基于松弛电流变压器油纸绝缘状态诊断方法研究

曾恕程， 吴建东， 尹毅， 俞燕乐， 邱毓敏

(1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电气工程系，上海 200240； 2.国家电网上海市电力公司，上海 200063)



基于松弛电流变压器油纸绝缘状态诊断方法研究

曾恕程1， 吴建东1， 尹毅1， 俞燕乐2， 邱毓敏2

(1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电气工程系，上海 200240； 2.国家电网上海市电力公司，上海 200063)

对油纸绝缘样品施加10 kV/mm场强进行电老化试验，并采用松弛电流法研究了油纸绝缘的老化评估方法。利用色谱法测试不同老化程度油样中的溶解气体，发现老化前后气体含量变化显著，说明经电老化的试样老化明显。分别选取6个老化时间点的样品进行松弛电流测试，从不同角度分析不同参量所表征的老化信息。利用I*t～log10t曲线分析了油纸试样的陷阱分布，发现试样老化初期陷阱密度逐渐增加，试样老化后期陷阱深度明显加深。运用四阶Debye模型对电流曲线进行拟合，推断了油纸绝缘四种松弛机制的物理机理，发现各松弛机制随着老化时间的增加有不同程度的增大。最后研究了去极化电量随老化时间的变化趋势，试图用直观参数分析试样在不同时间点的老化程度，发现在60 h后开始大幅度加深。

变压器油纸绝缘；松弛电流法；状态诊断；陷阱密度；去极化电量；四阶Debye模型

0 引 言

油纸绝缘作为油浸式电力变压器的主要绝缘部件，在电力系统的可靠运行中扮演重要的角色，然而油纸绝缘系统在电、热和其他化学效应的联合作用下会逐渐降解和老化。这些物理和化学的作用过程不仅会改变油纸绝缘材料分子的微观结构，同时可能在变压器绝缘系统中引起宏观的绝缘缺陷，导致绝缘性能下降，并且随着宏观缺陷的进一步发展，最终导致变压器绝缘寿命的终结。针对变压器的绝缘状态诊断是保证变压器安全运行的重要措施之一，常用的方法包括化学法、局放和耐压检测法以及介质响应法。按照实现方法不同，介质响应法可分为频域法和时域法：频域法包括频域介电谱法，是一种无损的电气测量诊断方法，高频的情况下具有优良的过滤噪声性能，在研究低介质损耗材料方面具有重要的优势，是变压器绝缘系统状态诊断领域中研究的热点之一。时域法包括极化去极化电流法和回复电压法，两种方法均具有测量便捷省时、携带信息丰富等优点，适用于变压器油纸绝缘状态的现场评估。

为进一步寻找出极化去极化电流法对变压器绝缘状态评估的特征参量。本文根据变压器运行工况下油纸绝缘承受电场和热的联合作用的实际情况，从油纸绝缘老化实验模型出发研究，对加速电老化过程中不同时间点的油纸绝缘试样进行松弛电流测试，并基于所测松弛电流提取分析电老化过程中陷阱分布、新型四阶Debye模型和去极化电量三种评估参量，结合油中溶解气体的检测结果，对老化后油纸试样的绝缘性能进行状态评估，并为后续现场对变压器进行状态评估做理论研究准备。

1 理论分析

1.1 松弛电流法

对电介质施加直流电压时，电介质中的偶极子会发生转向和拉伸，电子或离子会发生位移，在宏观微观界面产生界面极化，极化过程中形成松弛位移电流，与传导电流一起组成全电流[1-4]。流经电介质的松弛电流可表示为

(1)

其中C0为电介质材料的几何电容；u(t)为阶跃电压；σ为电介质的直流电导率；ε0为真空介电常数；εr为电介质材料的相对介电常数；f(t)为电介质响应函数。

图1(a)为简化后的松弛电流测量回路，在试样充分短路的前提下，对试样施加幅值为UP的阶跃电压，此时流过试样的电流为ip，该电流是由试样中不同时间常数所对应的极化过程以及直流电导共同形成的；经过充电时间tp后，撤去外加阶跃电压，被测试样短路，试样内会发生电荷的热释放，产生去极化现象[5]，此时流经试样的电流为去极化电流id。

(a) 测量回路 (b) 典型曲线图1 松弛电流测量原理

松弛电流的典型曲线如图1(b)所示，并可以采用如下两个公式进行表述：

(2)

id(t)=-C0Up(f(t)-f(t+tp))

(3)

