油浸倒立式电流互感器低温介电特性研究

杨代勇 敖明 齐朋帅 于群英 孙宇飞

摘要：油浸倒立式电流互感器因其优点突出，在电网中应用日渐广泛。为探究油浸倒立式电流互感器主绝缘的低温介电特性，针对对一台未投运的35kV油浸倒立式电流互感器在低温环境下分别进行了频域介电谱测试和工频损耗因数及电容量测试。测试结果表明：不同温度下的油浸倒立式电流互感器频域介电谱有先下降后上升趋势，且当温度降到-40℃以下时，出现电流互感器的频域介电谱在低频段相差很小，几乎重合的现象;油浸倒立式电流互感器工频损耗因数随试验温度降低而增大，且变化速率由慢到快，而电容量随温度的降低匀速下降。针对测试结果，从介质物理理论角度分析了频域介电谱、工频损耗因数及电容量在低温下随温度变化的规律。

关键词：油浸倒立式电流互感器;低温;频域介电谱;工频损耗因数;介电特性

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.015

中图分类号：TM835.4文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2020）02-0111-07

0引言

随着国家电网的发展，大容量、远距离、高电压尤其特高压输电逐渐成为发展的方向，对电网中电气设备绝缘可靠性的要求也越来越高。电流互感器作为电网中的重要电气设备，一次侧与母线相连，其运行状态直接决定电网的安全稳定。从目前电流互感器的投运数量来看，倒立式电流互感器在国内外的应用越来越广泛。该类型产品区别于传统的正立式结构，正立式电流互感器一次绕组呈U型或R型，二次线圈绕在环形铁芯上，而倒立式电流互感器一次绕组为短导杆，二次线圈绕在一次导杆上并置于设备头部，二次引线通过电容屏套管内的铝管引至设备底部的接线盒。倒立式结构优点在于大大减小了主绝缘因受潮而被击穿的可能性，但产品的绝缘设计和工艺制造难度较大。倒立式电流互感器根据其绝缘介质的不同又可分为SF6气体绝缘和油纸绝缘两种。由于SF6绝缘型互感器场强分布不均匀且绝缘气体泄露影响大气等缺点，油浸倒立式电流互感器在电网中的应用更加广泛。

随着油浸倒立式电流互感器投入电网运行的数量越来越多，油浸倒立式电流互感器发生故障的报道逐渐增多。现有的报道中，油浸倒立式电流互感器的常见故障主要有主绝缘击穿、电容屏断裂、金属膨胀器冒顶等。针对这些故障，目前研究较多的是将已出现问题的互感器退出运行并进行油色谱检测、工频损耗因数及电容量测试、互感器解体分析等，诊断方法比较单一。近些年以介电响应技术为基础的频域介电谱法发展迅速，该方法作为一种无损检测手段有抗干扰能力强、携带信息丰富等优点，被不少研究者用于绝缘材料或电力设备的状态评估与诊断。

油纸绝缘作为油浸倒立式电流互感器的绝缘形式，国内外研究者关注较多的是其高温介电特性，主要通过加速热老化试验对油纸绝缘可靠性及寿命进行评估。但近些年随着我国电网的建设，东北、新疆及内蒙古等寒冷地区高压、特高压线路逐渐增多，电力设备将面临寒冷环境的考验，故有必要对油纸绝缘的低温特性进行研究。目前涉及低温下油纸绝缘介电性能研究的研究报道较少，徐征宇等人利用自己搭建的高压低温试验系统研究了-40℃下油纸绝缘沿面局部放电特性和击穿特性以及变压器油的击穿特性;加拿大学者研究了低温下（-10℃）不同微水含量的油纸绝缘的频域介电谱特性，并通过拟合得到对应的德拜模型参数;赵冲等人建立了低温环境下油纸复合绝缘结构介电参数测试平台，对不同油纸比例和微水含量下的复合结构分别进行了变化低温环境下的介电常数、介质损耗因数及击穿电压三种介电参数测试。综合现有研究，研究对象主要涉及变压器油、油浸纸板或油纸绝缘结构，而针对整台电力设备主绝缘的低温介电特性研究未见报道。

本文在实验室条件下，对一台未投入运行的35kV电压等级的油浸倒立式电流互感器在低温环境下分别进行了频域介电谱测试和工频损耗因数及电容量测试。针对实验结果，本文从介质物理理论角度分析了频域介电谱及工频损耗因数及电容量在低温下随温度变化规律。本文的测试结果对油纸绝缘电力设备低温特性研究有一定的参考价值。

1 油纸绝缘介电特性

1.1 介质频域介电理论

介质极化现象可由多个电阻和电容并联或串联支路等效，在不同频率范围（1mHz～1kHz）的交变电场作用下，电介质两端施加的电压U（ω，T）与其流过的电流I（ω，T）有如下关系

