基于極化去極化電流法的沖擊電容器油膜絕緣老化檢測

(1.國網(wǎng)四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000； 2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，高壓直流輸電由于其大容量、低損耗、遠距離電力傳輸?shù)葍?yōu)勢而逐漸成為輸電網(wǎng)中的重要組成部分[1]。沖擊電容器作為高壓直流輸電工程中重要的電力設(shè)備，起到吸收中性母線雷電流或其他接地故障電流的作用[2]。長時間的運行在熱、電老化的作用下容易導(dǎo)致沖擊電容器絕緣發(fā)生老化[3]，一旦老化程度加劇，就會大大增加沖擊電容器絕緣失效的概率，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，油膜絕緣作為沖擊電容器內(nèi)絕緣組成部分，對其老化狀態(tài)的檢測與研究就顯得十分有必要。

目前，沖擊電容器內(nèi)絕緣材料主要由絕緣油和有機薄膜構(gòu)成，絕緣油用到芐基甲苯油，有機薄膜則主要采用聚丙烯薄膜，沖擊電容器內(nèi)絕緣的老化過程也主要是在這兩大組成成分中發(fā)生[4-5]。在沖擊電容器正常工作中，電、熱兩種應(yīng)力是絕緣薄膜老化的兩個主要因素，這兩種因素會使得固體介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)缺陷逐漸加大，生長成電樹枝直到介質(zhì)擊穿失效。當(dāng)電場達到一定程度，電老化在薄膜老化中起主導(dǎo)作用，直流電壓下，浸漬對薄膜老化的影響很小。沖擊電容器使用的聚丙烯薄膜則是隨著溫度的升高其耐壓值逐漸降低，而一旦處于高溫環(huán)境下，擊穿所需要的電壓幅值將會大大降低[6-7]。國外，印度學(xué)者V.Krishnan研究表明局部放電嚴(yán)重程度與聚丙烯介質(zhì)的老化程度密切相關(guān)，隨著局部放電的發(fā)展，聚丙烯絕緣介質(zhì)的絕緣強度逐漸下降，放電部位周圍介質(zhì)的電導(dǎo)率也會隨之發(fā)生變化[8]。學(xué)者F. Guastavino在研究3層不同結(jié)構(gòu)的25 μm的聚酞亞胺絕緣膜的表面局部放電中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強度接近介質(zhì)的擊穿場強，電老化成為介質(zhì)的主要劣化過程[9]。國內(nèi)，西南交通大學(xué)吳廣寧教授研究團隊研究了脈沖電容器的局部放電信號，在試驗中先對脈沖電容器進行電老化，然后檢測局部放電信號，得到了最大放電量、平均放電量和放電重復(fù)率與老化程度的關(guān)系曲線。另外還進行了微觀形貌觀察試驗，認(rèn)為電極邊緣區(qū)域存在的局部絕緣缺陷是電容器絕緣失效的主要原因[4]。沖擊電容器油膜絕緣除了在電的作用下會加速老化之外，在熱的作用也會加速老化。在熱的作用下，電介質(zhì)的老化過程會加速，熱老化在宏觀上可能會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)熱融化以及介質(zhì)質(zhì)量減??；微觀上會使得高分子聚合物的分子量降低，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，交聯(lián)程度降低。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)發(fā)生局部放電時，放電產(chǎn)生的能量會導(dǎo)致局部溫度快速升高，加速了電介質(zhì)的熱老化。當(dāng)電容器絕緣介質(zhì)處于高溫環(huán)境時，其機械特性和外觀形貌都會隨溫度出現(xiàn)相應(yīng)的改變。尤其是金屬化膜型電容器，介質(zhì)表面噴涂有金屬薄膜，介質(zhì)和金屬膜這兩種材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，在熱老化的過程中就會出現(xiàn)應(yīng)力，應(yīng)力容易使得薄膜表面撐開，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)出現(xiàn)物理缺陷的可能性大大增加，而且還容易導(dǎo)致介質(zhì)損耗增大[10]。

