油浸倒立式電流互感器低溫介電特性研究

楊代勇 敖明 齊朋帥 于群英 孫宇飛

摘要：油浸倒立式電流互感器因其優(yōu)點(diǎn)突出，在電網(wǎng)中應(yīng)用日漸廣泛。為探究油浸倒立式電流互感器主絕緣的低溫介電特性，針對對一臺未投運(yùn)的35kV油浸倒立式電流互感器在低溫環(huán)境下分別進(jìn)行了頻域介電譜測試和工頻損耗因數(shù)及電容量測試。測試結(jié)果表明：不同溫度下的油浸倒立式電流互感器頻域介電譜有先下降后上升趨勢，且當(dāng)溫度降到-40℃以下時(shí)，出現(xiàn)電流互感器的頻域介電譜在低頻段相差很小，幾乎重合的現(xiàn)象;油浸倒立式電流互感器工頻損耗因數(shù)隨試驗(yàn)溫度降低而增大，且變化速率由慢到快，而電容量隨溫度的降低勻速下降。針對測試結(jié)果，從介質(zhì)物理理論角度分析了頻域介電譜、工頻損耗因數(shù)及電容量在低溫下隨溫度變化的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：油浸倒立式電流互感器;低溫;頻域介電譜;工頻損耗因數(shù);介電特性

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.015

中圖分類號：TM835.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2683（2020）02-0111-07

0引言

隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，大容量、遠(yuǎn)距離、高電壓尤其特高壓輸電逐漸成為發(fā)展的方向，對電網(wǎng)中電氣設(shè)備絕緣可靠性的要求也越來越高。電流互感器作為電網(wǎng)中的重要電氣設(shè)備，一次側(cè)與母線相連，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。從目前電流互感器的投運(yùn)數(shù)量來看，倒立式電流互感器在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛。該類型產(chǎn)品區(qū)別于傳統(tǒng)的正立式結(jié)構(gòu)，正立式電流互感器一次繞組呈U型或R型，二次線圈繞在環(huán)形鐵芯上，而倒立式電流互感器一次繞組為短導(dǎo)桿，二次線圈繞在一次導(dǎo)桿上并置于設(shè)備頭部，二次引線通過電容屏套管內(nèi)的鋁管引至設(shè)備底部的接線盒。倒立式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于大大減小了主絕緣因受潮而被擊穿的可能性，但產(chǎn)品的絕緣設(shè)計(jì)和工藝制造難度較大。倒立式電流互感器根據(jù)其絕緣介質(zhì)的不同又可分為SF6氣體絕緣和油紙絕緣兩種。由于SF6絕緣型互感器場強(qiáng)分布不均勻且絕緣氣體泄露影響大氣等缺點(diǎn)，油浸倒立式電流互感器在電網(wǎng)中的應(yīng)用更加廣泛。

隨著油浸倒立式電流互感器投入電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)量越來越多，油浸倒立式電流互感器發(fā)生故障的報(bào)道逐漸增多?，F(xiàn)有的報(bào)道中，油浸倒立式電流互感器的常見故障主要有主絕緣擊穿、電容屏斷裂、金屬膨脹器冒頂?shù)取ａ槍@些故障，目前研究較多的是將已出現(xiàn)問題的互感器退出運(yùn)行并進(jìn)行油色譜檢測、工頻損耗因數(shù)及電容量測試、互感器解體分析等，診斷方法比較單一。近些年以介電響應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)的頻域介電譜法發(fā)展迅速，該方法作為一種無損檢測手段有抗干擾能力強(qiáng)、攜帶信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，被不少研究者用于絕緣材料或電力設(shè)備的狀態(tài)評估與診斷。

油紙絕緣作為油浸倒立式電流互感器的絕緣形式，國內(nèi)外研究者關(guān)注較多的是其高溫介電特性，主要通過加速熱老化試驗(yàn)對油紙絕緣可靠性及壽命進(jìn)行評估。但近些年隨著我國電網(wǎng)的建設(shè)，東北、新疆及內(nèi)蒙古等寒冷地區(qū)高壓、特高壓線路逐漸增多，電力設(shè)備將面臨寒冷環(huán)境的考驗(yàn)，故有必要對油紙絕緣的低溫特性進(jìn)行研究。目前涉及低溫下油紙絕緣介電性能研究的研究報(bào)道較少，徐征宇等人利用自己搭建的高壓低溫試驗(yàn)系統(tǒng)研究了-40℃下油紙絕緣沿面局部放電特性和擊穿特性以及變壓器油的擊穿特性;加拿大學(xué)者研究了低溫下（-10℃）不同微水含量的油紙絕緣的頻域介電譜特性，并通過擬合得到對應(yīng)的德拜模型參數(shù);趙沖等人建立了低溫環(huán)境下油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)介電參數(shù)測試平臺，對不同油紙比例和微水含量下的復(fù)合結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了變化低溫環(huán)境下的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)及擊穿電壓三種介電參數(shù)測試。綜合現(xiàn)有研究，研究對象主要涉及變壓器油、油浸紙板或油紙絕緣結(jié)構(gòu)，而針對整臺電力設(shè)備主絕緣的低溫介電特性研究未見報(bào)道。

