變壓器油紙絕緣的介電響應(yīng)特性研究—加速熱老化的介電譜

魏建林 王世強 彭華東 董 明 張冠軍馮玉昌 于 崢

（1. 西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2. 西北電網(wǎng)有限公司 西安 710048）

1 引言

大型油紙絕緣變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運行可靠性和剩余壽命的評估對于電力系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。準確評估油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)是預(yù)測變壓器壽命和保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的前提和基礎(chǔ)。變壓器油紙絕緣在長期的運行過程中，承受熱、電、化學以及機械應(yīng)力的作用而逐漸老化[1,2]。大量研究表明[3,4]，熱應(yīng)力是導(dǎo)致油紙絕緣老化最關(guān)鍵的因素，因此對油紙絕緣的熱老化進行研究，分析各種老化特征參量在老化過程中的變化規(guī)律，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

目前，變壓器絕緣及老化狀態(tài)的診斷方法主要有油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis,DGA）、局部放電（Partial Discharge, PD）檢測、油中微水和糠醛含量分析以及絕緣紙聚合度分析等[1,2,5,6]。近十年來，基于介電響應(yīng)原理的介電響應(yīng)試驗法，由于具有不吊芯、無損等測量和評估變壓器固體絕緣含水量和老化狀態(tài)的優(yōu)點，而被逐漸引入到變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)評估中。介電響應(yīng)法主要分為時域和頻域兩種測量方式，其中時域包括恢復(fù)電壓法（Recovery Voltage, RV）和極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current,PDC），頻域的測量方法是指頻域譜法（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）[6-10]。

任何電介質(zhì)在外加電場作用下，都會產(chǎn)生電導(dǎo)和極化現(xiàn)象。電導(dǎo)是由于載流子的定向移動形成的，而極化是由于電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向出現(xiàn)宏觀偶極矩而形成。極化分為電子/離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化以及不均勻介質(zhì)所特有的夾層介質(zhì)界面極化等類型。其中位移極化是一種瞬時的、彈性的、無損的極化方式，其響應(yīng)時間一般小于 10-13s；另外幾種極化則伴隨著能量的損耗和時間上的滯后。介電響應(yīng)指的就是這種有損的馳豫極化響應(yīng)，其中偶極子極化的響應(yīng)時間隨介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同，一般介于10-10～10-2s，夾層介質(zhì)界面極化的響應(yīng)時間則較長，一般大于10-1s[11,12]。電介質(zhì)材料絕緣老化后其馳豫極化會發(fā)生顯著變化，反之也可采用介電響應(yīng)反映其老化程度。

目前，對于評估油紙絕緣老化狀態(tài)的介電響應(yīng)試驗方法，國內(nèi)外學者已開展了大量的研究，并獲得一些具有實踐指導(dǎo)意義的結(jié)論[8-10,13-16]，有力推動了這種新型試驗方法的應(yīng)用，但對于從介電響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)中提取老化特征量的研究，國內(nèi)外報道尚不多見。本文引入時域介電譜概念[17,18]，在實驗室對人工加速熱老化的油紙絕緣材料開展 PDC和 FDS等介電響應(yīng)試驗，分析其介電譜和油紙絕緣老化程度的關(guān)系，嘗試提取油紙絕緣老化的介電響應(yīng)特征量。

2 測量技術(shù)和分析理論

2.1 極化去極化電流法（PDC）

PDC試驗就是測量試品在階躍電壓作用下的充電（極化）電流和之后短路狀態(tài)下的放電（去極化）電流，試驗一般設(shè)置相同的充電和放電時間?？紤]到直流電源的響應(yīng)速度，一般PDC只記錄和分析極化/去極化電流1s以后的部分。

PDC測量的極化電流ip與極化時間t的關(guān)系如

式中，U0代表所施加的充電電壓；C0代表試品的幾何電容；σ 代表試品的電導(dǎo)率；ε0為真空介電常數(shù)；f(t)代表試品的時域介電響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)是試品的固有屬性，與試品的老化狀態(tài)有直接關(guān)系。從式（1）也可以看出，ip由穩(wěn)定的電導(dǎo)電流和極化過程所貢獻的衰減電流兩部分組成。

