曾恕程， 吳建東， 尹毅， 俞燕樂， 邱毓敏

(1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 電氣工程系，上海 200240； 2.國家電網上海市電力公司，上海 200063)

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基于松弛電流變壓器油紙絕緣狀態(tài)診斷方法研究

曾恕程1， 吳建東1， 尹毅1， 俞燕樂2， 邱毓敏2

(1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 電氣工程系，上海 200240； 2.國家電網上海市電力公司，上海 200063)

對油紙絕緣樣品施加10 kV/mm場強進行電老化試驗，并采用松弛電流法研究了油紙絕緣的老化評估方法。利用色譜法測試不同老化程度油樣中的溶解氣體，發(fā)現老化前后氣體含量變化顯著，說明經電老化的試樣老化明顯。分別選取6個老化時間點的樣品進行松弛電流測試，從不同角度分析不同參量所表征的老化信息。利用I*t～log10t曲線分析了油紙試樣的陷阱分布，發(fā)現試樣老化初期陷阱密度逐漸增加，試樣老化后期陷阱深度明顯加深。運用四階Debye模型對電流曲線進行擬合，推斷了油紙絕緣四種松弛機制的物理機理，發(fā)現各松弛機制隨著老化時間的增加有不同程度的增大。最后研究了去極化電量隨老化時間的變化趨勢，試圖用直觀參數分析試樣在不同時間點的老化程度，發(fā)現在60 h后開始大幅度加深。

變壓器油紙絕緣；松弛電流法；狀態(tài)診斷；陷阱密度；去極化電量；四階Debye模型

0 引 言

油紙絕緣作為油浸式電力變壓器的主要絕緣部件，在電力系統的可靠運行中扮演重要的角色，然而油紙絕緣系統在電、熱和其他化學效應的聯合作用下會逐漸降解和老化。這些物理和化學的作用過程不僅會改變油紙絕緣材料分子的微觀結構，同時可能在變壓器絕緣系統中引起宏觀的絕緣缺陷，導致絕緣性能下降，并且隨著宏觀缺陷的進一步發(fā)展，最終導致變壓器絕緣壽命的終結。針對變壓器的絕緣狀態(tài)診斷是保證變壓器安全運行的重要措施之一，常用的方法包括化學法、局放和耐壓檢測法以及介質響應法。按照實現方法不同，介質響應法可分為頻域法和時域法：頻域法包括頻域介電譜法，是一種無損的電氣測量診斷方法，高頻的情況下具有優(yōu)良的過濾噪聲性能，在研究低介質損耗材料方面具有重要的優(yōu)勢，是變壓器絕緣系統狀態(tài)診斷領域中研究的熱點之一。時域法包括極化去極化電流法和回復電壓法，兩種方法均具有測量便捷省時、攜帶信息豐富等優(yōu)點，適用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)的現場評估。

為進一步尋找出極化去極化電流法對變壓器絕緣狀態(tài)評估的特征參量。本文根據變壓器運行工況下油紙絕緣承受電場和熱的聯合作用的實際情況，從油紙絕緣老化實驗模型出發(fā)研究，對加速電老化過程中不同時間點的油紙絕緣試樣進行松弛電流測試，并基于所測松弛電流提取分析電老化過程中陷阱分布、新型四階Debye模型和去極化電量三種評估參量，結合油中溶解氣體的檢測結果，對老化后油紙試樣的絕緣性能進行狀態(tài)評估，并為后續(xù)現場對變壓器進行狀態(tài)評估做理論研究準備。

1 理論分析

1.1 松弛電流法

對電介質施加直流電壓時，電介質中的偶極子會發(fā)生轉向和拉伸，電子或離子會發(fā)生位移，在宏觀微觀界面產生界面極化，極化過程中形成松弛位移電流，與傳導電流一起組成全電流[1-4]。流經電介質的松弛電流可表示為

(1)

