基于局部放電與PDC法的油膜介質老化程度研究

趙凱林，張晨萌2，侯世英，高晨璐，程 銘

(1.輸配電裝備系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電容器作為電力系統中關鍵的無功補償和濾波設備，其良好的運行狀態對于保證電網的穩定性具有重要意義[1-3]。然而近幾年，輸電系統中發生的故障事故大多數都來源于電容器的絕緣劣化[4]，而電容器絕緣性能下降的主要原因是由于頻繁的投切使其承受多次的操作過電壓。電力電容器內的絕緣材料為芐基甲苯和聚丙烯構成的復合介質(其中芐基甲苯作為絕緣油，聚丙烯作為有機膜)，電力電容器在承受多次操作過電壓下的失效過程也與這兩種材料密切相關。因此，通過對電容器施加多次的沖擊電壓來模擬其老化過程，從中找到判斷電容器老化程度的檢測方法與相關特征量顯得十分必要。

傳統的電力電容器老化狀態檢測方法主要包括油中溶解氣體、糠醛、平均聚合度、局部放電法等[5-6]，但前3種方法或多或少都存在取樣困難、不易檢測等問題，而局部放電法作為一種無損的絕緣檢測技術，不僅可通過放電量、放電次數等參數來反映介質的絕緣狀態，而且測試的靈敏度較高，在電力行業的應用十分廣泛。文獻[7]中研究了油膜介質中聚丙烯薄膜的絕緣狀態對局部放電情況的影響，隨著聚丙烯老化程度的加深，局部放電的嚴重程度明顯增加，且放電部位周圍介質的電導率也會發生變化。文獻[8]通過直流局部放電信號研究了脈沖電容器的老化規律，并設計了一套直流局部放電測試系統；該系統能夠濾除干擾脈沖從而提取出局部放電脈沖數，得到了不同老化階段的局部放電統計特性，解決了現場局部放電測試中的低靈敏度和干擾大的問題。

近年來，作為一種新興的老化程度檢測手段，極化去極化電流法(polarization-depolarization current，PDC)受到廣大學者的重視[9-11]。該方法基于介電響應理論，在外加電場的作用下，電介質中的偶極子受到力的作用發生轉向，該過程稱為極化現象，主要包括偶極子轉向極化、位移極化、分子界面極化等，產生一個極化電流；當撤去外電場時，偶極子不再受到力的作用，分子由于自身的弛豫性質會逐漸恢復到離散的狀態[12]，稱為去極化過程，產生一個去極化電流。PDC法具有非破壞性、測試速度快等優點，且當電介質材料出現老化后，其極化和去極化電流中包含了介質的絕緣狀態信息，利用測試得到的PDC曲線提取相應的指標從而可以有效地對油膜介質的老化程度進行判斷。文獻[13]研究了變壓器油紙絕緣極化/去極化電流法特征量，分別對油老化和紙老化提出了不同的特征量，并驗證了其可行性。文獻[14]采用極化去極化電流法來評估配電網中運行的交聯聚乙烯(XLPE)電纜的絕緣狀態，通過對比不同電纜的去極化電流曲線從而判斷其絕緣性能，實驗數據的擬合也達到了理想的效果。

因此，基于上述兩種方法，分別對不同次數沖擊電壓下的油膜介質進行實驗，以油膜介質交流局部放電下的起始放電電壓與PDC曲線去極化電流最大值作為老化程度的判斷依據，并結合電介質在沖擊電壓下其內部微觀變化對實驗現象進行了合理的解釋。

1 實驗基本原理

1.1 極化去極化電流法

當對待測的電介質施加一個電壓時，由于復合電介質可等效為電容，即可理解為外加電場E(t)作用在試品電容上，根據全電流公式，電介質材料內部的電流可表示為

i(t)=

(1)

把外加電壓替換成直流電壓，此時電介質處于極化狀態，即利用一恒定的直流源U(t)為試品電容充電。由于是直流電壓，式(1)中便不存在微分項，極化電流ip可表示為

(2)

式中：C0為試品電介質的等效電容；σ0、ε0分別為電介質的直流電導率與真空介電常數；f(t)為一衰減函數，用來表示電介質極化過程的響應能力，且衰減情況取決于電介質的材料以及外界因素。

當撤去該直流電源，即外電場的作用也相應地消失，進入去極化過程。電介質中的帶電粒子由于自身弛豫性質產生與極化電流相反的去極化電流id，則id可表示為

id(t)=-C0U[f(t+td)-f(t)]

(3)

式中，td為極化時間。

采用極化-去極化電流法所得出的曲線如圖1所示。

圖1 極化去極化電流曲線

從圖1曲線可以看出：不論電介質處于極化還是去極化狀態，電流總是呈現出衰減的趨勢，這種趨勢由電介質中分子的極化程度是否充分決定；并且當極化時間足夠長時，極化電流與去極化電流均會趨于一個穩態值，去極化電流會逐漸衰減到0而極化電流的穩態值并不為0。這是因為油和膜組成的復合電介質存在一定的電阻，當外加電場作用于該介質時，極化電流的來源不僅是電介質中偶極子的定向移動，還有外加電壓在等效電阻上產生的電導電流，所以其穩態值就是電導電流的大小；當移除了直流電壓源，偶極子不再受到力的作用而恢復到起始的無序狀態，這時沒有電導電流的影響，故其穩態值會衰減到0。

