微水含量对老化后变压器油介电性能影响分析

贾海峰　刘骥　张明泽　吕佳璐　程炜超

摘 要：變压器油是油浸式电力变压器中重要的液体绝缘介质，有灭弧、绝缘、冷却等作用。但国内外多年的研究表明变压器油是油浸式电力变压器内部绝缘性能最薄弱的环节，因此其绝缘性能直接决定了电力变压器能否正常安全的运行。为了探寻老化过程中微水对变压器油介电性能的影响，以45号变压器油为研究对象，利用自行搭建的频域介电谱测试平台以及载流子迁移率测试平台，得到了变压器油水分含量对其介电损耗因数、复介电常数实部、载流子迁移率的影响规律。研究结果表明：变压器油含水量增加时，其介电损耗因数、载流子迁移率和直流电导率均有所增大;在低频范围内，复介电常数实部会随着水分含量的增加而增加，并且频率越低增加的越大;在高频范围内，介电损耗因数曲线上的拐点会随着水分含量的增加逐渐消失;随着老化程度的加剧，变压器油的直流电导率增大的速率随含水率的增加而增加。

关键词：变压器油;含水率;介电响应;载流子迁移率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.010

中图分类号： TM85

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）06-0070-07

Analysis of Influence of Moisture Content Ondielectric

Properties of Transformer Oil after Aging

JIA Hai-feng1，2， LIU Ji1， ZHANG Ming-ze1， L Jia-lu2， CHENG Wei-chao2

（1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application （Ministry of Education）， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：Transformer oil is an important liquid insulating medium in oil-immersed power transformers， which has the functions of arc extinguishing， insulation and cooling. However， many years of domestic and foreign researches have shown that transformer oil is the weakest link in the insulation of oil-immersed power transformers. Therefore， its insulation performance directly determines whether the power transformer can operate normally and safely. In order to explore the influence of moisture on the dielectric properties of transformer oil during the aging process， the 45# transformer oil is taken as the research object. The self-built frequency domain dielectric spectrum test platform and carrier mobility test platform were used to obtain the influence of the moisture content of the transformer oil on its dielectric loss factor， real dielectric constant real part and carrier mobility. The results show that the dielectric loss factor， carrier mobility and DC conductivity increase when the water content of the transformer oil increases. In the low frequency range， the real part of the complex permittivity increases with the moisture content increasing. And the lower the frequency， the greater the real part of the complex permittivity increases. In the high frequency range， the inflection point which appears on the dielectric loss factor curve will gradually disappear with the increase of moisture content. As the degree of aging increases， the increasing rate of DC conductivity of the transformer oil increases with the water content increasing.

试样制备过程如下： 准备4组含水量相同的变压器油，将其中3组进行老化处理，即放入真空老化箱中在130℃的温度下老化，等到其老化7、15、20d时，分别取出1组试样。然后在4组试样中分别取适量的变压器油并注入一定水分，搅拌均匀后置入烘箱中加热至60℃使水分充分溶解于变压器油中，然后冷却至室温并进行抽真空处理，使油样中不存在空气。所有实验油样均用库伦微水仪对其含水量进行标定。配制好的油样倒入密封容器内储存。考虑到空气中水分对油样的影响，在对油样进行试验前，再次测量含水率，并以此为最终含水量。

2.2 测试平台

2.2.1 频域介电谱测试平台

变压器油的频域介电谱测试系统如图2所示，该系统是由液体电极、真空干燥箱、IDAX-300以及采集数据的上位机组成。

IDAX-300的基本原理是把绝缘系统置于较宽的频率范围，测量其在不同频率下和温度下的介质响应，可以获得较为全面的介电性能与绝缘状态评估。该装置可以直接测得材料的介质损耗角正切值，经过输入测试电极尺寸后，可以通过测得的电容量计算出材料的相对介电常数。其损耗测量范围0～100，频率范围为10-4～104Hz且具有较强的抗干扰能力。

试验时将试验试样（约40mL变压器油）倒入液体电极中，随后放入真空干燥箱。真空干燥箱起保持干燥的测试环境和屏蔽干扰信号的作用。用IDAX-300进行测量，并用上位机采集与保存测试数据。频域介电谱测试试验的测试频段是10-3～104Hz，测试电压是140V。

2.2.2 载流子迁移率测试平台

变压器油载流子迁移率测试系统如图3所示，变压器油迁移率测试系统由液体电极、开关系统、接线屏蔽盒、试样屏蔽盒、静电计6517B以及采集数据的上位机组成，其中开关系统是由时间继电器以及为其供电的直流电源组成。开关系统起控制线路开断的作用，可以设置施加直流电压的时间。

静电计6517B比其他同类型的仪表具有更高的精度和灵敏度指標。它最大电阻测量值可达1016Ω，测量电流的范围为1fA～20mA，内置±1kV电源，独特的高电阻测量电压反接方法等优点。由于静电计6517B配备内置电源且测试所需电压较低，可使用静电计的内置电源控制直流电压的极性反转。因此测试开始以及极性反转时的直流电压均可视为阶跃电压。

测试变压器油的载流子迁移率时，先将试验油样（约40mL变压器油）倒入液体电极中，然后放入试样屏蔽盒。设置施加直流电压的幅值与时间，本文中施加的直流电压幅值为80V，测量时间为2h（电压反转时间设为1h），为了提高数据的准确度采样时间间隔设为0.1s。随后打开开关系统，使用静电计6517B检测电流，最后用上位机收集与保存实验数据。