其中C0為電介質材料的幾何電容；u(t)為階躍電壓；σ為電介質的直流電導率；ε0為真空介電常數；εr為電介質材料的相對介電常數；f(t)為電介質響應函數。

圖1(a)為簡化后的松弛電流測量回路，在試樣充分短路的前提下，對試樣施加幅值為UP的階躍電壓，此時流過試樣的電流為ip，該電流是由試樣中不同時間常數所對應的極化過程以及直流電導共同形成的；經過充電時間tp后，撤去外加階躍電壓，被測試樣短路，試樣內會發(fā)生電荷的熱釋放，產生去極化現象[5]，此時流經試樣的電流為去極化電流id。

(a) 測量回路 (b) 典型曲線圖1 松弛電流測量原理

松弛電流的典型曲線如圖1(b)所示，并可以采用如下兩個公式進行表述：

(2)

id(t)=-C0Up(f(t)-f(t+tp))

(3)

1.2 Debye模型

圖2 油紙絕緣Debye等效模型

根據Debye等效模型理論，變壓器油紙絕緣系統可等效成為n階R-C串聯電路[6-7],如圖2所示。

油紙絕緣的松弛電流由不同松弛機制產生的電流所共同組成，而不同的位置對應不同的松弛特性，這些特性的變化是根據該位置的老化程度及新物質生成狀況所決定的。因此，可通過多階R-C串聯電路來模擬各個位置和部件的絕緣介質包含的不同松弛機制，并由此推導出松弛電流的表達式。

(4)

(5)

(6)

其中τi是第i個R-C串聯支路的時間常數，由該支路的電容及電阻值所決定，即τi=RiCi。UP為施加在油紙試樣上的極化電壓，R0為絕緣電阻。

2 實驗方法

2.1 測試樣品

所用絕緣油樣品選取長城產25#礦物變壓器油，絕緣紙板選自同一生產廠家，厚度為0.5 mm。為確保測試結果的一致性，實驗前均對樣品進行預處理：分別將絕緣油和紙板放置真空中干燥24 h，溫度50 ℃，壓強0.1 MPa。而后將絕緣紙板放置在絕緣油中進行48 h真空室溫浸漬。

一般來說，變壓器在正常工作狀態(tài)下，其油紙絕緣系統所處區(qū)域的場強最大約為2 kV/mm[8]。為更加真實地模擬出變壓器服役期間不同階段主絕緣系統的老化狀態(tài)，同時為了縮短老化時間，實驗過程中取10:1的油紙比例，將絕緣紙板完全浸沒在變壓器油中，并對紙板試樣施加5倍于工作場強的交流電場，電場幅值為10 kV/mm。加速電老化實驗過程中，分別取不同時間節(jié)點，如老化0 h、20 h、40 h、60 h、80 h和100 h的樣品進行油中溶解氣體檢測和松弛電流測試。

2.2 測試條件

圖3 電流測試系統

電流測試系統包括電極系統、電流采集模塊、計算機設備及端口接線，其框架圖如圖3所示。

電流檢測過程中，先給試樣施加500 V/mm的極化電場，持續(xù)時間為10 000 s，測量流經試樣的極化電流。加壓結束后不進行短路，直接將高壓極接地，記錄試樣的去極化電流，去極化持續(xù)時間同樣為10 000 s。

3 實驗結果

3.1 油中溶解氣體檢測

為探討老化前后油中溶解氣體含量的變化，本文對未老化及電老化100 h試樣中的油樣進行了氣相色譜檢測，檢測裝置型號為GC-2010型號，結果如圖4所示。

圖4 老化前后的油中氣體分析

由圖4(a)可以看出，未經老化的絕緣油中各類氣體含量極低，而老化100 h后，絕緣油中溶解的氫氣、二氧化碳以及各烴類氣體含量都有不同程度的增加，說明100 h高場強老化后，樣品表現出較為明顯的老化跡象，其中氫氣和甲烷等烴類氣體的變化對應絕緣油的老化狀況，而紙板裂解產生一氧化碳和二氧化碳含量的增加則意味絕緣紙板老化程度加深。

