王亞男

(陜西能源職業(yè)技術學院機電與信息工程學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

油浸式電力變壓器作為電力系統(tǒng)電能傳輸和能量轉換的“中轉站”，它的平穩(wěn)運行對保障系統(tǒng)安全及區(qū)域穩(wěn)定意義重大[1]。變壓器內部普遍采用絕緣油與紙復合而成的內絕緣系統(tǒng)，其材料老化程度是影響變壓器使用壽命的決定因素。準確檢測該系統(tǒng)的劣化水平，對延長變壓器在役年限意義重大[2]。

極化去極化電流(polarization/depolarization current,PDC)法是在時域內對絕緣材料進行極化的參數(shù)檢測方法。該方法不損壞樣品，提供的參數(shù)全面，較傳統(tǒng)方法能得出準確的絕緣介質緩慢極化的信息參數(shù)，對變壓器內部絕緣系統(tǒng)老化程度有較好的反映[3]。

通過制備樣品，開展極化測試，分析PDC參數(shù)隨極化時間、聚合度(degree of polymerization,DP)值和水分的改變情況，提出兩個特征量。對特征量曲線展開分析，得出可以較好反映絕緣系統(tǒng)絕緣能力的特征量[4]，為更好地評估充油變壓器老化水平提供新方法。

1 PDC測試原理

PDC法的工作原理是在樣品兩端施加直流電壓，使樣品中產(chǎn)生極化電流，然后去掉直流電壓，將樣品兩端短接，測量得出回路中的去極化電流[5]。經(jīng)過對樣品充、放電，繪制出極化和非極化電流對反應時間的相互作用，組成PDC電流圖譜。PDC法的測量原理如圖1所示。

圖1 PDC法的測量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram of PDC method

2 極化試驗

2.1 樣品制備及測試系統(tǒng)

絕緣油：新疆克拉瑪依產(chǎn)25#環(huán)烷基絕緣油。

絕緣紙：新出廠的普通絕緣紙。

試驗使用的測試設備為OMICRON公司研發(fā)的介質響應分析儀DIRANA。該儀器能完成三種手段的測試：PDC、FDS和FDS-PDC。該儀器額定電壓為±200 V，PDC法電流范圍為±20 mA，準確率為0.5%(±1 pA)。

試驗采用的是一個三電極測試系統(tǒng)，包括兩個測量電極和一個保護電極，半徑分別是50 mm、50 mm和60 mm。測試時，將樣品放置在高壓電極與測量電極之間，保護電極通過金屬箱接地，起安全保護作用；同時，需在測試裝置中灌滿絕緣變壓器油，利用引出線對測試設備進行連接，開展測量[6]。測試系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)模型Fig.2 Test system model

2.2 試驗流程

首先，對樣品進行干燥預處理，保證油樣中含水量小于10×10-6、紙樣中含水量小于0.5%。利用特性粘度檢測手段，對樣品DP值進行測量。剛開始，DP值保持在大約1 000；隨反應過程的不斷進行，DP值不斷下降[7]；通過密閉房間自然吸潮，利用卡氏滴定法就每組絕緣紙樣品開展水分含量測量。樣品制作流程如圖3所示。

圖3 樣品制作流程Fig.3 Sample preparing process

2.3 試驗結果及分析

對樣品進行老化處理，分別在時間為0 d、10 d、30 d、50 d和75 d時取出樣品多份，標記為A組、B組、C組、D組、E組。然后對五組樣品分別進行DP測試，獲得五組樣品DP值，分別為233、406、517、748和817；隨后對五組樣品進行自然吸潮，開展水分測試。不同DP值樣品含水量如表1所示。

表1 不同DP值樣品含水量Tab.1 Water content of samples with different DP values

2.3.1 水分對PDC參數(shù)的影響

選取C組、D組的樣品，研究水分對PDC參數(shù)產(chǎn)生的作用。C組、D組的樣品電流變化分別如圖4、圖5所示。圖4和圖5中，同一老化狀態(tài)下，樣品的極化/去極化電流伴隨含水量的增加而變大，伴隨極化時間的變長而逐漸下降；此外，DP值變大，Id的開始值相應變小，Idp的開始值則正好相反。伴隨極化過程的進行，含水量會相應增多，導致紙樣和油樣電導率顯著上升，電導電流相應變大[8]；隨著水分的增加，樣品內部極化反應加劇，主要有電子位移極化和油紙界面極化，促使極化電流隨之增大。去掉樣品兩端的電壓后，去極化過程中的位移極化和界面極化則隨之減弱，去極化電流也相應減小。

