極化去極化電流法極化參量對(duì)電力電容器絕緣狀態(tài)的影響

王 鑫,張晨萌2,劉渝根, 譚思文3,孫鵬宇

(1.輸配電裝備系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院 四川 成都 610041;3.國(guó)網(wǎng)德陽供電公司 四川 德陽 618000)

0 引 言

電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛等，扮演著濾波、載波和高頻保護(hù)等多種角色[1-4]電力電容器長(zhǎng)期處于溫度高、場(chǎng)強(qiáng)高的狀態(tài)，受到諧波電流、過電壓、過負(fù)載等因素影響，內(nèi)部絕緣狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)一定程度的劣化，使電網(wǎng)正常運(yùn)行受到威脅[5-8]。所以，找到成熟高效的電力電容器絕緣檢測(cè)手段顯得十分必要。

電容值作為電力電容器主要的電氣參數(shù)，在一定程度上可以反映電力電容器的絕緣狀態(tài)。電容值的減小，可判斷是內(nèi)部元件有斷虛焊、松脫造成；電容值的增大，可判斷是由于電力電容器內(nèi)部某些串、并聯(lián)單元被擊穿所引起的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力電容器實(shí)測(cè)電容與其額定電容相差應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)(一般為-5%～+5%，不同類型電容器偏差范圍要求不同)[9]。如今，主要通過化學(xué)方法[10]、電方法[11]對(duì)其進(jìn)行絕緣判斷，其中包含電容器極間絕緣檢測(cè)、油中氣體組分分析、微水濃度分析、局部放電參量檢測(cè)等一系列手段。就化學(xué)方法而言，油中溶解氣體分析法已廣泛使用，但由于實(shí)驗(yàn)材料取樣困難，不易現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。局部放電檢測(cè)法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電容器內(nèi)部集中性缺陷的定量檢測(cè)，但由于電容器電容值較大，限制了局部放電檢測(cè)的靈敏度，且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在干擾，限制了電容器局部放電檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

近些年來，基于時(shí)域介電響應(yīng)的極化去極化電流法(polarization-depolarization current，PDC)作為一種新型的電力設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估方法開始受到各國(guó)學(xué)者的重視[12-13]。該方法利用測(cè)試所得的極化去極化電流推導(dǎo)出決定電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的參量，可以有效對(duì)其老化程度進(jìn)行判斷。同時(shí)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(cè)量方法。文獻(xiàn)[14]利用PDC法對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行了沒有損耗的檢測(cè)，研究結(jié)果證實(shí)了極化去極化電流檢測(cè)方法能夠有效反映XLPE電纜的絕緣特性。文獻(xiàn)[15]利用極化去極化電流法提出了用極化電導(dǎo)率來衡量油紙絕緣的老化情況，在不同溫度下，其利用PDC法測(cè)試所得的極化去極化電流，推導(dǎo)出了油紙絕緣的極化電導(dǎo)率。文獻(xiàn)[16]通過PDC法分析了油紙絕緣中水分含量與其PDC中的參數(shù)聯(lián)系。上述研究表明，利用極化去極化電流法可以有效反映試品的絕緣狀態(tài)。但目前極化去極化電流測(cè)試法多在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)絕緣介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，利用該方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的測(cè)試，特別是對(duì)電力電容器的測(cè)試尚缺乏研究。

下面，首先分析了極化去極化電流法的測(cè)試原理，其次利用測(cè)試的極化去極化電流推導(dǎo)出決定電容器絕緣狀態(tài)的兩個(gè)特征參量，即直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介損；再基于該方法理論，研究了在不同極化電壓和不同極化去極化時(shí)間下，電力電容器的絕緣狀態(tài)兩個(gè)特征參量的差異；提出了利用極化去極化電流來檢測(cè)電力電容器絕緣狀態(tài)，并分析極化參量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

1 極化去極化電流法原理和測(cè)試方法

1.1 極化去極化電流法原理

外加電場(chǎng)E(t)作用在電力電容器上，則此時(shí)電力電容器介質(zhì)材料內(nèi)部的全電流為

(1)

式中：i(t)為極化全電流；C0為電介質(zhì)試驗(yàn)樣品的幾何電容；σ0為電介質(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)；f(t)為電介質(zhì)極化響應(yīng)函數(shù)，其隨著時(shí)間連續(xù)衰減，衰減的速度和電介質(zhì)的組成、構(gòu)成以及外界因素有關(guān)。