I（ω，T）=jωC*（ω，T）U（ω，T） （1）

式中：ω为测试电源的角频率;C*为电介质复电容;T为测试温度。

复电容C*表示材料的介电性能，可以由电容实部C与电容虚部C”表示为

式中，C₀为真空电容常数;ε'为复介电常数实部，与相对介电常数有相同含义;ε”为复介电常数虚部，表征电介质松弛极化引起能量损失的大小;δ₀为电介质的体积电导率;ε₀为真空下的相对介电常数。式中，ε*为复介电常数;ε_s为恒定电场下静态介电常数;ε_∞为光频相对介电常数，与介质瞬时位移极化相关;τ为松弛时间常数，与材料的特性和环境温度有关。

由此可得介质损耗因数tanδ：

上述理论为仅考虑带有损耗的典型德拜模型时成立。

1.2 介质介电特性的温度特性

温度较低时，极性分子热运动很弱，介质松弛时间很长来不及随外加交变电场定向，松弛极化来不及建立，这时仅存在位移极化，不产生松弛损耗，介质损耗与介质损耗因数都较小，相对介电常数ε_r趋近于光频介电常数ε_∞。

2 油浸倒立式电流互感器低温介电特性测试

本文中被測试样为未投入运行的35kV电压等级的油浸倒立式电流互感器，型号为LVBI-35，具体参数如表1所示。

2.1 频域介电谱测试

本文频域介电谱测试设备选用IDAX-300绝缘诊断分析仪，该设备可以在频率为0.1mHz-10kHz的范围内进行测试，提供的最高测试电压（峰值）为200V，其测试原理如图l所示。

测试时将绝缘诊断分析仪IDAX-300与步入式高电压高低温试验箱配合构成低温测试系统，该系统调温范围为-60～60℃，测试过程如下。

1）首先将被测的油浸倒立式电流互感器置于步进式高电压高低温试验箱，将互感器的二次侧接线端子全部短接并接地，同时断开末屏与地的连接。

2）分别将绝缘诊断分析仪IDAX300的输出激励电压端和测量端接在互感器的一次侧接线端子和末屏端，测试示意图如图2所示，图中Output为设备输出激励电压端，Input为测量端，Ground为保护接地及屏蔽端。

3）选择测试频率范围为1mHz-10kHz，设定初始测试温度为60℃，当温度稳定后开始测试该温度下试样的频域介电谱。

4）开始降温，每降10℃重复步骤4进行一次测试，当温度为-60℃时测试完成。为保证测试数据的稳定性和可靠性，试验实行连续降温模式，且每次达到设置温度时维持恒温5h后才进行测试。

2.2 工频介质损耗因数及电容量测试

测试时所用设备为AI-6000（D型）自动抗干扰精密介质损耗测量仪，配合调压器与步入式高电压高低温试验箱构成低温工频介质损耗因数测试系统，实现-60-60℃温度范围内不同测试电压下工频介质损耗因数及电容量的测试，测试过程如下。

1）将被测的油浸倒立式电流互感器置于步进式高电压高低温试验箱，将互感器的二次侧接线端子全部短接并接地，同时断开末屏与地的连接。

2）将互感器的一次侧接线端子与升压器输出端相接，将末屏端与介质损耗测量仪的试品输入端相接，测试接线如图3所示。

4）设置初始测试温度力60℃，当温度稳定后调节调压器分别测试升压及降压过程中不同测试电压下试品的工频介质损耗因数及电容量。

5）开始降温，每降10℃重复步骤4进行一次测试，当温度为-60℃时测试完成。为保证测试数据的稳定性和可靠性，试验实行连续降温模式，且每次达到设置温度时维持恒温5h后才进行测试。

3 测试结果分析与讨论

3.1 低温条件下互感器的频域介电谱曲线

测试时降温梯度为10℃，为使测试结果显示更加清晰，设置温度间隔为20℃，不同温度下互感器的频域介电谱谱曲线变化规律如图4所示。

由图4可以看出，低温环境下互感器的频域介电谱曲线有一定的变化规律。就单一曲线来看（固定温度不变），互感器频域介电谱有先下降后上升趋势，呈“U”型，在某一频率点处出现极小值。由电介质理论可知，在低频区即ωτ<<1（ω为角频率，τ为松弛时间，下同），极化完全能跟得上电场的变化，介质中电导损耗起主导作用，此时介质损耗因数（tanδ）与角频率的倒数（1/ω）近似呈正相关，故tanδ随频率的升高而降低;随着频率增加进入松弛区即ωτ≈1，此时松弛极化损耗占主导地位，由于频率的增加，松弛极化逐渐跟不上电场的变化，导致损耗也增加，tanτ会出现峰值;在高频区即ωτ>>1，松弛极化来不及建立，介质极化完全由位移极化所贡献，所以每个周期内引起的损耗减少，但随着频率增加每秒内的周期数增加，使得介质损耗有所增加。由于测试温度不高，松弛时间T较大，选取的频率范围（1mHz～10kHz）落在了松弛区靠近高频一侧，所以在图4中未见tanδ峰值。

