時變溫度下牽引變壓器油紙絕緣介電響應研究

周利軍，陳雪驕，王東陽，劉偉迪，李會澤

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

牽引變壓器是牽引供電系統中的核心設備[1-4]，絕緣性能的好壞是決定牽引變壓器能否安全運行的主要因素之一，因此需要對牽引變壓器進行有效的絕緣性能診斷。

針對牽引變壓器絕緣狀態的檢驗，主要是利用“天窗”時間進行定期的離線檢修與預防性絕緣試驗，牽引變壓器檢修規程的制定基本上都是參照電力部門對變壓器的管理措施，除此之外還可以通過在線監測系統對牽引變壓器的運行狀態進行監測，離線檢修時主要進行絕緣電阻、工頻介損等電氣參數的測試[5-7]，而絕緣電阻、工頻介損等電氣參數包含的信息量少，只能對變壓器的絕緣狀態進行整體上的評判，不能具體評估變壓器的老化狀態，特別是上述參數對絕緣中水分含量的變化敏感性較差，當檢測值發生明顯變化時絕緣往往已經嚴重受潮。近年來，頻域介電響應法由于具有測量頻帶窄、受噪聲干擾程度小、所需實驗電源電壓低、攜帶信息豐富等優點，受到相關學者與機構的廣泛關注與研究[8-9]。變壓器絕緣的介電參數隨老化或受潮而發生明顯變化[10-12]，頻域介電響應法正是以此為基礎，現場進行變壓器頻域介電響應測試時，油紙絕緣系統的溫度受氣溫變化、初始油溫、停運時間等多個因素的影響，測試結果受溫度的影響較為明顯[13-17]。對普通電力變壓器進行測試時，先將其離線處理，待其溫度與外界環境溫度平衡后再進行測試，以降低溫度影響，而離線時間與變壓器容量相關，一般至少10 h。然而，牽引變壓器的“天窗”有效時間只有2 h左右，因此牽引變壓器無法在規定的時間內達到平衡，致使對牽引變壓器進行頻域介電響應測試時，絕緣始終處于動態、時變溫度狀態下，而時變溫度下牽引變壓器油紙絕緣頻域介電響應特性尚無明確的研究，因此為了提高牽引變壓器油紙絕緣狀態診斷的準確性，急需研究時變溫度下變壓器油紙絕緣頻域介電響應特性。

針對上述實際工程中存在的問題，本文搭建時變溫度下油紙絕緣頻域介電響應測試系統，進行試驗變壓器、油隙(絕緣油)以及油浸紙試樣的頻域介電響應測試，得到時變溫度對油紙絕緣頻域介電響應測量結果的影響特征，結合不同溫度下油紙絕緣的離子遷移率與直流電導率的測試結果，討論分析并得到了時變溫度對牽引變壓器油紙絕緣頻域介電響應測試影響的主要原因，為時變溫度下的測試結果校正提供了研究基礎。

1 實驗

牽引變壓器內絕緣由油隙和油浸紙(板)構成，因此為了能夠更加明確的研究時變溫度下牽引變壓器油紙絕緣系統的頻域介電響應特性，分別對試驗變壓器、油隙以及油浸紙進行了實驗。同時，由于牽引變壓器油紙絕緣中的載流子主要為雜質分子電離形成，為了更好研究溫度對牽引變壓器油紙絕緣影響的原因，測試了不同溫度下油隙和油浸紙的離子遷移率與直流電導率。

1.1 試驗變壓器測試

如圖1所示，試驗變壓器測試起始溫度為70 ℃，通過內置溫度傳感器記錄試驗變壓器內部溫度變化，當試驗變壓器內部溫度達到70 ℃時停止加熱，通過控制不同的室內溫度來模擬實際中的降溫速度，通過溫度傳感器記錄試驗變壓器油紙絕緣的溫度變化情況，如圖2所示。試驗變壓器在不同環境溫度下的溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz頻率范圍內對試驗變壓器進行頻域介電響應測試，測試電壓為100 V。

圖1 時變溫度下實驗變壓器測試

圖2 實驗變壓器溫度變化情況

1.2 油紙絕緣實驗系統

圖3為時變溫度下油紙絕緣頻域介電響應測試圖。聚酯薄膜環外徑為40 mm，內徑為12 mm，厚度為0.3 mm，能夠在電壓電極與測量電極之間構成0.3 mm的油隙。用于測量的測量電極和電壓電極均為光滑平整的電極板，以此產生空間均勻電場。

