变压器油纸绝缘的介电响应特性研究—加速热老化的介电谱

魏建林 王世强 彭华东 董 明 张冠军冯玉昌 于 峥

（1. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2. 西北电网有限公司 西安 710048）

1 引言

大型油纸绝缘变压器是电力系统的核心设备，其运行可靠性和剩余寿命的评估对于电力系统的安全运行至关重要。准确评估油纸绝缘系统的老化状态是预测变压器寿命和保障电力系统稳定、可靠运行的前提和基础。变压器油纸绝缘在长期的运行过程中，承受热、电、化学以及机械应力的作用而逐渐老化[1,2]。大量研究表明[3,4]，热应力是导致油纸绝缘老化最关键的因素，因此对油纸绝缘的热老化进行研究，分析各种老化特征参量在老化过程中的变化规律，具有重要的理论意义和应用价值。

目前，变压器绝缘及老化状态的诊断方法主要有油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis,DGA）、局部放电（Partial Discharge, PD）检测、油中微水和糠醛含量分析以及绝缘纸聚合度分析等[1,2,5,6]。近十年来，基于介电响应原理的介电响应试验法，由于具有不吊芯、无损等测量和评估变压器固体绝缘含水量和老化状态的优点，而被逐渐引入到变压器油纸绝缘老化状态评估中。介电响应法主要分为时域和频域两种测量方式，其中时域包括恢复电压法（Recovery Voltage, RV）和极化去极化电流法（Polarization and Depolarization Current,PDC），频域的测量方法是指频域谱法（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）[6-10]。

任何电介质在外加电场作用下，都会产生电导和极化现象。电导是由于载流子的定向移动形成的，而极化是由于电介质内部沿电场方向出现宏观偶极矩而形成。极化分为电子/离子位移极化、偶极子转向极化以及不均匀介质所特有的夹层介质界面极化等类型。其中位移极化是一种瞬时的、弹性的、无损的极化方式，其响应时间一般小于 10-13s；另外几种极化则伴随着能量的损耗和时间上的滞后。介电响应指的就是这种有损的驰豫极化响应，其中偶极子极化的响应时间随介质分子结构的不同，一般介于10-10～10-2s，夹层介质界面极化的响应时间则较长，一般大于10-1s[11,12]。电介质材料绝缘老化后其驰豫极化会发生显著变化，反之也可采用介电响应反映其老化程度。

目前，对于评估油纸绝缘老化状态的介电响应试验方法，国内外学者已开展了大量的研究，并获得一些具有实践指导意义的结论[8-10,13-16]，有力推动了这种新型试验方法的应用，但对于从介电响应试验数据中提取老化特征量的研究，国内外报道尚不多见。本文引入时域介电谱概念[17,18]，在实验室对人工加速热老化的油纸绝缘材料开展 PDC和 FDS等介电响应试验，分析其介电谱和油纸绝缘老化程度的关系，尝试提取油纸绝缘老化的介电响应特征量。

2 测量技术和分析理论

2.1 极化去极化电流法（PDC）

PDC试验就是测量试品在阶跃电压作用下的充电（极化）电流和之后短路状态下的放电（去极化）电流，试验一般设置相同的充电和放电时间。考虑到直流电源的响应速度，一般PDC只记录和分析极化/去极化电流1s以后的部分。

PDC测量的极化电流ip与极化时间t的关系如

式中，U0代表所施加的充电电压；C0代表试品的几何电容；σ 代表试品的电导率；ε0为真空介电常数；f(t)代表试品的时域介电响应函数，该函数是试品的固有属性，与试品的老化状态有直接关系。从式（1）也可以看出，ip由稳定的电导电流和极化过程所贡献的衰减电流两部分组成。

去极化电流id与放电时间t的关系如

式中，tc代表充/放电周期[6,7]；可以看出id完全由去极化过程产生。

油纸绝缘的不同老化状态、不同含水量以及不同的绝缘结构都会影响PDC的充电和放电电流[8,14]，反之也可以用PDC试验分析油纸绝缘的老化状态。

2.2 频域谱法（FDS）

FDS测量就是将常规的工频复电容和介损测量扩展到低频和高频频段（如0.1mHz～1kHz）。

介质复电容C*定义如式（3）～式（5）所示。

式中，Z代表介质的输入阻抗；C′和C′分别代表复电容的实部和虚部，C′反映介质的实际电容量，C′′则和介质的损耗有关；ε′和ε′分别代表复介电常数ε*的实部和虚部；A和ω 代表试验电极的面积和距离[7]。