去極化電流id與放電時間t的關(guān)系如

式中，tc代表充/放電周期[6,7]；可以看出id完全由去極化過程產(chǎn)生。

油紙絕緣的不同老化狀態(tài)、不同含水量以及不同的絕緣結(jié)構(gòu)都會影響PDC的充電和放電電流[8,14]，反之也可以用PDC試驗分析油紙絕緣的老化狀態(tài)。

2.2 頻域譜法（FDS）

FDS測量就是將常規(guī)的工頻復(fù)電容和介損測量擴展到低頻和高頻頻段（如0.1mHz～1kHz）。

介質(zhì)復(fù)電容C*定義如式（3）～式（5）所示。

式中，Z代表介質(zhì)的輸入阻抗；C′和C′分別代表復(fù)電容的實部和虛部，C′反映介質(zhì)的實際電容量，C′′則和介質(zhì)的損耗有關(guān)；ε′和ε′分別代表復(fù)介電常數(shù)ε*的實部和虛部；A和ω 代表試驗電極的面積和距離[7]。

介質(zhì)的頻域介電響應(yīng)函數(shù) F(ω)即其復(fù)極化率χ*(ω)，如式（6）所示[7]。

式中，ε∞代表介質(zhì)高頻時的介電常數(shù)。

同時域介電響應(yīng)函數(shù)一樣，頻域介電響應(yīng)函數(shù)也是試品的固有屬性，與試品的老化狀態(tài)緊密相關(guān)。

介損的定義為復(fù)電容或復(fù)介電常數(shù)的虛部和實部的比值

由于介質(zhì)一般存在電導(dǎo)，考慮到電導(dǎo)的影響，介損表達式為

式中，σ 代表介質(zhì)的電導(dǎo)率[7]。

類似于PDC，油紙絕緣的不同老化狀態(tài)、含水量和幾何結(jié)構(gòu)對其 FDS的復(fù)電容和介損測量都會有影響[8,15,16]，因此可采用 FDS測量分析油紙絕緣的老化狀態(tài)。

2.3 時域介電譜

文獻[17，18]基于PDC試驗的去極化電流曲線，定義了電介質(zhì)的時域介電譜，即放電電流id和放電時間 t的乘積 id×t與 t的關(guān)系。文獻[17]認為，介質(zhì)的時域介電譜總會出現(xiàn)波峰，每一個波峰對應(yīng)一種確定的極化類型，這些極化類型和介質(zhì)不同級別的分子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變會影響其對應(yīng)的極化，進而影響其時域介電譜。

油紙絕緣老化后必然導(dǎo)致自身分子結(jié)構(gòu)的改變，從而改變其時域介電譜，反之通過油紙絕緣的時域介電譜就可以研究其老化程度的變化情況。

3 試驗設(shè)計

本文所選擇的用于加速熱老化的油紙絕緣試品包括1mm厚的單層變壓器紙板和25#克拉瑪依產(chǎn)的環(huán)烷基礦物變壓器新油。在熱老化開始前，先將新的紙板放入烘箱，在120℃下干燥5h，然后迅速放入裝有新變壓器油的三電極試驗裝置中并密封，最后將整個試驗裝置靜置 48h，以使絕緣紙板充分浸油。試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中三電極在不破壞裝置密封性能的前提下，通過高溫導(dǎo)線延伸到高溫烘箱外部和介電響應(yīng)試驗儀器連接，目的是為了減少每次試驗接線對熱老化和試驗過程的影響。在油紙絕緣試品準備好后，將整個試驗裝置放入溫控精度±0.5℃的烘箱中，開展 120℃的長期加速熱老化。加速老化期間，每隔一定時間就將油紙絕緣試品冷卻到室溫（24±1℃），進行相同試驗溫度下試品不同老化程度的PDC和FDS試驗，而后繼續(xù)老化過程。

圖1 油紙絕緣三電極試驗裝置Fig.1 Structure of three-electrode test cell

PDC測量通過LabVIEW平臺編制的軟件，經(jīng)由 GPIB卡控制內(nèi)置有高壓直流電壓源的 Keithley 6517高阻靜電計而實現(xiàn)。設(shè)定的充電電壓和充放電周期分別為 500V和 1 200s。在接線方式上，試驗裝置的高壓電極連接靜電計高壓電源的高壓端，試驗裝置的測量電極連接靜電計的電流測量端，試驗裝置的接地端和靜電計高壓電源的低壓端一起接到大地。由于PDC受試品殘余電荷的影響，因此每次試驗前，都要對試品進行2h以上的接地放電。

