变压器PDC参数受水分与老化的作用分析及研究

王亚男

(陕西能源职业技术学院机电与信息工程学院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

油浸式电力变压器作为电力系统电能传输和能量转换的“中转站”，它的平稳运行对保障系统安全及区域稳定意义重大[1]。变压器内部普遍采用绝缘油与纸复合而成的内绝缘系统，其材料老化程度是影响变压器使用寿命的决定因素。准确检测该系统的劣化水平，对延长变压器在役年限意义重大[2]。

极化去极化电流(polarization/depolarization current,PDC)法是在时域内对绝缘材料进行极化的参数检测方法。该方法不损坏样品，提供的参数全面，较传统方法能得出准确的绝缘介质缓慢极化的信息参数，对变压器内部绝缘系统老化程度有较好的反映[3]。

通过制备样品，开展极化测试，分析PDC参数随极化时间、聚合度(degree of polymerization,DP)值和水分的改变情况，提出两个特征量。对特征量曲线展开分析，得出可以较好反映绝缘系统绝缘能力的特征量[4]，为更好地评估充油变压器老化水平提供新方法。

1 PDC测试原理

PDC法的工作原理是在样品两端施加直流电压，使样品中产生极化电流，然后去掉直流电压，将样品两端短接，测量得出回路中的去极化电流[5]。经过对样品充、放电，绘制出极化和非极化电流对反应时间的相互作用，组成PDC电流图谱。PDC法的测量原理如图1所示。

图1 PDC法的测量原理图Fig.1 Measurement schematic diagram of PDC method

2 极化试验

2.1 样品制备及测试系统

绝缘油：新疆克拉玛依产25#环烷基绝缘油。

绝缘纸：新出厂的普通绝缘纸。

试验使用的测试设备为OMICRON公司研发的介质响应分析仪DIRANA。该仪器能完成三种手段的测试：PDC、FDS和FDS-PDC。该仪器额定电压为±200 V，PDC法电流范围为±20 mA，准确率为0.5%(±1 pA)。

试验采用的是一个三电极测试系统，包括两个测量电极和一个保护电极，半径分别是50 mm、50 mm和60 mm。测试时，将样品放置在高压电极与测量电极之间，保护电极通过金属箱接地，起安全保护作用；同时，需在测试装置中灌满绝缘变压器油，利用引出线对测试设备进行连接，开展测量[6]。测试系统模型如图2所示。

图2 测试系统模型Fig.2 Test system model

2.2 试验流程

首先，对样品进行干燥预处理，保证油样中含水量小于10×10-6、纸样中含水量小于0.5%。利用特性粘度检测手段，对样品DP值进行测量。刚开始，DP值保持在大约1 000；随反应过程的不断进行，DP值不断下降[7]；通过密闭房间自然吸潮，利用卡氏滴定法就每组绝缘纸样品开展水分含量测量。样品制作流程如图3所示。

图3 样品制作流程Fig.3 Sample preparing process

2.3 试验结果及分析

对样品进行老化处理，分别在时间为0 d、10 d、30 d、50 d和75 d时取出样品多份，标记为A组、B组、C组、D组、E组。然后对五组样品分别进行DP测试，获得五组样品DP值，分别为233、406、517、748和817；随后对五组样品进行自然吸潮，开展水分测试。不同DP值样品含水量如表1所示。

表1 不同DP值样品含水量Tab.1 Water content of samples with different DP values

2.3.1 水分对PDC参数的影响

选取C组、D组的样品，研究水分对PDC参数产生的作用。C组、D组的样品电流变化分别如图4、图5所示。图4和图5中，同一老化状态下，样品的极化/去极化电流伴随含水量的增加而变大，伴随极化时间的变长而逐渐下降；此外，DP值变大，Id的开始值相应变小，Idp的开始值则正好相反。伴随极化过程的进行，含水量会相应增多，导致纸样和油样电导率显著上升，电导电流相应变大[8]；随着水分的增加，样品内部极化反应加剧，主要有电子位移极化和油纸界面极化，促使极化电流随之增大。去掉样品两端的电压后，去极化过程中的位移极化和界面极化则随之减弱，去极化电流也相应减小。

