水分对电力变压器油纸绝缘的影响研究



水分对电力变压器油纸绝缘的影响研究

0引言

电力变压器是电能传输和配送过程中能量转换的核心，是整个电网安全运行的核心设备之一。在电力变压器长期运行过程中，水分是其绝缘性能的重要影响因素，对变压器的电气寿命和机械寿命均会产生巨大影响[1]。研究水分对变压器内绝缘系统的影响，对评估变压器绝缘状态和经济寿命有重要意义。

以介电响应理论为基础的回复电压法(recovery voltage method，RVM )、极化去极化电流法(polarization and depolarization current，PDC)和频域介电谱法(frequency domain spectroscopy，FDS)，具有无损携带信息丰富、测量准确等优点[2]。国内外学者采用模型仿真和实验相结合的手段，大量研究了温度、酸和老化等因素对变压器绝缘状态的影响[3-5]，推动了介电响应方法在电力变压器绝缘状态监测方面的应用。

本文在实验室条件下，以PDC法为基础，制备不同水分含量的油纸绝缘样品，并进行PDC测试，分析评估样品的绝缘状况；以极化电导率为中间量，将PDC测量结果转换为复介电常数，并在频域中诊断样品的绝缘状况；推导水分含量公式，并开展实验，以验证其正确性。

1极化去极化电流(PDC)法

PDC法是一种基于介质响应理论的电气测量方法，主要用来分析介质的缓慢极化过程和变压器固体绝缘老化状态[6]。PDC法的测量原理如图1所示。

图1　PDC法的测量原理图

在0～tp时间内，闭合S1,断开S2,在样品两端加上一个直流电压Uc,样品开始极化。其极化电流为Ip,这个电流是由不同绝缘材料引起的不同时间常数的极化过程以及直流电导共同形成的[7]。

(1)

(2)

式中：Cm为几何电容；εr为相对介电常数;ε0为真空介电常数,其取值为8.85 pF/m；σD为直流电导率;f(t)为介电响应函数,是试品的固有属性，与试品的老化有直接关系；Z(t)为随充电时间变化的油纸绝缘阻抗，与油纸绝缘厚度L和截面积S有关。

在tp～td时间内断开S1,闭合S2,短接高压端和低压端进行放电,此时的电流即为去极化电流Idp。

(3)

为准确测量，充放电时间一般设置得较长。通过判断极化电流和去极化电流的初始值大小、后续时刻的电流值大小和电流曲线整体变化趋势，来判断绝缘油和绝缘纸板的绝缘老化状态，进而判断变压器的老化程度[8]。

2实验步骤及模型

2.1实验步骤

本次实验采用的绝缘纸为厚度0.20 mm的普通新牛皮纸，绝缘油为25#克拉玛依产新变压器油。具体实验步骤如下。

① 将牛皮绝缘纸剪成直径为90 mm 的圆形纸片，共25片，分为5份，每份5片。将绝缘纸样品放入烘干箱中进行干燥，干燥时间设定为10 h，温度设定为70 ℃。

② 将新油样品平均分为25份，放入事先经过干燥处理且贴有号码1～25的磨口玻璃瓶中，分为5份，每份5瓶；将油样分别放在温度设定为70 ℃的烘干箱中进行干燥，干燥时间设定为10 h。

③ 用干燥棉签将电子秤托盘表面擦拭干净，并进行调零。在每次测量之后对对其进行擦拭，以减小测量误差。

④ 分别用镊子将经过干燥处理的纸样品和油样品放在电子秤上称重，并将实验室门窗关闭。测量结束之后，记录样品质量。

⑤ 将纸样品和带有玻璃瓶的油样品分别放在温度设定为30℃的恒湿箱中吸收水分，每份样品吸水时间相同，不同份样品的吸水时间不同。然后对样品进行称重，即得到不同含水量的油纸样品，记录吸水后样品的质量。结合两次测量结果，得到不同含水量的样品。

⑥ 用镊子将测量结束的纸样分别放入测量装置中，向测量装置中倒入经过干燥处理的绝缘油后密封装置，并在室温下放置 12 h，保证水分在油纸系统之间达到平衡；将油样分别放入事先放置有干燥牛皮纸的测试装置后密封装置，并在室温下放置12 h。

