变压器油纸绝缘状态与极化谱中心时间常数关系分析

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(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 410014)

变压器油纸绝缘状态与极化谱中心时间常数关系分析

吴桂良，王岸，常晨琛

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 410014)

变压器作为电力系统中最为核心的设备，其绝缘性能的好坏直接影响电网的安全运行。为了诊断变压器油纸绝缘的绝缘性能，采用回复电压法测试不同水分含量和老化程度的油纸绝缘试样的极化谱，探讨油纸绝缘中的水分含量和老化程度对中心时间常数的影响。结果表明：变压器油纸绝缘中的水分含量和老化程度与中心时间常数均有较强的相关关系，分别满足二阶和三阶的线性关系。

变压器；油纸绝缘；回复电压法；中心时间常数

1 引言

变压器作为电力传输和分配的核心和枢纽，是电网中最关键的设备之一，其绝缘状态的优劣直接关系到电网安全、稳定、可靠运行。在电、热、机械、化学等多种因素影响下，变压器油纸绝缘将逐渐老化，随着老化程度的不断加深，油纸绝缘的机械强度和电气强度都会下降，从而导致变压器的安全系数下降，降低其运行可靠性。因此，对变压器的绝缘状况和故障信息进行诊断，掌握变压器的运行状态，对制定科学、合理的电力变压器运行、维护以及更新计划，对提高变压器的可用率和整个电网运行可靠性而言，都具有重大意义。

本文采用以介质响应理论为基础的回复电压法，通过实验室模拟变压器油纸绝缘的老化，研究回复电压中心时间常数在不同老化程度下的变化规律，深入研究回复电压曲线中心时间常数与变压器油纸绝缘状态的关系。

2 变压器油纸绝缘回复电压法测量原理

绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘构成了油浸式变压器的绝缘系统，典型变压器单相绕组的结构是由紧绕在铁芯上的低压绕组和绕在其外面的高压绕组以及高低压绕组之间的主绝缘系统组成，是一种复合电介质。

根据电介质原理，外部无电场作用时，电介质内部偶极子无规则排列，在外电场作用下，偶极子定向排列，电荷产生定向位移，电介质表面出现束缚电荷，产生极化电流；撤去外加电场，短接两极后，由于失去外加电场的诱导，内部偶极子由有序状态变为无序状态，表面极化电荷和界面束缚电荷部分释放；切断短接线路的短时间内，一部分尚未完全释放的自由电荷和一些定向排列的束缚电荷，会在电介质两端产生电势差，这个电势差即是回复电压Ur[1]。整个过程中，电压与电流曲线如图1所示。

图1 回复电压曲线示意图

在充电电压U和充放电时间比tc/td(通常取为2)保持不变的条件下，逐步改变充电时间tc(一般在0.02～104s范围内)，可以得到一系列的回复电压曲线；如将各曲线中峰值电压Urmax和对应的充电时间tc绘制成图，即可得到反映介质极化特性的极化谱。其中，回复电压极化谱的回复电压峰值对应的充电时间定义为中心时间常数tdom。

3 试验

3.1 试验材料及预处理[6-7]

本文进行变压器油纸绝缘测试试验材料为普通牛皮变压器绝缘纸(厚度为0.3mm)和25#克拉玛依变压器矿物绝缘油。

为了控制试样的初始状态，将裁剪好的绝缘纸试样置于温度为25℃、湿度为50%的湿度箱中一个月，采用MS-C卡尔费休微水测量仪测得绝缘纸中的微水含量约为8.5%。矿物绝缘油真空脱气，40℃下干燥至微水含量约为11ppm(电气性能满足IEC 60296-2003和ASTMD 3487-2000，油中水分测试参照GB 7600-1987)。

为了研究不同的老化程度对变压器绝缘系统的影响，实验对25#克拉玛依变压器矿物绝缘油和绝缘纸一起在90℃的温度下进行老化，老化时间分别为新油，15天，2个月，6个月，得到不同老化程度的油纸绝缘试样。