FDS測量通過IDAX-206絕緣分析儀實現(xiàn)。設(shè)定的交流激勵電壓有效值為 140V，掃頻范圍為1mHz～1kHz。在接線方式上，試驗裝置的高壓電極連接絕緣分析儀的高壓輸出端，試驗裝置的測量端連接絕緣分析儀的測量端，試驗裝置的接地端和絕緣分析儀的各個接地端單點接到大地。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 PDC

油紙絕緣不同老化程度的極化與去極化電流分別如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，油紙絕緣老化程度的改變對PDC測量結(jié)果影響較大。隨著老化程度的增加，極化與去極化電流都在增加，曲線整體向上移動，而代表電導(dǎo)電流的極化電流曲線的末端部分也在不斷增加，反映油紙絕緣的電導(dǎo)率在不斷提高。

圖2 油紙絕緣試品不同加速熱老化時間的極化電流Fig.2 Polarization current under different aging conditions

圖3 油紙絕緣試品不同加速熱老化時間的去極化電流Fig.3 Depolarization current under different aging conditions

文獻[19，20]指出PDC試驗的結(jié)果主要反映兩種極化，也就是油紙絕緣間的夾層介質(zhì)界面極化和紙板內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻造成的界面極化，而后者的極化響應(yīng)時間一般大于前者，通常在5 000s以上。本文PDC試驗的極化周期為1 200s，其試驗結(jié)果難以反映紙板內(nèi)部的界面極化，所反映的極化類型主要為油紙間的界面極化，因此圖2和圖3中極化電流的衰減部分和去極化電流都是由油紙間的夾層介質(zhì)界面極化所貢獻。

隨絕緣老化程度的增加，絕緣紙中纖維素分子鏈不斷斷裂，其平均聚合度減小，分子間作用力減弱，紙板結(jié)構(gòu)更加疏散、不均勻，絕緣油更容易浸入[21-23]，從而產(chǎn)生了更多的油紙界面，進而提高了油紙絕緣夾層介質(zhì)界面極化的強度，增加了界面極化電流的大小，使極化電流的衰減部分和去極化電流都向上平移。老化同時也不斷產(chǎn)生水分、有機酸等強極性物質(zhì)[21-25]，從而提高了絕緣的電導(dǎo)率[26]，增加了其電導(dǎo)電流，使極化電流曲線的末端向上平移。

4.2 FDS

FDS測量結(jié)果的復(fù)電容實部和虛部分別如圖 4和圖5所示。油紙絕緣的老化對FDS測量結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在低頻段，使其復(fù)電容實部和虛部曲線的低頻部分都向右上移動；而對高頻段的影響較小，可忽略不計。

圖4 油紙絕緣試品不同加速熱老化時間的復(fù)電容實部Fig.4 Real capacitance under different aging conditions

圖5 油紙絕緣試品不同加速熱老化時間的復(fù)電容虛部Fig.5 Imaginary capacitance under different aging conditions

根據(jù)Jonscher的普適馳豫理論，圖5中復(fù)電容虛部在低頻段斜率接近-1以及圖4中復(fù)電容實部斜率隨頻率減小而絕對值不斷增大所表現(xiàn)出的低頻彌散現(xiàn)象（Low Frequency Dispersion, LFD），說明該頻段的極化是載流子主導(dǎo)的極化體系（charge carriers system）[27,28]。綜合油紙絕緣的多種極化方式，這種載流子主導(dǎo)的極化體系主要是夾層介質(zhì)界面極化[11,12]，也就是油紙間界面極化或紙板內(nèi)部的界面極化[19,20]，而紙板內(nèi)部的界面極化在本文的試驗條件下難以反映（頻率過低），因此本文 FDS試驗的低頻段主要反映油紙間的界面極化情況。油紙絕緣復(fù)電容實部和虛部的大小在低頻段都取決于油紙絕緣間夾層介質(zhì)界面極化的強弱，和上文PDC的分析相同，油紙絕緣老化使紙板結(jié)構(gòu)更加疏散，油更易浸入，從而加劇油紙界面極化現(xiàn)象，提高了低頻段的界面極化強度，進而使復(fù)電容的實部和虛部都向上平移。而老化導(dǎo)致水分、有機酸等含量的增加，提高了油紙絕緣電導(dǎo)率，從而減小了界面極化的響應(yīng)時間[11,12]，使復(fù)電容的實部和虛部向右平移。