通過式(1)可知，當(dāng)電力電容器兩端通電，其電介質(zhì)進(jìn)入極化過程，此時(shí)極化電流為

(2)

當(dāng)進(jìn)入去極化過程，即電力電容器兩端短接，此時(shí)回路電流是去極化電流。

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

(3)

式中，td表示極化時(shí)間。

利用設(shè)備測(cè)試所得PDC電流推導(dǎo)出表征電力電容器絕緣參量之一的直流電導(dǎo)率。

(4)

式中，σ0即為電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的其中一個(gè)特征參量。

其次，通過傅立葉變換得到頻域中的全電流表達(dá)式，為

(5)

式中，F(xiàn)(ω)是將電力電容器內(nèi)部電介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)f(t)利用傅立葉變換表示的復(fù)數(shù)形式。

F(ω)=χ′(ω)-jχ″(ω)

(6)

將式(6)代入式(5)，全電流的頻域表達(dá)式可改寫為

(7)

則可以得到介質(zhì)損耗角正切值為

(8)

1.2 極化去極化電流測(cè)試方法

圖1為電力電容器極化去極化電流波形。

圖1 極化去極化電流曲線

實(shí)驗(yàn)基于極化去極化電流法測(cè)試平臺(tái)，該測(cè)試平臺(tái)的原理如圖2所示。

圖2 測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)中將開關(guān)打向S1，此時(shí)整個(gè)回路進(jìn)入極化階段，利用直流電源為電力電容器提供極化電壓，其內(nèi)部電介質(zhì)開始極化，并通過回路中的皮安表記錄極化電流值。極化時(shí)間人為設(shè)定，極化階段結(jié)束后，開關(guān)自動(dòng)從S1打向S2，此時(shí)回路中無直流電源，充電完成的電力電容器會(huì)對(duì)回路進(jìn)行放電，進(jìn)入去極化階段，同樣采用皮安表記錄此時(shí)的去極化電流。

2 基于極化去極化電流法的電容器絕緣狀態(tài)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)試品

測(cè)試電容器為全膜型電力電容器，內(nèi)部采用3個(gè)芯子并聯(lián)后兩組串聯(lián)形式。雙面粗化聚丙烯薄膜厚度為12 μm，絕緣油為芐基甲苯油。樣品額定電壓為12 kV，電容量為0.6 μF。圖3為測(cè)試電容器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 試驗(yàn)電容器

2.2 不同極化電壓下PDC曲線

為了對(duì)電力電容器絕緣狀態(tài)參量進(jìn)行計(jì)算，需要把時(shí)域PDC數(shù)據(jù)利用傅立葉變換到頻率，故利用不同極化電壓來檢測(cè)其油膜絕緣結(jié)構(gòu)的線性特性。試驗(yàn)分別選取200 V、500 V、800 V三種極化電壓值，進(jìn)行電力電容器極化去極化電流曲線測(cè)試，極化去極化時(shí)間均選為360 s。每一種電壓等級(jí)下，重復(fù)測(cè)量PDC電流曲線10次并取其平均值。每?jī)纱卧囼?yàn)間隔時(shí)間為5 min，每次試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品進(jìn)行放電。各個(gè)電壓等級(jí)下的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同電壓下極化去極化電流曲線

從圖4所示的測(cè)試結(jié)果分析，在不同極化電壓等級(jí)下，極化和去極化電流曲線都受到了一定的影響。從PDC電流幅值角度出發(fā)，可以看出隨著極化電壓的不斷攀升，PDC電流幅值也不斷越大，而對(duì)極化去極化電流衰減趨勢(shì)沒有影響，體現(xiàn)了電力電容器油膜絕緣結(jié)構(gòu)具有良好的線性特性。

根據(jù)測(cè)試所得的極化去極化電流曲線，推導(dǎo)出了被測(cè)電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介損損耗，并取其平均值，如表1所示。

