油纸绝缘在双极性衰减振荡冲击下的累积效应研究

李文娟，王庆芬，孙江浩

（石家庄铁道大学四方学院，石家庄 050000）

油纸绝缘在双极性衰减振荡冲击下的累积效应研究

李文娟，王庆芬，孙江浩

（石家庄铁道大学四方学院，石家庄 050000）

电力变压器的内绝缘在雷电过电压的多次冲击下产生累积效应，影响其绝缘性能。研究表明实际雷电入侵波存在双极性衰减振荡波形的情况。首先用不同频率的双极性振荡衰减波波形，取低于其击穿电压的电压值，对油纸绝缘试品进行累积冲击，绘出其V-N特性曲线，验证了累积效应的存在性，探索了V-N特性的规律；继而用宽带频谱介电测试仪对在双极性振荡衰减波作用下累积冲击了100、200、300以及并未受冲击的绝缘纸进行测试，并对比分析了四种情况下复相对介电常数和介质损耗角正切值的变化规律，验证了累积效应对油纸绝缘的损伤。研究结果表明，双极性振荡衰减冲击电压和标准雷电冲击电压对油纸绝缘均存在明显的累积效应。在波形半峰值时间、所施加的电压幅值均相同时，频率越高的双极性振荡波击穿所需的冲击次数越少，复介电常数和介质损耗角正切值均随着累积冲击次数增加而变大，累积效应对油纸绝缘具有损伤。

雷电过电压；油纸绝缘；累积效应；介电性能

0 引言

电力变压器发生故障将直接影响到整个系统的运行，进而影响到工厂及企业等的运作，带来巨大的经济损失[1]。国内外的研究和统计表明，变压器的故障绝大部分是因为其绝缘性能的老化[2-4]。此外，多次雷电波的冲击可累积对变压器油纸绝缘的伤害，最终引发绝缘击穿。有事故分析表明，故障前的多次短路电流冲击可对变压器的绝缘损伤累积量变，从而由雷击引发绝缘损坏[3]。由于累积效应需要一段时间，故很难察觉，也是很大的隐患。

油绝缘的老化分为热氧老化和电气老化[5]，纸绝缘老化分为水解、电老化、热老化、机械力老化[6]。纸绝缘老化可导致局部放电、击穿强度下降，且绝缘油产生的酸性物质附着在绝缘纸表面，加速油纸绝缘老化，油绝缘和纸绝缘相互形成恶性循环，导致变压器绝缘性能降低。

印度安娜大学的S.P.Balaji等人对油纸绝缘进行了多次冲击过电压作用以研究其绝缘性能的劣化特性，得到了油纸绝缘在冲击电压下的V-N特性数学模型，用于预测各种波头、波尾时间的冲击电压作用下油纸绝缘可承受的冲击次数[7]。曼切斯特大学对于雷电冲击电压作用下绝缘纸板表面的流注发展的累积效应做了初步研究，研究表明，当雷电过电压作用于变压器油纸绝缘时，流注的发展存在累积效应[8]。

以上研究都证明了累积效应的存在及其危害性，但是并未展开累积效应对油纸绝缘影响的研究。因此，有必要深入研究变压器油纸绝缘的累积效应及其危害性、分析累积效应对油纸绝缘的影响，这对变压器绝缘的研究而言具有重要意义。

此外，大量研究表明，由于电力系统杂散电容和杂散电感的影响、变压器内部折反射、绕组谐振等原因，实际雷电过电压在变压器内部会产生振荡，即实际过电压波形呈双极性振荡衰减波，且其50%伏秒特性和标准雷电波差别很大[9-10]。因此，有必要选择双极性振荡衰减波与标准雷电波进行对比试验。根据实测波形及对其的参数分析[11-12]，其呈双极性振荡衰减波，且振荡主频在0～30 kHz均有分布，主要集中在 5～10 kHz。