1.2 Debye模型

图2 油纸绝缘Debye等效模型

根据Debye等效模型理论，变压器油纸绝缘系统可等效成为n阶R-C串联电路[6-7],如图2所示。

油纸绝缘的松弛电流由不同松弛机制产生的电流所共同组成，而不同的位置对应不同的松弛特性，这些特性的变化是根据该位置的老化程度及新物质生成状况所决定的。因此，可通过多阶R-C串联电路来模拟各个位置和部件的绝缘介质包含的不同松弛机制，并由此推导出松弛电流的表达式。

(4)

(5)

(6)

其中τi是第i个R-C串联支路的时间常数，由该支路的电容及电阻值所决定，即τi=RiCi。UP为施加在油纸试样上的极化电压，R0为绝缘电阻。

2 实验方法

2.1 测试样品

所用绝缘油样品选取长城产25#矿物变压器油，绝缘纸板选自同一生产厂家，厚度为0.5 mm。为确保测试结果的一致性，实验前均对样品进行预处理：分别将绝缘油和纸板放置真空中干燥24 h，温度50 ℃，压强0.1 MPa。而后将绝缘纸板放置在绝缘油中进行48 h真空室温浸渍。

一般来说，变压器在正常工作状态下，其油纸绝缘系统所处区域的场强最大约为2 kV/mm[8]。为更加真实地模拟出变压器服役期间不同阶段主绝缘系统的老化状态，同时为了缩短老化时间，实验过程中取10:1的油纸比例，将绝缘纸板完全浸没在变压器油中，并对纸板试样施加5倍于工作场强的交流电场，电场幅值为10 kV/mm。加速电老化实验过程中，分别取不同时间节点，如老化0 h、20 h、40 h、60 h、80 h和100 h的样品进行油中溶解气体检测和松弛电流测试。

2.2 测试条件

图3 电流测试系统

电流测试系统包括电极系统、电流采集模块、计算机设备及端口接线，其框架图如图3所示。

电流检测过程中，先给试样施加500 V/mm的极化电场，持续时间为10 000 s，测量流经试样的极化电流。加压结束后不进行短路，直接将高压极接地，记录试样的去极化电流，去极化持续时间同样为10 000 s。

3 实验结果

3.1 油中溶解气体检测

为探讨老化前后油中溶解气体含量的变化，本文对未老化及电老化100 h试样中的油样进行了气相色谱检测，检测装置型号为GC-2010型号，结果如图4所示。

图4 老化前后的油中气体分析

由图4(a)可以看出，未经老化的绝缘油中各类气体含量极低，而老化100 h后，绝缘油中溶解的氢气、二氧化碳以及各烃类气体含量都有不同程度的增加，说明100 h高场强老化后，样品表现出较为明显的老化迹象，其中氢气和甲烷等烃类气体的变化对应绝缘油的老化状况，而纸板裂解产生一氧化碳和二氧化碳含量的增加则意味绝缘纸板老化程度加深。

3.2 松弛电流

分别选取0 h、20 h、40 h、60 h、80 h和100 h共6个时间节点对样品进行松弛电流检测，其结果如图5所示。

图5 不同阶段的松弛电流

可以看出，随老化时间的增加，试样电流曲线的变化趋势基本一致并整体上移。在0 h～60 h，电流曲线均匀增加，并未出现过大的增幅。但在60 h之后，电流出现较大增幅，变化趋势较为明显。经分析，出现这种情况的原因可能有：

(1) 在外加电场作用下，纸板纤维素受局部放电的影响开始断裂降解，导致绝缘纸板的聚合度减小、分子间开始变得松散，并生成有机酸和水分等强极性老化产物，这些老化副产物和绝缘油劣化生成的物质共同导致试样电导率上升，电导率的增加则体现在电流幅值整体上移。

(2) 试样在持续施加电场的作用下，纸板老化降解以及小分子产物的析出，共同构成了纸板分子间孔隙的增加和增大，导致更多的油浸入纸板，产生新的油纸界面。这会增加油纸试样的极化强度，导致外加电压移除后，试样的电流大幅度增加。

4 讨 论

上述分析可看出，松弛电流的增加可在一定程度上定性反映油纸试样绝缘性能的劣化，但仅凭借松弛电流的变化趋势来确定试样的老化程度并不可靠，还需结合其他老化参数具体分析。

4.1 陷阱密度

根据Simmons等学者的理论，电介质陷阱密度分布情况与松弛电流的关系较密切，可通过观察去极化电流I*t～log10t曲线的变化情况分析该介质的陷阱密度及深度变化状况[9]。在本实验中，试样的I*t～log10t电流分布曲线如图6所示。

