PDC法在油纸绝缘套管油量状态检测的应用研究

陈井锐，荀羽，王清波，袁峻，赵威，龚军

（1.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650000；2.四川大学电气信息学院，成都 610065）

0 前言

油纸绝缘套管是电力系统中应用最为广泛的套管，然而在实际运行过程中，套管中油纸绝缘要长时间承受热、电、化学以及各种机械应力的作用，使得其绝缘逐渐老化，因绝缘介质受潮及局部放电，易出现缺陷，甚至导致故障发生。套管缺油易致潮气侵入使得套管内部绝缘受潮，而套管内部绝缘受潮将会引起内部局放，严重者甚至引发爆炸事故。这给电力系统的安全可靠运行带来挑战[1]。

近年来，针对油浸式电力设备开发出一类新的绝缘诊断方法—介电响应法(Dielectric Response)，介电响应法包括：频域介电谱法(Frequency Domain Spectroscopy, FDS)[2-4]、时域上的恢复电压测量法(Recovery Voltage Method, RVM)和反映时域充放电过程的极化-去极化电流法(Polarization and Depolarization Current, PDC)[5-7]。其中极化-去极化电流法具有简单、设备携带方便和非破坏性等优点，已被国外研究者成功运用到变压器老化状态评估研究。极化-去极化电流法其实质是一种介电响应分析法，它能反映有关介质极化和电导的基本现象，从而反映出绝缘介质性能的变[8-9]。

为了研究极化去极化电流法评估油纸绝缘式套管缺油的有效性，本文选取了35 kV油纸绝缘套管对不同油量的套管进行了PDC测试，总结出有效的油纸绝缘套管测试方法，通过PDC测试结果对油纸绝缘套管的油量进行了评估。

1 极化去极化电流法测试原理

套管极化去极化电流测量电路如图1所示，在测试开始时开关打到a处，对测试样品加上幅值为U0的直流高压，此时由于介质自身的电导以及介质本身的极化过程，会产生流过试样的电流ip，即为极化电流，经过极化时间tp后，使开关转至b处撤掉电压并使测试样品短路，此时由于电介质的去极化性质会产生一个流过试样的电流id，此电流即为去极化电流，去极化时间另为td。当极化和去极化时间充分长时，PDC电流可用公式（1）、（2）表示[10]

式中，C0为电介质材料的几何电容；U0为极化电压；σ为电介质材料的直流电导率；ε0为真空介电常数；f(t)为介电响应函数。

图1 套管PDC测试原理图

由于极化去极化曲线受套管结构的影响较大，且极化去极化曲线只能初步比较同一型号或相同结构的套管绝缘状态[10]。为进一步判断不同结构的油纸绝缘套管的绝缘状态，本文提取了如下特征参量：直流电导率σ0、变压器介质损耗正切值tanδ(ω)。上述特征参量可由公式（3）、（4）获得[10]。

上式中：ip为极化电流，id为去极化电流，U0为极化电压，C0为变压器几何电容。ε0为油的相对介电常数，ε∞为频率无穷时油的介电常数，χ‘’(ω)为极化过程中的损耗，χ’(ω)为极化强度。

2 极化去极化测试方法

本文采用实验室自主研发的PDC测试设备对油浸式变压器进行PDC测试。该PDC测试设备的直流极化电压在0-6 kV内连续可调，电流分辨率为0.1 pA，极化时间在0-2 000 s范围内可调。

极化-去极化电流法的具体测试对象为含不同油量的35 kV油纸绝缘套管。测试时利用图1所示测试电路进行测试。测试时套管接线板端连接测试设备高压电极，套管末屏与测试设备测量端连接。考虑到直流高电压会使部分绝缘油发生电解电离等现象，不仅影响测试结果而且会对套管油纸绝缘造成破坏。且套管油纸绝缘结构一般只需要较低电压就能检测出的绝缘老化状态，因此本文测试电压选择为1 000 V。由于35 kV套管的电容较小，其需要的充电较短，结合现场套管快速测试的需求，设置套管极化时间为180 s。现场测试环境温度21.3 ℃左右，相对湿度为55%。

3 PDC测试结果与分析

35 kV油纸绝缘套管不同油量测试结果如图2、图3所示。现场套管极化去极化电流幅值为1 E-8 A；其中油量为0 ml的电流幅值最小，随着油量的增加电流幅值逐渐增大，这是因为随着套管内的油量增加，套管内的极性分子和套管油绝缘和高压端接触面积都会增多，使得在测试过程中的极化强度增大，导致极化去极化电流幅值变大。

图2 PDC测试极化电流

图3 PDC测试去极化电流图

根据公式计算（1）、（2）、（3）、（4）可知随着油量的增加直流电导率以及0.1 Hz低频介损也在增大，这是由于随着油量的增加极化去极化电流幅值增大，且极化电流增加幅值大于去极化电流幅值，通过公式（3）计算得出的电导率就表现为随着油量的增加而增加，0.1 Hz介损与电导率的大小呈正相关，所以电导率的增加其0.1 Hz介损值也增加。

4 结束语

由极化去极化测试结果计算出的0.1 Hz低频介损以及直流电导率与油纸绝缘套管的油量成正相关，随着油量增加，套管的电导率以及低频介损增加，根据此现象，我们对套管极化去极化测试结果进行纵向对比，可以对套管油量变化进行粗略判断。