3.2 松弛電流

分別選取0 h、20 h、40 h、60 h、80 h和100 h共6個時間節(jié)點對樣品進行松弛電流檢測，其結果如圖5所示。

圖5 不同階段的松弛電流

可以看出，隨老化時間的增加，試樣電流曲線的變化趨勢基本一致并整體上移。在0 h～60 h，電流曲線均勻增加，并未出現過大的增幅。但在60 h之后，電流出現較大增幅，變化趨勢較為明顯。經分析，出現這種情況的原因可能有：

(1) 在外加電場作用下，紙板纖維素受局部放電的影響開始斷裂降解，導致絕緣紙板的聚合度減小、分子間開始變得松散，并生成有機酸和水分等強極性老化產物，這些老化副產物和絕緣油劣化生成的物質共同導致試樣電導率上升，電導率的增加則體現在電流幅值整體上移。

(2) 試樣在持續(xù)施加電場的作用下，紙板老化降解以及小分子產物的析出，共同構成了紙板分子間孔隙的增加和增大，導致更多的油浸入紙板，產生新的油紙界面。這會增加油紙試樣的極化強度，導致外加電壓移除后，試樣的電流大幅度增加。

4 討 論

上述分析可看出，松弛電流的增加可在一定程度上定性反映油紙試樣絕緣性能的劣化，但僅憑借松弛電流的變化趨勢來確定試樣的老化程度并不可靠，還需結合其他老化參數具體分析。

4.1 陷阱密度

根據Simmons等學者的理論，電介質陷阱密度分布情況與松弛電流的關系較密切，可通過觀察去極化電流I*t～log10t曲線的變化情況分析該介質的陷阱密度及深度變化狀況[9]。在本實驗中，試樣的I*t～log10t電流分布曲線如圖6所示。

圖6 油紙試樣的I*t～log10t電流曲線

由圖6可以看出，隨著老化的進行，所測得電流對應I*t～log10t曲線的峰值不斷增大。老化前期，峰值緩慢增加，而實驗進行到60 h之后，峰值大幅上漲并呈右移趨勢，但在80 h和100 h兩個階段峰值的變化不明顯。I*t～log10t曲線的峰值變化對應介質陷阱密度變化，峰值的左右移動則說明介質內部的陷阱深度發(fā)生了改變。對應到實驗中，說明實驗前期試樣的陷阱密度逐漸增加，但陷阱深度并未發(fā)生太大的變化。而到了實驗后期試樣的陷阱密度未明顯增加，但陷阱深度逐漸加深。

未老化試樣的陷阱密度較低，對應曲線峰值也很小。隨著老化的進行，油紙試樣在電場的作用下開始老化降解并產生水分和有機酸等強極性分子，使試樣中的極化增強，并且引入了不同性質的陷阱。具體包括老化副產物自身形成的陷阱，以及由于局部副產物的析出在紙板和絕緣油間產生更多的界面陷阱。這些陷阱在極化過程中捕獲電荷過程以及去極化過程中電荷脫陷過程，都是電荷松弛過程，對整體電流有顯著貢獻。

由上述分析可知，針對老化后的試樣，可從陷阱密度方面對其進行簡單的狀態(tài)診斷，通過對比新老樣品I*t～log10t曲線的峰值明顯程度來判斷試樣的陷阱數量，對比峰值的左右移動程度來判斷陷阱深度的變化情況。

4.2 Debye模型

為更好了解油紙試樣內部的松弛機制，基于所測松弛電流，對老化后樣品的電流數據進行n階指數擬合，結果如圖7所示。

圖7 松弛電流的數據擬合

圖中，具有干擾震蕩的是實際測量電流曲線，其余均為擬合曲線。由圖7可看出，隨著階數n的增加，擬合出的曲線與實際所測曲線重合度變高，當n≥4時，擬合曲線與實際曲線基本重合，因此可認為在老化過程中，油紙試樣的松弛機制保持在4種。根據式(4)、(5)、(6)，取n=4，并結合實驗所測數據和擬合數據，可計算出不同老化階段的模型參數Ai、τi以及絕緣電阻R0，具體計算結果如表1及表2所示。