图6 油纸试样的I*t～log10t电流曲线

由图6可以看出，随着老化的进行，所测得电流对应I*t～log10t曲线的峰值不断增大。老化前期，峰值缓慢增加，而实验进行到60 h之后，峰值大幅上涨并呈右移趋势，但在80 h和100 h两个阶段峰值的变化不明显。I*t～log10t曲线的峰值变化对应介质陷阱密度变化，峰值的左右移动则说明介质内部的陷阱深度发生了改变。对应到实验中，说明实验前期试样的陷阱密度逐渐增加，但陷阱深度并未发生太大的变化。而到了实验后期试样的陷阱密度未明显增加，但陷阱深度逐渐加深。

未老化试样的陷阱密度较低，对应曲线峰值也很小。随着老化的进行，油纸试样在电场的作用下开始老化降解并产生水分和有机酸等强极性分子，使试样中的极化增强，并且引入了不同性质的陷阱。具体包括老化副产物自身形成的陷阱，以及由于局部副产物的析出在纸板和绝缘油间产生更多的界面陷阱。这些陷阱在极化过程中捕获电荷过程以及去极化过程中电荷脱陷过程，都是电荷松弛过程，对整体电流有显著贡献。

由上述分析可知，针对老化后的试样，可从陷阱密度方面对其进行简单的状态诊断，通过对比新老样品I*t～log10t曲线的峰值明显程度来判断试样的陷阱数量，对比峰值的左右移动程度来判断陷阱深度的变化情况。

4.2 Debye模型

为更好了解油纸试样内部的松弛机制，基于所测松弛电流，对老化后样品的电流数据进行n阶指数拟合，结果如图7所示。

图7 松弛电流的数据拟合

图中，具有干扰震荡的是实际测量电流曲线，其余均为拟合曲线。由图7可看出，随着阶数n的增加，拟合出的曲线与实际所测曲线重合度变高，当n≥4时，拟合曲线与实际曲线基本重合，因此可认为在老化过程中，油纸试样的松弛机制保持在4种。根据式(4)、(5)、(6)，取n=4，并结合实验所测数据和拟合数据，可计算出不同老化阶段的模型参数Ai、τi以及绝缘电阻R0，具体计算结果如表1及表2所示。

表1中，R0代表的是油纸试样的绝缘电阻。前已论述，随着老化的进行，试样的电导率逐步上升，其对应的绝缘电阻则呈下降趋势，这和表中R0的变化趋势基本一致。

根据Debye模型理论，Ai的数值大小代表了该极化模式的松弛电流在总电流中所占比例的大小，即代表了该支路对整体松弛电流的贡献。由表1、2中可知，对同一个试样，随着各支路时间常数τi的增大，该支路对应的Ai值减小。由于绝缘油、绝缘纸板、试样老化生成的强极性分子相对介电常数依次增大，可认为在此模型中，支路1反映了油纸系统的偶极极化，支路2表示油与纸之间新增的界面极化，支路3代表油纸与电极间界面的极化，支路4则代表老化小分子副产物与油纸大分子之间的界面极化。

表1 不同阶段极化电流的Debye模型参数

表2 不同阶段去极化的电流Debye模型参数

试样老化初期，各支路对应的Ai值均很小，说明试样中水分和有机酸等强极性分子的含量较少，试样的绝缘性能较好。

随着电老化的进行，各支路对应的Ai值都有不同程度的增大，说明每个支路所对应的极化强度都在增大。这是因为在电场的作用下，绝缘油和绝缘纸板都有不同程度的劣化，生成了如有机酸、烃类、糠醛等副产物，这些副产物部分会融入绝缘油中，改变绝缘油的介电特性，造成支路1和支路2对应的极化强度同时增大。另外，随着这些副产物的生成，试样中的油纸界面、油纸和电极、各类副产物间的界面也开始增多，导致界面极化的整体强度开始增大，对应的各支路松弛电流也相应增大，使A2、A3产生不同程度的变化。A4所对应的是老化小分子副产物与油纸大分子之间的界面极化，A4的增大表明试样中强极性分子与油纸界面的极化强度有了明显增强，证实了试样中有机酸和水分等副产物的存在。

由上述分析可知，基于传统模型改进的4阶Debye模型不但能用于观察老化过程中各松弛机制所发生的变化，并且能判断出样品主要的老化形式，可作为深度评估样品老化状态的参量。

4.3 去极化电量

基于实验所测电流，本文引入了去极化电量这一参数，试图从单一参数的趋势变化状况反映试样不同时间点的老化程度，其计算公式为：

(7)

