)峰值電壓和初始斜率的影響則不大，初步建議用中心時(shí)間常數(shù)來判斷絕緣油的老化程度，將峰值電壓和初始斜率作為參考。

絕緣油；極化譜；回復(fù)電壓；中心時(shí)間常數(shù)；介電特性

1 引言

電力變壓器(特別是油浸式電力變壓器)是電力傳輸和分配的核心和樞紐，是電力系統(tǒng)最重要和最昂貴的設(shè)備之一[1]，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞將直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)能否安全、可靠運(yùn)行。電力變壓器故障的主要原因之一就是絕緣油的老化，準(zhǔn)確評(píng)估其老化程度，對(duì)避免出現(xiàn)故障引起電力傳輸中斷、大范圍停電等重大事故具有重大意義。

變壓器絕緣油在運(yùn)行過程中受電、熱、機(jī)械等多種因素作用以及遭受雷電、系統(tǒng)短路等外界因素的侵襲，會(huì)逐漸發(fā)生老化。回復(fù)電壓法(RVM)是近年來備受關(guān)注的一種新的診斷方法，具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，提供的信息內(nèi)容多且能較好反映變壓器的油紙絕緣狀態(tài)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且是一種非破壞性檢測(cè)手段[2-3]，無需進(jìn)行采樣，可以在變壓器現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，絕緣油老化程度的變化對(duì)基于回復(fù)電壓的極化譜有著重大影響。因此，深入研究極化譜曲線和參數(shù)在不同的絕緣油老化程度條件下的變化規(guī)律，是變壓器介質(zhì)響應(yīng)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，具有重要的學(xué)術(shù)和實(shí)際意義。

2 回復(fù)電壓測(cè)量原理及研究現(xiàn)

回復(fù)電壓法是近年國(guó)內(nèi)外使用的一種十分簡(jiǎn)便、有效的絕緣檢測(cè)方法，目前廣泛應(yīng)用的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)是一種由#25變壓器絕緣油和普通纖維素絕緣紙構(gòu)成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，可看作是一種復(fù)合絕緣介質(zhì)。

2.1 測(cè)試過程

圖1為回復(fù)電壓測(cè)試電路示意圖，回復(fù)電壓的測(cè)量過程如下：首先將開關(guān)S1閉合、S2斷開，直流電源對(duì)試品進(jìn)行充電，在充電期間，絕緣介質(zhì)將被極化，表面出現(xiàn)束縛電荷，內(nèi)部偶極子按電場(chǎng)方向呈定向排列，充電時(shí)間為tc；然后將開關(guān)S1斷開、S2閉合，對(duì)試品進(jìn)行放電，放電時(shí)間td一般為充電時(shí)間的一半[4-5](V.Aschenbrenner等在試驗(yàn)中將充放電時(shí)間的比設(shè)置為2)，絕緣介質(zhì)去極化，部分電容電荷被釋放。放電結(jié)束后，自由電荷將全部被釋放，打開開關(guān)S2，殘余極化仍然存在,電介質(zhì)去極化過程將繼續(xù)，剩余極化電荷將在電極上形成一個(gè)電壓響應(yīng)，這個(gè)電壓就是回復(fù)電壓[6-7]。

逐步改變充電時(shí)間(一般在20ms～10000s范圍內(nèi))，進(jìn)行一系列的回復(fù)電壓測(cè)量，提取回復(fù)電壓最大值，通過擬合獲得每個(gè)循環(huán)回復(fù)電壓最大值隨充電時(shí)間變化的曲線，即回復(fù)電壓極化譜。