由此可见，实际雷电入侵波中存在双极性衰减振荡波形的情况。目前国内外对油纸绝缘老化的成因、检测方法、累积效应以及雷电波实际波形都有了一定的研究，但是并未展开对油纸绝缘累积效应的具体研究，也并未涉及双极性衰减振荡波对累积效应影响的研究。因此，有必要深入研究双极性衰减振荡波形变压器油纸绝缘累积效应的影响，并与标准雷电波形进行对比，从而为变压器油纸绝缘特性测试方法提供一定参考。

本文采用柱-柱电极模型，首先对比双极性衰减振荡冲击、标准雷电波过电压作用下油纸绝缘的50%击穿电压，然后在不同双极性衰减振荡波作用下对油纸绝缘系统进行累积冲击，研究油纸绝缘系统累积击穿的V-N特性，并与标准雷电波过电压作用下的V-N特性进行对比，验证累积效应的存在并探索总结其规律，继而测量不同衰减振荡波作用下绝缘纸的频域介电特性参数的变化，对这些参数的变化进行研究，以达到对双极性衰减振荡下油纸绝缘系统的累积损伤效应进行研究分析的目的。

1 试验设计

1.1 试验波形

根据双极性振荡衰减波的实测频率[11-12]，从小到大取振荡频率分别为 166.7 Hz、400 Hz、862.1 Hz、15.15 kHz、34.48 kHz、50 kHz的双极性振荡衰减波与标准雷电波进行试验。波形参数如表1所示。

表1 波形参数设计Table 1 Waveform parameters

1.2 试验电路

利用LC谐振产生双极性振荡衰减波，试验电路包括两部分，一是电压发生部分，二是试品部分。电路连接图和波形图如图1所示。

图1中，先断开开关，利用试验变压器T、高压硅堆D和保护电阻r对电容C进行充电，直至设定电压；待电容电压稳定之后，闭合开关S，电容C和电感L产生LC谐振，该谐振波形经过阻尼电阻R发生衰减，从而产生设定的双极性衰减波。通过改变电阻、电感、电容的参数，可以得到不同参数的双极性振荡衰减波。

标准雷电波由冲击电压发生器产生。其波形图如图2所示。

图1 双极性振荡衰减波试验电路及波形图Fig.1 Test circuit and waveform diagram of the bipolar oscillating damped

图2 标准雷电波试验波形Fig.2 Standard lightning impulse test waveform

1.3 试验模型

以油罐作为试品，模拟油纸绝缘，其高压端与电压发生部分相连，低压端接地，承受冲击电压发生器产生的标准雷电波。电压波形通过与试品并联的电阻分压器分压之后连入示波器，以便对波形进行观测和分析。

试品用于模拟油纸绝缘，故将试品内部分由电极、绝缘纸、绝缘油组成。模拟较均匀电场情况下油纸绝缘的柱-柱电极，柱-柱电极采用黄铜圆柱电极，试验时将绝缘纸夹在高低压电极之间，即完成整个试品的组装。柱-柱电极为直径25 mm、高度为25 mm的两个黄铜圆柱体，其边缘倒圆角半径为3 mm。

1.4 试品

为防止发生沿面闪络，将模拟油纸绝缘的绝缘纸设计为直径80 mm、厚度0.3 mm的圆形纸片。笔者采用的油纸试样分别为普通绝缘纸和克拉玛依25号变压器油。为达到模拟油纸绝缘的目的，参考变压器实际处理过程，对试验油纸试样进行了干燥等预处理。油纸试样预处理流程如图4所示。

图3 柱-柱电极实物图Fig.3 Diagram of rod-rod electrode

图4 油纸试样预处理流程图Fig.4 Diagram of the oil-paper sample treating process

2 油纸绝缘击穿试验

使用0.3 mm绝缘纸的油纸绝缘系统进行试验。对于双极性振荡衰减波，在对50%击穿电压有一个大致估计的情况下，将其折算成对应的充电电压值后，以估计充电电压的50%左右的电压作为起始充电电压，每对试品进行一次电压冲击后以步长为5%逐步升高电压值以进行下一次冲击，直至试品击穿，记下此时的充电电压值，并将其折算为对应的试品高压端电压值。反复进行上述操作，依次记下击穿时折算后的试品高压端电压，至少10次有效击穿后求其击穿电压的平均值，则认为该平均值即为相应波形作用下油纸绝缘的50%击穿电压。