介质的频域介电响应函数 F(ω)即其复极化率χ*(ω)，如式（6）所示[7]。

式中，ε∞代表介质高频时的介电常数。

同时域介电响应函数一样，频域介电响应函数也是试品的固有属性，与试品的老化状态紧密相关。

介损的定义为复电容或复介电常数的虚部和实部的比值

由于介质一般存在电导，考虑到电导的影响，介损表达式为

式中，σ 代表介质的电导率[7]。

类似于PDC，油纸绝缘的不同老化状态、含水量和几何结构对其 FDS的复电容和介损测量都会有影响[8,15,16]，因此可采用 FDS测量分析油纸绝缘的老化状态。

2.3 时域介电谱

文献[17，18]基于PDC试验的去极化电流曲线，定义了电介质的时域介电谱，即放电电流id和放电时间 t的乘积 id×t与 t的关系。文献[17]认为，介质的时域介电谱总会出现波峰，每一个波峰对应一种确定的极化类型，这些极化类型和介质不同级别的分子结构紧密相关，介质分子结构的改变会影响其对应的极化，进而影响其时域介电谱。

油纸绝缘老化后必然导致自身分子结构的改变，从而改变其时域介电谱，反之通过油纸绝缘的时域介电谱就可以研究其老化程度的变化情况。

3 试验设计

本文所选择的用于加速热老化的油纸绝缘试品包括1mm厚的单层变压器纸板和25#克拉玛依产的环烷基矿物变压器新油。在热老化开始前，先将新的纸板放入烘箱，在120℃下干燥5h，然后迅速放入装有新变压器油的三电极试验装置中并密封，最后将整个试验装置静置 48h，以使绝缘纸板充分浸油。试验装置结构如图1所示。图1中三电极在不破坏装置密封性能的前提下，通过高温导线延伸到高温烘箱外部和介电响应试验仪器连接，目的是为了减少每次试验接线对热老化和试验过程的影响。在油纸绝缘试品准备好后，将整个试验装置放入温控精度±0.5℃的烘箱中，开展 120℃的长期加速热老化。加速老化期间，每隔一定时间就将油纸绝缘试品冷却到室温（24±1℃），进行相同试验温度下试品不同老化程度的PDC和FDS试验，而后继续老化过程。

图1 油纸绝缘三电极试验装置Fig.1 Structure of three-electrode test cell

PDC测量通过LabVIEW平台编制的软件，经由 GPIB卡控制内置有高压直流电压源的 Keithley 6517高阻静电计而实现。设定的充电电压和充放电周期分别为 500V和 1 200s。在接线方式上，试验装置的高压电极连接静电计高压电源的高压端，试验装置的测量电极连接静电计的电流测量端，试验装置的接地端和静电计高压电源的低压端一起接到大地。由于PDC受试品残余电荷的影响，因此每次试验前，都要对试品进行2h以上的接地放电。

FDS测量通过IDAX-206绝缘分析仪实现。设定的交流激励电压有效值为 140V，扫频范围为1mHz～1kHz。在接线方式上，试验装置的高压电极连接绝缘分析仪的高压输出端，试验装置的测量端连接绝缘分析仪的测量端，试验装置的接地端和绝缘分析仪的各个接地端单点接到大地。

4 试验结果及分析

4.1 PDC

油纸绝缘不同老化程度的极化与去极化电流分别如图2和图3所示。从图中可以看出，油纸绝缘老化程度的改变对PDC测量结果影响较大。随着老化程度的增加，极化与去极化电流都在增加，曲线整体向上移动，而代表电导电流的极化电流曲线的末端部分也在不断增加，反映油纸绝缘的电导率在不断提高。

图2 油纸绝缘试品不同加速热老化时间的极化电流Fig.2 Polarization current under different aging conditions

图3 油纸绝缘试品不同加速热老化时间的去极化电流Fig.3 Depolarization current under different aging conditions

文献[19，20]指出PDC试验的结果主要反映两种极化，也就是油纸绝缘间的夹层介质界面极化和纸板内结构不均匀造成的界面极化，而后者的极化响应时间一般大于前者，通常在5 000s以上。本文PDC试验的极化周期为1 200s，其试验结果难以反映纸板内部的界面极化，所反映的极化类型主要为油纸间的界面极化，因此图2和图3中极化电流的衰减部分和去极化电流都是由油纸间的夹层介质界面极化所贡献。

随绝缘老化程度的增加，绝缘纸中纤维素分子链不断断裂，其平均聚合度减小，分子间作用力减弱，纸板结构更加疏散、不均匀，绝缘油更容易浸入[21-23]，从而产生了更多的油纸界面，进而提高了油纸绝缘夹层介质界面极化的强度，增加了界面极化电流的大小，使极化电流的衰减部分和去极化电流都向上平移。老化同时也不断产生水分、有机酸等强极性物质[21-25]，从而提高了绝缘的电导率[26]，增加了其电导电流，使极化电流曲线的末端向上平移。

4.2 FDS

FDS测量结果的复电容实部和虚部分别如图 4和图5所示。油纸绝缘的老化对FDS测量结果的影响主要体现在低频段，使其复电容实部和虚部曲线的低频部分都向右上移动；而对高频段的影响较小，可忽略不计。

图4 油纸绝缘试品不同加速热老化时间的复电容实部Fig.4 Real capacitance under different aging conditions

图5 油纸绝缘试品不同加速热老化时间的复电容虚部Fig.5 Imaginary capacitance under different aging conditions