图4 样品电流变化曲线(C组)Fig.4 Sample current change curves(Group C)

图5 样品电流变化曲线(D组)Fig.5 Sample current change curves(Group D)

2.3.2 老化程度对PDC特性影响

为测试样品老化程度对PDC测试结果的影响，鉴于水分影响变化情况一致,选取水分含量为2.93%的多份样品开展测试。测试结果如图6所示。

图6 水分含量为2.93%的样品电流变化曲线Fig.6 Current change curves of sample with water content 2.93%

在图6中，DP值越小，Id和Idp就越大，且伴随时间的增长，2个电流均表现出下降的趋势[9]。在极化反应中，纸样里的大分子纤维素会逐渐发生裂解，生成水分、小分子酸等，导致系统内部电导率增大，相应的电导电流也随之增大。伴随裂解反应的不断进行，绝缘纸内部结构空隙变多。绝缘油可以更多地扩散到绝缘纸分子之间，产生较多的油纸界面[10]。这增强了纸样和油样之间的界面极化，使得Id和Idp相应增大。

2.3.3 老化特征量提取

变压器内绝缘系统的绝缘油和绝缘纸部分，经过等效合并得到仅包含绝缘纸、绝缘油和气隙三部分按照比例组成的油纸绝缘扩展Debye模型[11]。模型参数在外界环境影响下会发生改变，不能真实反映绝缘老化情况。模型参数如式(1)所示。

极化电阻Ri为：

(1)

极化电容Ci为：

(2)

极化过程中，极化时间常数τi与样品的绝缘状况无关，为一定值。绝缘系统极化过程里面的极点可表示为：

(3)

式中：Pi为样品系统的第i个极点。

在样品等效Debye模型中，时间常数大于1 000 s的极化支路参数能较为准确地预估纸样品老化情况。因此，本文选取大于1 000 s支路A、B曲线上面的极点P1、P2来表示油纸绝缘状态特征量。极点随水分变化情况如图7所示。

图7 极点随水分变化情况Fig.7 Change of extreme points with water content

图7中，DP值相同时，P1伴随含水量的上升而变大，且每条曲线改变情况雷同，均表现出在水分含量为3.5%以后归于平缓的趋势。P2变化情况则与P1不尽相同，每条曲线变化趋势相差较大，且DP值越大，其对应的特征量曲线波动也越大。当DP取817时，P2在水分大于3.5%时趋于平缓，且随着DP值的降低，该平缓起始值逐渐右移[12]。

特征量随DP值变化情况如图8所示。图8(a)中，水分含量相同时，P1随着DP值的增大而降低，变化情况较为稳定，可以作为表征老化程度的特征量。图8(b)中，P2曲线变化差异较大，在曲线变化初期含水量越高的曲线变化较为平缓，随着老化的进行出现先急剧下降而后又慢慢归于平缓的趋势。随着DP值的增加，在曲线末端出现了近乎重合的现象，由于P2所取Debye模型支路时间常数较大，加之在变化初期有部分绝缘油渗透，使其表征的不仅是绝缘纸老化情况。

图8 极点随DP值变化情况Fig.8 Change of characteristic quantities with DP value

结合上述样品的特征量曲线，可知P2的DP值曲线变化不稳定，水分变化曲线则出现了上升和交叉的现象，使其不能准确反映表征老化的参量DP值和水分之间的关系。而P1的变化情况可以较好地反映水分含量和DP值之间的变化情况。从图7、图8中也能清晰得出两者的对应关系，即从特征量图线上可以清晰且准确地找到水分、DP值与绝缘系统绝缘老化的影响关系，为进一步评估系统绝缘能力提供参考。

3 结论

为分析变压器内含水量和特征量之间的关系，开展极化测试，研究水分与DP值对样品PDC参数的影响情况，并分析两个特征参量对DP值和水分的影响关系，得出DP值与Id和Idp呈反比例关系，且在水分含量相同时，P1随DP值的变大而下降。选择P1作为反映绝缘老化程度的特征量，可清晰且准确地找到水分、DP值与绝缘系统绝缘老化的影响关系，对评估系统绝缘能力有重要意义。