基于極化/去極化電流法的變壓器油紙絕緣影響因素研究

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(1.國網(wǎng)四川省電力公司 南充供電公司,四川 南充 637000;2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

1 引言

特高壓輸電技術(shù)具有輸送容量大、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、線路損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景[1，2]。當(dāng)前電力變壓器絕緣普遍采用油紙絕緣體系，其絕緣狀態(tài)對變壓器絕緣的電氣性能及其剩余壽命均有嚴(yán)重影響[3-10]。因此，如何準(zhǔn)確診斷變壓器油紙絕緣體系的絕緣狀態(tài)一直備受國內(nèi)外廣大專家和學(xué)者關(guān)注，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

極化/去極化電流法是在一定充放電時(shí)間內(nèi)測試油紙絕緣的極化/去極化電流，通過分析其直流電導(dǎo)率來評估油紙絕緣性能，是一種評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)的新方法，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]。

對極化/去極化電流法的研究，目前還處在起始階段。Leibfried等通過現(xiàn)場測試對現(xiàn)場變壓器進(jìn)行了極化電流測試，并初步使用極化電流法評估變壓器油紙絕緣的水分含量[12，13]；Saha等通過實(shí)驗(yàn)室加速實(shí)驗(yàn)研究了油紙絕緣老化對極化電流特性的影響規(guī)律[14-16],并通過收集眾多文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步建立了運(yùn)用極化電流法評估變壓器絕緣狀態(tài)的專家系統(tǒng)[17]。由于油紙絕緣的極化機(jī)理復(fù)雜，用極化/去極化電流法評估變壓器絕緣狀態(tài)尚需大量實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證[18-20]。

本文對極化/去極化電流法進(jìn)行了建模，搭建了實(shí)驗(yàn)室測試平臺，測試了油紙絕緣樣品在不同溫度和水分含量的條件下的極化/去極化電流特性，為應(yīng)用極化/去極化電流法診斷油紙絕緣狀態(tài)提供了有益思考。

2 極化/去極化電流基本原理

絕緣紙由纖維素交互疊加構(gòu)成，表面電鏡圖見圖1，絕緣紙中分布著眾多大小不等、形狀不相的空隙，浸油后變壓器油便填充到這些空隙中，形成了油紙絕緣。

圖1 絕緣紙表面電鏡圖

搭建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺，充電電壓為200V，充電時(shí)間為104s。將干燥絕緣紙板置于電極之間，并浸于25#新變壓器油一周。同時(shí)為了消除邊緣效應(yīng)，在測試電極外增加了保護(hù)電極；將整個(gè)試驗(yàn)裝置置于恒溫箱中以便控制實(shí)驗(yàn)溫度測試不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

圖2 極化/去極化電流測試電路

不同水分含量的絕緣紙板通過吸濕法準(zhǔn)備：將絕緣紙板于干燥箱中充分干燥后用精度0.1mg的精確天平稱重，然后暴露于潮濕空氣中吸收一定量的水分再稱重，制備出不同水分含量的絕緣紙板試樣，置于電極之間并浸于25#新變壓器油一周，在50℃時(shí)測試不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

極化/去極化電流測試過程如下：

在0～tc時(shí)間內(nèi)閉合S1，斷開S2，油紙絕緣外施直流電壓U0時(shí)，通過油紙絕緣電導(dǎo)電流和各種極化產(chǎn)生位移電流疊加即為極化電流ip。

(1)

式中，Cm為幾何電容；εr為相對介電常數(shù)；σ為直流電導(dǎo)率；f(t)為時(shí)域響應(yīng)函數(shù)；Z(t)為隨充電時(shí)間變化的油紙絕緣阻抗。

在tc～td時(shí)間內(nèi)斷開S1，閉合S2，撤去外施電壓，殘余極化產(chǎn)生的位移電流即為去極化電流id。

(2)