當(dāng)前，電容器絕緣狀態(tài)檢測的技術(shù)主要有油中氣體組分檢測(dissolved gas analysis，DGA)、tanδ的在線檢測、電容器極間絕緣檢測以及電容器局部放電在線檢測技術(shù)[11]。油中氣體組分檢測作為化學(xué)檢測手段發(fā)展成熟，但取油與檢測過程繁瑣。tanδ的在線檢測設(shè)備龐大且接線復(fù)雜，對設(shè)備早期絕緣缺陷的識別效果不佳。電容器極間絕緣檢測對高絕緣性能介質(zhì)不夠理想。而電容器局部放電在線檢測技術(shù)也由于噪聲的存在導(dǎo)致檢測效果不佳。

對比上述檢測技術(shù)后，下面利用一種新型的檢測方法——極化去極化電流法對沖擊電容器油膜絕緣進行檢測。極化去極化電流法是一種快速、高效、不具有破壞性的電氣測量方法，其主要依據(jù)介質(zhì)響應(yīng)理論，利用介質(zhì)極化以及去極化過程的電流可以得到介質(zhì)本身絕緣狀態(tài)信息。目前此技術(shù)主要用于對變壓器油紙絕緣以及電力電纜絕緣老化的研究[12-14]。

下面主要對沖擊電容器油膜絕緣進行電熱老化處理，測得不同老化狀態(tài)下油膜的極化去極化電流，分析不同老化狀態(tài)下油膜極化去極化電流的變化規(guī)律，同時通過計算得到相應(yīng)介質(zhì)損耗以及直流電導(dǎo)率的變化規(guī)律。研究結(jié)果奠定了利用去極化電流曲線可以進行沖擊電容器油膜絕緣老化狀態(tài)檢測的基礎(chǔ)。

1 試驗的檢測原理

1.1 基本原理

利用極化去極化電流對沖擊電容器油膜絕緣老化狀態(tài)進行檢測的主要原理是介質(zhì)響應(yīng)。理論上講沖擊電容器內(nèi)絕緣本身就是一種電介質(zhì)，其油膜絕緣可以看成是油和薄膜的復(fù)合介質(zhì)。當(dāng)外加電場作用介質(zhì)時，介質(zhì)內(nèi)部的束縛電荷出現(xiàn)電極化現(xiàn)象。通過儀器對介質(zhì)極化過程產(chǎn)生的電流以及去極化過程產(chǎn)生的電流進行檢測并分析，達到利用宏觀測量方法對介質(zhì)微觀機制進行解釋的目的。

當(dāng)外加電場E(t)作用在各向同性質(zhì)地均勻的電介質(zhì)材料上，則此時介質(zhì)材料內(nèi)部的全電流為

(1)

式中：i(t)為極化過程的全電流；C0為電極間的幾何電容；σ0為介質(zhì)的直流電導(dǎo)率；ε0為真空介電常數(shù)；ε為光頻介電常數(shù)；D為極板間的間距；f(t)為介質(zhì)極化響應(yīng)函數(shù)。響應(yīng)函數(shù)f(t)是一個連續(xù)衰減的函數(shù)，主要與電介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)以及溫度等因素有關(guān)，而f(t)與U(t)的卷積表示電介質(zhì)對歷史信息的記憶。

由式(1)可以得到，當(dāng)電介質(zhì)在極化過程時，電介質(zhì)中的極化電流為

(2)

去極化電流過程時，介質(zhì)短路放電去極化電流為

id(t)=-C0U[f(t+td)-f(t)]

(3)

一般極化去極化電流波形如圖1所示。測量極化去極化電流時需在試品的兩端加上直流電壓源，在外電場的作用下試驗回路出現(xiàn)電流ip，該電流主要是由試品的電導(dǎo)電流以及試品內(nèi)部各種極化電流組成，經(jīng)過t1時間后移除直流電壓源，將試品短接，試品進入去極化階段。

