時(shí)變溫度下牽引變壓器油紙絕緣介電響應(yīng)研究

周利軍，陳雪驕，王東陽，劉偉迪，李會(huì)澤

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)中的核心設(shè)備[1-4]，絕緣性能的好壞是決定牽引變壓器能否安全運(yùn)行的主要因素之一，因此需要對牽引變壓器進(jìn)行有效的絕緣性能診斷。

針對牽引變壓器絕緣狀態(tài)的檢驗(yàn)，主要是利用“天窗”時(shí)間進(jìn)行定期的離線檢修與預(yù)防性絕緣試驗(yàn)，牽引變壓器檢修規(guī)程的制定基本上都是參照電力部門對變壓器的管理措施，除此之外還可以通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對牽引變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，離線檢修時(shí)主要進(jìn)行絕緣電阻、工頻介損等電氣參數(shù)的測試[5-7]，而絕緣電阻、工頻介損等電氣參數(shù)包含的信息量少，只能對變壓器的絕緣狀態(tài)進(jìn)行整體上的評判，不能具體評估變壓器的老化狀態(tài)，特別是上述參數(shù)對絕緣中水分含量的變化敏感性較差，當(dāng)檢測值發(fā)生明顯變化時(shí)絕緣往往已經(jīng)嚴(yán)重受潮。近年來，頻域介電響應(yīng)法由于具有測量頻帶窄、受噪聲干擾程度小、所需實(shí)驗(yàn)電源電壓低、攜帶信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，受到相關(guān)學(xué)者與機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注與研究[8-9]。變壓器絕緣的介電參數(shù)隨老化或受潮而發(fā)生明顯變化[10-12]，頻域介電響應(yīng)法正是以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)場進(jìn)行變壓器頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，油紙絕緣系統(tǒng)的溫度受氣溫變化、初始油溫、停運(yùn)時(shí)間等多個(gè)因素的影響，測試結(jié)果受溫度的影響較為明顯[13-17]。對普通電力變壓器進(jìn)行測試時(shí)，先將其離線處理，待其溫度與外界環(huán)境溫度平衡后再進(jìn)行測試，以降低溫度影響，而離線時(shí)間與變壓器容量相關(guān)，一般至少10 h。然而，牽引變壓器的“天窗”有效時(shí)間只有2 h左右，因此牽引變壓器無法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，致使對牽引變壓器進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，絕緣始終處于動(dòng)態(tài)、時(shí)變溫度狀態(tài)下，而時(shí)變溫度下牽引變壓器油紙絕緣頻域介電響應(yīng)特性尚無明確的研究，因此為了提高牽引變壓器油紙絕緣狀態(tài)診斷的準(zhǔn)確性，急需研究時(shí)變溫度下變壓器油紙絕緣頻域介電響應(yīng)特性。

針對上述實(shí)際工程中存在的問題，本文搭建時(shí)變溫度下油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測試系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)變壓器、油隙(絕緣油)以及油浸紙?jiān)嚇拥念l域介電響應(yīng)測試，得到時(shí)變溫度對油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測量結(jié)果的影響特征，結(jié)合不同溫度下油紙絕緣的離子遷移率與直流電導(dǎo)率的測試結(jié)果，討論分析并得到了時(shí)變溫度對牽引變壓器油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測試影響的主要原因，為時(shí)變溫度下的測試結(jié)果校正提供了研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

牽引變壓器內(nèi)絕緣由油隙和油浸紙(板)構(gòu)成，因此為了能夠更加明確的研究時(shí)變溫度下牽引變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的頻域介電響應(yīng)特性，分別對試驗(yàn)變壓器、油隙以及油浸紙進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于牽引變壓器油紙絕緣中的載流子主要為雜質(zhì)分子電離形成，為了更好研究溫度對牽引變壓器油紙絕緣影響的原因，測試了不同溫度下油隙和油浸紙的離子遷移率與直流電導(dǎo)率。