綜上所述，為了能夠得到復合介質更精確的絕緣狀態信息，完全反映電介質的絕緣情況，并排除電導電流的干擾，故將去極化電流作為對象來研究其與電介質老化程度的關系。

1.2 交流下局部放電試驗

高壓電力設備絕緣內部由于各種原因存在氣泡、雜質等，而這些正是發生局部放電的根本原因。對于油膜絕緣這樣的復合電介質，其內部存在的氣泡可以等效為一個平行板電容器中含有氣泡，相應的等值電路如圖2所示。

圖2 等值電路

由于每次發生局部放電的時間極短，且是高頻的脈沖信號，所以等值電路中不用考慮Ra、Rb、Rc這3個電阻的作用，即等值電路由其他介質的電容Ca、與氣泡串聯介質的電容Cb和氣泡的電容Cc三者組成[15]。

隨著交流電壓的增加，氣泡上的電壓隨著外加電壓的變化而變化。當氣泡兩端的電壓增加到其擊穿值時，氣泡發生放電并電離出正負離子，這些離子在外電場作用下移動形成反向電場使氣泡兩端的電壓降低，氣泡即停止放電。局部放電就是上述過程的重復。根據局部放電的特點，找到電介質中氣泡第一次被擊穿的電壓，即起始放電電壓，是關鍵的一步。在起始放電電壓下不僅能夠觀察到局部放電的特征信號，而且也不會對電介質造成很大的損傷，故可將其作為判斷電介質老化程度的一個判據。

2 實驗研究方案

2.1 老化平臺

采用如圖3所示的連續沖擊電壓發生器來對油膜介質施加不同次數的沖擊電壓，通過改變球隙之間的距離來確保沖擊電壓發生器能夠完全觸發。為了使沖擊電壓能夠連續施加，并且防止油膜介質在實驗過程中不慎被擊穿，該實驗將沖擊電壓的幅值設置為17 kV，且每60 s施加一次沖擊。

2.2 PDC測試平臺

根據如圖4所示的實驗原理圖對樣品及測量裝置進行接線。其中，真空高壓繼電器、限流電阻、皮安表都內置于PDC測量儀器中。被試樣品采用四層12 μm的聚丙烯薄膜，并將其完全浸沒于芐基甲苯的絕緣油中。測量時，為保證油膜介質的充分極化以及足夠的采樣點數從而計算出更為精確的數據，因此將極化電壓設置為1500 V，極化時間設為1800 s，采樣點數設為1200個。

圖3 沖擊電壓發生器實驗原理

圖4 PDC測試原理

2.3 交流局部放電測試平臺

利用如圖5所示的試驗平臺對不同老化程度的油膜樣品進行交流下的局部放電試驗。本實驗采用高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT)作為局部放電信號的檢測儀器。HFCT的優勢在于能對較寬頻帶的電流信號進行檢測，且檢測的穩定性好、精度較高。通過將HFCT安裝在試品電容一端與接地線之間的導線上，不僅保證了局部放電信號的完整采集，同時實驗的安全性也得到了保障。

圖5 局部放電測試原理

3 實驗結果分析

3.1 PDC結果分析

實驗過程中分別對樣品施加100、200、300、400次沖擊，通過對比不同老化程度下油膜介質PDC曲線，并對采樣結果進行分析，發現油膜介質的去極化電流最大值呈現出如圖6所示的變化規律。

當樣品無損時，其去極化電流最大值僅為1.69 nA。當對樣品施加100次沖擊后，其去極化電流最大值幾乎增加了1倍，變為3.30 nA。隨著沖擊電壓次數的增加，樣品的去極化電流最大值也是呈現出增加的趨勢，最終當對樣品施加400次沖擊時，去極化電流最大值達到了5.62 nA。結合油膜介質在多次沖擊電壓下的微觀變化，圖6中的遞增規律可以概括為：隨著樣品老化程度的加深，復合介質中的油和膜均發生了不同程度的損傷，聚丙烯薄膜內部的部分分子鏈發生斷裂生成新物質，部分絕緣油分子也會分解生成新的物質[16]，如帶電粒子等；帶電粒子數量的增加會使得在外電場作用下定向移動的粒子數量增加，當電場撤去的一瞬間，去極化電流的最大值也會增加，故去極化電流的最大值會隨著老化程度的增加而上升。

圖6 不同老化程度下去極化電流最大值變化情況

3.2 交流局部放電實驗結果分析

對不同沖擊次數下的油膜介質進行交流局部放電實驗來測量其起始放電電壓，結果如表1所示。

表1 不同沖擊次數下的油膜介質起始放電電壓

由表1可以看出，樣品無損時的起始放電電壓為8.4 kV，隨著沖擊電壓次數的增加，油膜介質交流局部放電下的起始放電電壓在逐漸下降。當施加400次沖擊時，油膜介質在6.3 kV的交流電壓下就會出現局部放電信號。這是因為沖擊電壓的反復施加使油膜介質的損傷加大，油和膜的分子結構都會發生變化，復合介質內部的氣泡和新生成的雜質物質都會增加；這將會使油膜介質在更低的電壓下出現放電現象，因此其起始放電電壓也會隨之降低。

4 結 語

為了模擬電容器在運行過程中承受的多次操作過電壓，對油膜介質樣品施加不同次數的沖擊電壓，并分別利用極化去極化電流(PDC)法與交流下的局部放電法對不同老化程度樣品進行實驗，進而分析其去極化電流最大值與起始放電電壓的變化趨勢，從而得出以下結論：

1)隨著油膜介質老化程度的加深，油膜介質在沖擊電壓的反復作用下生成了新的帶電粒子，去極化電流的最大值呈現出上升的趨勢；

2)沖擊電壓次數的增加導致油膜介質的絕緣狀態不斷下降，新增的氣泡與雜質使得油膜介質的在交流下的起始放電電壓降低。