對變壓器油和纖維素絕緣材料，時(shí)域響應(yīng)函數(shù)f(t)一般可表示為[21]

(3)

由此，極化/去極化電流可表示

(4)

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性如圖3所示。溫度增加，極化/去極化電流都增大，溫度對油紙絕緣極化特性的影響，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面增加了油紙絕緣的直流電導(dǎo)率，另一方面加速了油紙絕緣的弛豫極化過程，弛豫時(shí)間ξ滿足以下關(guān)系[20，21]

(6)

式中，Wη為分子粘性流動活化能；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

溫度升高，油紙絕緣內(nèi)部分子動能增加，偶極子轉(zhuǎn)向加快，弛豫時(shí)間減小，弛豫極化逐漸得以快速建立，弛豫極化增強(qiáng)，弛豫電流密度增加。同時(shí)，極性基團(tuán)更易與材料中的自由電荷(正、負(fù)離子或電子)、水分等結(jié)合，離開平衡位置，顯現(xiàn)出一個(gè)表觀的誘導(dǎo)偶極矩，使界面極化增強(qiáng)。

圖3 不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

應(yīng)用式(4)、(5)對不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流進(jìn)行擬合，如圖4所示，各參數(shù)列于表1，擬合優(yōu)度均在0.9以上。隨溫度增加，參數(shù)σ和a均增大，進(jìn)一步擬合可知二者與溫度大致呈指數(shù)關(guān)系。

表1 不同溫度下油紙絕緣極化/去極化特性的擬合參數(shù)

不同水分含量下油紙絕緣的極化/去電流特性如圖5所示。絕緣紙纖維素有較強(qiáng)的親水能力，能吸收油紙絕緣中大部分水分，使油中水分含量較低，50℃時(shí)形成懸浮水和沉積水的可能性很小，大都呈溶解狀態(tài)，水是強(qiáng)極性分子，對油紙絕緣極化電流特性的影響，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面水分子提高了油紙絕緣的直流電導(dǎo)率，使油紙絕緣內(nèi)部正負(fù)電荷的注入和遷移更加顯著，增大了傳導(dǎo)電流；另一方面一些親水性離子或基團(tuán)，與水分子結(jié)合形成附著帶電離子，更容易離開平衡位置，造成離子極化增強(qiáng)；同時(shí)，水分子自身在電場作用下可形成誘導(dǎo)偶極矩，增強(qiáng)了油浸紙的界面極化，極化/去極化電流增大。

圖4 不同溫度下油紙絕緣極化/去極化電流特性擬合曲線(圖中符號為測試值，曲線為擬合曲線)

應(yīng)用式(4)、(5)對不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流進(jìn)行擬合，如圖6所示，各參數(shù)列于表2，擬合優(yōu)度均在0.92以上，隨紙中水分含量增加，參數(shù)σ和a均增大，進(jìn)一步擬合可知二者與水分含量大致呈指數(shù)關(guān)系。

圖5 不同水分含量下油紙絕緣的極化去電流特性

圖6 不同水分含量下油紙絕緣極化/去極化電流特性擬合曲線(圖中符號為測試值，曲線為擬合曲線)

表2不同水分含量下油紙絕緣的極化/去極化電流特性擬合參數(shù)

水分σ(pS/m-1)at0nm1%0.15270.018904.80.0172.1062%0.57030.116596.90.0151.7043%0.87400.183788.70.0212.5024%1.00000.7528300.0192.229

3 結(jié)論

(1)溫度和水分作為影響油紙絕緣系統(tǒng)絕緣性能的重要因素，溫度升高，極化/去極化電流增大，水分增加，極化/去極化電流亦增大。

(2)擬合參數(shù)σ和a隨溫度和水分含量變化而變化，可以作為評估油紙絕緣的絕緣狀態(tài)的特征量。

(3)極化/去極化電流法能較為清晰的反映油紙絕緣狀態(tài)變化，是一種評估油紙絕緣狀態(tài)的有效方法。

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