唐 盼，尹 毅，吴建东，严 旭

(上海交通大学电气工程系，上海 200240）

基于去极化电流法的变压器油纸绝缘状态

唐 盼，尹 毅，吴建东，严 旭

(上海交通大学电气工程系，上海 200240）

变压器油纸绝缘作为典型的复合电介质在老化过程中，其介电特性将发生显著的变化。本文为了研究油纸绝缘老化的介电响应特征量，设计了一套模拟变压器油纸绝缘老化的实验装置，研究了在加速电老化过程中，不同老化阶段的油纸绝缘的去极化电流，并利用傅立叶红外光谱分析了老化过程中油的化学组分的变化，作为对电老化程度的验证。研究结果表明，去极化电流的Debye等效电路模型能有效分析变压器油纸绝缘的老化状态，分析表明电路模型中最大和最小时间常数所对应的电阻R和电容C可作为老化特征量，其中最大时间常数所对应的Rmax、Cmax反应了绝缘油的老化情况，而最小时间常数对应的Rmin、Cmin反应了绝缘纸的老化情况。

油纸绝缘;Debye模型;去极化电流;电老化;绝缘状态;界面极化

1 引言

变压器在正常运行中，其油纸绝缘系统在电、热和化学效应等的联合作用下逐渐老化和降解。这些物理和化学过程改变了绝缘材料的分子的微观结构，影响了绝缘材料的介电性能并且会反映在绝缘材料的极化和去极化过程中。基于介电响应原理的介电响应测试方法具有无损、不吊芯等诊断变压器绝缘寿命的优点，因此多年来成为变压器油纸绝缘老化的重要检测方法。然而由于油纸绝缘系统中绝缘材料和绝缘结构的复杂性，目前介电响应测量法所测得的介电参数和油纸绝缘内部物理特性之间的关系仍不十分清楚。国内外一些学者已对油纸绝缘的极化电流曲线和其老化状态的关系进行了定性分析，而对电流曲线的去极化参数和油纸绝缘的状态的对应关系少有研究。

本文为研究油纸绝缘去极化电流与其绝缘状态的关系，设计了一套变压器油纸绝缘模拟装置。通过对油纸绝缘不同老化阶段的去极化电流测试和傅立叶红外光谱测试，研究了利用去极化电流法评估油纸绝缘状态的可行性。

2 PDC基础理论

2.1 PDC测试流程

PDC测试法的原理如图1所示。测量过程:先在测试样品两端加上一个电压为U的阶跃激励，持续时间为tp。该过程中样品开始极化，其极化电流为ip，这个电流是由不同绝缘材料引起的不同时间常数的极化过程以及直流电导共同形成的。接着去除电压将样品短路并维持时间td，之前的极化过程这时会产生相反方向的放电电流，即去极化电流。一般设置较长的充电和放电时间，记录并分析去极化电流id与时间t的关系，即去极化电流曲线。由于极化电流在高极化电场下受到电磁干扰较大，不易测量，而去极化电流既包含了绝缘材料的大部分状态信息，同时又不易受外界干扰的影响，能够更加真实地反映油纸绝缘的极化过程，因此本文中主要进行去极化电流测量。

2.2 变压器油纸绝缘等效模型

变压器主绝缘系统由一系列纸筒压板、油隙以及对纸筒起支撑作用的撑条构成。将变压器中绝缘油和绝缘纸的电阻、电容进行合并，可简化得到图2所示的变压器油纸绝缘Debye等效模型［1］。

图1 PDC测量基本原理示意图Fig.1 Basic PDC measurement circuit

图2 变压器油纸绝缘的Debye等效模型Fig.2 Debye model of transformer oil-paper insulation

当试样两端施加电场之后，电介质中出现偶极极化和界面极化。当电场被移除之后，偶极子松弛恢复到初始状态，这个时间一般小于10－5s，界面极化的松弛则相对时间较长，故实际测得的去极化电流中主要是由界面极化引起。界面极化则是由不同材料间的界面构成的，由于各种材料之间的介电特性都不相同，因此这些界面极化的时间常数也各不相同［2］。这些极化过程可用图2中的电阻电容串联支路模拟。

另外从上面的分析可知去极化电流是变压器油纸绝缘中不同位置的特定松弛机制产生的松弛电流复合形成。不同部位有着各自的独特的松弛特性，这些特性的变化取决于老化程度以及由于老化产生的新物质或新结构的情况。因此松弛电流可以用各个松弛机制的指数形式之和来模拟。Debye模型中的Ri-Ci串联支路的参数可以用式(1）拟合实验测得的去极化电流得到［1］。

式中，Ri-Ci串联支路的时间常数τi=RiCi;Ai与极化电压大小的关系为:

结合式(1）、式(2）和 τi=RiCi，就可以计算出串联支路中的 Ri和 Ci。

3 试验设计

3.1 试验样品的制备

本文选用厚度为0.5mm的三木变压器绝缘纸板和25#环烷基变压器新油模拟油纸绝缘进行加速电老化，其中纸板样品如图3所示。在这个模型中，中间带有孔洞的纸板是用来模拟实际变压器油纸绝缘中纸板间的撑条，孔洞是用来模拟油道。为防止老化和测试过程中外部潮气的侵入，整个油纸绝缘均置于密闭绝缘罐中。

图3 纸板试验样品的结构示意图Fig.3 Structure of paper sample

3.2 试样老化和去极化电流测量

在老化装置的高压端和测量端施加10kV工频交流电压，使电极间的油纸试样中产生局部放电。加速电老化期间，每隔一定时间撤去高压，进行相同试验温度下试样不同老化程度时的去极化电流测量，其中充电时间为3600s，放电时间为10000s。电流的测量由Keithley6517A表和计算机构成的自动测试系统完成。

图4 测量电路原理图Fig.4 Measurement circuit schematic

3.3 傅立叶红外光谱测量

试验做完之后，提取少量的未老化绝缘纸板和刚老化完的绝缘纸板，用丙酮将纸中残余绝缘油析出，最后将处理完毕的未老化和老化绝缘纸进行红外光谱检测［3-4］。

4 实验结果及分析

4.1 去极化电流曲线

不同老化程度的油纸绝缘去极化电流如图6所示。从图中可知随着老化时间的增加，放电电流也在增大，曲线整体向上移动。

图5 油纸绝缘试样不同老化时间的去极化电流Fig.5 Depolarization current at different aging times

在加速电老化中，绝缘纸板的纤维素分子在局部放电时发生断裂，聚合度减小，分子间变得松散，生成了水分和有机酸等强极性老化副产物。绝缘纸板由于老化降解使得结构更加疏松，故有更多的绝缘油浸入［5］，这样油纸界面变得更多增强了夹层界面极化的强度引起了去极化电流的增大。同样水和有机酸等强极性老化副产物也会和油、纸产生界面，这些界面的极化也会带来去极化电流的增大。

4.2 Debye模型参数分析

由于油纸绝缘试样中至少有三种极化形式，故将去极化电流按三项指数多项式(3）进行非线性拟合，得到拟合曲线及指数多项式参数。

不同老化时间的去极化电流按式(3）拟合后得到了相关的参数如表1所示。

表1 去极化电流拟合参数Tab.1 Parameters of depolarization current fitting

在油纸绝缘试样中，电极由于是导体，它和绝缘纸形成的界面极化在Debye模型中对应的是最小时间常数τ1的支路。τ1所对应的参数 A1随着老化时间的增长逐渐变大，这说明了电极和纸的界面极化也在加强，由此推断出绝缘纸是在渐渐老化。绝缘油属于非极性材料，油纸界面极化对应模型中的应该是最大时间常数τ3所对应的支路，其中参数 A3也是随着老化时间的增加而变大。这是因为绝缘纸老化后变得疏松，更多的油浸入形成了更多的油纸界面，因此油纸界面极化强度增大。老化过程中的副产物水和有机酸等为强极性物质，这些物质和油纸形成的界面极化具有中间的时间常数。从参数A2的变化规律中也可以看出这类型界面极化也在逐步加强，老化副产物变得更多［5］。

将去极化电流拟合参数中的最大和最小时间常数τ及其所对应的Ai按照式(2）计算得到 Debye模型中的电阻R和电容C。计算结果见表2。

表2 Debye模型中的参数Tab.2 Parameters of Debye model

从表2中看出随着老化时间的增长，最大时间常数所对应的R是一直递减的，而C的变化趋势是递增的。最大时间常数所对应的R-C支路主要影响了去极化电流的尾部，而去极化电流的尾部和绝缘油的状况有关［2］。因此可以推断出最大时间常数所对应的R、C由绝缘油的老化情况所决定。绝缘油越新，τmax所对应的 Rmax越大，Cmax越小。当绝缘油老化时则情况相反。而这种变化正好是由于绝缘油老化后，油水、油酸等界面极化增强引起的。最小时间常数所对应的R-C支路主要影响了去极化电流的起始部分，这部分其实主要由绝缘纸板的老化情况决定，故可以看出最小时间常数所对应的R、C是受绝缘纸板的影响。随着老化时间的增加，Rmin越来越小，Cmin有逐渐变大的趋势［1］。这种参数的变化是由绝缘纸老化后分子变得疏松形成更多油纸界面导致的。各种界面极化的增强在Debye模型参数中的反映就是R变小，C变大。这种变化在表2中得到验证。