对于标准雷电波，其冲击电源效率接近于1，实际施加在试品上的电压与充电电压近似相等，具体数值也通过示波器读取。仍旧采取与双极性振荡衰减波相同的方法，取多次击穿电压的平均值为其50%击穿电压。

记下各种波形作用下油纸绝缘的50%击穿电压，并对所得实验结果进行对比研究。经过上述所描述的试验方法，得到0.3 mm柱-柱电极油纸绝缘系统在所有波形作用下的50%击穿电压，如表2所示。

表2 柱-柱电极模型不同雷电过电压50%击穿电压Table 2 50%breakdown voltage of rod-rod electrode model under different lightning overvoltage waveforms

3 油纸绝缘累积效应试验及分析

3.1 冲击电压下油纸绝缘的V-N试验及分析

V-N特性是反映与评估多次雷电冲击电压对油纸绝缘试品累积效应的重要方法，其获取方式如下：

1）以表1中的击穿电压为基准，每次降低2 kV左右，并以所得到的值为V-N特性试验中不同电压等级雷电冲击电压的幅值。

2）以60 s时间间隔对油纸绝缘试品进行累积冲击试验，直至试品击穿时记录累积施加雷电冲击电压的次数。为了减少误差，每个电压等级下分别对10份样品重复10次试验。

根据表1中得到的柱-柱电极模型油纸绝缘的击穿电压，针对每一种波形都取六种左右的电压幅值进行累积效应试验，经过反复冲击，试品最终都发生了击穿，这说明每一次的电压冲击都对试品具有一定损伤效应，且损伤经过累积，最终使试品发生击穿，进一步证明了累积效应的存在性。根据试验结果绘出低频率组、高频率组分别和标准雷电波的V-N特性对比图，如图5和图6所示。对于击穿所需次数，将其每组数据与平均值的最大差值作为误差棒于图中画出。

由图5和图6均可以看出：

1）对于不同频率的双极性振荡衰减波和标准雷电波，其V-N特性曲线均呈现出电压越高则击穿所需的次数越少的规律，这可以用能量来解释：电压越高能量越大，则每次冲击累积的损伤就越大，达到击穿所需次数就越少。

图5 低频率组波形和标准雷电波V-N特性对比图Fig.5 V-N characteristic comparison diagram between low frequency group wave and standard lightning waveforms

图6 高频率组波形和标准雷电波V-N特性对比图Fig.6 V-N characteristic comparison diagram between high frequency group wave and standard lightning waveforms

2）双极性振荡衰减波的V-N特性曲线均在标准雷电波的上方，说明相同电压幅值时，标准雷电波比双极性振荡波击穿所需的次数更少，说明标准雷电波作用下的油纸绝缘系统比在双极性振荡衰减波作用下更容易击穿。这从累积效应的角度说明了标准雷电波和双极性振荡衰减波的差异。

3）比较两幅图中的三条双极性振荡衰减波VN曲线可知，在波形半峰值时间、所施加的电压幅值均相同时，频率越高的双极性振荡波击穿所需的冲击次数越少。

3.2 双极性振荡衰减波作用下油纸绝缘介电特性试验及分析

介质的介电性能通常用相对介电常数εr和介质损耗角正切值来表示。绝缘纸是累积效应的主要原因，本文对绝缘纸的介电性能进行测试和分析。以频率为862.1 Hz、半峰值时间为5 ms的双极性振荡衰减波为对象，设置其高压端实际电压值为20 kV，对柱-柱电极油纸绝缘系统分别冲击 0、100、200、300次，然后用宽带介电谱测试仪以及频域介电谱法（FDS）对经过累积冲击之后的绝缘纸进行复相对介电常数和介质损耗角正切值的测试，并对测试结果进行对比分析，测量频率的范围为10-2～107Hz，测量结果如图7和图8所示。

