时变温度下牵引变压器油纸绝缘介电响应研究

2020-12-08周利军陈雪骄王东阳刘伟迪李会泽

铁道学报 2020年10期

周利军，陈雪骄，王东阳，刘伟迪，李会泽

(西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031)

牵引变压器是牵引供电系统中的核心设备[1-4]，绝缘性能的好坏是决定牵引变压器能否安全运行的主要因素之一，因此需要对牵引变压器进行有效的绝缘性能诊断。

针对牵引变压器绝缘状态的检验，主要是利用“天窗”时间进行定期的离线检修与预防性绝缘试验，牵引变压器检修规程的制定基本上都是参照电力部门对变压器的管理措施，除此之外还可以通过在线监测系统对牵引变压器的运行状态进行监测，离线检修时主要进行绝缘电阻、工频介损等电气参数的测试[5-7]，而绝缘电阻、工频介损等电气参数包含的信息量少，只能对变压器的绝缘状态进行整体上的评判，不能具体评估变压器的老化状态，特别是上述参数对绝缘中水分含量的变化敏感性较差，当检测值发生明显变化时绝缘往往已经严重受潮。近年来，频域介电响应法由于具有测量频带窄、受噪声干扰程度小、所需实验电源电压低、携带信息丰富等优点，受到相关学者与机构的广泛关注与研究[8-9]。变压器绝缘的介电参数随老化或受潮而发生明显变化[10-12]，频域介电响应法正是以此为基础，现场进行变压器频域介电响应测试时，油纸绝缘系统的温度受气温变化、初始油温、停运时间等多个因素的影响，测试结果受温度的影响较为明显[13-17]。对普通电力变压器进行测试时，先将其离线处理，待其温度与外界环境温度平衡后再进行测试，以降低温度影响，而离线时间与变压器容量相关，一般至少10 h。然而，牵引变压器的“天窗”有效时间只有2 h左右，因此牵引变压器无法在规定的时间内达到平衡，致使对牵引变压器进行频域介电响应测试时，绝缘始终处于动态、时变温度状态下，而时变温度下牵引变压器油纸绝缘频域介电响应特性尚无明确的研究，因此为了提高牵引变压器油纸绝缘状态诊断的准确性，急需研究时变温度下变压器油纸绝缘频域介电响应特性。

针对上述实际工程中存在的问题，本文搭建时变温度下油纸绝缘频域介电响应测试系统，进行试验变压器、油隙(绝缘油)以及油浸纸试样的频域介电响应测试，得到时变温度对油纸绝缘频域介电响应测量结果的影响特征，结合不同温度下油纸绝缘的离子迁移率与直流电导率的测试结果，讨论分析并得到了时变温度对牵引变压器油纸绝缘频域介电响应测试影响的主要原因，为时变温度下的测试结果校正提供了研究基础。

1 实验

牵引变压器内绝缘由油隙和油浸纸(板)构成，因此为了能够更加明确的研究时变温度下牵引变压器油纸绝缘系统的频域介电响应特性，分别对试验变压器、油隙以及油浸纸进行了实验。同时，由于牵引变压器油纸绝缘中的载流子主要为杂质分子电离形成，为了更好研究温度对牵引变压器油纸绝缘影响的原因，测试了不同温度下油隙和油浸纸的离子迁移率与直流电导率。

1.1 试验变压器测试

如图1所示，试验变压器测试起始温度为70 ℃，通过内置温度传感器记录试验变压器内部温度变化，当试验变压器内部温度达到70 ℃时停止加热，通过控制不同的室内温度来模拟实际中的降温速度，通过温度传感器记录试验变压器油纸绝缘的温度变化情况，如图2所示。试验变压器在不同环境温度下的温度变化率分别为0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz频率范围内对试验变压器进行频域介电响应测试，测试电压为100 V。