圖3 實驗系統

1.3 實驗樣品預處理

實驗所用樣品均未老化，其中絕緣油為25號克拉瑪依變壓器礦物絕緣油，絕緣紙為厚度為0.3 mm的普通牛皮絕緣紙。實驗前將絕緣紙剪成半徑為45 mm的圓形紙板，將圓形紙板放入真空干燥箱中，在90 ℃下干燥48 h，將干燥后的圓形紙板通過卡式滴定法測得水分含量約為0.5%。將絕緣油真空脫氣，在40 ℃下干燥至水分含量為11×10-6(油中水分測試參照GB/T 7600—2014[18]，電氣性能滿足IEC 60296—2003[19]和ASTM D3487—2000[20])。制作油浸紙試樣時，將經過預處理后的絕緣紙和絕緣油置入干燥的燒杯中，在40 ℃/50 Pa的環境下浸油24 h，使絕緣紙浸油充分。

1.4 時變溫度下油隙的頻域介電譜測試

絕緣油測試的起始溫度為50 ℃，利用溫箱將溫度升高到50 ℃，測試前將整個實驗系統在溫度箱中靜置24 h。進行頻域介電響應測試時，通過改變實驗系統的散熱條件獲得不同的溫度變化情況。通過內置于實驗系統中的溫度傳感器記錄測試時的溫度變化情況，如圖4所示。3種溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz頻率范圍內對油隙進行頻域介電響應測試，為模擬實際場強，測試所加電壓為10 V。

圖4 絕緣油溫度變化情況

1.5 時變溫度下油浸紙的頻域介電譜測試

油浸紙測試的起始溫度為60 ℃，利用溫箱將溫度升高至60 ℃，測試前將整個實驗系統在溫度箱中靜置24 h。進行頻域介電響應測試時，通過改變實驗系統的散熱條件獲得不同的溫度變化情況。通過內置于實驗系統中的溫度傳感器記錄測試時的溫度變化情況，如圖5所示。3種溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300測試油浸紙在10-3～103Hz頻率范圍內的頻域介電響應，測試所加電壓同樣為10 V。

圖5 油浸紙溫度變化情況

1.6 時變溫度下的電流測試

如圖6所示，對時變溫度下流過試樣的電流進行測試，測試的起始溫度為50 ℃，利用數字信號發生器對試樣施加幅值為10 V、頻率為10-3Hz的正弦電壓，利用HB-321微電流測試儀測試3種不同溫度變化情況下流過試樣的電流。

圖6 微電流測試圖

1.7 油紙絕緣離子遷移率的測試

根據文獻[21]中測試方法，分別測試30、50、75 ℃下絕緣油和油浸紙的離子遷移率。利用溫箱控制測試時的溫度，根據圖6連接測試回路，利用數字信號發生器在油紙絕緣試樣兩端施加一個幅值為10 V的階躍電壓Uc，持續一段時間t=tc后反轉電壓極性，由于電流達到準穩態的時間至少需要400 s[21]，因此本文取tc=1 200 s。利用HB-321微電流測試儀測量極性反轉后回路電路中的電流，記錄極性反轉后瞬時電流出現峰值的時間tTOF(即離子遷移時間)，圖7為極性反轉測試過程中的電流變化示意圖，可計算出離子遷移率[22]為

( 1 )

式中：d為電壓電極與測量電極之間的距離，m；Uc為施加的階躍電壓值，V；tTOF為遷移時間，s。

圖7 極性反轉測試過程中的電流變化示意圖

1.8 油紙絕緣直流電導率的測試

根據IEC 60247:2004標準[23]，可計算出絕緣油和油浸紙的電導率為

( 2 )

式中：i(t)為t時刻的電流值，A；S為測試電極的面積，m2。

由圖7可知，不同時刻下的電流值求出的直流電導率是不同的，根據IEC 60247:2004標準，t=1 s時的電流值計算出的直流電導率為初始電導率。因此本文分別根據30、50、75 ℃下t=1 s時的電流值計算得到3種溫度情況下絕緣油和油浸紙的初始電導率。