1.1 試驗(yàn)變壓器測試

如圖1所示，試驗(yàn)變壓器測試起始溫度為70 ℃，通過內(nèi)置溫度傳感器記錄試驗(yàn)變壓器內(nèi)部溫度變化，當(dāng)試驗(yàn)變壓器內(nèi)部溫度達(dá)到70 ℃時(shí)停止加熱，通過控制不同的室內(nèi)溫度來模擬實(shí)際中的降溫速度，通過溫度傳感器記錄試驗(yàn)變壓器油紙絕緣的溫度變化情況，如圖2所示。試驗(yàn)變壓器在不同環(huán)境溫度下的溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz頻率范圍內(nèi)對試驗(yàn)變壓器進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試，測試電壓為100 V。

圖1 時(shí)變溫度下實(shí)驗(yàn)變壓器測試

圖2 實(shí)驗(yàn)變壓器溫度變化情況

1.2 油紙絕緣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為時(shí)變溫度下油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測試圖。聚酯薄膜環(huán)外徑為40 mm，內(nèi)徑為12 mm，厚度為0.3 mm，能夠在電壓電極與測量電極之間構(gòu)成0.3 mm的油隙。用于測量的測量電極和電壓電極均為光滑平整的電極板，以此產(chǎn)生空間均勻電場。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)所用樣品均未老化，其中絕緣油為25號(hào)克拉瑪依變壓器礦物絕緣油，絕緣紙為厚度為0.3 mm的普通牛皮絕緣紙。實(shí)驗(yàn)前將絕緣紙剪成半徑為45 mm的圓形紙板，將圓形紙板放入真空干燥箱中，在90 ℃下干燥48 h，將干燥后的圓形紙板通過卡式滴定法測得水分含量約為0.5%。將絕緣油真空脫氣，在40 ℃下干燥至水分含量為11×10-6(油中水分測試參照GB/T 7600—2014[18]，電氣性能滿足IEC 60296—2003[19]和ASTM D3487—2000[20])。制作油浸紙?jiān)嚇訒r(shí)，將經(jīng)過預(yù)處理后的絕緣紙和絕緣油置入干燥的燒杯中，在40 ℃/50 Pa的環(huán)境下浸油24 h，使絕緣紙浸油充分。

1.4 時(shí)變溫度下油隙的頻域介電譜測試

絕緣油測試的起始溫度為50 ℃，利用溫箱將溫度升高到50 ℃，測試前將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在溫度箱中靜置24 h。進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，通過改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱條件獲得不同的溫度變化情況。通過內(nèi)置于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的溫度傳感器記錄測試時(shí)的溫度變化情況，如圖4所示。3種溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz頻率范圍內(nèi)對油隙進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試，為模擬實(shí)際場強(qiáng)，測試所加電壓為10 V。

圖4 絕緣油溫度變化情況

1.5 時(shí)變溫度下油浸紙的頻域介電譜測試

油浸紙測試的起始溫度為60 ℃，利用溫箱將溫度升高至60 ℃，測試前將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在溫度箱中靜置24 h。進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，通過改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱條件獲得不同的溫度變化情況。通過內(nèi)置于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的溫度傳感器記錄測試時(shí)的溫度變化情況，如圖5所示。3種溫度變化率分別為0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300測試油浸紙?jiān)?0-3～103Hz頻率范圍內(nèi)的頻域介電響應(yīng)，測試所加電壓同樣為10 V。

圖5 油浸紙溫度變化情況

1.6 時(shí)變溫度下的電流測試

如圖6所示，對時(shí)變溫度下流過試樣的電流進(jìn)行測試，測試的起始溫度為50 ℃，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器對試樣施加幅值為10 V、頻率為10-3Hz的正弦電壓，利用HB-321微電流測試儀測試3種不同溫度變化情況下流過試樣的電流。

圖6 微電流測試圖

1.7 油紙絕緣離子遷移率的測試

根據(jù)文獻(xiàn)[21]中測試方法，分別測試30、50、75 ℃下絕緣油和油浸紙的離子遷移率。利用溫箱控制測試時(shí)的溫度，根據(jù)圖6連接測試回路，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器在油紙絕緣試樣兩端施加一個(gè)幅值為10 V的階躍電壓Uc，持續(xù)一段時(shí)間t=tc后反轉(zhuǎn)電壓極性，由于電流達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間至少需要400 s[21]，因此本文取tc=1 200 s。利用HB-321微電流測試儀測量極性反轉(zhuǎn)后回路電路中的電流，記錄極性反轉(zhuǎn)后瞬時(shí)電流出現(xiàn)峰值的時(shí)間tTOF(即離子遷移時(shí)間)，圖7為極性反轉(zhuǎn)測試過程中的電流變化示意圖，可計(jì)算出離子遷移率[22]為