2.2 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)絕緣系統(tǒng)基于回復(fù)電壓的極化譜曲線和參數(shù)進(jìn)行了初步研究，文獻(xiàn)[8]對(duì)某供電局的110kV主變壓器換油前后分別進(jìn)行了回復(fù)電壓測(cè)量，指出兩者的極化譜曲線形狀一致，并隨絕緣系統(tǒng)水分含量的增加，極化譜峰值電壓將向左移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的中心時(shí)間常數(shù)減小。絕緣系統(tǒng)的受潮程度和回復(fù)電壓極化譜峰值電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)有確定關(guān)系，這個(gè)時(shí)間常數(shù)被稱為中心時(shí)間常數(shù)，它能夠直接反映油紙絕緣系統(tǒng)的濕度情況以及變壓器的總體絕緣狀態(tài)。文獻(xiàn)[9-10]指出回復(fù)電壓極化譜中心時(shí)間常數(shù)是溫度和水分含量的二元函數(shù)，因此根據(jù)給定溫度下極化譜中心時(shí)間常數(shù)的差別就可以判斷出變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的平均等值含水量以及評(píng)估絕緣系統(tǒng)的總體狀態(tài)。

已有的研究主要是說明油紙絕緣系統(tǒng)中水分、溫度等因素對(duì)回復(fù)電壓極化譜有一定影響，但是并沒有提出絕緣油的老化程度對(duì)回復(fù)電壓極化譜的影響關(guān)系，本文通過實(shí)驗(yàn)室絕緣油暴露于空氣以及加速熱老化模擬絕緣油老化，通過回復(fù)電壓實(shí)驗(yàn)，分析不同變壓器絕緣油老化程度對(duì)回復(fù)電壓極化譜的影響，通過對(duì)不同老化程度下極化譜曲線和參數(shù)的變化情況得出一定的規(guī)律并結(jié)合了理論進(jìn)行解釋。

圖1 回復(fù)電壓測(cè)量電路圖

U0—充電電壓；Urmax—回復(fù)電壓最大值；UR(t)—回復(fù)電壓曲線；tc—充電時(shí)間；td—放電時(shí)間；tp—回復(fù)電壓測(cè)量階段；Si—初始斜率

圖2 回復(fù)電壓曲線示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)擬采用厚度為1.0mm普通纖維素絕緣紙和#25變壓器礦物絕緣油。首先對(duì)絕緣油進(jìn)行預(yù)處理：等分成三份，第一份直接用保鮮膜密封，第二份和第三份直接暴露于空氣中，分別靜置75天和150天，然后用保鮮膜密封。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

回復(fù)電壓測(cè)試的測(cè)量回路示意圖如圖3。整個(gè)測(cè)量回路包括3部分：樣品系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 回復(fù)電壓測(cè)量示意圖

樣品系統(tǒng)：主要包括油紙絕緣試品、電極、容器、高溫恒溫試驗(yàn)箱(控制絕緣系統(tǒng)溫度、濕度等條件)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其尺寸分別為：容器高140mm，直徑165mm；絕緣紙厚1.00mm，直徑125mm；電極(圓柱形)厚10mm，直徑100mm；絕緣油含量約2600mL。

控制系統(tǒng)：主要包括直流線性穩(wěn)壓、穩(wěn)流電源和時(shí)間控制單元。其中直流線性穩(wěn)壓、穩(wěn)流電源為試品提供穩(wěn)定的直流電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～1000V；時(shí)間控制單元，可以進(jìn)行在0.01～9999s間任意時(shí)間的設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：主要包括數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)。其中數(shù)據(jù)采集儀對(duì)整個(gè)測(cè)量過程中的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將測(cè)得的電壓值存入計(jì)算機(jī)中以便進(jìn)一步處理和分析。

圖4 樣品系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖5 回復(fù)電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程圖

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟的流程圖見圖5。具體步驟如下：

(1)將容器、電極洗凈并與絕緣紙(共7片)分別置于溫度設(shè)為90℃的高溫恒溫試驗(yàn)箱中徹底干燥，然后冷卻至室溫；

(2)置入負(fù)電極，并向干燥后的容器中注入變壓器絕緣油；

(3)將干燥后的7片絕緣紙浸入絕緣油中(絕緣紙放在負(fù)電極的上面)，為了避免容器壁對(duì)試品極化造成的影響，將絕緣紙放置在容器的中央，避免與容器的外殼接觸；