2 實驗結果

2.1 試驗變壓器頻域介電響應測試結果

圖8為時變溫度下試驗變壓器頻域介電響應測試所得的復電容。圖8表明，測試頻率為高頻時，測試結果不受溫度的影響，當測試頻率下降到中頻段時，測試結果開始發生畸變，當測試頻段變為低頻段時，不同溫度變化率下的測試結果的區分度更加明顯，同時溫度變化率越大，測試結果發生畸變的頻率向高頻方向移動，同時測試結果的畸變程度也更加明顯。

圖8 試驗變壓器復電容

2.2 絕緣油頻域介電響應測試結果

圖9為絕緣油頻域介電響應測試所得的復電容。圖9表明，測試頻率為高頻時，測試結果不受溫度的影響，與起始溫度下的測試結果一致，當測試頻率下降到中頻段時，測試結果開始減小，且測試頻率越低，各測試曲線的區分度愈加明顯。同時溫度變化率越大，測試結果出現畸變的頻率向高頻方向平移且畸變的程度越明顯。

圖9 絕緣油復電容

2.3 油浸紙頻域介電響應測試結果

圖10為油浸紙頻域介電響應測試所得的復電容。由圖10可以看出，測試頻率為高頻時，測試結果不受溫度的影響，與起始溫度下的測試結果一致，測試頻率下降到中頻段時，測試結果開始減小，且測試頻率越低，各測試曲線的區分度愈加明顯。同時溫度變化率越大，測試結果出現畸變的頻率向高頻方向平移且畸變的程度越明顯。

2.4 時變溫度下電流測試結果

圖11所示為時變溫度下電流測試結果。由圖11可知，在剛開始測試的150 s內，不同溫度變化率下的電流沒有發生變化，150 s后電流測試結果開始發生變化，500 s后3種不同溫度變化情況下的電流已經出現明顯變化。隨著測試時間的增加，電流幅值逐漸減小，電流相位逐漸增大，且溫度變化率越大，電流幅值減小程度和電流相位增大程度越明顯。

圖11 不同溫度下的電流

2.5 油紙絕緣離子遷移率測試結果

表1為不同溫度下絕緣油中離子遷移率的測試結果，表2為不同溫度下油浸紙中離子遷移率的測試結果。

表1 絕緣油的離子遷移率

表2 油浸紙的離子遷移率

2.6 油紙絕緣直流電導率測試結果

表3為不同溫度下絕緣油初始直流電導率的測試結果，表4為不同溫度下油浸紙初始直流電導率的測試結果。

表3 絕緣油的直流電導率

表4 油浸紙的直流電導率

3 分析討論

3.1 時變溫度的影響特征

溫度對頻域介電響應測試結果影響明顯，當溫度變化2 ℃以上時，測試結果將發生畸變。因此3種溫度變化率下，溫度變化達到2 ℃所需的時間分別為5、3.3、2.5 min。進行頻域介電響應測試時，IDAX300是從高頻向低頻進行測試，表5為IDAX300在高、中、低頻段所需的測試時間。對比溫度變化2 ℃時的時間和各頻段的測試時間可知，在高頻部分的測試，溫度變化量小于2 ℃，頻域介電響應測試結果不發生畸變，進行中頻部分的測試時，測試時間增加，溫度變化量大于2 ℃，測試結果發生畸變，低頻部分的測試，溫度變化進一步加大，測試結果畸變更加明顯。對比3種溫度變化情況下的測試結果可知，溫度變化率越大，在相同的測試時間里，溫度變化量越大，因此測試結果畸變越明顯。

表5 不同頻段所需測試時間

頻域介電響應法實質是通過對電介質施加不同頻率的電壓U*，測試流過電介質的電流I*，然后根據式( 3 )計算出不同頻率下電介質的復電容C*，從而構成電介質整個頻段的介電譜曲線。如圖11所示，不同溫度變化情況下的電流隨溫度下降而有明顯的變化，在剛開始測試的150 s內不同溫度變化情況下的電流測試結果與起始溫度下的電流測試結果一致，因此高頻部分下的頻域介電響應測試結果不發生畸變，當t=150 s時，電流開始發生變化，引起頻域介電響應測試結果發生畸變，500 s后電流測試結果明顯變化，故低頻部分的頻域介電響應測試結果畸變明顯，同時溫度變化率越大，電流幅值減小程度越明顯，頻域介電響應測試結果畸變越明顯。因此可以認為，溫度變化引起頻域介電響應測試結果發生畸變的主要原因是由于溫度變化引起流過電介質內部的電流發生了畸變。