3 试验结果与分析

3.1 含水量对变压器油介电损耗因数的影响

图4为25℃时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的介电损耗因数示意图。

如图4所示，在双对数坐标系下，变压器油的介电损耗因数tanδ与频率f总体上呈线性关系;随着变压器油中含水量的不断增大，其介电损耗因数曲线向右上平移;介电损耗因数在高频处（1000Hz左右）会出现一个拐点，随着变压器油中水分含量的增加，其拐点会逐渐消失。

出现上述现象的原因是：电介质在交变电场作用下的能量损耗由电导损耗及松弛极化损耗构成。电导损耗存在于频域介电谱的所有频率段，因此电介质的电导损耗随着频率的增加而减小。由于频率较低时松弛极化都能完全建立，电介质中仅存在电导损耗。随着频率不断增大，松弛极化损耗开始产生并不断增大。当频率很大时，电介质的损耗以松弛极化损耗为主。因此，介电损耗因数在高频处会出现一个拐点。随着变压器油中水分含量的增加，使得参与电介质极化的粒子数增多。并且水分子是极性分子，通过电离过程得到的离子会使电导损耗快速增大，也会使电介质的损耗在高频段下降的趋势变缓。因此，随着变压器油中含水量的不断增大，其介电损耗因数曲线向右上平移，高频段的拐点会逐渐消失。

3.2 含水量对变压器油相对介电常数的影响

图5为25℃时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的复介电常数实部示意图。

如图5所示，在高频范围内，变压器油复介电常数实部基本不会改变;而在低频范围内，变压器油复介电常数实部会随着油中含水量的增大而增加，并且频率越低增加的越大。

变压器油的复介电常数实部随频率变化的原因是：在低频范围内，变压器油中的极化主要是杂质引起的空间电荷极化[20]，随着测试电压的频率不断增大，空间电荷极化来不及完成，因此变压器油的复介电常数实部逐渐变小。当电场频率较大时，变压器油中主要存在的极化为电子位移极化，而电子位移极化完成极化所需时间较短，在测试频率范围内能充分完成，因此变压器油的复介电常数实部没有什么改变。

3.3 含水量对变压器油载流子迁移率的影响

根据式（4）可知，变压器油载流子迁移率的计算受试样两端的阶跃电压、电极间的距离及载流子迁移时间等影响。表1列出了变压器油载流子迁移率的影响因素。

在上述因素的影响下，依据式（4）可计算出不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的载流子迁移率，如图6所示。

根据表1和图6可知，在其他影响因素不变的情况下，变压器油载流子的迁移时间随微水含量的增加而变小，并且其迁移率随微水含量的增加而变大;变压器油的载流子迁移率随着微水含量增加而升高的速率也越来越大。

产生上述变化的原因是：水是弱电解质，在外电场以及电离平衡的作用下会电离出正负离子（H+、OH-）。随着变压器油中微水含量不断增加，电离出的正负离子不断增多，使得变压器油中的载流子增多，加强了变压器油的导电性能。测试开始时阶跃电压把变压器油中处于无规则热运动的载流子聚集到电极表面附近，当电压极性反转时由于变压器油的导电性能因载流子的增加而增强，聚集在电极表面的载流子能更快向对面电极迁移，即载流子的迁移时间减少。因此变压器油的去极化时间减少，导致变压器油的载流子迁移率增大。

3.4 含水量对变压器油直流电导率的影响

使用ZC36型高绝缘电阻测量仪测量液体电极中变压器油在1kV直流电压下的绝缘电阻，测试过程中当电阻值不再变化时记录下来（约为2min），并通过下述公式可计算出变压器油的直流电导率σ0：

σ0=lRS（5）

图7为25℃时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的直流电导率示意图。

如图7所示，不同老化程度的变压器油的直流电导率都随着含水量的增加而不断增大;并且随着老化程度的不断加剧，变压器油的直流电导率受含水率的影响而变大的速率也越来越大。

变压器油的直流电导率改变的原因是：变压器油中微水含量增大时，为了达到电离平衡变压器油中会产生更多的正负离子（H+、OH-），使得变压器油中的离子增多。根据绝缘电介质直流电导率σ0与离子浓度n0和载流子迁移率μ的关系：

σ0=2eμn0（6）

变压器油微水含量的增加不仅使离子浓度增加还使载流子迁移率变大。因此变压器油的直流电导率随着微水含量的增加而增大。

4 结 论

研究了老化程度和含水量对变压器油介电性能的影响规律，得到以下结论：

1）实验表明，老化程度相同的情况下，在高频范围内介电损耗因数曲线高频上的拐点会随着水分含量的增加逐渐消失。

2）变压器油中微水含量对载流子迁移率的变化具有明显影响。变压器油中水分含量增大时，载流子在恒定电场条件下的迁移时间减少，导致载流子迁移率增大。

3）变压器油的直流电导率受油中离子浓度以及载流子迁移率的影响。变压器油中微水含量增大时，油中离子浓度以及载流子迁移率都增大，导致其直流电导率变大。因此变压器油的直流电导率随着含水量的增加而不断增大，并且随着老化程度的不断加剧，变压器油的直流电导率增大的速率随微水含量的增加而增加。

实验结果对油纸绝缘的微水含量评估具有一定的意义，可以结合其他的测量方法减少测量误差。但仍存在一些不足，尤其在在不同老化程度微水含量相同的情况下变压器油介电与理化性能的变化尚有研究空间。

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（编辑：温泽宇）

收稿日期： 2019-03-05

基金项目： 国家自然科学基金 （51977051）.

作者简介：

刘 骥（1972—），男，教授，博士研究生导师;

张明泽（1992—），男，博士研究生.

通信作者：

贾海峰（1995—），男，硕士研究生，E-mail： 1215678424@qq.com.