(4)置入正電極，并用聚四氟乙烯蓋對(duì)容器進(jìn)行密封；

(5)連接控制系統(tǒng)、樣品系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的線路；

(6)設(shè)置充放電時(shí)間、充電電壓等實(shí)驗(yàn)參數(shù)并記錄；

(7)進(jìn)行回復(fù)電壓測(cè)試，前次做完后，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，靜置1h，重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行下次回復(fù)電壓測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中，完成一種絕緣油回復(fù)電壓極化譜的測(cè)量后，更換絕緣油，進(jìn)行下次測(cè)量；固定充放電時(shí)間比tc/td=2，并保證在同一溫度下進(jìn)行測(cè)量，避免溫度對(duì)極化譜參數(shù)的影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 回復(fù)電壓曲線分析

圖5為充電時(shí)間tc在100s時(shí)三種不同老化程度下的回復(fù)電壓曲線。可以看出，相同充電時(shí)間下，回復(fù)電壓曲線均有相似的形狀：隨測(cè)量時(shí)間增加，回復(fù)電壓先迅速上升到最大值，然后再下降，下降到一定程度后，回復(fù)電壓值趨于穩(wěn)定。隨絕緣油老化程度增加，初始回復(fù)電壓值增加速率變大，回復(fù)電壓最大值Urmax增加，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)減小。

圖6 三種不同老化程度絕緣油的回復(fù)電壓曲線

4.2 絕緣油老化程度與極化譜的關(guān)系

從圖7～圖9中可以看出，相同的絕緣油老化程度下，充電時(shí)間對(duì)回復(fù)電壓極化譜均具有相似的影響關(guān)系：隨充電時(shí)間增加，極化譜曲線先迅速上升到最大值，然后再下降。

圖7 第一種絕緣油極化譜

圖8 第二種的絕緣油極化譜

圖9 第三種絕緣油極化譜

絕緣油老化程度對(duì)回復(fù)電壓極化譜的影響關(guān)系見表2，在絕緣油逐漸老化的過程中，極化譜峰值電壓增加但不明顯，初始斜率增加但其值較小不便于實(shí)際應(yīng)用；中心時(shí)間常數(shù)減小，并且十分明顯。因此可以通過中心時(shí)間常數(shù)來診斷變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣油的老化程度，而峰值電壓和初始斜率可以作為參考。

表1 絕緣油老化程度與極化譜參數(shù)的關(guān)系

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

油浸式電力變壓器絕緣油在運(yùn)行過程中逐漸地發(fā)生老化，隨著老化程度逐漸加深，油中的不飽和烴、酸值增加并且逐漸產(chǎn)生氣體、水分以及油中的懸浮物、游離炭黑等各種雜質(zhì)[12]，使得載流子濃度、遷移率和液體粘度均增大。其介電性能表現(xiàn)為：介質(zhì)損耗因數(shù)增大、介電常數(shù)變小、介質(zhì)損耗因數(shù)增大、電導(dǎo)率上升，絕緣油的介電性能逐漸下降或變壞。

絕緣油嚴(yán)重老化的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)，帶電粒子運(yùn)動(dòng)加速，單位時(shí)間內(nèi)通過某一界面的帶電粒子增加，產(chǎn)生更快且更強(qiáng)的極化現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)其施加直流電壓，短時(shí)間內(nèi)就可將其徹底極化，獲得極化譜峰值電壓。相反，絕緣油輕微老化的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)極化響應(yīng)相對(duì)緩慢，在短時(shí)間的充電下絕緣介質(zhì)難以被徹底極化,只有在較長(zhǎng)時(shí)間的充電下，才能將其徹底極化，獲得極化譜峰值電壓，因此絕緣油的老化程度對(duì)中心時(shí)間常數(shù)影響較大，對(duì)峰值電壓和初始斜率影響較小。

5 結(jié)論

三種不同老化程度絕緣油組成的油紙絕緣系統(tǒng)的回復(fù)電壓試驗(yàn)結(jié)果表明，回復(fù)電壓測(cè)量是一種評(píng)估變壓器絕緣油老化程度的有效方法。絕緣油在老化過程中，其偶極子數(shù)和液體粘度不斷增加，對(duì)回復(fù)電壓極化譜峰值電壓和初始斜率影響不大，而對(duì)中心時(shí)間常數(shù)則有較大影響。因此，通過回復(fù)電壓方法獲得的極化譜可以評(píng)估變壓器絕緣油老化程度，初步建議用中心時(shí)間常數(shù)來判斷絕緣油的老化程度，將峰值電壓和初始斜率作為參考。

[1] 錢政,尚勇,楊莉.電力變壓器固體絕緣狀況的綜合評(píng)估模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(4)：5-10.