( 3 )

3.2 時變溫度下電流畸變原因分析

對表1和表2不同溫度下的離子遷移率的測試結果進行分析，得出絕緣油與油浸紙的離子遷移率和溫度的關系為

( 4 )

( 5 )

式中：θ為攝氏溫度，℃。

由式( 4 )和式( 5 )可以看出，隨著溫度的升高，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率成指數增加。這是由于溫度升高增加了絕緣油和油浸紙中離子的動能，使得離子遷移率增大。反之溫度下降，離子動能減小，離子遷移率減小。

油紙絕緣中的載流子主要由油紙絕緣中的少量水分等雜質分子電離而成，若以AB代表油紙絕緣中的雜質分子，其電離過程如式( 6 )所示，雜質分子AB由于熱振動離解成正、負離子A+、B-，同時正、負離子A+、B-通過碰撞又復合產生AB分子。

( 6 )

根據實驗測得絕緣油和油浸紙的離子遷移率和初始直流電導率，由式( 7 )計算出絕緣油和油浸紙中的離子濃度，分別見表6和表7。

( 7 )

表6 絕緣油的離子濃度

表7 油浸紙的離子濃度

對絕緣油和油浸紙的離子濃度分析可得離子濃度與溫度的關系滿足

( 8 )

( 9 )

由式( 8 )和式( 9 )可知，絕緣油和油浸紙中的離子濃度和測試溫度之間成指數關系。這是由于雜質分子AB離解成正、負離子需要克服勢壘ua，溫度升高導致分子間的熱振動能增大，使得能克服勢壘發生離解的雜質分子數增加，油紙絕緣中的離子濃度增大。反之溫度下降，分子間的熱振動能減小，能克服勢壘發生離解的雜質分子數減小，離子濃度降低。

進行頻域介電響應測試時，流過油紙絕緣的電流實質是由油紙絕緣內部載流子定向移動形成的。施加外電場后，由正、負離子定向移動形成的電流密度為

(10)

式中：n+、n-分別為正、負離子的濃度；μ+、μ-分別為正、負離子的遷移率，m2/(Vs)；q為單位電荷；E為電極間的電場強度，V/m。

考慮熱擴散作用，式(10)可以寫為

(11)

式中：D+、D-為分別為正、負離子的擴散系數。為方便分析，令D+=D-=D。根據Fick定律可知

(12)

極板上的束縛電荷密度為

(13)

式中：ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數。

因此，流過電極的電流為

(14)

式中：S為測試電極的面積，m2。

式(14)表明，油紙絕緣頻域介電響應測試時的電流主要由油紙絕緣中的離子濃度、離子遷移率以及離子擴散系數決定。時變溫度下絕緣油和油浸紙的頻域介電響應測試，隨測試溫度下降，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度均為指數式下降，同時絕緣油和油浸紙中的離子擴散系數與離子濃度有關，因此溫度下降離子擴散系數減小，且測試溫度下降，使得離子的動能減小，離子擴散程度減弱，導致離子擴散系數減小。因此當測試溫度發生變化時(Δθ=2 ℃)，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度都將發生明顯的減小，由式(11)絕緣油和油浸紙中的電流密度減小且極板上的束縛電荷密度減小，從而使得流過電極的電流減小。因此，可以認為溫度降低引起電流畸變的主要原因是因為溫度降低使得絕緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度減小，從而造成極板上的束縛電荷密度減小。

4 結論

本文通過對油隙和油浸紙進行時變溫度下的介電譜測試以及不同溫度下的離子遷移率和直流電導率測試，得出如下結論：

(1)時變溫度下的油紙絕緣頻域介電譜測試，當溫度變化大于2 ℃時，測試結果將發生畸變，且溫度變化越大，測試結果畸變越明顯，同時溫度變化率越大，在相同的測試時間里測試結果畸變越明顯。

(2)時變溫度下油紙絕緣頻域介電譜測試，在中低頻段的測試中溫度不斷降低，油紙絕緣中的離子遷移率和離子濃度下降，導致流過油紙絕緣中的電流發生畸變，從而使得中低頻段的測試結果發生畸變。

根據本文的研究，可通過修正溫度變化對油紙絕緣的直流電導率、離子濃度和離子遷移率的影響對畸變的測試結果進行修正，但其具體的修正方法需要進一步研究。