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，對一臺未投入運(yùn)行的35kV電壓等級的油浸倒立式電流互感器在低溫環(huán)境下分別進(jìn)行了頻域介電譜測試和工頻損耗因數(shù)及電容量測試。針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文從介質(zhì)物理理論角度分析了頻域介電譜及工頻損耗因數(shù)及電容量在低溫下隨溫度變化規(guī)律。本文的測試結(jié)果對油紙絕緣電力設(shè)備低溫特性研究有一定的參考價(jià)值。

1 油紙絕緣介電特性

1.1 介質(zhì)頻域介電理論

介質(zhì)極化現(xiàn)象可由多個(gè)電阻和電容并聯(lián)或串聯(lián)支路等效，在不同頻率范圍（1mHz～1kHz）的交變電場作用下，電介質(zhì)兩端施加的電壓U（ω，T）與其流過的電流I（ω，T）有如下關(guān)系

I（ω，T）=jωC*（ω，T）U（ω，T） （1）

式中：ω為測試電源的角頻率;C*為電介質(zhì)復(fù)電容;T為測試溫度。

復(fù)電容C*表示材料的介電性能，可以由電容實(shí)部C與電容虛部C”表示為

式中，C₀為真空電容常數(shù);ε'為復(fù)介電常數(shù)實(shí)部，與相對介電常數(shù)有相同含義;ε”為復(fù)介電常數(shù)虛部，表征電介質(zhì)松弛極化引起能量損失的大小;δ₀為電介質(zhì)的體積電導(dǎo)率;ε₀為真空下的相對介電常數(shù)。式中，ε*為復(fù)介電常數(shù);ε_s為恒定電場下靜態(tài)介電常數(shù);ε_∞為光頻相對介電常數(shù)，與介質(zhì)瞬時(shí)位移極化相關(guān);τ為松弛時(shí)間常數(shù)，與材料的特性和環(huán)境溫度有關(guān)。

由此可得介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ：

上述理論為僅考慮帶有損耗的典型德拜模型時(shí)成立。

1.2 介質(zhì)介電特性的溫度特性

溫度較低時(shí)，極性分子熱運(yùn)動很弱，介質(zhì)松弛時(shí)間很長來不及隨外加交變電場定向，松弛極化來不及建立，這時(shí)僅存在位移極化，不產(chǎn)生松弛損耗，介質(zhì)損耗與介質(zhì)損耗因數(shù)都較小，相對介電常數(shù)ε_r趨近于光頻介電常數(shù)ε_∞。

2 油浸倒立式電流互感器低溫介電特性測試

本文中被測試樣為未投入運(yùn)行的35kV電壓等級的油浸倒立式電流互感器，型號為LVBI-35，具體參數(shù)如表1所示。

2.1 頻域介電譜測試

本文頻域介電譜測試設(shè)備選用IDAX-300絕緣診斷分析儀，該設(shè)備可以在頻率為0.1mHz-10kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行測試，提供的最高測試電壓（峰值）為200V，其測試原理如圖l所示。

測試時(shí)將絕緣診斷分析儀IDAX-300與步入式高電壓高低溫試驗(yàn)箱配合構(gòu)成低溫測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)溫范圍為-60～60℃，測試過程如下。

1）首先將被測的油浸倒立式電流互感器置于步進(jìn)式高電壓高低溫試驗(yàn)箱，將互感器的二次側(cè)接線端子全部短接并接地，同時(shí)斷開末屏與地的連接。

2）分別將絕緣診斷分析儀IDAX300的輸出激勵電壓端和測量端接在互感器的一次側(cè)接線端子和末屏端，測試示意圖如圖2所示，圖中Output為設(shè)備輸出激勵電壓端，Input為測量端，Ground為保護(hù)接地及屏蔽端。

3）選擇測試頻率范圍為1mHz-10kHz，設(shè)定初始測試溫度為60℃，當(dāng)溫度穩(wěn)定后開始測試該溫度下試樣的頻域介電譜。

4）開始降溫，每降10℃重復(fù)步驟4進(jìn)行一次測試，當(dāng)溫度為-60℃時(shí)測試完成。為保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，試驗(yàn)實(shí)行連續(xù)降溫模式，且每次達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)維持恒溫5h后才進(jìn)行測試。