为了研究不同水分含量对变压器油纸绝缘测试系统的影响分析。对含水量的处理如下：将绝缘纸静置与绝缘油中充分浸泡，本文根据实际变压器不同的绝缘状态，选取初始微水含量为0.5%、1%、3%、5%的绝缘试品，为了使得同一绝缘试样中水含量能分布均匀，采用真空干燥法，通过调整干燥箱内干燥时间、温度和真空度以实现对绝缘试样微水含量的控制，具体的实验处理流程如表1所示。

表1 不同初始微水含量绝缘试样的处理流程

实验室对油纸绝缘分别采用不同的方法进行不同老化状态和不同含水量的处理后，在保证实验预处理的准确性上采用实验室的实验器材对油纸绝缘测试系统进行测试。

试验测试装置为三电极测试系统，测试原理图如图2所示。两个电极板之间为实验的绝缘试样-油纸绝缘测试系统，在进行绝缘测试实验前，打开装置的上旋盖，在容器内部导入适量的经过处理的绝缘油，然后在下电极板上放上对应的绝缘纸，然后盖上上旋盖，调节旋钮棒，使得上下电极之间压紧。

图2 三电极测试系统示意图

3.2 试验流程

RVM测试试验接线如图3所示，油纸绝缘试样测试的具体操作步骤如下：

第一步：选取一组经过相同处理后的油纸绝缘试样样品，将一张绝缘纸与绝缘油放入样品测试电极装置(三电极装置)中，将测试电极装置放入温度为90℃的恒温箱中静止12h，使电极装置中绝缘油和绝缘纸的水分的分布及整体温度分布达到均衡；

第二步：将回复电压测试仪的高压电缆与测试电极装置的高电压电极相连，接地电缆接至测试电极装置的测量电极，如图2所示。

第三步：启动回复电压测试装置，设置实验测试参数。参数设置包括充电电压Uc，充电时间tc，放电时间td。测量开始后，系统会自动完成充电、放电、采集过程；当所测回复电压曲线先上升再平滑下降，一直到电压值基本稳定后，可以手动终止数据测量。测量完成后，回复电压测试装置自动完成回复电压参数(中心时间常数tdom)的计算并给出特征值参数。最后将样品组号、测试数据与状态评估系统给出变压器绝缘状态的评估结果进行数据保存。

第四步：关闭装置电源，将测试电极测试装置的电压电极接线与测量电极接线连接10～20分钟，然后断开，重复上述步骤二至四，进行下一次测量。

第五步：完成所有测试后整理测试仪器与接线。

图3 RVM测试接线图

4 试验结果及分析

4.1 水分含量对中心时间常数的影响

电力变压器绝缘中水分的来源主要是空气中水分的直接进入是变压器，一般而言，油纸绝缘测试系统中含水量的增加会导致介电强度的下降。对绝缘油来说，含水量增加，会使介电性能逐渐劣化，但在绝缘油的溶水能力饱和以前，绝缘性能变化并不明显，溶水能力饱和后，绝缘性能急剧降低。水是极性较强的液体(水的相对介电常数值为81，比绝缘油和绝缘纸的相对介电常数高得多)，变压器中含有的水分更容易被强电场所吸引。温度较低时，油中的水分处于悬浮态时，电场引起的水分聚集将更为严重，如果温度降得很低，水分就会从油中或固体绝缘表面析出，形成水滴或水膜，使油和介质表面的击穿强度大大降低，绝缘系统的介质损耗就大大降低，这样在同样的测试条件下得到的回复电压曲线就存在较大的差异，如图4所示。

对油纸绝缘水分含量分别为0.5%、1%、3%、5%的试样进行了回复电压曲线测试，回复电压曲线与中心时间常数分别如图4、图5所示。

由图4可知，油纸绝缘中的水分含量变化会对回复电压曲线的中心时间常数tdom产生影响。由图5可知，随着水分含量的增大，中心时间常数tdom减小。通过对中心时间常数tdom与水分含量m的关系进行拟合，拟合结果如图6、式(1)所示。

tdom=81.1929-20.249m+7.7976m2-1.0212m3

(1)