表1中，R0代表的是油紙試樣的絕緣電阻。前已論述，隨著老化的進行，試樣的電導率逐步上升，其對應的絕緣電阻則呈下降趨勢，這和表中R0的變化趨勢基本一致。

根據Debye模型理論，Ai的數值大小代表了該極化模式的松弛電流在總電流中所占比例的大小，即代表了該支路對整體松弛電流的貢獻。由表1、2中可知，對同一個試樣，隨著各支路時間常數τi的增大，該支路對應的Ai值減小。由于絕緣油、絕緣紙板、試樣老化生成的強極性分子相對介電常數依次增大，可認為在此模型中，支路1反映了油紙系統的偶極極化，支路2表示油與紙之間新增的界面極化，支路3代表油紙與電極間界面的極化，支路4則代表老化小分子副產物與油紙大分子之間的界面極化。

表1 不同階段極化電流的Debye模型參數

表2 不同階段去極化的電流Debye模型參數

試樣老化初期，各支路對應的Ai值均很小，說明試樣中水分和有機酸等強極性分子的含量較少，試樣的絕緣性能較好。

隨著電老化的進行，各支路對應的Ai值都有不同程度的增大，說明每個支路所對應的極化強度都在增大。這是因為在電場的作用下，絕緣油和絕緣紙板都有不同程度的劣化，生成了如有機酸、烴類、糠醛等副產物，這些副產物部分會融入絕緣油中，改變絕緣油的介電特性，造成支路1和支路2對應的極化強度同時增大。另外，隨著這些副產物的生成，試樣中的油紙界面、油紙和電極、各類副產物間的界面也開始增多，導致界面極化的整體強度開始增大，對應的各支路松弛電流也相應增大，使A2、A3產生不同程度的變化。A4所對應的是老化小分子副產物與油紙大分子之間的界面極化，A4的增大表明試樣中強極性分子與油紙界面的極化強度有了明顯增強，證實了試樣中有機酸和水分等副產物的存在。

由上述分析可知，基于傳統模型改進的4階Debye模型不但能用于觀察老化過程中各松弛機制所發(fā)生的變化，并且能判斷出樣品主要的老化形式，可作為深度評估樣品老化狀態(tài)的參量。

4.3 去極化電量

基于實驗所測電流，本文引入了去極化電量這一參數，試圖從單一參數的趨勢變化狀況反映試樣不同時間點的老化程度，其計算公式為：

(7)

其中i(t)為試樣去極化電流，t為去極化電流測試時間tp，即10 000 s。

圖8 油紙試樣的去極化電量變化趨勢

通過計算，得到的結果如圖8所示。由于去極化電量與試樣的極化程度緊密相關：極化程度越大，極化過程中所束縛的電荷量越多，去極化過程中釋放的電荷量也越多，由此可看出去極化電量與試樣中的陷阱分布狀況緊密相關。

在電老化初期階段，未老化試樣的去極化電量較小，表明試樣束縛的電荷量較少，發(fā)生在試樣內部極化形式的數量及強度均不明顯，說明此時試樣束縛電荷的能力有限，試樣中的陷阱數量很少并且深度較淺，絕緣性能處于較好的狀態(tài)。

隨著實驗的進行，去極化電量逐漸增加，到中后期尤為明顯。電量的增加意味著試樣的極化強度有了顯著的提升，說明出現了許多影響極化程度的物質，試樣的絕緣性能有所下降，這和前述結論相吻合。因此，通過對去極化電量變化趨勢的觀察，可有效地判斷出電介質的絕緣性能是否發(fā)生明顯變化。在本實驗中，通過對計算結果的觀察，可以很明顯地看出經過60 h的外部加壓后，油紙試樣的去極化電量開始大幅度增加，說明油紙試樣的絕緣性能在此時間點后開始發(fā)生本質性變化，其老化程度表現得越來越明顯。