其中i(t)为试样去极化电流，t为去极化电流测试时间tp，即10 000 s。

图8 油纸试样的去极化电量变化趋势

通过计算，得到的结果如图8所示。由于去极化电量与试样的极化程度紧密相关：极化程度越大，极化过程中所束缚的电荷量越多，去极化过程中释放的电荷量也越多，由此可看出去极化电量与试样中的陷阱分布状况紧密相关。

在电老化初期阶段，未老化试样的去极化电量较小，表明试样束缚的电荷量较少，发生在试样内部极化形式的数量及强度均不明显，说明此时试样束缚电荷的能力有限，试样中的陷阱数量很少并且深度较浅，绝缘性能处于较好的状态。

随着实验的进行，去极化电量逐渐增加，到中后期尤为明显。电量的增加意味着试样的极化强度有了显著的提升，说明出现了许多影响极化程度的物质，试样的绝缘性能有所下降，这和前述结论相吻合。因此，通过对去极化电量变化趋势的观察，可有效地判断出电介质的绝缘性能是否发生明显变化。在本实验中，通过对计算结果的观察，可以很明显地看出经过60 h的外部加压后，油纸试样的去极化电量开始大幅度增加，说明油纸试样的绝缘性能在此时间点后开始发生本质性变化，其老化程度表现得越来越明显。

由上述分析可看出去极化电量对油纸绝缘老化状态的反应较为直观，因此在对变压器进行状态评估时，去极化电量可作为有效的评估参量。而若想获得较为准确的去极化电量，前提是获得较为精准的松弛电流参数。现场对变压器进行松弛电流测试时，噪声的干扰会影响精准度。因此，现阶段针对现场变压器的状态评估，去极化电量这一参数的获取仍需更深层次的研究。

5 结束语

本文通过对油纸绝缘试样的加速老化和绝缘状态分析，得出了以下结论：

(1) 通过对未老化和电老化100 h后的油样进行油色谱分析，发现老化后烃类气体的变化量不明显，而二氧化碳的增量显著。说明加压100 h后，试样发生比较明显的老化现象，而纸板裂解是主要的老化方式。

(2) 利用I*t～log10t曲线来分析油纸试样中陷阱的分布状况，发现随着老化的进行，试样的陷阱密度明显增加，到了实验后期试样的陷阱深度开始加深。

(3) 通过研究新型4阶Debye模型各项参数，确定了每一个支路代表的含义，明确了Ai参数的意义，并通过这些参数发现了各支路所对应的松弛机制随老化实验进行而不同程度增加。

(4) 引入去极化电量来分析试样的老化程度，由结果可知试样在60 h后出现严重的老化。另外，从实验中发现，去极化电量对老化程度的反映相当直观，可作为一个定量的指标来观察试样老化程度的变化。

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Study on a Diagnosis Method for the Insulation Condition of Transformer Oil Paper Based on Relaxation Current

Zeng Shucheng1, Wu Jiandong1, Yin Yi1, Yu Yanle2, Qiu Yumin2

(1. Department of Electrical Engineering, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Co., Shanghai 200063, China)

A 10kV/mm field intensity is applied to the oil-paper insulation specimen in an electrical ageing test, and ageing assessment methods for oil paper are studied in the relaxation current method. Dissolved gases in oil samples of different ageing degrees are tested through chromatography, and it is found that the gas contents before and after sample aging differ greatly from each other, which shows that samples after electrical ageing are aged to a great extent. Relaxation current tests are made on samples taken at 6 aging time points, and aging information represented by different parameters is analyzed at a different angle. First, analysis of trap distribution of the oil paper samples with the help ofI*t～log10t curve reveals that trap density increases gradually at the early stage of aging while trap depth increases remarkably at the late stage. Then, the current curves are fitted through the four-order Debye model, and the physical principles of these four relaxation mechanisms are deduced. These relaxation mechanisms are found to increase to different extents when aging time extends. Finally, we study how the amount of charge in depolarization periods changes with the aging time and try to use intuitive parameters to analyze aging degree at different time points. Ageing is found to start deepening substantially after 60h.

oil paper transformer insulation;relaxation current method; condition diagnosis; trap density; amount of charge in depolarization periods;four-order Debye model

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.035

TM403.9

A

1000-3886(2016)03-0111-05

曾恕程(1991-)，男，江西人，硕士，主要研究方向为变压器寿命评估。 吴建东(1982-)，男，江苏人，博士后，主要从事电力设备绝缘性能检测和状态评估研究。 尹毅(1972-)，男，江苏人，教授，从事聚合物绝缘材料和技术、高电压工程和电力系统在线监测等方面研究。

定稿日期: 2015-11-26