根据Jonscher的普适驰豫理论，图5中复电容虚部在低频段斜率接近-1以及图4中复电容实部斜率随频率减小而绝对值不断增大所表现出的低频弥散现象（Low Frequency Dispersion, LFD），说明该频段的极化是载流子主导的极化体系（charge carriers system）[27,28]。综合油纸绝缘的多种极化方式，这种载流子主导的极化体系主要是夹层介质界面极化[11,12]，也就是油纸间界面极化或纸板内部的界面极化[19,20]，而纸板内部的界面极化在本文的试验条件下难以反映（频率过低），因此本文 FDS试验的低频段主要反映油纸间的界面极化情况。油纸绝缘复电容实部和虚部的大小在低频段都取决于油纸绝缘间夹层介质界面极化的强弱，和上文PDC的分析相同，油纸绝缘老化使纸板结构更加疏散，油更易浸入，从而加剧油纸界面极化现象，提高了低频段的界面极化强度，进而使复电容的实部和虚部都向上平移。而老化导致水分、有机酸等含量的增加，提高了油纸绝缘电导率，从而减小了界面极化的响应时间[11,12]，使复电容的实部和虚部向右平移。

在高频段，主要是偶极子转向极化主导，而油纸绝缘老化所增加的有机酸、水分等强极性物质的含量相对于油纸绝缘自身而言并不是十分显著，对绝缘整体的偶极子极化程度改变很小，对复电容实部和虚部大小的影响也可以忽略不计。

4.3 时域介电谱

基于PDC的测量结果，所获得油纸绝缘试品不同老化程度的时域介电谱如图6所示。从图中可以看出，时域介电谱对老化较为灵敏，随老化程度的增加，曲线整体向左上移动。

按照时域介电谱理论[17,18]，图6中时域介电谱的波峰代表油纸绝缘的某种类型极化，且波峰的峰值反映了该极化的极化强度，峰值时间常数反映了这种极化的响应速度[17,18]。为了便于分析，将图 6中波峰的峰值及时间常数与油纸绝缘老化程度的关系提取出来，如图7和图8所示。可以看出峰值随老化程度的增加而增加，峰值时间常数则随之减小；根据峰值时间常数所处的时间段以及各种极化方式的特点判断，该波峰对应绝缘油和绝缘纸两种不同材料的夹层介质界面极化[11,12,19,20]。因而，油纸绝缘的界面极化随老化程度的增加，强度和响应速度都在不断增加，这些在上文PDC和FDS测量结果的分析中也得到了印证和解释，此处不再赘述。同时也可以看出，相对于PDC和FDS，时域介电谱可通过波峰的峰值和峰值时间常数定量反映油纸绝缘界面极化程度随老化的变化情况，进而一定程度定量反映绝缘的老化状态。

图6 油纸绝缘试品不同加速热老化时间的时域介电谱Fig.6 Time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

图7 不同加速热老化时间的时域介电谱峰值Fig.7 Peak value of time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

图8 不同加速热老化时间的时域介电谱峰值时间常数Fig.8 Peak time constant of time-domain dielectric spectroscopy under different aging conditions

需要指出，在图 6中，由于 PDC的极化/去极化时间tc（1 200s）较短，老化程度为0和100h的峰值时间常数已超过 tc，因此无法确定这两个峰值时间常数的实际大小，图8中采用tc（1 200s）代替两者。这一点也说明 PDC的极化/去极化时间对时域介电谱的分析影响较大，在允许的情况下应尽量增大极化/去极化试验时间。

根据以上分析可以看出，油纸绝缘的时域介电谱与其老化关系密切，对老化反应灵敏，其波峰的峰值和峰值时间常数可以定量反映油纸绝缘间的界面极化程度，并可以定量区分油纸绝缘老化程度的变化情况。

5 结论

本文对油纸绝缘试品进行了持续加速热老化，并在老化的不同阶段开展了PDC和FDS等介电响应试验，总结并分析了不同老化程度的PDC和FDS试验结果，并在PDC的基础上进行了时域介电谱分析，研究了时域介电谱的峰值及其时间常数与油纸绝缘老化程度的关系。

试验结果表明，随着油纸绝缘的老化，PDC的极化和去极化电流出现明显上移，FDS的复电容实部和虚部曲线在低频段均显著地向右上平移，时域介电谱曲线也向左上方平移。本文认为这是由于老化引起的水分、有机酸等含量的增加以及对纤维素结构的破坏，提高了油纸绝缘夹层介质界面极化的强度和响应速度而造成的。

在介电响应的试验条件下，时域介电谱对油纸绝缘间的夹层介质界面极化反应较为灵敏，其波峰不但可以定性界定油纸绝缘间的界面极化，而且还可以通过峰值和峰值时间常数定量确定油纸绝缘的界面极化程度，进而反映绝缘老化程度的变化情况，该峰值和峰值时间常数可考虑用作表征油纸绝缘老化程度的特征量。

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