變壓器油紙絕緣狀態與極化譜中心時間常數關系分析

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(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 410014)

變壓器油紙絕緣狀態與極化譜中心時間常數關系分析

吳桂良，王岸，常晨琛

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 410014)

變壓器作為電力系統中最為核心的設備，其絕緣性能的好壞直接影響電網的安全運行。為了診斷變壓器油紙絕緣的絕緣性能，采用回復電壓法測試不同水分含量和老化程度的油紙絕緣試樣的極化譜，探討油紙絕緣中的水分含量和老化程度對中心時間常數的影響。結果表明：變壓器油紙絕緣中的水分含量和老化程度與中心時間常數均有較強的相關關系，分別滿足二階和三階的線性關系。

變壓器；油紙絕緣；回復電壓法；中心時間常數

1 引言

變壓器作為電力傳輸和分配的核心和樞紐，是電網中最關鍵的設備之一，其絕緣狀態的優劣直接關系到電網安全、穩定、可靠運行。在電、熱、機械、化學等多種因素影響下，變壓器油紙絕緣將逐漸老化，隨著老化程度的不斷加深，油紙絕緣的機械強度和電氣強度都會下降，從而導致變壓器的安全系數下降，降低其運行可靠性。因此，對變壓器的絕緣狀況和故障信息進行診斷，掌握變壓器的運行狀態，對制定科學、合理的電力變壓器運行、維護以及更新計劃，對提高變壓器的可用率和整個電網運行可靠性而言，都具有重大意義。

本文采用以介質響應理論為基礎的回復電壓法，通過實驗室模擬變壓器油紙絕緣的老化，研究回復電壓中心時間常數在不同老化程度下的變化規律，深入研究回復電壓曲線中心時間常數與變壓器油紙絕緣狀態的關系。

2 變壓器油紙絕緣回復電壓法測量原理

絕緣油和絕緣紙組成的復合絕緣構成了油浸式變壓器的絕緣系統，典型變壓器單相繞組的結構是由緊繞在鐵芯上的低壓繞組和繞在其外面的高壓繞組以及高低壓繞組之間的主絕緣系統組成，是一種復合電介質。

根據電介質原理，外部無電場作用時，電介質內部偶極子無規則排列，在外電場作用下，偶極子定向排列，電荷產生定向位移，電介質表面出現束縛電荷，產生極化電流；撤去外加電場，短接兩極后，由于失去外加電場的誘導，內部偶極子由有序狀態變為無序狀態，表面極化電荷和界面束縛電荷部分釋放；切斷短接線路的短時間內，一部分尚未完全釋放的自由電荷和一些定向排列的束縛電荷，會在電介質兩端產生電勢差，這個電勢差即是回復電壓Ur[1]。整個過程中，電壓與電流曲線如圖1所示。

圖1 回復電壓曲線示意圖

在充電電壓U和充放電時間比tc/td(通常取為2)保持不變的條件下，逐步改變充電時間tc(一般在0.02～104s范圍內)，可以得到一系列的回復電壓曲線；如將各曲線中峰值電壓Urmax和對應的充電時間tc繪制成圖，即可得到反映介質極化特性的極化譜。其中，回復電壓極化譜的回復電壓峰值對應的充電時間定義為中心時間常數tdom。

3 試驗

3.1 試驗材料及預處理[6-7]

本文進行變壓器油紙絕緣測試試驗材料為普通牛皮變壓器絕緣紙(厚度為0.3mm)和25#克拉瑪依變壓器礦物絕緣油。

為了控制試樣的初始狀態，將裁剪好的絕緣紙試樣置于溫度為25℃、濕度為50%的濕度箱中一個月，采用MS-C卡爾費休微水測量儀測得絕緣紙中的微水含量約為8.5%。礦物絕緣油真空脫氣，40℃下干燥至微水含量約為11ppm(電氣性能滿足IEC 60296-2003和ASTMD 3487-2000，油中水分測試參照GB 7600-1987)。