由上述分析可看出去極化電量對油紙絕緣老化狀態(tài)的反應較為直觀，因此在對變壓器進行狀態(tài)評估時，去極化電量可作為有效的評估參量。而若想獲得較為準確的去極化電量，前提是獲得較為精準的松弛電流參數。現場對變壓器進行松弛電流測試時，噪聲的干擾會影響精準度。因此，現階段針對現場變壓器的狀態(tài)評估，去極化電量這一參數的獲取仍需更深層次的研究。

5 結束語

本文通過對油紙絕緣試樣的加速老化和絕緣狀態(tài)分析，得出了以下結論：

(1) 通過對未老化和電老化100 h后的油樣進行油色譜分析，發(fā)現老化后烴類氣體的變化量不明顯，而二氧化碳的增量顯著。說明加壓100 h后，試樣發(fā)生比較明顯的老化現象，而紙板裂解是主要的老化方式。

(2) 利用I*t～log10t曲線來分析油紙試樣中陷阱的分布狀況，發(fā)現隨著老化的進行，試樣的陷阱密度明顯增加，到了實驗后期試樣的陷阱深度開始加深。

(3) 通過研究新型4階Debye模型各項參數，確定了每一個支路代表的含義，明確了Ai參數的意義，并通過這些參數發(fā)現了各支路所對應的松弛機制隨老化實驗進行而不同程度增加。

(4) 引入去極化電量來分析試樣的老化程度，由結果可知試樣在60 h后出現嚴重的老化。另外，從實驗中發(fā)現，去極化電量對老化程度的反映相當直觀，可作為一個定量的指標來觀察試樣老化程度的變化。

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Study on a Diagnosis Method for the Insulation Condition of Transformer Oil Paper Based on Relaxation Current

Zeng Shucheng1, Wu Jiandong1, Yin Yi1, Yu Yanle2, Qiu Yumin2

(1. Department of Electrical Engineering, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Co., Shanghai 200063, China)

A 10kV/mm field intensity is applied to the oil-paper insulation specimen in an electrical ageing test, and ageing assessment methods for oil paper are studied in the relaxation current method. Dissolved gases in oil samples of different ageing degrees are tested through chromatography, and it is found that the gas contents before and after sample aging differ greatly from each other, which shows that samples after electrical ageing are aged to a great extent. Relaxation current tests are made on samples taken at 6 aging time points, and aging information represented by different parameters is analyzed at a different angle. First, analysis of trap distribution of the oil paper samples with the help ofI*t～log10t curve reveals that trap density increases gradually at the early stage of aging while trap depth increases remarkably at the late stage. Then, the current curves are fitted through the four-order Debye model, and the physical principles of these four relaxation mechanisms are deduced. These relaxation mechanisms are found to increase to different extents when aging time extends. Finally, we study how the amount of charge in depolarization periods changes with the aging time and try to use intuitive parameters to analyze aging degree at different time points. Ageing is found to start deepening substantially after 60h.

oil paper transformer insulation;relaxation current method; condition diagnosis; trap density; amount of charge in depolarization periods;four-order Debye model

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.035

TM403.9

A

1000-3886(2016)03-0111-05

曾恕程(1991-)，男，江西人，碩士，主要研究方向為變壓器壽命評估。 吳建東(1982-)，男，江蘇人，博士后，主要從事電力設備絕緣性能檢測和狀態(tài)評估研究。 尹毅(1972-)，男，江蘇人，教授，從事聚合物絕緣材料和技術、高電壓工程和電力系統在線監(jiān)測等方面研究。

定稿日期: 2015-11-26