溫度對絕緣清洗劑介電性能影響的研究

黃 帥，劉志華，葛偉康，曹志博，李 坤

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保亭供電局，海南保亭 572300）

引言

變壓器油與絕緣清洗劑大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)，這兩類絕緣介質(zhì)的使用及相關(guān)測量指標(biāo)都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]及研究，但已有研究中并沒有明確說明溫度及頻率對絕緣清洗劑tanδ的影響。絕緣清洗劑具有電阻率高、清洗效率高、帶電作業(yè)方便、安全可靠等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到廣泛使用，且適用于各種復(fù)雜工況，包括高溫、高頻、低頻環(huán)境，因此研究不同環(huán)境下清洗劑tanδ具有重要意義。

對帶電清洗劑的相關(guān)影響因素已有部分研究，文獻[2]研究了溫度在30 ℃～60 ℃范圍內(nèi)對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，文獻[3]研究了絕緣清洗劑對絕緣子工頻閃絡(luò)電壓的影響，文獻[4]研究了清洗劑去污機理，文獻[5]研究了不同配方的絕緣清洗劑清洗效果。

以上研究對清洗劑研發(fā)及選用具有重要意義，但是溫度及頻率對清洗劑的影響少有研究，因此本文研究了30 ℃～90 ℃范圍內(nèi)不同電壓對清洗劑介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，以及對不同溫度下的絕緣清洗劑做了頻域介電譜分析（FDS）。該清洗劑絕緣性能非常好，有可能作為一個中變壓器油的替代性液體，所以將所測量數(shù)據(jù)與變壓器油做了對比分析。

1 試驗系統(tǒng)與試驗方法

1.1 試驗及試驗設(shè)備

帶電清洗劑EL99-110 和EL99-220 由卓聰環(huán)保科技有限公司提供，分別用于110 kV和220 kV帶電清洗。該清洗劑耐高壓、無色無味、揮發(fā)快、不易燃，且該清洗劑電阻率、擊穿電壓、燃點、閃爍點均符合國標(biāo)GB/T 25098—2010《絕緣體帶電清洗劑使用導(dǎo)則》要求。變壓器油由中國石油化工股份有限公司生產(chǎn)，可分別用于110 kV 和220 kV 電壓等級，其各項指標(biāo)均符合GB/T 7595—2008《運行中變壓器油質(zhì)量》要求。

電壓對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響試驗采用保定市金源科技有限公司生產(chǎn)的JY6601 油介質(zhì)損耗測試系統(tǒng)，該試驗設(shè)備操作簡單、精度高、電腦自動控溫、自動升壓，升壓范圍為500 V～2000 V，溫度范圍在30 ℃～90 ℃，電壓頻率為50 Hz。

頻域范圍內(nèi)溫度對介質(zhì)損耗因素的影響試驗采用美國Megger 公司生產(chǎn)的Megger IDAX300 絕緣診斷分析儀構(gòu)成完整的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由PC、Megger IDAX300、油杯、恒溫風(fēng)箱組成。絕緣診斷分析儀接入工頻交流電，輸出電壓為140 V、頻率范圍為10-4Hz～103Hz的交流電壓。恒溫風(fēng)箱用于控制測量試驗溫度，試驗溫度范圍為30 ℃～90 ℃。

1.2 頻域介電譜原理簡介

頻域介電譜（FDS）用于檢測絕緣介質(zhì)的介電性能，F(xiàn)DS 反映電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的變化。本研究通過頻域介電譜分析得到不同溫度下分子在交變電場中運動導(dǎo)致的能量損耗，以及清洗劑與變壓器油的FDS 對比試驗，得到該清洗劑及變壓器油介電性能變化。

本研究所用FDS 試驗系統(tǒng)如圖1 所示，電極間的清洗劑和變壓器油為極性電介質(zhì)，電偶極子在交變電場中轉(zhuǎn)向極化過程會產(chǎn)生能量損耗，因此引入復(fù)介電常數(shù)ε與復(fù)電容C*來評價電偶極子極化時損耗的能量，若在平板電極加入交變電壓U，則流過的電流為：

圖1 頻域介電譜分析系統(tǒng)

