基于去極化電流法的變壓器油紙絕緣狀態(tài)

唐 盼，尹 毅，吳建東，嚴(yán) 旭

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

基于去極化電流法的變壓器油紙絕緣狀態(tài)

唐 盼，尹 毅，吳建東，嚴(yán) 旭

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

變壓器油紙絕緣作為典型的復(fù)合電介質(zhì)在老化過程中，其介電特性將發(fā)生顯著的變化。本文為了研究油紙絕緣老化的介電響應(yīng)特征量，設(shè)計(jì)了一套模擬變壓器油紙絕緣老化的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了在加速電老化過程中，不同老化階段的油紙絕緣的去極化電流，并利用傅立葉紅外光譜分析了老化過程中油的化學(xué)組分的變化，作為對電老化程度的驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，去極化電流的Debye等效電路模型能有效分析變壓器油紙絕緣的老化狀態(tài)，分析表明電路模型中最大和最小時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的電阻R和電容C可作為老化特征量，其中最大時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的Rmax、Cmax反應(yīng)了絕緣油的老化情況，而最小時(shí)間常數(shù)對應(yīng)的Rmin、Cmin反應(yīng)了絕緣紙的老化情況。

油紙絕緣;Debye模型;去極化電流;電老化;絕緣狀態(tài);界面極化

1 引言

變壓器在正常運(yùn)行中，其油紙絕緣系統(tǒng)在電、熱和化學(xué)效應(yīng)等的聯(lián)合作用下逐漸老化和降解。這些物理和化學(xué)過程改變了絕緣材料的分子的微觀結(jié)構(gòu)，影響了絕緣材料的介電性能并且會(huì)反映在絕緣材料的極化和去極化過程中。基于介電響應(yīng)原理的介電響應(yīng)測試方法具有無損、不吊芯等診斷變壓器絕緣壽命的優(yōu)點(diǎn)，因此多年來成為變壓器油紙絕緣老化的重要檢測方法。然而由于油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前介電響應(yīng)測量法所測得的介電參數(shù)和油紙絕緣內(nèi)部物理特性之間的關(guān)系仍不十分清楚。國內(nèi)外一些學(xué)者已對油紙絕緣的極化電流曲線和其老化狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了定性分析，而對電流曲線的去極化參數(shù)和油紙絕緣的狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系少有研究。

本文為研究油紙絕緣去極化電流與其絕緣狀態(tài)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一套變壓器油紙絕緣模擬裝置。通過對油紙絕緣不同老化階段的去極化電流測試和傅立葉紅外光譜測試，研究了利用去極化電流法評估油紙絕緣狀態(tài)的可行性。

2 PDC基礎(chǔ)理論

2.1 PDC測試流程

PDC測試法的原理如圖1所示。測量過程:先在測試樣品兩端加上一個(gè)電壓為U的階躍激勵(lì)，持續(xù)時(shí)間為tp。該過程中樣品開始極化，其極化電流為ip，這個(gè)電流是由不同絕緣材料引起的不同時(shí)間常數(shù)的極化過程以及直流電導(dǎo)共同形成的。接著去除電壓將樣品短路并維持時(shí)間td，之前的極化過程這時(shí)會(huì)產(chǎn)生相反方向的放電電流，即去極化電流。一般設(shè)置較長的充電和放電時(shí)間，記錄并分析去極化電流id與時(shí)間t的關(guān)系，即去極化電流曲線。由于極化電流在高極化電場下受到電磁干擾較大，不易測量，而去極化電流既包含了絕緣材料的大部分狀態(tài)信息，同時(shí)又不易受外界干擾的影響，能夠更加真實(shí)地反映油紙絕緣的極化過程，因此本文中主要進(jìn)行去極化電流測量。

2.2 變壓器油紙絕緣等效模型

變壓器主絕緣系統(tǒng)由一系列紙筒壓板、油隙以及對紙筒起支撐作用的撐條構(gòu)成。將變壓器中絕緣油和絕緣紙的電阻、電容進(jìn)行合并，可簡化得到圖2所示的變壓器油紙絕緣Debye等效模型［1］。