2.2 工頻介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量測試

測試時(shí)所用設(shè)備為AI-6000（D型）自動抗干擾精密介質(zhì)損耗測量儀，配合調(diào)壓器與步入式高電壓高低溫試驗(yàn)箱構(gòu)成低溫工頻介質(zhì)損耗因數(shù)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)-60-60℃溫度范圍內(nèi)不同測試電壓下工頻介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量的測試，測試過程如下。

1）將被測的油浸倒立式電流互感器置于步進(jìn)式高電壓高低溫試驗(yàn)箱，將互感器的二次側(cè)接線端子全部短接并接地，同時(shí)斷開末屏與地的連接。

2）將互感器的一次側(cè)接線端子與升壓器輸出端相接，將末屏端與介質(zhì)損耗測量儀的試品輸入端相接，測試接線如圖3所示。

4）設(shè)置初始測試溫度力60℃，當(dāng)溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)調(diào)壓器分別測試升壓及降壓過程中不同測試電壓下試品的工頻介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量。

5）開始降溫，每降10℃重復(fù)步驟4進(jìn)行一次測試，當(dāng)溫度為-60℃時(shí)測試完成。為保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，試驗(yàn)實(shí)行連續(xù)降溫模式，且每次達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)維持恒溫5h后才進(jìn)行測試。

3 測試結(jié)果分析與討論

3.1 低溫條件下互感器的頻域介電譜曲線

測試時(shí)降溫梯度為10℃，為使測試結(jié)果顯示更加清晰，設(shè)置溫度間隔為20℃，不同溫度下互感器的頻域介電譜譜曲線變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看出，低溫環(huán)境下互感器的頻域介電譜曲線有一定的變化規(guī)律。就單一曲線來看（固定溫度不變），互感器頻域介電譜有先下降后上升趨勢，呈“U”型，在某一頻率點(diǎn)處出現(xiàn)極小值。由電介質(zhì)理論可知，在低頻區(qū)即ωτ<<1（ω為角頻率，τ為松弛時(shí)間，下同），極化完全能跟得上電場的變化，介質(zhì)中電導(dǎo)損耗起主導(dǎo)作用，此時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）與角頻率的倒數(shù)（1/ω）近似呈正相關(guān)，故tanδ隨頻率的升高而降低;隨著頻率增加進(jìn)入松弛區(qū)即ωτ≈1，此時(shí)松弛極化損耗占主導(dǎo)地位，由于頻率的增加，松弛極化逐漸跟不上電場的變化，導(dǎo)致?lián)p耗也增加，tanτ會出現(xiàn)峰值;在高頻區(qū)即ωτ>>1，松弛極化來不及建立，介質(zhì)極化完全由位移極化所貢獻(xiàn)，所以每個(gè)周期內(nèi)引起的損耗減少，但隨著頻率增加每秒內(nèi)的周期數(shù)增加，使得介質(zhì)損耗有所增加。由于測試溫度不高，松弛時(shí)間T較大，選取的頻率范圍（1mHz～10kHz）落在了松弛區(qū)靠近高頻一側(cè)，所以在圖4中未見tanδ峰值。

當(dāng)測試溫度變化時(shí)，由圖4可以看出，在低頻區(qū)介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的升高而增大;隨著頻率增大，在高頻區(qū)介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的升高而減小。在低頻區(qū)域認(rèn)為油紙絕緣損耗以電導(dǎo)損耗為主，在高頻區(qū)域認(rèn)為損耗以極化損耗為主，而在中頻區(qū)損耗則是電導(dǎo)和極化共同作用。溫度升高，使導(dǎo)電粒子平均動能增加，導(dǎo)電粒子運(yùn)動速度變快，遷移率增大，試樣的電導(dǎo)率變大，由于電導(dǎo)損耗在較低頻率下對介質(zhì)損耗因數(shù)貢獻(xiàn)較大，隨頻率升高影響逐漸減弱;在高頻階段由于油紙絕緣試樣以松弛極化損耗為主，溫度越高使得分子的熱運(yùn)動越劇烈，阻礙偶極子在電場方向的定向，溫度越高松弛損耗反而減小，溫度越低松弛損耗反而增大，因此在高頻段出現(xiàn)了測試溫度越低介質(zhì)損耗因數(shù)越高的現(xiàn)象。值得注意的是當(dāng)溫度降到-40℃以下時(shí)，互感器的頻域介電譜在低頻段相差很小，幾乎重合，主要原因?yàn)榛ジ衅魉媒^緣油為45#變壓器油，當(dāng)測試溫度過低時(shí)絕緣油接近凝固點(diǎn)，此時(shí)松弛極化極弱，由式（3）與式（4）可知，此時(shí)tanδ≈δ₀/ωε₀，松弛極化影響很小，因此-40℃、-60℃曲線與-20℃在低頻段趨于重合。

