李 洁 侯英洒 张 鹏 赵建利

(内蒙古科技大学信息工程学院1 ,内蒙古 包头 014000；内蒙古电力科学研究院2，内蒙古 呼和浩特 010000)

电力变压器油纸绝缘的PDC法研究

李 洁1侯英洒1张 鹏2赵建利2

(内蒙古科技大学信息工程学院1,内蒙古 包头 014000；内蒙古电力科学研究院2，内蒙古 呼和浩特 010000)

为全面研究电力变压器绝缘状态的影响因素，以极化和去极化电流(PDC)法为基础，采用仿真和实验相结合的手段，对多个影响因素展开研究。通过搭建变压器油纸绝缘系统等效模型，仿真得出极化电压、极化时间和去极化时间对极化去极化电流的影响规律；开展水分和油纸老化试验，研究含水量、绝缘油老化和绝缘纸老化与极化去极化电流和油纸绝缘状态之间的关系，为今后变压器绝缘状况的研究和PDC法的推广应用打下基础。

电力变压器 油纸绝缘 极化电流 去极化电流 老化 水分

0 引言

极化和去极化电流(polarization and depolarization current,PDC)法[2]作为一种无损的电气诊断技术，以其抗干扰性能好、便于现场测试、携带信息丰富等特点，引起了研究人员的普遍关注。现阶段，国内外对PDC法的研究，主要通过仿真和实验的方式探究温度、水分和老化等因子对极化去极化电流的影响规律，并取得了一系列成果[3-7]。

本文在对油纸绝缘的极化机理和影响因素研究的基础上，利用搭建油纸绝缘等效模型仿真和开展实验相结合的手段，研究极化电压、含水量和油纸老化等因素与PDC参数和油纸绝缘状态之间的关系，达到全面评估变压器绝缘状态的目的。

1 仿真

1.1 搭建模型

PDC法的测量原理是首先在样品两端加一个持续时间为tp的阶跃激励U，该过程中会产生极化电流Ip;然后去除电压U，短接样品的高压端和低压端，并持续时间td，记录短接放电过程中的去极化电流Idp。设置足够长的充放电时间，并记录Ip和Idp与时间t的关系，即得到PDC电流曲线[8]。PDC法的原理如图1所示。

图1 PDC法的测量原理图

以PDC法为基础，对变压器的绝缘系统搭建扩展Debye等效模型[9]。本模型采用极化电阻Ri和极化电容Ci相串联的方式来代表不同极化速度的支路，分别为支路0、2、4、6和8。几何电容C可在工频下通过摇表法测得，本模型取325 pF。绝缘电阻R可通过绝缘电阻测试仪测得，且主要是由测量时间最大时的Ip和Idp确定，本模型取12.58GΩ；Ip和Idp通过电流测量模块CM1和CM2来测量；开关模块B1和B2的通断通过时间模块T1和T2来控制，所得仿真图形通过模块S1和S2显示出来。等效模型如图2所示，具体参数如表1所示。

图2 油纸绝缘系统的等效模型

支路τi/s Ri/GF Ci/pF00．04464．2110．620．169713．8012．346．67885660011．8657．222037400015．381075．3600752000014．3

1.2 仿真结果及分析

① 极化电压U对极化去极化电流(Ip和Idp)的影响

由于Ip和Idp的变化与电介质材料的介电特性有关，在仿真时，为避免测量误差和大电压对样品造成的破坏，将直流电压设定为50V、100V、200V和 400V。闭合开关B1，断开开关B2，进入极化过程，时间设定为3 600s；极化过程结束后，断开开关B1，闭合开关B2，进入去极化过程，时间设定为4 800s。Ip和Idp的变化趋势如图3和图4所示。

藤尾的父亲决定让甲野继承遗产，但对于藤尾来说是不公平的。藤尾毕竟是亲身的女儿，难以理解养子来继承遗产。受西洋文化影响的藤尾，出现了抵抗情绪也是合情合理的，另一方面，夏目漱石成了一个栩栩如生的藤尾母亲的形象。失去父亲的藤尾，母亲对藤尾的成长扮演着非常重要的角色。虽然甲野明确表示不继承这个遗产，但是藤尾的母亲却表示怀疑。她对女儿藤尾的婚姻横加干涉。