图1 时变温度下实验变压器测试

图2 实验变压器温度变化情况

1.2 油纸绝缘实验系统

图3为时变温度下油纸绝缘频域介电响应测试图。聚酯薄膜环外径为40 mm，内径为12 mm，厚度为0.3 mm，能够在电压电极与测量电极之间构成0.3 mm的油隙。用于测量的测量电极和电压电极均为光滑平整的电极板，以此产生空间均匀电场。

图3 实验系统

1.3 实验样品预处理

实验所用样品均未老化，其中绝缘油为25号克拉玛依变压器矿物绝缘油，绝缘纸为厚度为0.3 mm的普通牛皮绝缘纸。实验前将绝缘纸剪成半径为45 mm的圆形纸板，将圆形纸板放入真空干燥箱中，在90 ℃下干燥48 h，将干燥后的圆形纸板通过卡式滴定法测得水分含量约为0.5%。将绝缘油真空脱气，在40 ℃下干燥至水分含量为11×10-6(油中水分测试参照GB/T 7600—2014[18]，电气性能满足IEC 60296—2003[19]和ASTM D3487—2000[20])。制作油浸纸试样时，将经过预处理后的绝缘纸和绝缘油置入干燥的烧杯中，在40 ℃/50 Pa的环境下浸油24 h，使绝缘纸浸油充分。

1.4 时变温度下油隙的频域介电谱测试

绝缘油测试的起始温度为50 ℃，利用温箱将温度升高到50 ℃，测试前将整个实验系统在温度箱中静置24 h。进行频域介电响应测试时，通过改变实验系统的散热条件获得不同的温度变化情况。通过内置于实验系统中的温度传感器记录测试时的温度变化情况，如图4所示。3种温度变化率分别为0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300在10-3～103Hz频率范围内对油隙进行频域介电响应测试，为模拟实际场强，测试所加电压为10 V。

图4 绝缘油温度变化情况

1.5 时变温度下油浸纸的频域介电谱测试

油浸纸测试的起始温度为60 ℃，利用温箱将温度升高至60 ℃，测试前将整个实验系统在温度箱中静置24 h。进行频域介电响应测试时，通过改变实验系统的散热条件获得不同的温度变化情况。通过内置于实验系统中的温度传感器记录测试时的温度变化情况，如图5所示。3种温度变化率分别为0.4、0.6、0.8 ℃/min，利用IDAX300测试油浸纸在10-3～103Hz频率范围内的频域介电响应，测试所加电压同样为10 V。

图5 油浸纸温度变化情况

1.6 时变温度下的电流测试

如图6所示，对时变温度下流过试样的电流进行测试，测试的起始温度为50 ℃，利用数字信号发生器对试样施加幅值为10 V、频率为10-3Hz的正弦电压，利用HB-321微电流测试仪测试3种不同温度变化情况下流过试样的电流。

图6 微电流测试图

1.7 油纸绝缘离子迁移率的测试

根据文献[21]中测试方法，分别测试30、50、75 ℃下绝缘油和油浸纸的离子迁移率。利用温箱控制测试时的温度，根据图6连接测试回路，利用数字信号发生器在油纸绝缘试样两端施加一个幅值为10 V的阶跃电压Uc，持续一段时间t=tc后反转电压极性，由于电流达到准稳态的时间至少需要400 s[21]，因此本文取tc=1 200 s。利用HB-321微电流测试仪测量极性反转后回路电路中的电流，记录极性反转后瞬时电流出现峰值的时间tTOF(即离子迁移时间)，图7为极性反转测试过程中的电流变化示意图，可计算出离子迁移率[22]为

( 1 )

式中：d为电压电极与测量电极之间的距离，m；Uc为施加的阶跃电压值，V；tTOF为迁移时间，s。

图7 极性反转测试过程中的电流变化示意图

1.8 油纸绝缘直流电导率的测试

根据IEC 60247:2004标准[23]，可计算出绝缘油和油浸纸的电导率为

( 2 )