在高頻段，主要是偶極子轉(zhuǎn)向極化主導(dǎo)，而油紙絕緣老化所增加的有機酸、水分等強極性物質(zhì)的含量相對于油紙絕緣自身而言并不是十分顯著，對絕緣整體的偶極子極化程度改變很小，對復(fù)電容實部和虛部大小的影響也可以忽略不計。

4.3 時域介電譜

基于PDC的測量結(jié)果，所獲得油紙絕緣試品不同老化程度的時域介電譜如圖6所示。從圖中可以看出，時域介電譜對老化較為靈敏，隨老化程度的增加，曲線整體向左上移動。

按照時域介電譜理論[17,18]，圖6中時域介電譜的波峰代表油紙絕緣的某種類型極化，且波峰的峰值反映了該極化的極化強度，峰值時間常數(shù)反映了這種極化的響應(yīng)速度[17,18]。為了便于分析，將圖 6中波峰的峰值及時間常數(shù)與油紙絕緣老化程度的關(guān)系提取出來，如圖7和圖8所示?？梢钥闯龇逯惦S老化程度的增加而增加，峰值時間常數(shù)則隨之減小；根據(jù)峰值時間常數(shù)所處的時間段以及各種極化方式的特點判斷，該波峰對應(yīng)絕緣油和絕緣紙兩種不同材料的夾層介質(zhì)界面極化[11,12,19,20]。因而，油紙絕緣的界面極化隨老化程度的增加，強度和響應(yīng)速度都在不斷增加，這些在上文PDC和FDS測量結(jié)果的分析中也得到了印證和解釋，此處不再贅述。同時也可以看出，相對于PDC和FDS，時域介電譜可通過波峰的峰值和峰值時間常數(shù)定量反映油紙絕緣界面極化程度隨老化的變化情況，進而一定程度定量反映絕緣的老化狀態(tài)。

圖6 油紙絕緣試品不同加速熱老化時間的時域介電譜Fig.6 Time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

圖7 不同加速熱老化時間的時域介電譜峰值Fig.7 Peak value of time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

圖8 不同加速熱老化時間的時域介電譜峰值時間常數(shù)Fig.8 Peak time constant of time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

需要指出，在圖 6中，由于 PDC的極化/去極化時間tc（1 200s）較短，老化程度為0和100h的峰值時間常數(shù)已超過 tc，因此無法確定這兩個峰值時間常數(shù)的實際大小，圖8中采用tc（1 200s）代替兩者。這一點也說明 PDC的極化/去極化時間對時域介電譜的分析影響較大，在允許的情況下應(yīng)盡量增大極化/去極化試驗時間。

根據(jù)以上分析可以看出，油紙絕緣的時域介電譜與其老化關(guān)系密切，對老化反應(yīng)靈敏，其波峰的峰值和峰值時間常數(shù)可以定量反映油紙絕緣間的界面極化程度，并可以定量區(qū)分油紙絕緣老化程度的變化情況。

5 結(jié)論

本文對油紙絕緣試品進行了持續(xù)加速熱老化，并在老化的不同階段開展了PDC和FDS等介電響應(yīng)試驗，總結(jié)并分析了不同老化程度的PDC和FDS試驗結(jié)果，并在PDC的基礎(chǔ)上進行了時域介電譜分析，研究了時域介電譜的峰值及其時間常數(shù)與油紙絕緣老化程度的關(guān)系。

試驗結(jié)果表明，隨著油紙絕緣的老化，PDC的極化和去極化電流出現(xiàn)明顯上移，F(xiàn)DS的復(fù)電容實部和虛部曲線在低頻段均顯著地向右上平移，時域介電譜曲線也向左上方平移。本文認為這是由于老化引起的水分、有機酸等含量的增加以及對纖維素結(jié)構(gòu)的破壞，提高了油紙絕緣夾層介質(zhì)界面極化的強度和響應(yīng)速度而造成的。

在介電響應(yīng)的試驗條件下，時域介電譜對油紙絕緣間的夾層介質(zhì)界面極化反應(yīng)較為靈敏，其波峰不但可以定性界定油紙絕緣間的界面極化，而且還可以通過峰值和峰值時間常數(shù)定量確定油紙絕緣的界面極化程度，進而反映絕緣老化程度的變化情況，該峰值和峰值時間常數(shù)可考慮用作表征油紙絕緣老化程度的特征量。

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