图4 不同水分下的回复电压曲线

图5 不同水分含量绝缘试样的中心时间常数

图6 中心时间常数与水分含量的拟合曲线

由图6可知，水分含量的增加对中心时间常数tdom的影响在不同区间不同，在水分含量较低和较高时，中心时间常数tdom变化速率较快，并且二者满足三阶线性关系。

4.2 老化程度对中心时间常数的影响

在电、热、机械、化学等多种因素影响下，变压器油纸绝缘将逐渐老化，这样会使绝缘材料发生一系列的物理变化和化学变化，而使得绝缘材料发生劣化。在高热应力下，绝缘材料的C-H键和C-C键会发生断裂。这些反应会产生水、酸性物质、二氧化碳、一氧化碳以及油泥等老化物质。温度超过90℃，绝缘油的老化更加明显，绝缘油中会出现更多的杂质，杂质的溶解进一步的加剧了变压器油纸绝缘系统的老化速度，影响了变压器的绝缘性能，绝缘纸也会出现聚合分子的断裂而使得绝缘系数降低，随着油纸绝缘系统的进一步老化，变压器将退出运行。

对油纸绝缘老化时间分别为0、15天、2个月、6个月的试样进行了回复电压曲线测试，回复电压曲线与中心时间常数分别如图7、图8所示。

图7 不同老化时间下的回复电压曲线

图8 不同老化时间绝缘试样的中心时间常数

由图7可知，油纸绝缘的老化程度会对回复电压曲线的中心时间常数tdom产生影响。由图8可知，随着老化时间的增多，中心时间常数tdom减小。通过对中心时间常数tdom与老化时间x的关系进行拟合，拟合结果如图9、式(1)所示。

tdom=71.9924-0.1911x+5.49×10-4x2

(2)

由图9可知，水分含量的增加对中心时间常数tdom的影响在不同区间不同，在水分含量较低时，中心时间常数tdom变化速率较快，在水分含量较高时，中心时间常数tdom变化速率相对较慢，并且二者满足二阶线性关系。

图9 中心时间常数与老化时间的拟合曲线

5 结论

本文基于回复电压法(RVM)研究了中心时间常数与变压器油纸绝缘状态的关系，通过理论分析和试验分析，得到了以下结论：

(1)变压器油纸绝缘中的水分含量的增大，中心时间常数tdom减小，满足三阶线性关系。

(2)油纸绝缘的老化程度和中心时间常数tdom具有很好的二阶线数关系，中心时间常数tdom可以作为一个很重要的测量指标来分析油纸绝缘系统中的水分含量和受潮程度。

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AnalysisofTransformerOilpaperInsulatingStateandPolarizatioSpectrumCentreTimeConstant

WUGui-liang,WANGAn,CHANGChen-chen

(Central and Southern China Design Research General Institute Co.,Ltd.of China Municipal Works,Wuhan 410014,China)

Transformers anre key equipment of an electric system.Good or bad for their insulating property will directly affect safe operation of electric networks.In order to diagnose the insulating property of oil paper, adopt recovery voltage method to test different moisture and the polearization spectrum of the aging degree oil paper sample.Discuss the moisture and the aging degree of the oil paper insulation for the influence on the centre time constant.The result shows that the moisture and the aging degree of trnusformer oil paper inscelation and the centne time constant have strouger associate relations,which differentiates to the secondorder and third order linear relations.

transformer;oil paper insulation; recovery voltage method;centre time constant

1004-289X(2017)03-0098-05

TM41

B

文章编号：1004-289X(2017)03-0102-03

2017-03-02

吴桂良(1988-)，男，研究生，助理工程师，主要研究方向市政电气自控设计。