電力變壓器油紙絕緣的PDC法研究

李 潔 侯英灑 張 鵬 趙建利

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院1 ,內(nèi)蒙古 包頭 014000；內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院2，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

電力變壓器油紙絕緣的PDC法研究

李 潔1侯英灑1張 鵬2趙建利2

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院1,內(nèi)蒙古 包頭 014000；內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院2，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

為全面研究電力變壓器絕緣狀態(tài)的影響因素，以極化和去極化電流(PDC)法為基礎(chǔ)，采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)多個(gè)影響因素展開研究。通過(guò)搭建變壓器油紙絕緣系統(tǒng)等效模型，仿真得出極化電壓、極化時(shí)間和去極化時(shí)間對(duì)極化去極化電流的影響規(guī)律；開展水分和油紙老化試驗(yàn)，研究含水量、絕緣油老化和絕緣紙老化與極化去極化電流和油紙絕緣狀態(tài)之間的關(guān)系，為今后變壓器絕緣狀況的研究和PDC法的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

電力變壓器 油紙絕緣 極化電流 去極化電流 老化 水分

0 引言

極化和去極化電流(polarization and depolarization current,PDC)法[2]作為一種無(wú)損的電氣診斷技術(shù)，以其抗干擾性能好、便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、攜帶信息豐富等特點(diǎn)，引起了研究人員的普遍關(guān)注?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)PDC法的研究，主要通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的方式探究溫度、水分和老化等因子對(duì)極化去極化電流的影響規(guī)律，并取得了一系列成果[3-7]。

本文在對(duì)油紙絕緣的極化機(jī)理和影響因素研究的基礎(chǔ)上，利用搭建油紙絕緣等效模型仿真和開展實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，研究極化電壓、含水量和油紙老化等因素與PDC參數(shù)和油紙絕緣狀態(tài)之間的關(guān)系，達(dá)到全面評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的目的。

1 仿真

1.1 搭建模型

PDC法的測(cè)量原理是首先在樣品兩端加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為tp的階躍激勵(lì)U，該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極化電流Ip;然后去除電壓U，短接樣品的高壓端和低壓端，并持續(xù)時(shí)間td，記錄短接放電過(guò)程中的去極化電流Idp。設(shè)置足夠長(zhǎng)的充放電時(shí)間，并記錄Ip和Idp與時(shí)間t的關(guān)系，即得到PDC電流曲線[8]。PDC法的原理如圖1所示。

圖1 PDC法的測(cè)量原理圖

以PDC法為基礎(chǔ)，對(duì)變壓器的絕緣系統(tǒng)搭建擴(kuò)展Debye等效模型[9]。本模型采用極化電阻Ri和極化電容Ci相串聯(lián)的方式來(lái)代表不同極化速度的支路，分別為支路0、2、4、6和8。幾何電容C可在工頻下通過(guò)搖表法測(cè)得，本模型取325 pF。絕緣電阻R可通過(guò)絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)得，且主要是由測(cè)量時(shí)間最大時(shí)的Ip和Idp確定，本模型取12.58GΩ；Ip和Idp通過(guò)電流測(cè)量模塊CM1和CM2來(lái)測(cè)量；開關(guān)模塊B1和B2的通斷通過(guò)時(shí)間模塊T1和T2來(lái)控制，所得仿真圖形通過(guò)模塊S1和S2顯示出來(lái)。等效模型如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 油紙絕緣系統(tǒng)的等效模型

支路τi/s Ri/GF Ci/pF00．04464．2110．620．169713．8012．346．67885660011．8657．222037400015．381075．3600752000014．3

1.2 仿真結(jié)果及分析

① 極化電壓U對(duì)極化去極化電流(Ip和Idp)的影響

由于Ip和Idp的變化與電介質(zhì)材料的介電特性有關(guān)，在仿真時(shí)，為避免測(cè)量誤差和大電壓對(duì)樣品造成的破壞，將直流電壓設(shè)定為50V、100V、200V和 400V。閉合開關(guān)B1，斷開開關(guān)B2，進(jìn)入極化過(guò)程，時(shí)間設(shè)定為3 600s；極化過(guò)程結(jié)束后，斷開開關(guān)B1，閉合開關(guān)B2，進(jìn)入去極化過(guò)程，時(shí)間設(shè)定為4 800s。Ip和Idp的變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。

藤尾的父親決定讓甲野繼承遺產(chǎn)，但對(duì)于藤尾來(lái)說(shuō)是不公平的。藤尾畢竟是親身的女兒，難以理解養(yǎng)子來(lái)繼承遺產(chǎn)。受西洋文化影響的藤尾，出現(xiàn)了抵抗情緒也是合情合理的，另一方面，夏目漱石成了一個(gè)栩栩如生的藤尾母親的形象。失去父親的藤尾，母親對(duì)藤尾的成長(zhǎng)扮演著非常重要的角色。雖然甲野明確表示不繼承這個(gè)遺產(chǎn)，但是藤尾的母親卻表示懷疑。她對(duì)女兒藤尾的婚姻橫加干涉。