圖1 PDC測量基本原理示意圖Fig.1 Basic PDC measurement circuit

圖2 變壓器油紙絕緣的Debye等效模型Fig.2 Debye model of transformer oil-paper insulation

當(dāng)試樣兩端施加電場之后，電介質(zhì)中出現(xiàn)偶極極化和界面極化。當(dāng)電場被移除之后，偶極子松弛恢復(fù)到初始狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間一般小于10－5s，界面極化的松弛則相對時(shí)間較長，故實(shí)際測得的去極化電流中主要是由界面極化引起。界面極化則是由不同材料間的界面構(gòu)成的，由于各種材料之間的介電特性都不相同，因此這些界面極化的時(shí)間常數(shù)也各不相同［2］。這些極化過程可用圖2中的電阻電容串聯(lián)支路模擬。

另外從上面的分析可知去極化電流是變壓器油紙絕緣中不同位置的特定松弛機(jī)制產(chǎn)生的松弛電流復(fù)合形成。不同部位有著各自的獨(dú)特的松弛特性，這些特性的變化取決于老化程度以及由于老化產(chǎn)生的新物質(zhì)或新結(jié)構(gòu)的情況。因此松弛電流可以用各個(gè)松弛機(jī)制的指數(shù)形式之和來模擬。Debye模型中的Ri-Ci串聯(lián)支路的參數(shù)可以用式(1）擬合實(shí)驗(yàn)測得的去極化電流得到［1］。

式中，Ri-Ci串聯(lián)支路的時(shí)間常數(shù)τi=RiCi;Ai與極化電壓大小的關(guān)系為:

結(jié)合式(1）、式(2）和 τi=RiCi，就可以計(jì)算出串聯(lián)支路中的 Ri和 Ci。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)樣品的制備

本文選用厚度為0.5mm的三木變壓器絕緣紙板和25#環(huán)烷基變壓器新油模擬油紙絕緣進(jìn)行加速電老化，其中紙板樣品如圖3所示。在這個(gè)模型中，中間帶有孔洞的紙板是用來模擬實(shí)際變壓器油紙絕緣中紙板間的撐條，孔洞是用來模擬油道。為防止老化和測試過程中外部潮氣的侵入，整個(gè)油紙絕緣均置于密閉絕緣罐中。

圖3 紙板試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of paper sample

3.2 試樣老化和去極化電流測量

在老化裝置的高壓端和測量端施加10kV工頻交流電壓，使電極間的油紙?jiān)嚇又挟a(chǎn)生局部放電。加速電老化期間，每隔一定時(shí)間撤去高壓，進(jìn)行相同試驗(yàn)溫度下試樣不同老化程度時(shí)的去極化電流測量，其中充電時(shí)間為3600s，放電時(shí)間為10000s。電流的測量由Keithley6517A表和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的自動(dòng)測試系統(tǒng)完成。

圖4 測量電路原理圖Fig.4 Measurement circuit schematic

3.3 傅立葉紅外光譜測量

試驗(yàn)做完之后，提取少量的未老化絕緣紙板和剛老化完的絕緣紙板，用丙酮將紙中殘余絕緣油析出，最后將處理完畢的未老化和老化絕緣紙進(jìn)行紅外光譜檢測［3-4］。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 去極化電流曲線

不同老化程度的油紙絕緣去極化電流如圖6所示。從圖中可知隨著老化時(shí)間的增加，放電電流也在增大，曲線整體向上移動(dòng)。

圖5 油紙絕緣試樣不同老化時(shí)間的去極化電流Fig.5 Depolarization current at different aging times

在加速電老化中，絕緣紙板的纖維素分子在局部放電時(shí)發(fā)生斷裂，聚合度減小，分子間變得松散，生成了水分和有機(jī)酸等強(qiáng)極性老化副產(chǎn)物。絕緣紙板由于老化降解使得結(jié)構(gòu)更加疏松，故有更多的絕緣油浸入［5］，這樣油紙界面變得更多增強(qiáng)了夾層界面極化的強(qiáng)度引起了去極化電流的增大。同樣水和有機(jī)酸等強(qiáng)極性老化副產(chǎn)物也會(huì)和油、紙產(chǎn)生界面，這些界面的極化也會(huì)帶來去極化電流的增大。

