基于脫陷電流時域譜的變壓器油紙絕緣老化特性研究

劉賀千 孟繁昊 張健 陳世玉 王磊 許敏虎 張明澤

摘? 要：變壓器的穩定運行是維護電網安全的重要保證，準確評估變壓器油紙絕緣的絕緣狀態至關重要。本文制備了變壓器油紙絕緣等效模型，并在不同溫度下對老化變壓器油紙絕緣等效模型的極化去極化電流進行測試，同時計算得到相應測試溫度下油紙絕緣脫陷電流曲線。根據計算結果發現，測試溫度越高，脫陷電流的松弛時間越??；隨著測試溫度升高、油紙絕緣老化程度增加，脫陷電流的時域介電譜曲線峰值出現的時間變大，其主松弛峰值、松弛時間常數也逐漸增大。為合理計算變壓器油紙絕緣老化程度，本文建立了脫陷電流時域介電譜主峰值松弛時間與油紙絕緣聚合度的定量表征關系，可準確評估變壓器油紙絕緣內絕緣的老化程度。

關鍵詞：油紙絕緣；時域介電響應；極化去極化電流；微分時域介電譜

DOI：10.15938/j.jhust.2023.05.004

中圖分類號： TM855

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2023）05-0027-07

Evaluation Method of Aging State of Oil-Paper Insulation

Based on Isothermal Decay Current

LIU Heqian1，? MENG Fanhao2，? ZHANG Jian1，? CHEN Shiyu1，? WANG Lei1，? XU Minhu1，? ZHANG Mingze2

（1.Electric Power Research Institute，State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited，Harbin 150030，China;

2.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application， Ministry of Education， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：The stable operation of the transformer is an important guarantee for maintaining the safety of the power grid. It is very important to accurately assess the insulation state of oil-paper insulation of transformer. In this paper， the equivalent model of transformer oil-paper insulation was prepared， and the polarization depolarization current of the equivalent model of aging transformer oil-paper insulation was tested at different temperatures. Meanwhile， the current curves of oil-paper insulation at the corresponding test temperature was calculated. According to the calculation results， it is found that the higher the test temperature， the smaller the relaxation time of the isothermal relaxation current is. With the increase of test temperature and oil-paper insulation aging， the time for the peak value of time domain dielectric spectrum curve of the trap current to appear becomes longer， and its main relaxation peak value and relaxation time constant also gradually increase. To reasonably calculate the aging for oil-paper insulation of transformers， this paper establishes the calculation equation of main peak relaxation time and cellulose oil-impregnated pressboard cellulose， which can reasonably assess the aging of oil-paper insulation in transformer.

Keywords：Oil-paper insulation; Time domain dielectric response; Isothermal relaxation current; Differential Time Domain Dielectric Spectroscopy

收稿日期： 2022-06-16

基金項目： 國網黑龍江省電力有限公司科技項目（52243722000M）；國家自然科學基金（51977051）.

作者簡介：

劉賀千（1989—），男，博士，高級工程師；

孟繁昊（1997—），男，碩士研究生.

通信作者：

張明澤（1992—），男，講師，碩士研究生導師，E-mail：zhangmingze@hrbust.edu.cn.

0? 引? 言

油浸式電力變壓器是電網中電能傳輸的重要電力設備之一，其安全穩定運行是電網穩定的關鍵，現階段，我國有較多變壓器的賦役年限超過了30年，內部絕緣由于溫度、電壓、外部環境等因素的共同作用，使得其內部油紙絕緣老化速率加快，部分變壓器已經到達了使用年限，因此如何準確的判斷油紙絕緣的老化程度成為研究的熱點［1-3］。