当测试温度变化时，由图4可以看出，在低频区介质损耗因数随温度的升高而增大;随着频率增大，在高频区介质损耗因数随温度的升高而减小。在低频区域认为油纸绝缘损耗以电导损耗为主，在高频区域认为损耗以极化损耗为主，而在中频区损耗则是电导和极化共同作用。温度升高，使导电粒子平均动能增加，导电粒子运动速度变快，迁移率增大，试样的电导率变大，由于电导损耗在较低频率下对介质损耗因数贡献较大，随频率升高影响逐渐减弱;在高频阶段由于油纸绝缘试样以松弛极化损耗为主，温度越高使得分子的热运动越剧烈，阻碍偶极子在电场方向的定向，温度越高松弛损耗反而减小，温度越低松弛损耗反而增大，因此在高频段出现了测试温度越低介质损耗因数越高的现象。值得注意的是当温度降到-40℃以下时，互感器的频域介电谱在低频段相差很小，几乎重合，主要原因为互感器所用绝缘油为45#变压器油，当测试温度过低时绝缘油接近凝固点，此时松弛极化极弱，由式（3）与式（4）可知，此时tanδ≈δ₀/ωε₀，松弛极化影响很小，因此-40℃、-60℃曲线与-20℃在低频段趋于重合。

3.2 低温条件下互感器工频损耗因数及电容量测试结果

互感器工频介质损耗因数及电容量的测量采用先升压后降压的测试方式，测试结果如图5、图6所示。由图5和图6可以看出，当温度不变时，被测试样的介质损耗因数及电容量基本不随试验电压的变化而变化，近似为一条水平的直线，且升压与降压两个过程的曲线几乎重合。有研究者给出并解释了油浸倒立式电流互感器介质损耗因数随试验电压变化的特征曲线，如图7所示。对比本文测试结果，说明被测互感器绝缘状态良好，主绝缘内部无局部放电、受潮或掺有杂质等迹象，符合被测互感器未投运的工况，也与文献的测试结果具有一致性。

对比图5与图6发现，当试验电压不变时，被测试样的介质损耗因数与电容量随温度的变化趋势与变化速率都不同，为进一步说明，分别绘制被测试样主绝缘工频损耗因数与电容量随温度及试验电压变化关系三维图。

图8、图9所示分别为被测试样工频损耗因数与电容量随温度及试验电压变化关系三维图。由图8可以看出，被测试样主绝缘工频损耗因数随试验温度的降低而增大，且变化速率由慢到快。以0℃为界限，测试温度大于0℃时，工频损耗因数随温度变化很小，当温度低于0℃时，工频损耗因数随温度降低快速增大，尤其测试温度达到-50℃时，损耗因数成倍增大。温度的变化一方面影响油纸绝缘中极性分子的热运动，另一方面影响介质中油水平衡。降温初期（60℃→0℃），极性分子热运动由强转弱逐渐进人冻结状态，与热运动相关的松弛极化建立由易到难，介质损耗因数增大但不明显，此时油中水分也会慢慢析出吸附在绝缘纸板边缘，但此时水分析出速度较慢影响较小。继续降温（0→-60℃），绝缘纸板边缘水分继续集聚，随着温度降到零下而进人冻结状态，使得损耗因数急剧增大。由图9可以看出被测互感器電容量随温度的变化近似呈线性变化趋势。降温初期，分子热运动较强，与热运动相关的松弛极化得以建立，对应的电容量较大，随着试验温度继续下降，极性分子热运动减弱，最后呈现冻结状态，此时仅存在电子位移极化，故电容量较小。

4 结论

为探究油浸倒立式电流互感器主绝缘的低温介电特性，本文在实验室条件下，对一台未投入运行的35kv电压等级的油浸倒立式电流互感器在低温环境下分别进行了频域介电谱测试和工频损耗因数及电容量测试，结果如下。

1）不同温度下的油浸倒立式电流互感器频域介电谱有先下降后上升趋势，呈“U”型;当温度降到-40℃C以下时，出现频域介电谱在低频段相差很小，几乎重合的低温特性。

2）未投运的油浸倒立式电流互感器主绝缘工频损耗因数及电容量随试验电压变化极小，说明被测试样绝缘状态良好，该方法可用于互感器绝缘状态诊断。

3）油浸倒立式电流互感器工频电容量随温度的降低匀速下降，而工频损耗因数随试验温度降低而增大，且变化速率由慢到快，检修部门应加强低温下设备工频损耗因数的检测，以防发生故障。

本文主要对一台刚出厂未投入运行的油浸倒立式电流互感器做了一系列低温介电性能测试，并得出了其低温介电特性的一些规律。但由于被测互感器为新试样，缺少对比，对实际运行中的互感器参考价值较低，这是本文的局限性。下一步，课题组将对互感器进行预埋缺陷处理或加速老化模拟实际运行中的互感器，然后对其进行测试，深入探究油浸倒立式电流互感器的低温介电性能。