式中：ω為交變電壓的角頻率；ε′為復(fù)介電常數(shù)實部；ε為介電常數(shù)虛部；ε為復(fù)介電常數(shù)；C0為電極間電容，其中ε可表示為與復(fù)電容C*對應(yīng)關(guān)系為：

式中：C′為復(fù)電容實部；C″為復(fù)電容虛部；s為電極面積；d為電極間距。復(fù)電容實部可以反應(yīng)硅橡膠溶脹后分子結(jié)構(gòu)變化程度，復(fù)電容C″虛部對應(yīng)電介質(zhì)極化損耗，C″越小則材料的介電性能越好。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度及電壓對tanδ的影響

為了研究電壓對tanδ的影響，測量得到30 ℃～90 ℃范圍內(nèi)不同電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)，圖2 分別為110 kV 和220 kV 絕緣清洗劑tanδ，圖3 分別為110 kV和220 kV變壓器油tanδ。

由圖2 可看出，220 kV 絕緣清洗劑在不同電壓和溫度下tanδ稍微低于110 kV 絕緣清洗劑，但溫度對兩種清洗劑的影響基本一致，并且溫度越高對絕緣介質(zhì)tanδ影響越大。兩種絕緣清洗劑在電壓500 V 溫度由30 ℃升高至90 ℃，tanδ分別升高了0.138和0.128，變壓器油分別升高了5.058 和4.226（見圖3）。由于220 kV 絕緣清洗劑自身成分導(dǎo)致其介電性能優(yōu)于110 kV 絕緣清洗劑，絕緣介質(zhì)在電極間tanδ主要取決于分子間的轉(zhuǎn)向極化，隨著溫度升高絕緣介質(zhì)內(nèi)偶極子數(shù)量逐漸增多，因此電極間偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向極化所損耗的能量也隨之增加。電壓對tanδ的影響非常小，主要原因是在500 V 電壓下偶極子就已經(jīng)能完成轉(zhuǎn)向極化，繼續(xù)增大電壓到2000 V對轉(zhuǎn)向極化率幾乎沒有影響。

圖3 變壓器油電壓-tanδ特性曲線

2.2 溫度對FDS的影響

試驗得到220 kV 絕緣清洗劑和220 kV 變壓器油頻域介電譜如圖4 所示。從圖4 可知，不同頻率和溫度下清洗劑tanδ均小于變壓器油，兩種絕緣介質(zhì)均表現(xiàn)為頻率增大tanδ減小，頻率在10-4Hz～10-2Hz 范圍內(nèi)tanδ大幅度下降，最大下降幅度達到2817，頻率超過10-2Hz 后tanδ下降幅度減小，最大下降幅度僅為134。溫度對tanδ的影響表現(xiàn)為溫度越高tanδ越大，頻率越低溫度對tanδ影響越大。

圖4 變壓器油與絕緣清洗劑頻率-tanδ特性曲線

絕緣介質(zhì)tanδ大小取決于分子轉(zhuǎn)向極化所損耗的能量，由于電偶極子建立需要一定時間，低頻時大部分電偶能跟上電場交變頻率；頻率增大導(dǎo)致電偶極子轉(zhuǎn)向極化速率跟不上外加電場交變速率，因此電偶極子轉(zhuǎn)向極化率降低導(dǎo)致轉(zhuǎn)向極化消耗能量減少，同時tanδ減低。溫度升高絕緣介質(zhì)內(nèi)電偶極子數(shù)量大幅增加，低頻率交變電場中的電偶極子隨著電場發(fā)生轉(zhuǎn)向極化，導(dǎo)致能量損耗大幅增加，高頻率交變電場中電偶極子轉(zhuǎn)向速率依然跟不上電場交變頻率，因此溫度對高頻率電場下的tanδ影響非常小。

3 結(jié)論

通過溫度、電壓和頻率對絕緣清洗劑tanδ影響的研究，發(fā)現(xiàn)這種絕緣清洗劑介電性能優(yōu)于變壓器油，但是否能作為變壓器油有待深入研究。電壓變化對這種絕緣清洗劑tanδ幾乎沒有影響，電壓頻率低于10-2Hz 時，溫度對tanδ影響非常大，頻率對絕緣清洗劑tanδ影響也非常大，因此該清洗劑不適用于溫度較高和頻率非常低設(shè)備的清洗。