針對油紙絕緣時域介電響應分析為主的分析概括為以下幾個方面：①研究了外施電壓［4］、測試溫度［5］、極化時間［4］、油紙絕緣老化程度［6］、絕緣紙板含水率［4］、變壓器油電導率［7］、油紙絕緣幾何結構［4］等因素對極化去極化電流的影響；同時可以利用時溫平移、幅值平移等理論，進行極化去極化電流的平移歸算，可以消除溫度的影響［8］，并根據利用極化去極化電量對油紙絕緣老化程度等進行了定量研究［9］；②應用時域微分解譜［10］（一次微分、二次微分）的方法對極化去極化電流進行分析，通過微分子譜線參數可辨識得到弛豫支路數及相應元件參數，利用小波分析方法［11］可以得到微分后時域介電譜的極化類型、極化響應時間、極化響應速度與油紙絕緣老化程度的定量關系；③基于Debye模型為理論研究基礎，對去極化電流進行多條支路擬合計算，分析不同極化支路參數對極化去極化電流的影響，尋找最大/最小極化支路的松弛時間、電阻、電容值與油紙絕緣老化時間、紙板含水率的定量關系［12］。

雷清泉提出在等溫條件下熱釋放產生的衰減電流，以及在線性升溫條件下，由這些載流子熱釋放產生的熱激電流或其他類似的熱激松弛過程，介質內部陷阱對載流子運輸機理將會產生影響［13］。D. Mishra等根據極化和去極化電流曲線計算得出脫陷電流的變化曲線，獲得了變壓器油、紙電導率與松弛時間常數的表征關系，建立了絕緣紙板含水率、介電損耗因數與歸一化后的脫陷電荷量的關系方程［14］。蔡金錠等根據介電響應和陷阱理論，提出繪制去極化陷阱密度譜，并從中提取峰值大小Smax和峰值時間常數Tmax這兩個新特征量，用以評估變壓器油紙絕緣老化狀態，但其未進行去電子俘獲電流與偶極子轉向松弛進行區分，使得去極化陷阱密度譜計算值偏大［15］。

由于單一的油紙絕緣材料的脫陷電流變化不大，其未考慮油紙界面處空間電荷對其脫陷電流的影響，基于此本文考慮實際變壓器結構，以變壓器等效XY模型為研究對象，進行了模型的加速熱老化試驗，在不同老化天數時進行了不同溫度的極化和去極化電流測試，并得到了脫陷電流變化規律；其次針對不同老化程度脫陷電流時域介電譜進行擬合分析，建立了油浸紙板聚合度與弛豫活化能的表征方程；最后本文以油紙絕緣脫陷電流時域介電譜的主松弛時間為老化依據，實現對油紙絕緣老化狀態的評估。

1? 時域介電響應理論計算

理想情況下，極化去極化電流PDC（polarization and depolarization current，PDC）反映了介質的緩慢極化過程，極化電流由3部分組成：電導電流、位移極化引起的瞬時充電電流和松弛極化引起的吸收電流，可表示為：

ipol（t）=C0U0［σ0ε0+ε∞δ（t）－f（t）］（1）

式中：U0為外加直流電壓，V；C0為電極間的幾何電容，F；σ0為介質的直流電導率，s/m；ε0為真空相對介電常數，8.854×10-12F/m；ε∞為光頻介電常數；δ（t）為沖擊函數；f（t）為反映慢極化行為的響應函數；

當加壓一段時間（tp）后將介質短接，在介質內部有去極化電流產生，去極化電流與極化電流方向相反，表示為：

idepol（t）=－C0U0［f（t－tp）－f（t）］（2）

隨著變壓器油紙絕緣老化程度不斷加深，油紙絕緣內部缺陷逐漸產生，其內部缺陷形成能量水平處于禁帶的局域態，即載流子陷阱，油紙絕緣老化后介質內部電荷的入陷和脫陷的過程在極化和去極化過程中均有表現［13］。

