绝缘油老化程度对变压器绝缘系统极化谱参数影响规律的研究

邓镓卓，刘佩，王林

(国网四川省电力公司南充供电公司，四川 南充 637000)



绝缘油老化程度对变压器绝缘系统极化谱参数影响规律的研究

邓镓卓，刘佩，王林

(国网四川省电力公司南充供电公司，四川 南充 637000)

油浸式电力变压器在运行过程中绝缘油不断地老化，严重影响其运行寿命，因此评估变压器绝缘油老化程度对确保变压器安全可靠运行具有重要意义。基于回复电压的极化谱方法是一种无损的绝缘诊断方法，可以方便地对变压器的绝缘状态进行现场诊断，已经被用来评估变压器的绝缘状态。通过对由三种不同老化程度的绝缘油和普通纤维素绝缘纸组成的绝缘系统进行的回复电压测试，研究了回复电压极化谱在不同老化程度绝缘油下的变化规律。结果表明：绝缘油老化程度对中心时间常数的影响最为明显，对峰值电压和初始斜率的影响则不大，初步建议用中心时间常数来判断绝缘油的老化程度，将峰值电压和初始斜率作为参考。

绝缘油；极化谱；回复电压；中心时间常数；介电特性

1 引言

电力变压器(特别是油浸式电力变压器)是电力传输和分配的核心和枢纽，是电力系统最重要和最昂贵的设备之一[1]，其运行状态的好坏将直接关系到整个电网能否安全、可靠运行。电力变压器故障的主要原因之一就是绝缘油的老化，准确评估其老化程度，对避免出现故障引起电力传输中断、大范围停电等重大事故具有重大意义。

变压器绝缘油在运行过程中受电、热、机械等多种因素作用以及遭受雷电、系统短路等外界因素的侵袭，会逐渐发生老化。回复电压法(RVM)是近年来备受关注的一种新的诊断方法，具有灵敏度高，抗干扰能力强，提供的信息内容多且能较好反映变压器的油纸绝缘状态等诸多优点，而且是一种非破坏性检测手段[2-3]，无需进行采样，可以在变压器现场直接进行试验。在实验过程中，绝缘油老化程度的变化对基于回复电压的极化谱有着重大影响。因此，深入研究极化谱曲线和参数在不同的绝缘油老化程度条件下的变化规律，是变压器介质响应研究中的一项重要内容，具有重要的学术和实际意义。

2 回复电压测量原理及研究现

回复电压法是近年国内外使用的一种十分简便、有效的绝缘检测方法，目前广泛应用的变压器油纸绝缘系统是一种由#25变压器绝缘油和普通纤维素绝缘纸构成的复合绝缘结构，可看作是一种复合绝缘介质。

2.1 测试过程

图1为回复电压测试电路示意图，回复电压的测量过程如下：首先将开关S1闭合、S2断开，直流电源对试品进行充电，在充电期间，绝缘介质将被极化，表面出现束缚电荷，内部偶极子按电场方向呈定向排列，充电时间为tc；然后将开关S1断开、S2闭合，对试品进行放电，放电时间td一般为充电时间的一半[4-5](V.Aschenbrenner等在试验中将充放电时间的比设置为2)，绝缘介质去极化，部分电容电荷被释放。放电结束后，自由电荷将全部被释放，打开开关S2，残余极化仍然存在,电介质去极化过程将继续，剩余极化电荷将在电极上形成一个电压响应，这个电压就是回复电压[6-7]。

逐步改变充电时间(一般在20ms～10000s范围内)，进行一系列的回复电压测量，提取回复电压最大值，通过拟合获得每个循环回复电压最大值随充电时间变化的曲线，即回复电压极化谱。

2.2 研究现状

目前，国内外已有一些学者对绝缘系统基于回复电压的极化谱曲线和参数进行了初步研究，文献[8]对某供电局的110kV主变压器换油前后分别进行了回复电压测量，指出两者的极化谱曲线形状一致，并随绝缘系统水分含量的增加，极化谱峰值电压将向左移动，对应的中心时间常数减小。绝缘系统的受潮程度和回复电压极化谱峰值电压对应的时间常数有确定关系，这个时间常数被称为中心时间常数，它能够直接反映油纸绝缘系统的湿度情况以及变压器的总体绝缘状态。文献[9-10]指出回复电压极化谱中心时间常数是温度和水分含量的二元函数，因此根据给定温度下极化谱中心时间常数的差别就可以判断出变压器油纸绝缘系统的平均等值含水量以及评估绝缘系统的总体状态。