式中：i(t)为t时刻的电流值，A；S为测试电极的面积，m2。

由图7可知，不同时刻下的电流值求出的直流电导率是不同的，根据IEC 60247:2004标准，t=1 s时的电流值计算出的直流电导率为初始电导率。因此本文分别根据30、50、75 ℃下t=1 s时的电流值计算得到3种温度情况下绝缘油和油浸纸的初始电导率。

2 实验结果

2.1 试验变压器频域介电响应测试结果

图8为时变温度下试验变压器频域介电响应测试所得的复电容。图8表明，测试频率为高频时，测试结果不受温度的影响，当测试频率下降到中频段时，测试结果开始发生畸变，当测试频段变为低频段时，不同温度变化率下的测试结果的区分度更加明显，同时温度变化率越大，测试结果发生畸变的频率向高频方向移动，同时测试结果的畸变程度也更加明显。

图8 试验变压器复电容

2.2 绝缘油频域介电响应测试结果

图9为绝缘油频域介电响应测试所得的复电容。图9表明，测试频率为高频时，测试结果不受温度的影响，与起始温度下的测试结果一致，当测试频率下降到中频段时，测试结果开始减小，且测试频率越低，各测试曲线的区分度愈加明显。同时温度变化率越大，测试结果出现畸变的频率向高频方向平移且畸变的程度越明显。

图9 绝缘油复电容

2.3 油浸纸频域介电响应测试结果

图10为油浸纸频域介电响应测试所得的复电容。由图10可以看出，测试频率为高频时，测试结果不受温度的影响，与起始温度下的测试结果一致，测试频率下降到中频段时，测试结果开始减小，且测试频率越低，各测试曲线的区分度愈加明显。同时温度变化率越大，测试结果出现畸变的频率向高频方向平移且畸变的程度越明显。

2.4 时变温度下电流测试结果

图11所示为时变温度下电流测试结果。由图11可知，在刚开始测试的150 s内，不同温度变化率下的电流没有发生变化，150 s后电流测试结果开始发生变化，500 s后3种不同温度变化情况下的电流已经出现明显变化。随着测试时间的增加，电流幅值逐渐减小，电流相位逐渐增大，且温度变化率越大，电流幅值减小程度和电流相位增大程度越明显。

图11 不同温度下的电流

2.5 油纸绝缘离子迁移率测试结果

表1为不同温度下绝缘油中离子迁移率的测试结果，表2为不同温度下油浸纸中离子迁移率的测试结果。

表1 绝缘油的离子迁移率

表2 油浸纸的离子迁移率

2.6 油纸绝缘直流电导率测试结果

表3为不同温度下绝缘油初始直流电导率的测试结果，表4为不同温度下油浸纸初始直流电导率的测试结果。

表3 绝缘油的直流电导率

表4 油浸纸的直流电导率

3 分析讨论

3.1 时变温度的影响特征

温度对频域介电响应测试结果影响明显，当温度变化2 ℃以上时，测试结果将发生畸变。因此3种温度变化率下，温度变化达到2 ℃所需的时间分别为5、3.3、2.5 min。进行频域介电响应测试时，IDAX300是从高频向低频进行测试，表5为IDAX300在高、中、低频段所需的测试时间。对比温度变化2 ℃时的时间和各频段的测试时间可知，在高频部分的测试，温度变化量小于2 ℃，频域介电响应测试结果不发生畸变，进行中频部分的测试时，测试时间增加，温度变化量大于2 ℃，测试结果发生畸变，低频部分的测试，温度变化进一步加大，测试结果畸变更加明显。对比3种温度变化情况下的测试结果可知，温度变化率越大，在相同的测试时间里，温度变化量越大，因此测试结果畸变越明显。