傳統Debye模型提供了變壓器絕緣的線性介電模型，其假設極化電流是由于油紙絕緣內部的松弛極化電流和傳導電流形成的，而去極化只存在松弛極化過程。然而根據實際測試結果發現極化和去極化電流差并非一成不變，而是隨著時間逐漸衰減至穩定值，這表明極化和去極化過程中的弛豫行為存在一定的“不對稱性”。在一定測試溫度下，根據極化電流和去極化電流的數值關系，從去極化過程中分離出逐漸衰減的去極化電流，即脫陷電流可表示為：

idepol（t）=id（depol）（t）+ide-（trap）（t）（3）

式中：idepol（t）為去極化電流；id（depol）（t）為材料去極化過程中的松弛電流；ide-（trap）（t）為脫陷電流。

由于介質在極化與去極化過程中偶極子的轉向松弛極化行為基本相同，因此：

id（pol）（t）=id（depol）（t）（4）

式中id（pol）（t）為極化電流。

結合式（1）、（3）、（4）可以計算不同測試環境下的油紙絕緣極化去極化電流曲線。

相對于極化和去極化電流，常用于聚合物測試中表征材料的極化行為的時域介電譜TDDS（time domain dielectric spectroscopy，TDDS）［16］，波峰的峰值反映了該極化的極化強度，峰值時間常數反映了這種極化的響應速度，累計電荷量時域介電響應函數為：

Q（t）=∑Nn=1Qn-∑Nn=1Qnexp［-（t/τn）αn］（5）

由于傳統的時域介電譜公式（5）為單調遞減函數，不能從曲線中獲取更多與極化過程有關的信息；此外，在時間t=0時，式（5）中的衰減函數會出現差異，因此在時域介電譜的基礎上，發展了微分時域介電譜DTDS（differential time domain spectroscopy，OTDS）的方法，通過不同微分峰值進行極化行為的分析，微分時域介電響應函數為

dQ（t）dlnt=tdQ（t）dt=∑Nn=1Qnαn（t/τn）αnexp［-（t/τn）αn］（6）

式中：Q（t）極化電荷量，C；τn不同極化支路的松弛時間，s；αn支路形狀參數，0.5≤αn≤1。

2? 試驗設計

試驗中可將上下試驗電極等效為變壓器高低壓繞組，如圖1所示，X表示為高低壓繞組間所有的隔板的體積分數；Y表示為高低壓繞組間所有撐條所占體積分數，其余1-X、1-Y表示為高低壓繞組間的油隙的體積分數。

主要分析變壓器老化極化和去極化電流的變化規律，實驗中制備XY模型（X=50%，Y=30%）進行了130℃加速熱老化試驗；分別在老化0天、10天、20天、30天時進行不同溫度（30℃、50℃、70℃）的極化和去極化電流測試（測試接線圖如圖2所示，電流采樣選用靜電計6517B），施加測試電壓1000V，采用周期0.1s，極化去極化測試時間分別為3000s；對于老化后絕緣紙板進行聚合度測試（GBT 29305-2012《新的和老化后的纖維素電氣絕緣材料粘均聚合度的測量》）。

實驗中選用克拉瑪依45#變壓器油、及魏德曼1mm的纖維素絕緣紙板作為實驗材料。其中，XY模型的制備：將處理后的絕緣紙板制作成隔板尺寸130mm×130mm×1mm、撐條尺寸130mm×30mm×1mm的XY模型，即XY模型比例為X=50%、Y=30%，模型中油紙質量比為10∶1。在初始實驗前，將制備好的絕緣紙板進行干燥處理，減少絕緣紙板中初始含水率對紙板老化速率產生的影響。

3? 分析和討論

3.1? 不同溫度極化去極化電流測試結果分析

不同測試溫度下極化和去極化電流測試曲線如圖3所示。對比3組不同測試溫度下電流曲線可知，測試溫度越高，初始電流值越大，對于油紙絕緣模型而言，初始電流值主要與變壓器油電導率有關，測試溫度越高，變壓器油電導率越大。

當測試溫度越高時，分子熱運動增加，松弛時間減小，與熱運動有關的松弛極化過程很快建立，因此各支路極化過程越快，極化電流越早達到穩定，同理在高溫環境下，去極化電流的松弛過程衰減速率更快。當油紙絕緣老化程度增加后，油紙絕緣內部的高分子結構被破壞，介質對其內部極性分子的束縛能力減弱，同時在油紙絕緣老化過程中將產生大量的雜質粒子，極化分子數將明顯增多，因此在上述兩種因素的共同相互作用下老化后油紙絕緣的極化去極化電流曲線值顯著增大。