⑦ 连接仪器和测量装置，分别对样品进行测量，记录测量结果，并绘制相应曲线。

2.2测试系统模型

实验所采用的测量仪器是由OMICRON公司生产的介质响应分析仪DIRANA，它可以实现3种方式的测量：PDC、FDS和FDS-PDC。该仪器测量电压为200 V，PDC法测量电流范围为20 mA，分辨率为0.1 pA，准确度为0.5%±1 pA。

实验所设计的测试系统模型如图2所示。

图2　测试系统模型

该模型是一个长方体金属容器，容器中有两个直径分别为90 mm的圆形平行铜电极，用来夹持绝缘纸样品。容器内充入经过处理的绝缘油，将样品放入测量装置后，通过两边的两个旋转螺母来调整压紧杆，进而固定容器盖。

3结果及分析

3.1纸样品PDC测试结果及分析

油纸样品经过先后两次称重、计算，得到不同水分含量的样品，油和纸样品的水分含量近似为：0%、0.1%、1.9%、2.7%和3.8%。对不同水分含量绝缘纸和新变压器油组成的每份中的5组样品均进行测试，取5个测量结果的平均值作为最终结果，以减小误差，并绘制曲线，结果如图3所示。

图3　纸样品极化电流和去极化电流示意图

实验时，DIRANA测量电压取200 V，极化时间设定为3 600 s，去极化时间为4 800 s。

极化电流和去极化电流均随水分含量升高而幅值增大，且电流值随时间的延长而减小；不同的是极化电流在极化时间2 000 s之后速度减慢，曲线变得平缓，并一直保持下去，末端值随水分的不同而不同；水分含量较低时，曲线之间的差异较小；去极化电流在时间0～2 000 s之间急剧下降，2 000 s之后变化开始变缓，且几条曲线末端几乎重合，并维持在一个较小值。

水分作为一种强极性分子在油纸绝缘系统中大部分会被绝缘纸吸收[9]，而水分在绝缘纸中会促使纤维素等高分子化合物裂解成为小分子。样品在两端施加电压初期，介质内部的水分子、带电粒子等在电场作用下迅速聚集，介质内部极化过程加剧，电导率上升，极化电流初始值变大。随极化时间的延长，介质内部极化过程趋于结束，在直流电阻的作用下，极化电流Ip达到相对稳定值。在去极化过程中，短接样品的高压端和低压端进行放电，去极化电流Idp在很短的时间内迅速减低，然后缓慢趋于一个较小值，并保持稳定。Idp的初始值随着水分的增加逐渐变大，这是因为水分增加促使介质内部的带点粒子数量增多，电容增大，电荷释放时间变长，释放速率变大。随去极化时间的增长，去极化过程接近结束，带电粒子释放电荷数目变少，导致去极化电流曲线末端值几乎重合。由曲线的变化趋势和末端值变化可知，水分的增加促使绝缘纸样品的电导率上升、绝缘能力下降，使老化速度加快。

3.2油样品PDC测试结果及分析

为测试变压器油的影响，对每份油样品和新绝缘纸组成油纸绝缘系统进行测量。对每份中的5组样品均进行测试，取5个测量结果的平均值作为最终的测量结果，绘制如图4所示的PDC测量曲线。

图4　油样品的极化电流和去极化电流示意图

由图4可以看出，不同水分含量油样品对PDC结果的影响和纸样品的类似。不同的是在水分含量为0%时，Ip幅值较大，且各个曲线之间的变化趋势类似；Idp幅值则较小，且末端重合时间晚于纸样品。

水分含量的增加，促使带电粒子释放速度加快，电荷迁移变快，导致曲线初期下降较快而随后变得缓慢，极化曲线也随着水分含量的增加逐渐提升。极化初期，电荷的注入速率很快，而后缓慢[10]。油样品吸收水分后，电导率上升，但增幅小于纸样品。随着时间的延长，电导率变小，导致电导电流幅值相应变小，使Ip相对稳定。在去极化过程开始时，电压被去掉， 电极与油纸间以及油纸介质内部的快速运动电荷迅速中和。Idp在较短时间内迅速减低，然后慢慢趋于平稳。由曲线的初始值和变化趋势可以判断，水分的增加促使样品的绝缘能力下降，加深老化程度。