為了研究不同的老化程度對變壓器絕緣系統的影響，實驗對25#克拉瑪依變壓器礦物絕緣油和絕緣紙一起在90℃的溫度下進行老化，老化時間分別為新油，15天，2個月，6個月，得到不同老化程度的油紙絕緣試樣。

為了研究不同水分含量對變壓器油紙絕緣測試系統的影響分析。對含水量的處理如下：將絕緣紙靜置與絕緣油中充分浸泡，本文根據實際變壓器不同的絕緣狀態，選取初始微水含量為0.5%、1%、3%、5%的絕緣試品，為了使得同一絕緣試樣中水含量能分布均勻，采用真空干燥法，通過調整干燥箱內干燥時間、溫度和真空度以實現對絕緣試樣微水含量的控制，具體的實驗處理流程如表1所示。

表1 不同初始微水含量絕緣試樣的處理流程

實驗室對油紙絕緣分別采用不同的方法進行不同老化狀態和不同含水量的處理后，在保證實驗預處理的準確性上采用實驗室的實驗器材對油紙絕緣測試系統進行測試。

試驗測試裝置為三電極測試系統，測試原理圖如圖2所示。兩個電極板之間為實驗的絕緣試樣-油紙絕緣測試系統，在進行絕緣測試實驗前，打開裝置的上旋蓋，在容器內部導入適量的經過處理的絕緣油，然后在下電極板上放上對應的絕緣紙，然后蓋上上旋蓋，調節旋鈕棒，使得上下電極之間壓緊。

圖2 三電極測試系統示意圖

3.2 試驗流程

RVM測試試驗接線如圖3所示，油紙絕緣試樣測試的具體操作步驟如下：

第一步：選取一組經過相同處理后的油紙絕緣試樣樣品，將一張絕緣紙與絕緣油放入樣品測試電極裝置(三電極裝置)中，將測試電極裝置放入溫度為90℃的恒溫箱中靜止12h，使電極裝置中絕緣油和絕緣紙的水分的分布及整體溫度分布達到均衡；

第二步：將回復電壓測試儀的高壓電纜與測試電極裝置的高電壓電極相連，接地電纜接至測試電極裝置的測量電極，如圖2所示。

第三步：啟動回復電壓測試裝置，設置實驗測試參數。參數設置包括充電電壓Uc，充電時間tc，放電時間td。測量開始后，系統會自動完成充電、放電、采集過程；當所測回復電壓曲線先上升再平滑下降，一直到電壓值基本穩定后，可以手動終止數據測量。測量完成后，回復電壓測試裝置自動完成回復電壓參數(中心時間常數tdom)的計算并給出特征值參數。最后將樣品組號、測試數據與狀態評估系統給出變壓器絕緣狀態的評估結果進行數據保存。

第四步：關閉裝置電源，將測試電極測試裝置的電壓電極接線與測量電極接線連接10～20分鐘，然后斷開，重復上述步驟二至四，進行下一次測量。

第五步：完成所有測試后整理測試儀器與接線。

圖3 RVM測試接線圖

4 試驗結果及分析

4.1 水分含量對中心時間常數的影響

電力變壓器絕緣中水分的來源主要是空氣中水分的直接進入是變壓器，一般而言，油紙絕緣測試系統中含水量的增加會導致介電強度的下降。對絕緣油來說，含水量增加，會使介電性能逐漸劣化，但在絕緣油的溶水能力飽和以前，絕緣性能變化并不明顯，溶水能力飽和后，絕緣性能急劇降低。水是極性較強的液體(水的相對介電常數值為81，比絕緣油和絕緣紙的相對介電常數高得多)，變壓器中含有的水分更容易被強電場所吸引。溫度較低時，油中的水分處于懸浮態時，電場引起的水分聚集將更為嚴重，如果溫度降得很低，水分就會從油中或固體絕緣表面析出，形成水滴或水膜，使油和介質表面的擊穿強度大大降低，絕緣系統的介質損耗就大大降低，這樣在同樣的測試條件下得到的回復電壓曲線就存在較大的差異，如圖4所示。