表5 不同频段所需测试时间

频域介电响应法实质是通过对电介质施加不同频率的电压U*，测试流过电介质的电流I*，然后根据式( 3 )计算出不同频率下电介质的复电容C*，从而构成电介质整个频段的介电谱曲线。如图11所示，不同温度变化情况下的电流随温度下降而有明显的变化，在刚开始测试的150 s内不同温度变化情况下的电流测试结果与起始温度下的电流测试结果一致，因此高频部分下的频域介电响应测试结果不发生畸变，当t=150 s时，电流开始发生变化，引起频域介电响应测试结果发生畸变，500 s后电流测试结果明显变化，故低频部分的频域介电响应测试结果畸变明显，同时温度变化率越大，电流幅值减小程度越明显，频域介电响应测试结果畸变越明显。因此可以认为，温度变化引起频域介电响应测试结果发生畸变的主要原因是由于温度变化引起流过电介质内部的电流发生了畸变。

( 3 )

3.2 时变温度下电流畸变原因分析

对表1和表2不同温度下的离子迁移率的测试结果进行分析，得出绝缘油与油浸纸的离子迁移率和温度的关系为

( 4 )

( 5 )

式中：θ为摄氏温度，℃。

由式( 4 )和式( 5 )可以看出，随着温度的升高，绝缘油和油浸纸中的离子迁移率成指数增加。这是由于温度升高增加了绝缘油和油浸纸中离子的动能，使得离子迁移率增大。反之温度下降，离子动能减小，离子迁移率减小。

油纸绝缘中的载流子主要由油纸绝缘中的少量水分等杂质分子电离而成，若以AB代表油纸绝缘中的杂质分子，其电离过程如式( 6 )所示，杂质分子AB由于热振动离解成正、负离子A+、B-，同时正、负离子A+、B-通过碰撞又复合产生AB分子。

( 6 )

根据实验测得绝缘油和油浸纸的离子迁移率和初始直流电导率，由式( 7 )计算出绝缘油和油浸纸中的离子浓度，分别见表6和表7。

( 7 )

表6 绝缘油的离子浓度

表7 油浸纸的离子浓度

对绝缘油和油浸纸的离子浓度分析可得离子浓度与温度的关系满足

( 8 )

( 9 )

由式( 8 )和式( 9 )可知，绝缘油和油浸纸中的离子浓度和测试温度之间成指数关系。这是由于杂质分子AB离解成正、负离子需要克服势垒ua，温度升高导致分子间的热振动能增大，使得能克服势垒发生离解的杂质分子数增加，油纸绝缘中的离子浓度增大。反之温度下降，分子间的热振动能减小，能克服势垒发生离解的杂质分子数减小，离子浓度降低。

进行频域介电响应测试时，流过油纸绝缘的电流实质是由油纸绝缘内部载流子定向移动形成的。施加外电场后，由正、负离子定向移动形成的电流密度为

(10)

式中：n+、n-分别为正、负离子的浓度；μ+、μ-分别为正、负离子的迁移率，m2/(Vs)；q为单位电荷；E为电极间的电场强度，V/m。

考虑热扩散作用，式(10)可以写为

(11)

式中：D+、D-为分别为正、负离子的扩散系数。为方便分析，令D+=D-=D。根据Fick定律可知

(12)

极板上的束缚电荷密度为

(13)

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数。

因此，流过电极的电流为

(14)

式中：S为测试电极的面积，m2。

式(14)表明，油纸绝缘频域介电响应测试时的电流主要由油纸绝缘中的离子浓度、离子迁移率以及离子扩散系数决定。时变温度下绝缘油和油浸纸的频域介电响应测试，随测试温度下降，绝缘油和油浸纸中的离子迁移率和离子浓度均为指数式下降，同时绝缘油和油浸纸中的离子扩散系数与离子浓度有关，因此温度下降离子扩散系数减小，且测试温度下降，使得离子的动能减小，离子扩散程度减弱，导致离子扩散系数减小。因此当测试温度发生变化时(Δθ=2 ℃)，绝缘油和油浸纸中的离子迁移率和离子浓度都将发生明显的减小，由式(11)绝缘油和油浸纸中的电流密度减小且极板上的束缚电荷密度减小，从而使得流过电极的电流减小。因此，可以认为温度降低引起电流畸变的主要原因是因为温度降低使得绝缘油和油浸纸中的离子迁移率和离子浓度减小，从而造成极板上的束缚电荷密度减小。