[2] KALOCSAL L.Spectrum of Polarization Phenomena of Long Time-constant as a Diagnostic Method of Oil-paper Insulation System[C].Proceeding of the 3rd International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials.Tokyo,Japan:IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society and Institute of Electrical Engineers of Japan,1991:723-726.

[3] NEMETH E.Measuring Voltage Response:a Non-destructive Diagnostic Test Method of HV Insulation[J].IEE Proceeding of Science.Measurement and Technology,1999,146(5)：249-252.

[4] Tokyo Electric Co.Inc Hitachi,Ltd.A Diagnostic Method Based on RVM(Return Voltage Measurement)for Condenser Bushing with Oil-Paper Insulation Systems[J].Electric Engineering in Japan,2000,130(1):21-29.

[5] ASCHENBRENNER V.Using of Parameters of RVM Measurement for Qualitative Appreciation of Power Transformers Insulation States[C].Transmission and Distribution Conference and Exhibition.2002,1829-1833.

[6] OMAR HASSANL,HOSSEIN BORSIL,EMST GOCKENBACH,et al.Diagnostic of Insulation Condition of oil Impregnated Paper Insulation System with Return Voltage Measurements[C].2003 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.USA:IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society,2003,153-156.

[7] 李明華,董明,嚴(yán)璋.一種新的絕緣測(cè)試方法—回復(fù)電壓法[J].高電壓技術(shù)，2002，28(8)：43-45.

[8] 張濤,蔡金錠.應(yīng)用極化譜分析油紙變壓器絕緣紙板水分含量的研究[J].電工電能新術(shù)，2009，28(4):46-50.

[9] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所.2003年版中國(guó)科技期刊印證報(bào)告[R].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所，2003.

[10] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所.2002 年版中國(guó)科技期刊印證報(bào)告[R].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù) 信息研究所，2002.

[11] 廖瑞金，孫會(huì)剛，袁泉，等.采用回復(fù)電壓法分析油紙絕緣老化特征量[J].高電壓技術(shù)，2011，37(1)：136-142.

[12] 趙澤偉.變壓器油的老化對(duì)油介電性能的影響及對(duì)老化油的再生處理[J],變壓器，2004，41(10)：16-22.

The Influence of Insulating Oil Aging Degree on Polarization Spectrum in Oil-paper Insulation System of the Transformer

DENGJia-zhuo,LIUPei,WANGLin

(Nanchong Power Supply Company,State Grid Sichuan Electric Power Corporation,Nanchong 617000,China)

Insulating oil become an aging in Oil-immersed power transformer while operation,and the operational life will be seriously influenced.Therefore,the assessment of aging degree of insulating oil in transformer makes great sense for the safe and reliable operation of transformer.As a non-destructive insulation diagnostic technique,the polarization spectral method which is based on RVM(recovery voltage measurement) has been employed to assess the state of insulation in transformer.In this paper,RVMs were conducted for the insulating system composed of three types of insulating oil with different aging degrees and kraft paper,and the changing regularities of polarization spectrum based on return voltage measurement were obtained.The result shows that insulating oil aging effecting on the central time constant is most obvious,but not on the initial slope and the peak voltage,so it is suggested preliminarily to use central time constant to diagnose the aging degree of insulating oil,and initial slope and peak voltage as a reference.

insulating oil;polarization spectrum;recovery voltage measurement(RVM);central time constant;dielectric property

1004-289X(2015)04-0030-05

TM41

B

2015-01-19

鄧鎵卓(1985-)，男(漢)，四川南充人，本科，主要從事高壓電氣設(shè)備電氣試驗(yàn)、狀態(tài)檢修及絕緣故障研究； 劉佩(1989-)男(漢)，四川南充人，本科，主要從事高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修研究； 王林(1986-)，男(漢)，四川南充人，碩士，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷與在線監(jiān)測(cè)研究。