已有的研究主要是说明油纸绝缘系统中水分、温度等因素对回复电压极化谱有一定影响，但是并没有提出绝缘油的老化程度对回复电压极化谱的影响关系，本文通过实验室绝缘油暴露于空气以及加速热老化模拟绝缘油老化，通过回复电压实验，分析不同变压器绝缘油老化程度对回复电压极化谱的影响，通过对不同老化程度下极化谱曲线和参数的变化情况得出一定的规律并结合了理论进行解释。

图1 回复电压测量电路图

U0—充电电压；Urmax—回复电压最大值；UR(t)—回复电压曲线；tc—充电时间；td—放电时间；tp—回复电压测量阶段；Si—初始斜率

图2 回复电压曲线示意图

3 实验

3.1 实验材料

本实验拟采用厚度为1.0mm普通纤维素绝缘纸和#25变压器矿物绝缘油。首先对绝缘油进行预处理：等分成三份，第一份直接用保鲜膜密封，第二份和第三份直接暴露于空气中，分别静置75天和150天，然后用保鲜膜密封。

3.2 实验装置

回复电压测试的测量回路示意图如图3。整个测量回路包括3部分：样品系统、控制系统、数据采集系统。

图3 回复电压测量示意图

样品系统：主要包括油纸绝缘试品、电极、容器、高温恒温试验箱(控制绝缘系统温度、湿度等条件)，其详细结构如图4所示。其尺寸分别为：容器高140mm，直径165mm；绝缘纸厚1.00mm，直径125mm；电极(圆柱形)厚10mm，直径100mm；绝缘油含量约2600mL。

控制系统：主要包括直流线性稳压、稳流电源和时间控制单元。其中直流线性稳压、稳流电源为试品提供稳定的直流电压，电压调节范围为0～1000V；时间控制单元，可以进行在0.01～9999s间任意时间的设置。

数据采集系统：主要包括数据采集仪和计算机。其中数据采集仪对整个测量过程中的电压进行实时采集，并将测得的电压值存入计算机中以便进一步处理和分析。

图4 样品系统的结构图

图5 回复电压测量实验流程图

3.3 实验步骤

实验步骤的流程图见图5。具体步骤如下：

(1)将容器、电极洗净并与绝缘纸(共7片)分别置于温度设为90℃的高温恒温试验箱中彻底干燥，然后冷却至室温；

(2)置入负电极，并向干燥后的容器中注入变压器绝缘油；

(3)将干燥后的7片绝缘纸浸入绝缘油中(绝缘纸放在负电极的上面)，为了避免容器壁对试品极化造成的影响，将绝缘纸放置在容器的中央，避免与容器的外壳接触；

(4)置入正电极，并用聚四氟乙烯盖对容器进行密封；

(5)连接控制系统、样品系统与数据采集系统间的线路；

(6)设置充放电时间、充电电压等实验参数并记录；

(7)进行回复电压测试，前次做完后，保存实验数据，静置1h，重新调整实验参数，进行下次回复电压测量。

实验中，完成一种绝缘油回复电压极化谱的测量后，更换绝缘油，进行下次测量；固定充放电时间比tc/td=2，并保证在同一温度下进行测量，避免温度对极化谱参数的影响。

4 实验结果与分析

4.1 回复电压曲线分析

图5为充电时间tc在100s时三种不同老化程度下的回复电压曲线。可以看出，相同充电时间下，回复电压曲线均有相似的形状：随测量时间增加，回复电压先迅速上升到最大值，然后再下降，下降到一定程度后，回复电压值趋于稳定。随绝缘油老化程度增加，初始回复电压值增加速率变大，回复电压最大值Urmax增加，对应的时间常数减小。

图6 三种不同老化程度绝缘油的回复电压曲线

4.2 绝缘油老化程度与极化谱的关系

从图7～图9中可以看出，相同的绝缘油老化程度下，充电时间对回复电压极化谱均具有相似的影响关系：随充电时间增加，极化谱曲线先迅速上升到最大值，然后再下降。

图7 第一种绝缘油极化谱

图8 第二种的绝缘油极化谱

图9 第三种绝缘油极化谱

绝缘油老化程度对回复电压极化谱的影响关系见表2，在绝缘油逐渐老化的过程中，极化谱峰值电压增加但不明显，初始斜率增加但其值较小不便于实际应用；中心时间常数减小，并且十分明显。因此可以通过中心时间常数来诊断变压器油纸绝缘系统中绝缘油的老化程度，而峰值电压和初始斜率可以作为参考。