3.3频域结果及分析

由式(2)和式(3)可知，Ip和Idp均可用极化电导率σ(t)表示。

(4)

结合式(1)和式(2)可知：

(5)

对油纸组成的绝缘系统来说,时域响应函数f(t)可表示为：

(6)

m>1。

因此可得：

(7)

式中：A=ε0a。

(8)

结合上述公式，对公式进行拟合，可将极化电流Ip和去极化电流Idp换算为极化电导率值，并绘制出不同水分影响下的油纸绝缘极化电导率曲线，如图5所示。

极化电导率随水分含量的增加幅值逐渐上升，并随时间的加大逐渐减小。这是因为水分含量增加，促使油纸绝缘介质内部正负电荷的注入和迁移速度加快，传导电流增大；一些亲水性离子或基团，和水分子结合形成带电离子，更加容易离开平衡位置，增强离子极化；水分子自身在电场作用下也可形成诱导偶极矩，增强了系统的界面极化，进而增大极化电导率[11]。随着极化和去极化过程的进行，离子极化速度变慢，带电粒子释放电荷数目较少，致使极化电导率变小。

图5　不同水分含量油纸绝缘的极化电导率示意图

复极化系数χ(ω)可表示为：

(9)

由式(6)可知：

(10)

则复介电常数为：

ε(ω)=1+χ(ω)

(11)

(12)

结合式(8)和式(12)，并将Ip和Idp的值代入式中，可计算出不同水分含量下油纸绝缘的复介电常数，以频率的对数为横坐标绘制曲线,如图6所示。

图6中，复介电常数实部、虚部均随频率的增加而变小，且幅值随水分含量的增加而加大；实部在频率对数为0之后变化缓慢，并最终重合，虚部则在频率对数为1之后变化缓慢，并一直保持稳定值。在频率对数大于0后，随着水分含量的增加而变化不大，特别是在3以后基本保持不变。

随水分含量的增加，油纸内部大分子链发生裂解的速度逐渐加大，生成的小分子链个数增加，导致电介质中的带电离子数量增加，电导率变大，电导损耗也随之增加;同时，大分子链中非极性键的增加消弱了分子的极化能力，促使小分子链中极性键变多，松弛损耗随之加大，损耗大小也随之增大。在低频区，水分的增加使离子的极化强度加大，介质束缚电荷的能力增强，而在高频区，极化速度不能跟上电场的变化速度，极化变慢，松弛损耗相继减小。这就是实部和虚部在低频区随水分含量的增加均有所增加，而在高频区则有所减小的原因[12]。

图6　不同水分含量油纸绝缘的复介电常数

结合上述分析可知，水分的增加，介质内部大分子裂解加快，聚合度下降，促使电导率增加，复介电常数的实部和虚部均随之增加。通过复介电常数实部和虚部的变化，说明水分能加剧老化，降低绝缘能力[13]，也进一步证明了试验中由PDC测试结果对油纸样品绝缘能力判断的正确性。

4水分与直流电导率的函数关系

随着水分含量增加，直流电导率相应增大，两者具有很好的对应关系，可通过直流电导率来估算变压器油纸绝缘系统的含水量。应用最小二乘法对直流电导率与水分含量公式进行拟合，可得直流电导率与水分含量m的关系如式(13)所示。

σD=Cedm+E

(13)

式中：m为水分含量；d、C、E为常数，值分别为1.245、0.103和0.214。

结合温度对直流电导率的影响：

(14)

式中：Ea为分子活化能，J；C为常数，4.916×108；T为绝对温度，K；k为玻尔兹曼常数，1.381×1023J/K。

将式(14)代入到式(13)中，可得：

(0.103 e1.245m+0.214)+f

(15)

式中：f为常数。

对温度和直流电导率用最小二乘法进行拟合，可得到：

(16)