圖3 極化電壓U對(duì)Ip的影響

圖4 極化電壓U對(duì)Idp的影響Fig.4 Influence of polarization voltage U upon Idp

由于微小波動(dòng)的作用，為準(zhǔn)確分析，曲線應(yīng)選取1 000 s之前的部分。在極化電壓由50 V升至400 V的過(guò)程中，Ip和Idp的幅值隨之變大，但變化趨勢(shì)基本不發(fā)生變化。極化電壓一定時(shí)，極化電流隨時(shí)間由大變小,最后趨向定值，而去極化電流隨時(shí)間近似呈線性減小趨勢(shì)，并最終趨向于零。

② 極化時(shí)間tp對(duì)Ip和Idp的影響

由于極化過(guò)程進(jìn)行的是否充分與極化時(shí)間tp有關(guān)，因此，為了研究tp對(duì)Ip和Idp的影響，在模型中，將極化電壓U設(shè)定為300 V，tp值分別設(shè)定為60s、300s、600s和1200s，td值設(shè)定為2 400 s來(lái)對(duì)兩個(gè)電流進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖 5和6所示。

圖5 極化時(shí)間tp對(duì)Ip的影響

圖6 極化時(shí)間tp對(duì)Idp的影響

隨tp的增加，Ip和Idp均不斷減小，變化趨勢(shì)相似[10]。比較圖中曲線可知，極化時(shí)間長(zhǎng)的電流曲線比極化時(shí)間短的衰減的程度大，其末端值也更小。這是因?yàn)樵谕怆妶?chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部的電子、偶極子等將轉(zhuǎn)向與外電場(chǎng)相平行的方向來(lái)降低勢(shì)能。當(dāng)外電場(chǎng)不存在時(shí)，原本被外電場(chǎng)束縛的電子等又將恢復(fù)到隨機(jī)、無(wú)規(guī)律的狀態(tài)，但由于電介質(zhì)恢復(fù)具有滯后性，使得這個(gè)恢復(fù)過(guò)程需要一定的時(shí)間來(lái)完成。即極化時(shí)間短的曲線，其極化過(guò)程還未進(jìn)行完全，曲線的末端也相對(duì)上翹。隨極化時(shí)間的延長(zhǎng)，極化過(guò)程和去極化過(guò)程也相對(duì)進(jìn)行得更充分，反映的絕緣信息也逐漸增加。

③ 去極化時(shí)間td對(duì)Idp的影響

在開關(guān)模塊B1和B2的作用下，極化過(guò)程和去極化過(guò)程先后進(jìn)行，td對(duì)極化過(guò)程的進(jìn)行無(wú)影響，在此只研究其與Idp的關(guān)系。仿真時(shí)，極化電壓設(shè)定值不變，仍為300 V，極化時(shí)間設(shè)定為1 000 s，去極化時(shí)間分別為60 s、300 s、600 s和1 200 s，測(cè)得結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同去極化時(shí)間td下的去極化電流

比較4條曲線可知，Idp隨td的延長(zhǎng)不斷減小，幅值也隨之變小。1 200s的曲線末端相對(duì)于其他3條曲線衰減較為明顯，這是因?yàn)樵谌O化時(shí)間較大的情況下，電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的作用中心由原來(lái)極化時(shí)的不重合狀態(tài)恢復(fù)到重合，對(duì)外不再顯示電性，由此造成曲線末端值下降。

2 試驗(yàn)

2.1 水量含量對(duì)Ip和Idp的影響

油紙老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水分，水作為一種極性分子，是影響PDC測(cè)量結(jié)果的重要因素[11]。研究水分對(duì)極化電流和去極化電流的影響，選擇2.5mm厚的新絕緣紙板，分別裁剪成3個(gè)半徑為5cm的圓形樣本，在烘箱中烘干，稱重記錄。之后，將樣品放入清水中浸泡，10min后取出重新放入烘箱內(nèi)烘干，不同時(shí)間后依次取出紙板，進(jìn)行稱重即得到本次試驗(yàn)的4種不同含水量的紙板，分別為：0%、0.932%、1.764%和2.481%。設(shè)定直流電壓U為300V，極化時(shí)間tp為1 500s，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 含水量不同對(duì)應(yīng)的極化電流

