基于极化/去极化电流法的变压器油纸绝缘影响因素研究

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(1.国网四川省电力公司 南充供电公司,四川 南充 637000;2.西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

1 引言

特高压输电技术具有输送容量大、系统稳定性高、线路损耗低等优点，在我国具有广泛的应用前景[1，2]。当前电力变压器绝缘普遍采用油纸绝缘体系，其绝缘状态对变压器绝缘的电气性能及其剩余寿命均有严重影响[3-10]。因此，如何准确诊断变压器油纸绝缘体系的绝缘状态一直备受国内外广大专家和学者关注，具有重要现实意义。

极化/去极化电流法是在一定充放电时间内测试油纸绝缘的极化/去极化电流，通过分析其直流电导率来评估油纸绝缘性能，是一种评估变压器油纸绝缘状态的新方法，具有精度高、抗干扰能力强等诸多优点[11]。

对极化/去极化电流法的研究，目前还处在起始阶段。Leibfried等通过现场测试对现场变压器进行了极化电流测试，并初步使用极化电流法评估变压器油纸绝缘的水分含量[12，13]；Saha等通过实验室加速实验研究了油纸绝缘老化对极化电流特性的影响规律[14-16],并通过收集众多文献的实验数据，初步建立了运用极化电流法评估变压器绝缘状态的专家系统[17]。由于油纸绝缘的极化机理复杂，用极化/去极化电流法评估变压器绝缘状态尚需大量实验和验证[18-20]。

本文对极化/去极化电流法进行了建模，搭建了实验室测试平台，测试了油纸绝缘样品在不同温度和水分含量的条件下的极化/去极化电流特性，为应用极化/去极化电流法诊断油纸绝缘状态提供了有益思考。

2 极化/去极化电流基本原理

绝缘纸由纤维素交互叠加构成，表面电镜图见图1，绝缘纸中分布着众多大小不等、形状不相的空隙，浸油后变压器油便填充到这些空隙中，形成了油纸绝缘。

图1 绝缘纸表面电镜图

搭建如图2所示的实验平台，充电电压为200V，充电时间为104s。将干燥绝缘纸板置于电极之间，并浸于25#新变压器油一周。同时为了消除边缘效应，在测试电极外增加了保护电极；将整个试验装置置于恒温箱中以便控制实验温度测试不同温度下油纸绝缘的极化/去极化电流特性。

图2 极化/去极化电流测试电路

不同水分含量的绝缘纸板通过吸湿法准备：将绝缘纸板于干燥箱中充分干燥后用精度0.1mg的精确天平称重，然后暴露于潮湿空气中吸收一定量的水分再称重，制备出不同水分含量的绝缘纸板试样，置于电极之间并浸于25#新变压器油一周，在50℃时测试不同水分含量下油纸绝缘的极化/去极化电流特性。

极化/去极化电流测试过程如下：

在0～tc时间内闭合S1，断开S2，油纸绝缘外施直流电压U0时，通过油纸绝缘电导电流和各种极化产生位移电流叠加即为极化电流ip。

(1)

式中，Cm为几何电容；εr为相对介电常数；σ为直流电导率；f(t)为时域响应函数；Z(t)为随充电时间变化的油纸绝缘阻抗。

在tc～td时间内断开S1，闭合S2，撤去外施电压，残余极化产生的位移电流即为去极化电流id。

(2)

对变压器油和纤维素绝缘材料，时域响应函数f(t)一般可表示为[21]

(3)

由此，极化/去极化电流可表示

(4)

(5)

3 实验结果及分析

不同温度下油纸绝缘的极化/去极化电流特性如图3所示。温度增加，极化/去极化电流都增大，温度对油纸绝缘极化特性的影响，主要体现在以下两方面：一方面增加了油纸绝缘的直流电导率，另一方面加速了油纸绝缘的弛豫极化过程，弛豫时间ξ满足以下关系[20，21]

(6)

式中，Wη为分子粘性流动活化能；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。

温度升高，油纸绝缘内部分子动能增加，偶极子转向加快，弛豫时间减小，弛豫极化逐渐得以快速建立，弛豫极化增强，弛豫电流密度增加。同时，极性基团更易与材料中的自由电荷(正、负离子或电子)、水分等结合，离开平衡位置，显现出一个表观的诱导偶极矩，使界面极化增强。

图3 不同温度下油纸绝缘的极化/去极化电流特性

应用式(4)、(5)对不同温度下油纸绝缘的极化/去极化电流进行拟合，如图4所示，各参数列于表1，拟合优度均在0.9以上。随温度增加，参数σ和a均增大，进一步拟合可知二者与温度大致呈指数关系。

表1 不同温度下油纸绝缘极化/去极化特性的拟合参数

不同水分含量下油纸绝缘的极化/去电流特性如图5所示。绝缘纸纤维素有较强的亲水能力，能吸收油纸绝缘中大部分水分，使油中水分含量较低，50℃时形成悬浮水和沉积水的可能性很小，大都呈溶解状态，水是强极性分子，对油纸绝缘极化电流特性的影响，主要体现在以下两方面：一方面水分子提高了油纸绝缘的直流电导率，使油纸绝缘内部正负电荷的注入和迁移更加显著，增大了传导电流；另一方面一些亲水性离子或基团，与水分子结合形成附着带电离子，更容易离开平衡位置，造成离子极化增强；同时，水分子自身在电场作用下可形成诱导偶极矩，增强了油浸纸的界面极化，极化/去极化电流增大。

图4 不同温度下油纸绝缘极化/去极化电流特性拟合曲线(图中符号为测试值，曲线为拟合曲线)

应用式(4)、(5)对不同水分含量下油纸绝缘的极化/去极化电流进行拟合，如图6所示，各参数列于表2，拟合优度均在0.92以上，随纸中水分含量增加，参数σ和a均增大，进一步拟合可知二者与水分含量大致呈指数关系。

图5 不同水分含量下油纸绝缘的极化去电流特性

图6 不同水分含量下油纸绝缘极化/去极化电流特性拟合曲线(图中符号为测试值，曲线为拟合曲线)

表2不同水分含量下油纸绝缘的极化/去极化电流特性拟合参数

水分σ(pS/m-1)at0nm1%0.15270.018904.80.0172.1062%0.57030.116596.90.0151.7043%0.87400.183788.70.0212.5024%1.00000.7528300.0192.229

3 结论

(1)温度和水分作为影响油纸绝缘系统绝缘性能的重要因素，温度升高，极化/去极化电流增大，水分增加，极化/去极化电流亦增大。

(2)拟合参数σ和a随温度和水分含量变化而变化，可以作为评估油纸绝缘的绝缘状态的特征量。

(3)极化/去极化电流法能较为清晰的反映油纸绝缘状态变化，是一种评估油纸绝缘状态的有效方法。

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