對油紙絕緣水分含量分別為0.5%、1%、3%、5%的試樣進行了回復電壓曲線測試，回復電壓曲線與中心時間常數分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，油紙絕緣中的水分含量變化會對回復電壓曲線的中心時間常數tdom產生影響。由圖5可知，隨著水分含量的增大，中心時間常數tdom減小。通過對中心時間常數tdom與水分含量m的關系進行擬合，擬合結果如圖6、式(1)所示。

tdom=81.1929-20.249m+7.7976m2-1.0212m3

(1)

圖4 不同水分下的回復電壓曲線

圖5 不同水分含量絕緣試樣的中心時間常數

圖6 中心時間常數與水分含量的擬合曲線

由圖6可知，水分含量的增加對中心時間常數tdom的影響在不同區間不同，在水分含量較低和較高時，中心時間常數tdom變化速率較快，并且二者滿足三階線性關系。

4.2 老化程度對中心時間常數的影響

在電、熱、機械、化學等多種因素影響下，變壓器油紙絕緣將逐漸老化，這樣會使絕緣材料發生一系列的物理變化和化學變化，而使得絕緣材料發生劣化。在高熱應力下，絕緣材料的C-H鍵和C-C鍵會發生斷裂。這些反應會產生水、酸性物質、二氧化碳、一氧化碳以及油泥等老化物質。溫度超過90℃，絕緣油的老化更加明顯，絕緣油中會出現更多的雜質，雜質的溶解進一步的加劇了變壓器油紙絕緣系統的老化速度，影響了變壓器的絕緣性能，絕緣紙也會出現聚合分子的斷裂而使得絕緣系數降低，隨著油紙絕緣系統的進一步老化，變壓器將退出運行。

對油紙絕緣老化時間分別為0、15天、2個月、6個月的試樣進行了回復電壓曲線測試，回復電壓曲線與中心時間常數分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同老化時間下的回復電壓曲線

圖8 不同老化時間絕緣試樣的中心時間常數

由圖7可知，油紙絕緣的老化程度會對回復電壓曲線的中心時間常數tdom產生影響。由圖8可知，隨著老化時間的增多，中心時間常數tdom減小。通過對中心時間常數tdom與老化時間x的關系進行擬合，擬合結果如圖9、式(1)所示。

tdom=71.9924-0.1911x+5.49×10-4x2

(2)

由圖9可知，水分含量的增加對中心時間常數tdom的影響在不同區間不同，在水分含量較低時，中心時間常數tdom變化速率較快，在水分含量較高時，中心時間常數tdom變化速率相對較慢，并且二者滿足二階線性關系。

圖9 中心時間常數與老化時間的擬合曲線

5 結論

本文基于回復電壓法(RVM)研究了中心時間常數與變壓器油紙絕緣狀態的關系，通過理論分析和試驗分析，得到了以下結論：

(1)變壓器油紙絕緣中的水分含量的增大，中心時間常數tdom減小，滿足三階線性關系。

(2)油紙絕緣的老化程度和中心時間常數tdom具有很好的二階線數關系，中心時間常數tdom可以作為一個很重要的測量指標來分析油紙絕緣系統中的水分含量和受潮程度。

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AnalysisofTransformerOilpaperInsulatingStateandPolarizatioSpectrumCentreTimeConstant

WUGui-liang,WANGAn,CHANGChen-chen

(Central and Southern China Design Research General Institute Co.,Ltd.of China Municipal Works,Wuhan 410014,China)

Transformers anre key equipment of an electric system.Good or bad for their insulating property will directly affect safe operation of electric networks.In order to diagnose the insulating property of oil paper, adopt recovery voltage method to test different moisture and the polearization spectrum of the aging degree oil paper sample.Discuss the moisture and the aging degree of the oil paper insulation for the influence on the centre time constant.The result shows that the moisture and the aging degree of trnusformer oil paper inscelation and the centne time constant have strouger associate relations,which differentiates to the secondorder and third order linear relations.

transformer;oil paper insulation; recovery voltage method;centre time constant

1004-289X(2017)03-0098-05

TM41

B

文章編號：1004-289X(2017)03-0102-03

2017-03-02

吳桂良(1988-)，男，研究生，助理工程師，主要研究方向市政電氣自控設計。