圖4 樣品電流變化曲線(C組)Fig.4 Sample current change curves(Group C)

圖5 樣品電流變化曲線(D組)Fig.5 Sample current change curves(Group D)

2.3.2 老化程度對PDC特性影響

為測試樣品老化程度對PDC測試結果的影響，鑒于水分影響變化情況一致,選取水分含量為2.93%的多份樣品開展測試。測試結果如圖6所示。

圖6 水分含量為2.93%的樣品電流變化曲線Fig.6 Current change curves of sample with water content 2.93%

在圖6中，DP值越小，Id和Idp就越大，且伴隨時間的增長，2個電流均表現(xiàn)出下降的趨勢[9]。在極化反應中，紙樣里的大分子纖維素會逐漸發(fā)生裂解，生成水分、小分子酸等，導致系統(tǒng)內部電導率增大，相應的電導電流也隨之增大。伴隨裂解反應的不斷進行，絕緣紙內部結構空隙變多。絕緣油可以更多地擴散到絕緣紙分子之間，產(chǎn)生較多的油紙界面[10]。這增強了紙樣和油樣之間的界面極化，使得Id和Idp相應增大。

2.3.3 老化特征量提取

變壓器內絕緣系統(tǒng)的絕緣油和絕緣紙部分，經(jīng)過等效合并得到僅包含絕緣紙、絕緣油和氣隙三部分按照比例組成的油紙絕緣擴展Debye模型[11]。模型參數(shù)在外界環(huán)境影響下會發(fā)生改變，不能真實反映絕緣老化情況。模型參數(shù)如式(1)所示。

極化電阻Ri為：

(1)

極化電容Ci為：

(2)

極化過程中，極化時間常數(shù)τi與樣品的絕緣狀況無關，為一定值。絕緣系統(tǒng)極化過程里面的極點可表示為：

(3)

式中：Pi為樣品系統(tǒng)的第i個極點。

在樣品等效Debye模型中，時間常數(shù)大于1 000 s的極化支路參數(shù)能較為準確地預估紙樣品老化情況。因此，本文選取大于1 000 s支路A、B曲線上面的極點P1、P2來表示油紙絕緣狀態(tài)特征量。極點隨水分變化情況如圖7所示。

圖7 極點隨水分變化情況Fig.7 Change of extreme points with water content

圖7中，DP值相同時，P1伴隨含水量的上升而變大，且每條曲線改變情況雷同，均表現(xiàn)出在水分含量為3.5%以后歸于平緩的趨勢。P2變化情況則與P1不盡相同，每條曲線變化趨勢相差較大，且DP值越大，其對應的特征量曲線波動也越大。當DP取817時，P2在水分大于3.5%時趨于平緩，且隨著DP值的降低，該平緩起始值逐漸右移[12]。

特征量隨DP值變化情況如圖8所示。圖8(a)中，水分含量相同時，P1隨著DP值的增大而降低，變化情況較為穩(wěn)定，可以作為表征老化程度的特征量。圖8(b)中，P2曲線變化差異較大，在曲線變化初期含水量越高的曲線變化較為平緩，隨著老化的進行出現(xiàn)先急劇下降而后又慢慢歸于平緩的趨勢。隨著DP值的增加，在曲線末端出現(xiàn)了近乎重合的現(xiàn)象，由于P2所取Debye模型支路時間常數(shù)較大，加之在變化初期有部分絕緣油滲透，使其表征的不僅是絕緣紙老化情況。

圖8 極點隨DP值變化情況Fig.8 Change of characteristic quantities with DP value

結合上述樣品的特征量曲線，可知P2的DP值曲線變化不穩(wěn)定，水分變化曲線則出現(xiàn)了上升和交叉的現(xiàn)象，使其不能準確反映表征老化的參量DP值和水分之間的關系。而P1的變化情況可以較好地反映水分含量和DP值之間的變化情況。從圖7、圖8中也能清晰得出兩者的對應關系，即從特征量圖線上可以清晰且準確地找到水分、DP值與絕緣系統(tǒng)絕緣老化的影響關系，為進一步評估系統(tǒng)絕緣能力提供參考。

3 結論

為分析變壓器內含水量和特征量之間的關系，開展極化測試，研究水分與DP值對樣品PDC參數(shù)的影響情況，并分析兩個特征參量對DP值和水分的影響關系，得出DP值與Id和Idp呈反比例關系，且在水分含量相同時，P1隨DP值的變大而下降。選擇P1作為反映絕緣老化程度的特征量，可清晰且準確地找到水分、DP值與絕緣系統(tǒng)絕緣老化的影響關系，對評估系統(tǒng)絕緣能力有重要意義。