将式(16)代入式(15)中，并对得到的直流电导率公式进行转化，可得水分含量与温度和直流电导率的表示公式：

m=0.692 7ln[P+Q]

(17)

通过测量油纸绝缘的直流电导率，进而代入公式中，即可求出其水分含量，为电力变压器油纸绝缘水分含量的测量提供了新思路。

为了验证公式推导的正确性，在实验室中使用相同方法制备了油纸样品各25份，各分为5份，水分含量仍然是0%、0.1%、1.9%、2.7%和3.8%，进行电导率测量。测量仪器采用的是由贝尔公司生产的电导率仪BECSCAN10H，该仪器测量范围为0.1～19.99 mS/cm，测量精度为1%F·S，校准点为1点，能圆满完成本次测量任务。将经过测量得到的油纸绝缘系统的极化电导率曲线和图5进行比较，对比的结果如图7所示。

由于曲线较多，不便于观察，在此仅列出水分含量为3.8%和1.9%两组测量结果进行对比。图7中，不同水分含量的极化电导率曲线和原曲线在初始值、末端值、幅值和变化趋势方面均能很好地重合，每条曲线的测量值和实验值的相似度均达到98%以上。通过对比，充分说明了上述公式推导的正确性，为变压器油纸绝缘含水量的测量提供了新的方法。

图7　极化电导率的试验和仪器测量结果对比图

5结束语

在实验室条件下制备样品，以PDC法为基础搭建模型测试，在时域和频域中分别对样品绝缘状况进行判断，推导出水分测量公式并进行验证，得到如下结论：

①研究PDC测试曲线的初始值和末端值以及曲线变化趋势，能很好地判断油纸的绝缘状态；

②将极化电流和去极化电流通过极化电导率转换为复介电常数，并在频域分析油纸绝缘状况，验证了绝缘状况在时域分析结果的正确性；

③通过开展直流电导率测量试验，验证了水分测量公式推导的正确性，并为水分测量提供了新方法，推广了PDC法在油纸绝缘状况方面的应用。

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Study on the Influence of Moisture on Oilpaper Insulation of Power Transformer

赵建利1张鹏1侯英洒2李洁2

(内蒙古电力科学研究院1，内蒙古 呼和浩特010000;内蒙古科技大学信息工程学院2,内蒙古 包头014000)

摘要：为研究水分对电力变压器油纸绝缘系统的影响情况，在实验室中分别制备了绝缘纸和绝缘油样品进行极化去极化电流(PDC)测试，在时域分析样品绝缘状况；通过极化电导率将测试结果转换为复介电常数，在频域分析样品绝缘状况。以直流电导率为中间量进行推导，得出水分的测量公式，并进行实验验证。结果表明，PDC实验结果通过转化能在时域和频域反映样品的绝缘状况，并可以相互验证。通过开展直流电导率测试试验，进一步验证水分推导公式的正确性，为水分测量提供新思路。

关键词：电力变压器绝缘去极化电流水分电导率数据分析时域频域

Abstract：In order to research the influence of moisture on oilpaper insulation system of power transformer,the samples of insulation paper and insulation oil are prepared in the laboratory to carry out the polarization current and depolarization current(PDC) tests,and the insulation condition of samples is analyzed in the time domain. The test results are conversed into complex permittivity constant by polarization conductivity,to analysis the insulation condition in the frequency domain. Taking the DC conductivity as the intermediate quantity,the measurement formula of moisture is derived and the experimental verification is conducted. The result shows that by converting,the PDC experimental results can reflect the insulation condition of samples in time domain and frequency domain,and can be verified by each other. The correctness of the moisture derived formula can be verified in further by develop the test of DC conductivity.

Keywords:Power transformerInsulationPolarization and depolarization current(PDC)MoistureConductivityData analysisTime domainFrequency domain

中图分类号：TH86;TP202

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604007

修改稿收到日期：2015-08-19。

第一作者赵建利(1964-)，男，1990年毕业于北京科技大学电气工程专业，获硕士学位，副教授；主要从事电力系统方向的研究。