表1 绝缘油老化程度与极化谱参数的关系

4.3 试验结果分析

油浸式电力变压器绝缘油在运行过程中逐渐地发生老化，随着老化程度逐渐加深，油中的不饱和烃、酸值增加并且逐渐产生气体、水分以及油中的悬浮物、游离炭黑等各种杂质[12]，使得载流子浓度、迁移率和液体粘度均增大。其介电性能表现为：介质损耗因数增大、介电常数变小、介质损耗因数增大、电导率上升，绝缘油的介电性能逐渐下降或变坏。

绝缘油严重老化的变压器油纸绝缘系统内，带电粒子运动加速，单位时间内通过某一界面的带电粒子增加，产生更快且更强的极化现象。当对其施加直流电压，短时间内就可将其彻底极化，获得极化谱峰值电压。相反，绝缘油轻微老化的变压器油纸绝缘系统极化响应相对缓慢，在短时间的充电下绝缘介质难以被彻底极化,只有在较长时间的充电下，才能将其彻底极化，获得极化谱峰值电压，因此绝缘油的老化程度对中心时间常数影响较大，对峰值电压和初始斜率影响较小。

5 结论

三种不同老化程度绝缘油组成的油纸绝缘系统的回复电压试验结果表明，回复电压测量是一种评估变压器绝缘油老化程度的有效方法。绝缘油在老化过程中，其偶极子数和液体粘度不断增加，对回复电压极化谱峰值电压和初始斜率影响不大，而对中心时间常数则有较大影响。因此，通过回复电压方法获得的极化谱可以评估变压器绝缘油老化程度，初步建议用中心时间常数来判断绝缘油的老化程度，将峰值电压和初始斜率作为参考。

[1] 钱政,尚勇,杨莉.电力变压器固体绝缘状况的综合评估模型[J].西安交通大学学报,2000,34(4)：5-10.

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[4] Tokyo Electric Co.Inc Hitachi,Ltd.A Diagnostic Method Based on RVM(Return Voltage Measurement)for Condenser Bushing with Oil-Paper Insulation Systems[J].Electric Engineering in Japan,2000,130(1):21-29.

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[6] OMAR HASSANL,HOSSEIN BORSIL,EMST GOCKENBACH,et al.Diagnostic of Insulation Condition of oil Impregnated Paper Insulation System with Return Voltage Measurements[C].2003 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.USA:IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society,2003,153-156.

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[8] 张涛,蔡金锭.应用极化谱分析油纸变压器绝缘纸板水分含量的研究[J].电工电能新术，2009，28(4):46-50.

[9] 中国科学技术信息研究所.2003年版中国科技期刊印证报告[R].北京：中国科学技术信息研究所，2003.

[10] 中国科学技术信息研究所.2002 年版中国科技期刊印证报告[R].北京:中国科学技术 信息研究所，2002.

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The Influence of Insulating Oil Aging Degree on Polarization Spectrum in Oil-paper Insulation System of the Transformer

DENGJia-zhuo,LIUPei,WANGLin

(Nanchong Power Supply Company,State Grid Sichuan Electric Power Corporation,Nanchong 617000,China)

Insulating oil become an aging in Oil-immersed power transformer while operation,and the operational life will be seriously influenced.Therefore,the assessment of aging degree of insulating oil in transformer makes great sense for the safe and reliable operation of transformer.As a non-destructive insulation diagnostic technique,the polarization spectral method which is based on RVM(recovery voltage measurement) has been employed to assess the state of insulation in transformer.In this paper,RVMs were conducted for the insulating system composed of three types of insulating oil with different aging degrees and kraft paper,and the changing regularities of polarization spectrum based on return voltage measurement were obtained.The result shows that insulating oil aging effecting on the central time constant is most obvious,but not on the initial slope and the peak voltage,so it is suggested preliminarily to use central time constant to diagnose the aging degree of insulating oil,and initial slope and peak voltage as a reference.

insulating oil;polarization spectrum;recovery voltage measurement(RVM);central time constant;dielectric property

1004-289X(2015)04-0030-05

TM41

B

2015-01-19

邓镓卓(1985-)，男(汉)，四川南充人，本科，主要从事高压电气设备电气试验、状态检修及绝缘故障研究； 刘佩(1989-)男(汉)，四川南充人，本科，主要从事高压电气设备状态检修研究； 王林(1986-)，男(汉)，四川南充人，硕士，主要从事电力系统故障诊断与在线监测研究。