( 1 )

式中：d為電壓電極與測量電極之間的距離，m；Uc為施加的階躍電壓值，V；tTOF為遷移時(shí)間，s。

圖7 極性反轉(zhuǎn)測試過程中的電流變化示意圖

1.8 油紙絕緣直流電導(dǎo)率的測試

根據(jù)IEC 60247:2004標(biāo)準(zhǔn)[23]，可計(jì)算出絕緣油和油浸紙的電導(dǎo)率為

( 2 )

式中：i(t)為t時(shí)刻的電流值，A；S為測試電極的面積，m2。

由圖7可知，不同時(shí)刻下的電流值求出的直流電導(dǎo)率是不同的，根據(jù)IEC 60247:2004標(biāo)準(zhǔn)，t=1 s時(shí)的電流值計(jì)算出的直流電導(dǎo)率為初始電導(dǎo)率。因此本文分別根據(jù)30、50、75 ℃下t=1 s時(shí)的電流值計(jì)算得到3種溫度情況下絕緣油和油浸紙的初始電導(dǎo)率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)變壓器頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果

圖8為時(shí)變溫度下試驗(yàn)變壓器頻域介電響應(yīng)測試所得的復(fù)電容。圖8表明，測試頻率為高頻時(shí)，測試結(jié)果不受溫度的影響，當(dāng)測試頻率下降到中頻段時(shí)，測試結(jié)果開始發(fā)生畸變，當(dāng)測試頻段變?yōu)榈皖l段時(shí)，不同溫度變化率下的測試結(jié)果的區(qū)分度更加明顯，同時(shí)溫度變化率越大，測試結(jié)果發(fā)生畸變的頻率向高頻方向移動(dòng)，同時(shí)測試結(jié)果的畸變程度也更加明顯。

圖8 試驗(yàn)變壓器復(fù)電容

2.2 絕緣油頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果

圖9為絕緣油頻域介電響應(yīng)測試所得的復(fù)電容。圖9表明，測試頻率為高頻時(shí)，測試結(jié)果不受溫度的影響，與起始溫度下的測試結(jié)果一致，當(dāng)測試頻率下降到中頻段時(shí)，測試結(jié)果開始減小，且測試頻率越低，各測試曲線的區(qū)分度愈加明顯。同時(shí)溫度變化率越大，測試結(jié)果出現(xiàn)畸變的頻率向高頻方向平移且畸變的程度越明顯。

圖9 絕緣油復(fù)電容

2.3 油浸紙頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果

圖10為油浸紙頻域介電響應(yīng)測試所得的復(fù)電容。由圖10可以看出，測試頻率為高頻時(shí)，測試結(jié)果不受溫度的影響，與起始溫度下的測試結(jié)果一致，測試頻率下降到中頻段時(shí)，測試結(jié)果開始減小，且測試頻率越低，各測試曲線的區(qū)分度愈加明顯。同時(shí)溫度變化率越大，測試結(jié)果出現(xiàn)畸變的頻率向高頻方向平移且畸變的程度越明顯。

2.4 時(shí)變溫度下電流測試結(jié)果

圖11所示為時(shí)變溫度下電流測試結(jié)果。由圖11可知，在剛開始測試的150 s內(nèi)，不同溫度變化率下的電流沒有發(fā)生變化，150 s后電流測試結(jié)果開始發(fā)生變化，500 s后3種不同溫度變化情況下的電流已經(jīng)出現(xiàn)明顯變化。隨著測試時(shí)間的增加，電流幅值逐漸減小，電流相位逐漸增大，且溫度變化率越大，電流幅值減小程度和電流相位增大程度越明顯。