图7 复相对介电常数随频率的变化曲线Fig.7 εrcurves under different frequency

图8 介质损耗角正切值随频率的变化曲线Fig.8 Tanδ curves under different frequency

由图7可得，相对介电常数数值均在4.5到7之间，每条曲线的走势大致相同，都是随着频率的增加而逐渐减小，且减小的速率在10-2Hz时最大，然后趋于平缓，到104Hz左右之后又逐渐增大。此外，随着累积冲击次数增大，介电常数值越大，而介电常数越大则表明绝缘老化程度越严重，这从微观角度直观地说明了累积效应确实对油纸绝缘产生了损伤。由图中还可以看到，四条曲线差别最大的频段集中在低频段，即10-2到10 Hz左右，且随着累积冲击次数增大，低频段介电常数减小的速率越大；而在高频段四条曲线差别并不大。

由图8可得，四条曲线的介质损耗角正切值在0到0.35之间。单独观察每条曲线，可以发现其走势是相同的，其值都是在0.01 Hz处最高，然后逐渐降低，且其减小的速度也逐渐降低，大概到10到100 Hz左右达到最低值，再逐渐增大，且其增大的速度也逐渐增大。分析认为，当频率逐渐增大时，由于极化滞后于电场变化，不能充分建立松弛极化，导致介质损耗角正切值降低；而当频率继续增大时，电场变化的周期也增大，可逐渐接近松弛极化时间，此时松弛极化对电场频率变化最敏感，使得介质损耗角正切值再次增大。

此外，同一频率下，随着累积冲击次数增加，介质损耗角正切值变大，而从前文已经知道，介质损耗角正切值表征了介质损耗，由此可以推知，增大累积冲击次数会增加介质损耗，即是说，累积效应对油纸绝缘系统确实存在损伤。

4 结论

1）双极性振荡衰减冲击电压对油纸绝缘均存在明显的累积效应，且电压越低，累积击穿次数就越大；在波形半峰值时间、所施加的电压幅值均相同时，频率越高的双极性振荡波击穿所需的冲击次数越少。

2）双极性振荡衰减冲击电压对绝缘纸介电特性有明显影响，复介电常数和介质损耗角正切值均随着累积冲击次数增加而变大，表明累积效应对油纸绝缘具有损伤。

3）双极性振荡衰减冲击电压下，油纸绝缘相对介电常数数值在4.5到7之间，且随着频率的增加而逐渐减小；介质损耗角正切值在0到0.35之间，且随着振荡衰减频率的增大，其呈快速降低然而后缓慢增大的趋势。

4）相同电压幅值时，标准雷电波比双极性振荡波击穿所需的次数更少，标准雷电波作用下的油纸绝缘系统比在双极性振荡衰减波作用下更容易击穿。

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Study on the Accumulating Effect of Bipolar Damped Oscillation Impulse on Oil-Paper Insulation System

LI Wenjuan，WANG Qingfen，SUN Jianghao
（Shijiazhuang Tiedao University Sifang College，Shijiazhuang 050000，China）

The multiple invasion of lightning impulse in power transformers may cause accumulative effect on the internal insulation，which influence the insulation performance.The research indicates that the bipolar oscillating damped waveforms do exist in the actual waveform of the lightning overvoltage.Bipolar oscillating damped waveforms with different frequency are firstly applied，and then the value lower than the breakdown voltage is used to accumulatively strike the oil-paper insulation system.After that the V-N performance curves are drawn to study the existence of accumulating effect，through which the rules of V-N relation are also investigated.At last，the dielectric property parameters εr and tanδ under different overvoltage waveforms and frequency are measured，and the facts of oil-paper insulation failure by accumulative effect are verified.Research results indicate that，both bipolar oscillating damped waveform and lightning waveform have obvious accumulating effects oil-paper insulation system.Under the same time of half-value and applied voltage magnitude，the higher the frequency of bipolar oscillating damped waveform，the fewer the times of impulse for insulation breakdown.The dielectric property parameters εr and tanδ will increase with the times of impulse voltage，meaning that accumulating effect does impair oil-paper insulation system.

lightning overvoltage；oil-paper insulation；accumulative effect；dielectric property

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.032

2016-00-0

李文娟 （1983—），女，讲师，研究方向：电力电子与电力传动，高电压技术。