為合理計算不同測試溫度下油紙絕緣脫陷電流，分別對不同測試溫度下老化油紙絕緣模型的極化去極化電流采用式（3）、（4）進行計算。不同測試溫度下老化油紙絕緣模型脫陷電流計算曲線如圖4所示。

根據圖3所示，30℃測試溫度下，不同老化程度油紙絕緣模型的去極化電流的松弛電流分量在測試周期內始終較極化電流內松弛電流分量大，此時可有效計算測試全周期內油紙絕緣的脫陷電流。此外，根據圖4中各老化程度脫陷電流計算曲線可以發現，油紙絕緣老化越嚴重，其脫陷電流的松弛時間越長，其主要原因為纖維素紙板老化嚴重，分子鏈裂解嚴重，導致絕緣紙板內部缺陷數量增加。

相比之下，當升溫至50℃測試時，去極化電流內松弛電流分量在測試前半周期內始終較極化電流的大，而在測試后半周期，脫陷電流衰減為0，兩電流量值趨于相等。其主要原因為測試溫度升高后，加快了介質內部載流子運動，脫陷電流的松弛時間相應減小。

當測試溫度升高為70℃時，僅在前10s測試時間內存在脫陷電流，且與30℃、50℃測試曲線不同的是，油紙絕緣老化程度與脫陷電流的松弛時間無關，但油紙絕緣老化后其脫陷電流衰減速率卻顯著增加。

3.2? 不同溫度時域介電譜曲線分析

根據微分時域介電響應計算公式（6）對極化去極化電流時域介電譜曲線進行計算，如圖5所示。

如曲線變化規律可知，隨著測試油紙絕緣老化程度的增加，脫陷電流的時域介電譜曲線出現曲線峰值的位置逐漸向右移動，峰值逐漸增大，即老化后油紙絕緣內部陷阱數明顯增多，脫陷電流增加；而測試溫度升高時，出現脫陷電流的時間段顯著減小，這主要是由于高溫使得陷阱內電荷脫陷所需克服的勢壘高度降低，加速了油紙絕緣陷阱中電荷的消散速度，使得測試階段后期油紙絕緣極化、去極化過程中的松弛電流基本相同。

文中選用雙松弛峰支路擬合公式（6）對脫陷電流時域介電響應曲線曲線進行計算，提取雙峰值支路極化電量及松弛時間參數，其中主松弛峰支路的松弛時間與電荷脫陷過程密切相關，因此可表征絕緣的老化程度，本文以30℃測試溫度下不同老化程度油紙絕緣測試結果為例，獲得了油紙絕緣聚合度與主松弛時間的關系如圖6所示。

如圖可知，主松弛峰時間常數與聚合度存在明顯的指數關系，因此主松支路可表征油紙絕緣的老化程度?；诖?，在實際對變壓器進行測試時，可通過脫陷電流時域介電譜曲線中的主松弛時間常數的計算，間接得到了油紙絕緣的老化程度。

4? 結? 論

本文以變壓器油紙絕緣等效的XY模型為基礎，在實驗室環境下進行了不同老化程度的加速熱老化試驗，獲得了不同測試溫度下老化油紙絕緣模型的極化去極化電流以及聚合度等參量；同時通過老化后油紙絕緣脫陷電流時域介電譜的分析，得到主要結論如下：

1）對于測試溫度越高，脫陷電流的松弛時間越??；而油紙絕緣老化對脫陷電流的松弛時間影響與測試溫度有關，測試溫度較高時脫陷電流的松弛時間將保持不變。

2）隨著測試溫度的升高、油紙絕緣老化程度的增加，脫陷電流的時域介電譜曲線出現曲線峰值的位置逐漸向右移動，主松弛峰值、松弛時間常數逐漸增大。

本文現階段僅考慮老化對極化去極化電流的影響，而暫未考慮水分、模型結構的影響。后續將進一步分析模型結構、水分不同時脫陷電流曲線衰減速率、初值變化規律，消除模型結構對測試結果的影響，并建立水分含量與油紙絕緣脫陷電流特征參數的定量關系。

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（編輯：溫澤宇）