圖11 不同溫度下的電流

2.5 油紙絕緣離子遷移率測試結(jié)果

表1為不同溫度下絕緣油中離子遷移率的測試結(jié)果，表2為不同溫度下油浸紙中離子遷移率的測試結(jié)果。

表1 絕緣油的離子遷移率

表2 油浸紙的離子遷移率

2.6 油紙絕緣直流電導(dǎo)率測試結(jié)果

表3為不同溫度下絕緣油初始直流電導(dǎo)率的測試結(jié)果，表4為不同溫度下油浸紙初始直流電導(dǎo)率的測試結(jié)果。

表3 絕緣油的直流電導(dǎo)率

表4 油浸紙的直流電導(dǎo)率

3 分析討論

3.1 時(shí)變溫度的影響特征

溫度對頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果影響明顯，當(dāng)溫度變化2 ℃以上時(shí)，測試結(jié)果將發(fā)生畸變。因此3種溫度變化率下，溫度變化達(dá)到2 ℃所需的時(shí)間分別為5、3.3、2.5 min。進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，IDAX300是從高頻向低頻進(jìn)行測試，表5為IDAX300在高、中、低頻段所需的測試時(shí)間。對比溫度變化2 ℃時(shí)的時(shí)間和各頻段的測試時(shí)間可知，在高頻部分的測試，溫度變化量小于2 ℃，頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果不發(fā)生畸變，進(jìn)行中頻部分的測試時(shí)，測試時(shí)間增加，溫度變化量大于2 ℃，測試結(jié)果發(fā)生畸變，低頻部分的測試，溫度變化進(jìn)一步加大，測試結(jié)果畸變更加明顯。對比3種溫度變化情況下的測試結(jié)果可知，溫度變化率越大，在相同的測試時(shí)間里，溫度變化量越大，因此測試結(jié)果畸變越明顯。

表5 不同頻段所需測試時(shí)間

頻域介電響應(yīng)法實(shí)質(zhì)是通過對電介質(zhì)施加不同頻率的電壓U*，測試流過電介質(zhì)的電流I*，然后根據(jù)式( 3 )計(jì)算出不同頻率下電介質(zhì)的復(fù)電容C*，從而構(gòu)成電介質(zhì)整個(gè)頻段的介電譜曲線。如圖11所示，不同溫度變化情況下的電流隨溫度下降而有明顯的變化，在剛開始測試的150 s內(nèi)不同溫度變化情況下的電流測試結(jié)果與起始溫度下的電流測試結(jié)果一致，因此高頻部分下的頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果不發(fā)生畸變，當(dāng)t=150 s時(shí)，電流開始發(fā)生變化，引起頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果發(fā)生畸變，500 s后電流測試結(jié)果明顯變化，故低頻部分的頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果畸變明顯，同時(shí)溫度變化率越大，電流幅值減小程度越明顯，頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果畸變越明顯。因此可以認(rèn)為，溫度變化引起頻域介電響應(yīng)測試結(jié)果發(fā)生畸變的主要原因是由于溫度變化引起流過電介質(zhì)內(nèi)部的電流發(fā)生了畸變。

( 3 )

3.2 時(shí)變溫度下電流畸變原因分析

對表1和表2不同溫度下的離子遷移率的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出絕緣油與油浸紙的離子遷移率和溫度的關(guān)系為

( 4 )

( 5 )

式中：θ為攝氏溫度，℃。

由式( 4 )和式( 5 )可以看出，隨著溫度的升高，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率成指數(shù)增加。這是由于溫度升高增加了絕緣油和油浸紙中離子的動(dòng)能，使得離子遷移率增大。反之溫度下降，離子動(dòng)能減小，離子遷移率減小。

油紙絕緣中的載流子主要由油紙絕緣中的少量水分等雜質(zhì)分子電離而成，若以AB代表油紙絕緣中的雜質(zhì)分子，其電離過程如式( 6 )所示，雜質(zhì)分子AB由于熱振動(dòng)離解成正、負(fù)離子A+、B-，同時(shí)正、負(fù)離子A+、B-通過碰撞又復(fù)合產(chǎn)生AB分子。

( 6 )

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得絕緣油和油浸紙的離子遷移率和初始直流電導(dǎo)率，由式( 7 )計(jì)算出絕緣油和油浸紙中的離子濃度，分別見表6和表7。