4.2 Debye模型參數(shù)分析

由于油紙絕緣試樣中至少有三種極化形式，故將去極化電流按三項(xiàng)指數(shù)多項(xiàng)式(3）進(jìn)行非線性擬合，得到擬合曲線及指數(shù)多項(xiàng)式參數(shù)。

不同老化時(shí)間的去極化電流按式(3）擬合后得到了相關(guān)的參數(shù)如表1所示。

表1 去極化電流擬合參數(shù)Tab.1 Parameters of depolarization current fitting

在油紙絕緣試樣中，電極由于是導(dǎo)體，它和絕緣紙形成的界面極化在Debye模型中對應(yīng)的是最小時(shí)間常數(shù)τ1的支路。τ1所對應(yīng)的參數(shù) A1隨著老化時(shí)間的增長逐漸變大，這說明了電極和紙的界面極化也在加強(qiáng)，由此推斷出絕緣紙是在漸漸老化。絕緣油屬于非極性材料，油紙界面極化對應(yīng)模型中的應(yīng)該是最大時(shí)間常數(shù)τ3所對應(yīng)的支路，其中參數(shù) A3也是隨著老化時(shí)間的增加而變大。這是因?yàn)榻^緣紙老化后變得疏松，更多的油浸入形成了更多的油紙界面，因此油紙界面極化強(qiáng)度增大。老化過程中的副產(chǎn)物水和有機(jī)酸等為強(qiáng)極性物質(zhì)，這些物質(zhì)和油紙形成的界面極化具有中間的時(shí)間常數(shù)。從參數(shù)A2的變化規(guī)律中也可以看出這類型界面極化也在逐步加強(qiáng)，老化副產(chǎn)物變得更多［5］。

將去極化電流擬合參數(shù)中的最大和最小時(shí)間常數(shù)τ及其所對應(yīng)的Ai按照式(2）計(jì)算得到 Debye模型中的電阻R和電容C。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 Debye模型中的參數(shù)Tab.2 Parameters of Debye model

從表2中看出隨著老化時(shí)間的增長，最大時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R是一直遞減的，而C的變化趨勢是遞增的。最大時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R-C支路主要影響了去極化電流的尾部，而去極化電流的尾部和絕緣油的狀況有關(guān)［2］。因此可以推斷出最大時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R、C由絕緣油的老化情況所決定。絕緣油越新，τmax所對應(yīng)的 Rmax越大，Cmax越小。當(dāng)絕緣油老化時(shí)則情況相反。而這種變化正好是由于絕緣油老化后，油水、油酸等界面極化增強(qiáng)引起的。最小時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R-C支路主要影響了去極化電流的起始部分，這部分其實(shí)主要由絕緣紙板的老化情況決定，故可以看出最小時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R、C是受絕緣紙板的影響。隨著老化時(shí)間的增加，Rmin越來越小，Cmin有逐漸變大的趨勢［1］。這種參數(shù)的變化是由絕緣紙老化后分子變得疏松形成更多油紙界面導(dǎo)致的。各種界面極化的增強(qiáng)在Debye模型參數(shù)中的反映就是R變小，C變大。這種變化在表2中得到驗(yàn)證。

4.3 絕緣紙的傅立葉紅外光譜分析

未老化和老化絕緣紙的紅外光譜檢測結(jié)果如圖6所示。根據(jù)文獻(xiàn)對新絕緣紙紅外光譜主要吸收峰進(jìn)行了歸屬，結(jié)果如表3所示［3-4］。