3.2 低溫條件下互感器工頻損耗因數(shù)及電容量測試結(jié)果

互感器工頻介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量的測量采用先升壓后降壓的測試方式，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可以看出，當(dāng)溫度不變時(shí)，被測試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量基本不隨試驗(yàn)電壓的變化而變化，近似為一條水平的直線，且升壓與降壓兩個(gè)過程的曲線幾乎重合。有研究者給出并解釋了油浸倒立式電流互感器介質(zhì)損耗因數(shù)隨試驗(yàn)電壓變化的特征曲線，如圖7所示。對比本文測試結(jié)果，說明被測互感器絕緣狀態(tài)良好，主絕緣內(nèi)部無局部放電、受潮或摻有雜質(zhì)等跡象，符合被測互感器未投運(yùn)的工況，也與文獻(xiàn)的測試結(jié)果具有一致性。

對比圖5與圖6發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)電壓不變時(shí)，被測試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)與電容量隨溫度的變化趨勢與變化速率都不同，為進(jìn)一步說明，分別繪制被測試樣主絕緣工頻損耗因數(shù)與電容量隨溫度及試驗(yàn)電壓變化關(guān)系三維圖。

圖8、圖9所示分別為被測試樣工頻損耗因數(shù)與電容量隨溫度及試驗(yàn)電壓變化關(guān)系三維圖。由圖8可以看出，被測試樣主絕緣工頻損耗因數(shù)隨試驗(yàn)溫度的降低而增大，且變化速率由慢到快。以0℃為界限，測試溫度大于0℃時(shí)，工頻損耗因數(shù)隨溫度變化很小，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，工頻損耗因數(shù)隨溫度降低快速增大，尤其測試溫度達(dá)到-50℃時(shí)，損耗因數(shù)成倍增大。溫度的變化一方面影響油紙絕緣中極性分子的熱運(yùn)動，另一方面影響介質(zhì)中油水平衡。降溫初期（60℃→0℃），極性分子熱運(yùn)動由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱逐漸進(jìn)人凍結(jié)狀態(tài)，與熱運(yùn)動相關(guān)的松弛極化建立由易到難，介質(zhì)損耗因數(shù)增大但不明顯，此時(shí)油中水分也會慢慢析出吸附在絕緣紙板邊緣，但此時(shí)水分析出速度較慢影響較小。繼續(xù)降溫（0→-60℃），絕緣紙板邊緣水分繼續(xù)集聚，隨著溫度降到零下而進(jìn)人凍結(jié)狀態(tài)，使得損耗因數(shù)急劇增大。由圖9可以看出被測互感器電容量隨溫度的變化近似呈線性變化趨勢。降溫初期，分子熱運(yùn)動較強(qiáng)，與熱運(yùn)動相關(guān)的松弛極化得以建立，對應(yīng)的電容量較大，隨著試驗(yàn)溫度繼續(xù)下降，極性分子熱運(yùn)動減弱，最后呈現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)，此時(shí)僅存在電子位移極化，故電容量較小。

4 結(jié)論

為探究油浸倒立式電流互感器主絕緣的低溫介電特性，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，對一臺未投入運(yùn)行的35kv電壓等級的油浸倒立式電流互感器在低溫環(huán)境下分別進(jìn)行了頻域介電譜測試和工頻損耗因數(shù)及電容量測試，結(jié)果如下。

1）不同溫度下的油浸倒立式電流互感器頻域介電譜有先下降后上升趨勢，呈“U”型;當(dāng)溫度降到-40℃C以下時(shí)，出現(xiàn)頻域介電譜在低頻段相差很小，幾乎重合的低溫特性。

2）未投運(yùn)的油浸倒立式電流互感器主絕緣工頻損耗因數(shù)及電容量隨試驗(yàn)電壓變化極小，說明被測試樣絕緣狀態(tài)良好，該方法可用于互感器絕緣狀態(tài)診斷。

3）油浸倒立式電流互感器工頻電容量隨溫度的降低勻速下降，而工頻損耗因數(shù)隨試驗(yàn)溫度降低而增大，且變化速率由慢到快，檢修部門應(yīng)加強(qiáng)低溫下設(shè)備工頻損耗因數(shù)的檢測，以防發(fā)生故障。

本文主要對一臺剛出廠未投入運(yùn)行的油浸倒立式電流互感器做了一系列低溫介電性能測試，并得出了其低溫介電特性的一些規(guī)律。但由于被測互感器為新試樣，缺少對比，對實(shí)際運(yùn)行中的互感器參考價(jià)值較低，這是本文的局限性。下一步，課題組將對互感器進(jìn)行預(yù)埋缺陷處理或加速老化模擬實(shí)際運(yùn)行中的互感器，然后對其進(jìn)行測試，深入探究油浸倒立式電流互感器的低溫介電性能。