4.3 绝缘纸的傅立叶红外光谱分析

未老化和老化绝缘纸的红外光谱检测结果如图6所示。根据文献对新绝缘纸红外光谱主要吸收峰进行了归属，结果如表3所示［3-4］。

图6 绝缘纸的红外光谱图Fig.6 Infrared spectra of paper

表3 新绝缘纸红外光谱主要吸收峰归属Tab.3 Main IR absorption peaks of new paper

从图6中可以看出老化后的绝缘纸较老化前的红外光谱吸收峰大部分的吸收强度都下降了，其中波数1647cm－1吸收峰强度变弱说明绝缘纸纤维素分子内或分子间氢键老化应力的作用下断裂，分子链间的作用力减小，纤维素的机械强度下降。波数1106cm－1和894cm－1代表的糖苷键C-O-C吸收峰强度下降说明了纤维素糖苷键在老化过程中断裂。糖苷键断裂使得纤维素分子由大分子链断裂为小分子链，绝缘纸的机械强度降低。故从红外光谱的结果中可以看出绝缘纸在放电老化过程中，绝缘纸的分子结构遭到破坏，绝缘纸得到了老化［3，5］。纤维素分子的断裂促使绝缘纸变得疏松，从而产生更多的油纸界面。而纤维素中的氢键及糖苷键断裂时会产生水分子，这些水分子中的一部分会游离到油中，因此油水、纸水等界面同样增多。这些界面的增多是去极化电流增加的部分原因。

5 结论

通过对油纸绝缘试样不同老化阶段的去极化电流测量和红外光谱测试分析，可得出以下结论:

(1）随着油纸绝缘的老化，去极化电流出现了明显的上移，红外光谱中大部分吸收峰的吸收强度降低。

(2）油纸绝缘老化引起的水分、有机酸等含量的增加和纤维素分子中的一些化学键的断裂，将导致油纸绝缘夹层介质界面、油水、纸水等界面的极化的强度增强，响应速度的提高。

(3）去极化电流的Debye模型中最大和最小时间常数对应的R、C可作为表征油纸绝缘老化程度的特征量，其中最大时间常数所对应的R、C反应了绝缘油的老化情况，而最小时间常数对应的R、C反应了绝缘纸的老化情况。

References）:

［1］Saha T K，Prithwiraj Purkait，Frank Muller.Deriving an equivalent circuit of transformers insulation for understanding the dielectric［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical，2005，20:149-157.

［2］Saha T K.Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in aged transformers［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，10(5）:903-917.

［3］李明赞 (Li Mingzan）.光谱分析技术及其应用 (Spectroscopy and its applications）［M］.北京:科学出版社(Beijing:Science Press），2006.

［4］窦鹏，杨道武，李毅 (Dou Peng，Yang Daowu，Li Yi）.应用红外光谱和混沌学分析变压器油的老化特性(Analyze aging characteristics of transformer oil based on infrared spectroscopy and chaos theory）［J］.高电压技术(High Voltage Engineering），2009，35(4）:849-854.

［5］魏建林，张冠军，董明，等 (Wei Jianlin，Zhang Guanjun，Dong Ming，et al.）.化学反应动力学预测油纸绝缘变压器老化寿命 (Application of kinetics of chemical reaction in aging lifetime evaluation of oil-paper insulated transformers）［J］.高电压技术(High Voltage Engineering），2009，35(3）:544-550.

Study of oil-paper insulated transformers’aging state based on depolarization current measurements

TANG Pan，YIN Yi，WU Jian-dong，YAN Xu
(Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Transformer oil-paper insulation is a typical composite dielectric.And its dielectric properties will change significantly during aging process.To investigate the characteristic parameters of dielectric response phenomena of transformer oil-paper insulation aging，a simulating device of the transformer oil-impregnated pressboard insulations was designed.Depolarization current of the samples during accelerated electrical aging process at the same temperature was measured.And the infrared spectrum was used to prove that the oil-paper insulation has been aged.Based on Debye model，the resistance and capacitance of the maximum and minimum time constants branch are calculated.The results reveal that，the transformer condition can be obtained from Debye model.In Debye model the parameters Rmaxand Cmaxare related to aging condition of oil，and Rminand Cminare related to aging condition of paper.

oil-paper insulation;Debye model;depolarization current;electrical ageing;insulation condition;interfacial polarization

TM404

A

1003-3076(2012）04-0039-04

2011-10-13

唐 盼 (1987-），男，湖北籍，硕士研究生，主要从事聚合物材料绝缘性能测试和结构改良方面的研究;

尹 毅 (1972-），男，江苏籍，教授/博导，从事聚合材料和技术，高电压工程和电力系统在线监测等方面的研究。