圖6 絕緣紙的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of paper

表3 新絕緣紙紅外光譜主要吸收峰歸屬Tab.3 Main IR absorption peaks of new paper

從圖6中可以看出老化后的絕緣紙較老化前的紅外光譜吸收峰大部分的吸收強(qiáng)度都下降了，其中波數(shù)1647cm－1吸收峰強(qiáng)度變?nèi)跽f明絕緣紙纖維素分子內(nèi)或分子間氫鍵老化應(yīng)力的作用下斷裂，分子鏈間的作用力減小，纖維素的機(jī)械強(qiáng)度下降。波數(shù)1106cm－1和894cm－1代表的糖苷鍵C-O-C吸收峰強(qiáng)度下降說明了纖維素糖苷鍵在老化過程中斷裂。糖苷鍵斷裂使得纖維素分子由大分子鏈斷裂為小分子鏈，絕緣紙的機(jī)械強(qiáng)度降低。故從紅外光譜的結(jié)果中可以看出絕緣紙?jiān)诜烹娎匣^程中，絕緣紙的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，絕緣紙得到了老化［3，5］。纖維素分子的斷裂促使絕緣紙變得疏松，從而產(chǎn)生更多的油紙界面。而纖維素中的氫鍵及糖苷鍵斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生水分子，這些水分子中的一部分會(huì)游離到油中，因此油水、紙水等界面同樣增多。這些界面的增多是去極化電流增加的部分原因。

5 結(jié)論

通過對油紙絕緣試樣不同老化階段的去極化電流測量和紅外光譜測試分析，可得出以下結(jié)論:

(1）隨著油紙絕緣的老化，去極化電流出現(xiàn)了明顯的上移，紅外光譜中大部分吸收峰的吸收強(qiáng)度降低。

(2）油紙絕緣老化引起的水分、有機(jī)酸等含量的增加和纖維素分子中的一些化學(xué)鍵的斷裂，將導(dǎo)致油紙絕緣夾層介質(zhì)界面、油水、紙水等界面的極化的強(qiáng)度增強(qiáng)，響應(yīng)速度的提高。

(3）去極化電流的Debye模型中最大和最小時(shí)間常數(shù)對應(yīng)的R、C可作為表征油紙絕緣老化程度的特征量，其中最大時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的R、C反應(yīng)了絕緣油的老化情況，而最小時(shí)間常數(shù)對應(yīng)的R、C反應(yīng)了絕緣紙的老化情況。

References）:

［1］Saha T K，Prithwiraj Purkait，F(xiàn)rank Muller.Deriving an equivalent circuit of transformers insulation for understanding the dielectric［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical，2005，20:149-157.

［2］Saha T K.Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in aged transformers［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，10(5）:903-917.

［3］李明贊 (Li Mingzan）.光譜分析技術(shù)及其應(yīng)用 (Spectroscopy and its applications）［M］.北京:科學(xué)出版社(Beijing:Science Press），2006.

［4］竇鵬，楊道武，李毅 (Dou Peng，Yang Daowu，Li Yi）.應(yīng)用紅外光譜和混沌學(xué)分析變壓器油的老化特性(Analyze aging characteristics of transformer oil based on infrared spectroscopy and chaos theory）［J］.高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering），2009，35(4）:849-854.

［5］魏建林，張冠軍，董明，等 (Wei Jianlin，Zhang Guanjun，Dong Ming，et al.）.化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測油紙絕緣變壓器老化壽命 (Application of kinetics of chemical reaction in aging lifetime evaluation of oil-paper insulated transformers）［J］.高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering），2009，35(3）:544-550.

Study of oil-paper insulated transformers’aging state based on depolarization current measurements

TANG Pan，YIN Yi，WU Jian-dong，YAN Xu
(Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Transformer oil-paper insulation is a typical composite dielectric.And its dielectric properties will change significantly during aging process.To investigate the characteristic parameters of dielectric response phenomena of transformer oil-paper insulation aging，a simulating device of the transformer oil-impregnated pressboard insulations was designed.Depolarization current of the samples during accelerated electrical aging process at the same temperature was measured.And the infrared spectrum was used to prove that the oil-paper insulation has been aged.Based on Debye model，the resistance and capacitance of the maximum and minimum time constants branch are calculated.The results reveal that，the transformer condition can be obtained from Debye model.In Debye model the parameters Rmaxand Cmaxare related to aging condition of oil，and Rminand Cminare related to aging condition of paper.

oil-paper insulation;Debye model;depolarization current;electrical ageing;insulation condition;interfacial polarization

TM404

A

1003-3076(2012）04-0039-04

2011-10-13

唐 盼 (1987-），男，湖北籍，碩士研究生，主要從事聚合物材料絕緣性能測試和結(jié)構(gòu)改良方面的研究;

尹 毅 (1972-），男，江蘇籍，教授/博導(dǎo)，從事聚合材料和技術(shù)，高電壓工程和電力系統(tǒng)在線監(jiān)測等方面的研究。