圖1 極化去極化電流波形

此時測得的電流id即為去極化電流，由于移除了直流電壓源，去極化電流全部由極化后的試品產(chǎn)生，因此也具有更高的研究價值，由于其電流方向與極化時的電流方向相反，形式上表現(xiàn)為負(fù)值。

1.2 檢測平臺

根據(jù)極化去極化電流測量法的基本原理，搭建了圖2的測試平臺。當(dāng)檢測試驗開始時，將高壓滅弧開關(guān)撥至S1時為極化回路，進入極化階段，通過直流電源給電容器加壓，使其極化。經(jīng)過一定的極化時間之后，將開關(guān)撥至S2，試品兩端短接，極化時積累的電荷就會釋放，通過限流電阻放電，進入去極化階段。

圖2 測試平臺

試驗主要設(shè)備為1臺 Keithley6485型皮安表，該皮安表測量分辨率為10-16A，以每秒最快讀取1000個數(shù)據(jù)的速度進行測量。皮安表精度的高低直接決定了測量出的極化去極化電流是否涵蓋介質(zhì)極化去極化過程的大部分信息。

2 試驗設(shè)計

2.1 試品結(jié)構(gòu)及老化

單層薄膜會分布著一些缺陷點或者絕緣弱點，通常行業(yè)內(nèi)采用雙層來降低絕緣弱點的影響，因為兩層薄膜弱點重合的概率是非常小的。圖3為沖擊電容器油膜絕緣的結(jié)構(gòu)圖，試驗油膜絕緣模型采用兩層薄膜重疊來減小薄膜導(dǎo)電弱點帶來的影響，單層薄膜厚度為12 μm。

電容器的老化方法通常以熱加速老化居多，而針對沖擊電壓下電老化的研究較少。而實際運行中由于沖擊電壓導(dǎo)致的電容器擊穿故障時有發(fā)生，因此在電老化的過程中依舊考慮到熱老化，為的是能夠盡可能地模擬沖擊電容器實際工作所處環(huán)境。老化采用標(biāo)準(zhǔn)的操作沖擊電壓，雙層薄膜擊穿電壓約為14 kV，老化試驗沖擊幅值選為12 kV。一個老化周期內(nèi)施加200次操作沖擊，每次操作沖擊的間隔時間為1 min，最后再置于90 ℃烘箱內(nèi)熱老化15 h，電熱老化總共進行12個周期。

2.2 試驗步驟

測試各個試品極化去極化電流的試驗步驟如下：

1)將試驗油杯的高低壓端短接24 h，使得介質(zhì)內(nèi)部電荷盡可能中和或使其均勻分布。

2)高壓直流電源、油杯、皮安表按圖2連接。

3)直流源的電壓設(shè)置為500 V。

4)打開皮安表電源，進行自檢校準(zhǔn)。

(a)芯子繞制

(b)剖面結(jié)構(gòu)圖3 油膜絕緣結(jié)構(gòu)

5)設(shè)置極化去極化時間，極化時間為90 s，去極化時間為120 s。開始采集試品極化去極化電流，并以txt文件格式進行數(shù)據(jù)保存。

6)試品測試完畢后，進入下一個老化周期，然后繼續(xù)以步驟1)至步驟5)進行新一輪的極化去極化電流測試。

另外，由于極化去極化試驗中，電流幅值非常小，通常是納安乃至皮安的級別。所以需要通過種種方式盡量抑制噪聲對測量結(jié)果的干擾。試驗時要保證接線簡單，接線長度合適，不相互靠近或者交叉，回路接地點只選用一處，以防止電路中的環(huán)流影響測試精度。