圖9 含水量不同對(duì)應(yīng)的去極化電流

紙板含水量的不同對(duì)Ip和Idp的影響近似，均是隨時(shí)間逐次遞減，且電流幅值隨含水量的上升而變大。水的電導(dǎo)率比絕緣紙大，作為強(qiáng)極性物質(zhì)進(jìn)入到油紙絕緣之后，水分越多，在外電壓下產(chǎn)生的束縛電荷越多，導(dǎo)致電導(dǎo)率變大，即增大了傳導(dǎo)電流和吸收電流，且形成了更多的油水、紙水等界面，界面極化大大增強(qiáng)，促使極化電流和去極化電流也增大一個(gè)等級(jí)[12]。隨水分含量的增加，極化曲線和去極化曲線的起始部分變化均不大，但末段則有明顯不同，后者近似匯聚于一點(diǎn)，而前者沒有，說(shuō)明前者極化過(guò)程還未進(jìn)行徹底。

2.2 紙老化對(duì)Ip和Idp的影響

變壓器油紙老化主要是熱老化，老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水分，油紙的分子結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。為了研究油紙老化對(duì)PDC測(cè)量結(jié)果的影響，本次試驗(yàn)選用普通牛皮絕緣紙(厚度為0.25cm)，將紙樣剪成長(zhǎng)寬分別為20cm和5cm的大小，經(jīng)過(guò)萃取、真空烘干處理之后放置在老化箱中，在140 ℃下進(jìn)行熱老化，分別在0h、120h、240h和360h取樣測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 油紙老化對(duì)極化電流的影響

圖11 油紙老化對(duì)去極化電流的影響

隨時(shí)間的增加，Ip變化幅度較小，但I(xiàn)dp急劇減小，說(shuō)明絕緣紙的老化對(duì)Idp的影響較為明顯。比較120h和360h的去極化電流曲線，可知老化時(shí)間為360h時(shí)，去極化電流的值要比120h時(shí)的高，這主要是因?yàn)槔匣瘯r(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的水分子變多，被束縛的電荷隨之增多，因而造成Idp變大。

2.3 油老化對(duì)PDC測(cè)量結(jié)果的影響

本次試驗(yàn)樣品選取25#新的變壓器礦物絕緣油，平均分裝在4個(gè)相同的磨口典量瓶中，密封之后，放入老化箱中老化，在老化時(shí)間分別為0h、60h、120h和240h時(shí)，將樣品取出并分別進(jìn)行紅外光譜測(cè)試[13]。本次試驗(yàn)選用美國(guó)ThermoFisher生產(chǎn)的Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀。紅外光譜測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同老化時(shí)期絕緣油的紅外光譜

隨老化時(shí)間的增加，絕緣油中元素C和H構(gòu)成的分子架構(gòu)不變，C-H主吸收峰位置沒有發(fā)生變化。絕緣油中主要官能團(tuán)的數(shù)量大小對(duì)應(yīng)于紅外光譜的吸收峰強(qiáng)度，可通過(guò)吸收峰強(qiáng)度來(lái)分析官能團(tuán)在老化前后的變化[14]，進(jìn)而得出其對(duì)極化電流和去極化電流的影響。比較老化時(shí)間為0h和240h的曲線，可知老化后，吸收峰的強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)有所下降，分子鏈間作用力下降，氫鍵斷裂，產(chǎn)生更多的水分子，造成極化電流和去極化電流不同程度增大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在PDC法的基礎(chǔ)之上，通過(guò)搭建油浸式電力變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的等效模型進(jìn)行仿真分析和開展水分和油紙老化試驗(yàn)研究，得出極化電壓、去極化時(shí)間以及含水量等因素對(duì)極化電流和去極化電流的起始值、末端值以及曲線變化趨勢(shì)的影響規(guī)律，可據(jù)此來(lái)對(duì)變壓器的絕緣狀況進(jìn)行判定。目前，運(yùn)用時(shí)域響應(yīng)法來(lái)研究油紙絕緣狀態(tài)尚處于起始階段，還沒有足夠完善的理論依據(jù)來(lái)解釋時(shí)域介質(zhì)極化現(xiàn)象，也缺乏公認(rèn)的時(shí)域特征量來(lái)很好地表征油紙絕緣狀態(tài)及其極化特性，因此運(yùn)用PDC法來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估油紙絕緣狀態(tài)仍需大量試驗(yàn)和驗(yàn)證。

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Study on the PDC Method of Power Transformer Oil-paper Insulation

To comprehensively study the factors affecting the insulated state of power transformer, on the basis of the polarization and depolarization current (PDC) method, the measure by combining simulation and experiment is taken. Through building the equivalent model of transformer oil-paper insulation system, the influence regular patterns between polarization voltage, polarization time, and depolarization time, upon polarization and depolarization current are obtained with simulation; the aging tests of moisture and oil paper aging are conducted for researching the relationships between moisture, insulating oil aging, oil paper aging and polarization and depolarization current and oil paper again, thus the foundation is laid for future research on insulation state of power transformation and promotion of the application of PDC method.

Power transformer Oil paper insulation Polarization current Depolarization current Insulation Aging Moisture

李潔(1964-)，男，1990年畢業(yè)于北京科技大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事電力系統(tǒng)的研究。

TM411;TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510002

修改稿收到日期：2015-05-21。