表1 不同極化電壓下電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介損損耗

圖5、圖6可以更加直觀地表現(xiàn)不同電壓等級(jí)下，電力電容器直流電導(dǎo)率的變化。

圖5 不同極化電壓下的電力電容器直流電導(dǎo)率

從圖5、圖6中可知，在不同極化電壓等級(jí)下，被測(cè)電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介損損耗沒有明顯變化，相鄰電壓等級(jí)下變化不超過5%，趨近于一條直線。表明了極化電壓的變化對(duì)于極化去極化電流法檢測(cè)電力電容器絕緣狀態(tài)沒有顯著影響。

圖6 不同極化電壓下電力電容器0.1 Hz介質(zhì)損耗

2.3 不同極化去極化時(shí)間下PDC曲線

由介電響應(yīng)理論可知，電介質(zhì)絕緣材料極化過程充分與否取決于極化時(shí)間，極化過程越充分，對(duì)于極化過程中的信息記憶更為清楚，此現(xiàn)象為“記憶效應(yīng)”，其有利于基于PDC對(duì)電力電容器絕緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。分別設(shè)置90 s、180 s、360 s不同極化去極化時(shí)間，進(jìn)行電力電容器極化去極化電流曲線測(cè)試，極化電壓均選為500 V。在任一極化去極化時(shí)間下，重復(fù)進(jìn)行極化去極化電流曲線測(cè)試10次，并取極化去極化電流平均值作為測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。同樣，每?jī)纱卧囼?yàn)間隔時(shí)間為5 min，每次試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品進(jìn)行放電。

從如圖7所示測(cè)試結(jié)果分析可得，在不同極化去極化時(shí)間下，極化電流曲線隨著時(shí)間的增長(zhǎng)趨近于一個(gè)穩(wěn)定的值，不同極化時(shí)間下極化電流曲線在同一時(shí)間段內(nèi)幾乎重合；而去極化電流曲線在前60 s內(nèi)幾乎重合，隨著去極化時(shí)間的增加，去極化電流時(shí)間長(zhǎng)的曲線有上移趨勢(shì)，說明去極化過程更為充分時(shí)可以使得電介質(zhì)產(chǎn)生更多的束縛電荷來降低去極化電流的衰減程度。

圖7 不同極化去極化時(shí)間下PDC電流曲線

同理由測(cè)試所得的極化去極化電流曲線，可推導(dǎo)出此時(shí)被測(cè)電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗，其平均值如表2所示。

表2 不同極化去極化時(shí)間下電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗

更加直觀體現(xiàn)不同極化去極化時(shí)間下電力電容器直流電導(dǎo)率的變化，如圖8、圖9所示。

同樣，從圖8、圖9可得：在不同極化去極化時(shí)間下，被測(cè)電力電容器直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗并未發(fā)生明顯變化，相鄰不同極化去極化時(shí)間下，其兩個(gè)絕緣參量變化不超過5%，趨近于一條直線。這表明了PDC法中極化去極化時(shí)間不同(極化時(shí)間大于等于90 s)對(duì)于其檢測(cè)電力電容器絕緣狀態(tài)沒有顯著影響。

圖8 不同極化去極化時(shí)間下的電力電容器直流電導(dǎo)率

圖9 不同極化去極化時(shí)間下電力電容器0.1 Hz介質(zhì)損耗

3 結(jié) 論

通過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)利用極化去極化電流法來檢測(cè)電力電容器的絕緣狀態(tài)，其決定性的兩個(gè)特征參量為直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗。

2)測(cè)試表明在不同極化電壓下，隨著極化電壓的提升，極化去極化電流幅值越大，但對(duì)極化去極化電流衰減趨勢(shì)沒有影響，直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗沒有發(fā)生顯著的變化。

3)測(cè)試表明在不同極化去極化時(shí)間下：極化電流曲線趨近于一個(gè)穩(wěn)定的值，不同極化時(shí)間下極化電流曲線在同一時(shí)間段內(nèi)幾乎重合；而去極化電流曲線在前60 s內(nèi)幾乎重合，隨著去極化時(shí)間的增加，去極化電流時(shí)間長(zhǎng)的曲線有上移趨勢(shì)。由此可得在不同極化去極化時(shí)間下，直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗也沒有發(fā)生顯著變化。

綜上所述，在不同極化電壓和不同極化去極化時(shí)間下，電力電容器的極化、去極化電流都有不同程度的差異，絕緣狀態(tài)參量直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗卻沒有發(fā)生顯著的變化。所以利用極化去極化電流法能夠無損檢測(cè)電力電容器的絕緣狀態(tài)。