3 試驗結(jié)果分析

試驗得到未老化、老化3周期、老化6周期、老化9周期以及老化12周期的薄膜極化電流，圖4為對應(yīng)的極化電流曲線。可以看出極化電流在極化初期便迅速衰減至逐漸平穩(wěn)，且隨著老化程度的加深電流曲線整體呈上移趨勢，極化電流由未老化時的2.0×10-8A上升至老化后期的3.6×10-8A。由于去極化電流衰減迅速，且難以區(qū)分不同老化周期下對應(yīng)的去極化電流曲線，因此利用對數(shù)坐標(biāo)來對測得的去極化電流曲線進行分析。從圖5可以看出，去極化電流在10 s左右便迅速衰減，最后逐漸趨于平穩(wěn)，隨著老化周期的增加，去極化電流曲線有明顯的上移趨勢。去極化電流起始值相較于未老化下測得的476 pA，老化12周期后測得的電流值升高到882 pA。穩(wěn)定時的去極化電流值未老化時是175 pA，而老化12周期后達到792 pA。

圖4 極化電流波形

這種規(guī)律可以解釋成將雙層油膜絕緣等效為一個RC并聯(lián)電路，那么在外界老化因素作用下，油膜絕緣等效電容C增大，在極化的過程中，油膜積累了更多的剩余電荷，使得在油膜去極化過程中測得的去極化電流起始值和穩(wěn)定值出現(xiàn)明顯上升。由試驗所得的去極化電流曲線可知這種差異具有一定的規(guī)律性，隨著油膜老化時間的增加，去極化電流曲線有明顯的上移趨勢，當(dāng)達到800 pA以上時，油膜老化程度達到了試驗老化的后期。

圖5 去極化電流波形

為了驗證極化電流與去極化電流所呈現(xiàn)規(guī)律的有效性，試驗得到了對應(yīng)老化周期的直流電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗，因為電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗常被用來衡量電力設(shè)備的絕緣狀態(tài)。時域中，介質(zhì)的直流電導(dǎo)率攜帶了電介質(zhì)部分絕緣信息，油膜絕緣可以看成是絕緣油和薄膜兩種電介質(zhì)組成的復(fù)合電介質(zhì)，測得的直流電導(dǎo)率是由絕緣油的直流電導(dǎo)率和薄膜的直流電導(dǎo)率兩者組合而成的復(fù)合電導(dǎo)率。而頻域中，介質(zhì)損耗角正切值與測量樣品的大小和形狀沒有關(guān)系，是電介質(zhì)自身的屬性，測試電介質(zhì)損耗角正切值也是電力設(shè)備絕緣試驗的重要項目之一。

圖6 直流電導(dǎo)率

從圖6、圖7可以看出隨著老化周期增加，油膜的直流電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗明顯上升，直流電導(dǎo)率由1×10-15S/m上升至2.5×10-15S/m，而介質(zhì)損耗由0.006 5上升至0.022 0。說明隨著老化周期的增加，油膜的絕緣狀態(tài)在逐漸降低，這一點與通過極化去極化電流判斷油膜老化狀態(tài)的變化規(guī)律是一致的，因此可以利用極化去極化電流判斷油膜老化狀態(tài)。

圖7 介質(zhì)損耗

4 結(jié) 語

通過加速老化沖擊電容器油膜絕緣得到不同老化程度下的油膜，利用極化去極化電流(PDC)測試法，對不同老化程度下的油膜進行了極化去極化電流測試，并通過獲得的極化去極化電流數(shù)據(jù)得到了對應(yīng)油膜的介質(zhì)損耗和直流電導(dǎo)率參數(shù)。試驗結(jié)果表明，加速老化后的油膜與未老化油膜在極化電流、去極化電流衰減速度上有明顯差異。隨著老化程度的加深，極化電流、去極化電流幅值有明顯區(qū)分且呈上升趨勢，得到的介質(zhì)損耗與直流電導(dǎo)率隨油膜老化程度的加深而逐漸增大。試驗表明利用極化去極化電流法可以有效地對沖擊電容器油膜絕緣老化狀態(tài)進行合理的評估。

另外，需要指出的是加速老化油膜時只考慮了電、熱兩種老化因素，且只對油膜進行了研究，實際沖擊電容器絕緣老化過程肯定更加復(fù)雜，利用極化去極化電流對沖擊電容器老化狀態(tài)進行準(zhǔn)確、完備的評估，還需要更多的試驗以及大量的研究。