( 7 )

表6 絕緣油的離子濃度

表7 油浸紙的離子濃度

對絕緣油和油浸紙的離子濃度分析可得離子濃度與溫度的關(guān)系滿足

( 8 )

( 9 )

由式( 8 )和式( 9 )可知，絕緣油和油浸紙中的離子濃度和測試溫度之間成指數(shù)關(guān)系。這是由于雜質(zhì)分子AB離解成正、負(fù)離子需要克服勢壘ua，溫度升高導(dǎo)致分子間的熱振動(dòng)能增大，使得能克服勢壘發(fā)生離解的雜質(zhì)分子數(shù)增加，油紙絕緣中的離子濃度增大。反之溫度下降，分子間的熱振動(dòng)能減小，能克服勢壘發(fā)生離解的雜質(zhì)分子數(shù)減小，離子濃度降低。

進(jìn)行頻域介電響應(yīng)測試時(shí)，流過油紙絕緣的電流實(shí)質(zhì)是由油紙絕緣內(nèi)部載流子定向移動(dòng)形成的。施加外電場后，由正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流密度為

(10)

式中：n+、n-分別為正、負(fù)離子的濃度；μ+、μ-分別為正、負(fù)離子的遷移率，m2/(Vs)；q為單位電荷；E為電極間的電場強(qiáng)度，V/m。

考慮熱擴(kuò)散作用，式(10)可以寫為

(11)

式中：D+、D-為分別為正、負(fù)離子的擴(kuò)散系數(shù)。為方便分析，令D+=D-=D。根據(jù)Fick定律可知

(12)

極板上的束縛電荷密度為

(13)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)。

因此，流過電極的電流為

(14)

式中：S為測試電極的面積，m2。

式(14)表明，油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測試時(shí)的電流主要由油紙絕緣中的離子濃度、離子遷移率以及離子擴(kuò)散系數(shù)決定。時(shí)變溫度下絕緣油和油浸紙的頻域介電響應(yīng)測試，隨測試溫度下降，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度均為指數(shù)式下降，同時(shí)絕緣油和油浸紙中的離子擴(kuò)散系數(shù)與離子濃度有關(guān)，因此溫度下降離子擴(kuò)散系數(shù)減小，且測試溫度下降，使得離子的動(dòng)能減小，離子擴(kuò)散程度減弱，導(dǎo)致離子擴(kuò)散系數(shù)減小。因此當(dāng)測試溫度發(fā)生變化時(shí)(Δθ=2 ℃)，絕緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度都將發(fā)生明顯的減小，由式(11)絕緣油和油浸紙中的電流密度減小且極板上的束縛電荷密度減小，從而使得流過電極的電流減小。因此，可以認(rèn)為溫度降低引起電流畸變的主要原因是因?yàn)闇囟冉档褪沟媒^緣油和油浸紙中的離子遷移率和離子濃度減小，從而造成極板上的束縛電荷密度減小。

4 結(jié)論

本文通過對油隙和油浸紙進(jìn)行時(shí)變溫度下的介電譜測試以及不同溫度下的離子遷移率和直流電導(dǎo)率測試，得出如下結(jié)論：

(1)時(shí)變溫度下的油紙絕緣頻域介電譜測試，當(dāng)溫度變化大于2 ℃時(shí)，測試結(jié)果將發(fā)生畸變，且溫度變化越大，測試結(jié)果畸變越明顯，同時(shí)溫度變化率越大，在相同的測試時(shí)間里測試結(jié)果畸變越明顯。

(2)時(shí)變溫度下油紙絕緣頻域介電譜測試，在中低頻段的測試中溫度不斷降低，油紙絕緣中的離子遷移率和離子濃度下降，導(dǎo)致流過油紙絕緣中的電流發(fā)生畸變，從而使得中低頻段的測試結(jié)果發(fā)生畸變。

根據(jù)本文的研究，可通過修正溫度變化對油紙絕緣的直流電導(dǎo)率、離子濃度和離子遷移率的影響對畸變的測試結(jié)果進(jìn)行修正，但其具體的修正方法需要進(jìn)一步研究。