图3 极化电压U对Ip的影响

图4 极化电压U对Idp的影响Fig.4 Influence of polarization voltage U upon Idp

由于微小波动的作用，为准确分析，曲线应选取1 000 s之前的部分。在极化电压由50 V升至400 V的过程中，Ip和Idp的幅值随之变大，但变化趋势基本不发生变化。极化电压一定时，极化电流随时间由大变小,最后趋向定值，而去极化电流随时间近似呈线性减小趋势，并最终趋向于零。

② 极化时间tp对Ip和Idp的影响

由于极化过程进行的是否充分与极化时间tp有关，因此，为了研究tp对Ip和Idp的影响，在模型中，将极化电压U设定为300 V，tp值分别设定为60s、300s、600s和1200s，td值设定为2 400 s来对两个电流进行测量，结果如图 5和6所示。

图5 极化时间tp对Ip的影响

图6 极化时间tp对Idp的影响

随tp的增加，Ip和Idp均不断减小，变化趋势相似[10]。比较图中曲线可知，极化时间长的电流曲线比极化时间短的衰减的程度大，其末端值也更小。这是因为在外电场作用下，电介质内部的电子、偶极子等将转向与外电场相平行的方向来降低势能。当外电场不存在时，原本被外电场束缚的电子等又将恢复到随机、无规律的状态，但由于电介质恢复具有滞后性，使得这个恢复过程需要一定的时间来完成。即极化时间短的曲线，其极化过程还未进行完全，曲线的末端也相对上翘。随极化时间的延长，极化过程和去极化过程也相对进行得更充分，反映的绝缘信息也逐渐增加。

③ 去极化时间td对Idp的影响

在开关模块B1和B2的作用下，极化过程和去极化过程先后进行，td对极化过程的进行无影响，在此只研究其与Idp的关系。仿真时，极化电压设定值不变，仍为300 V，极化时间设定为1 000 s，去极化时间分别为60 s、300 s、600 s和1 200 s，测得结果如图7所示。

图7 不同去极化时间td下的去极化电流

比较4条曲线可知，Idp随td的延长不断减小，幅值也随之变小。1 200s的曲线末端相对于其他3条曲线衰减较为明显，这是因为在去极化时间较大的情况下，电介质内部正负电荷的作用中心由原来极化时的不重合状态恢复到重合，对外不再显示电性，由此造成曲线末端值下降。

2 试验

2.1 水量含量对Ip和Idp的影响

油纸老化过程中会产生水分，水作为一种极性分子，是影响PDC测量结果的重要因素[11]。研究水分对极化电流和去极化电流的影响，选择2.5mm厚的新绝缘纸板，分别裁剪成3个半径为5cm的圆形样本，在烘箱中烘干，称重记录。之后，将样品放入清水中浸泡，10min后取出重新放入烘箱内烘干，不同时间后依次取出纸板，进行称重即得到本次试验的4种不同含水量的纸板，分别为：0%、0.932%、1.764%和2.481%。设定直流电压U为300V，极化时间tp为1 500s，对样品进行测量，结果如图8和图9所示。

图8 含水量不同对应的极化电流

图9 含水量不同对应的去极化电流

纸板含水量的不同对Ip和Idp的影响近似，均是随时间逐次递减，且电流幅值随含水量的上升而变大。水的电导率比绝缘纸大，作为强极性物质进入到油纸绝缘之后，水分越多，在外电压下产生的束缚电荷越多，导致电导率变大，即增大了传导电流和吸收电流，且形成了更多的油水、纸水等界面，界面极化大大增强，促使极化电流和去极化电流也增大一个等级[12]。随水分含量的增加，极化曲线和去极化曲线的起始部分变化均不大，但末段则有明显不同，后者近似汇聚于一点，而前者没有，说明前者极化过程还未进行彻底。

2.2 纸老化对Ip和Idp的影响

变压器油纸老化主要是热老化，老化过程中会产生水分，油纸的分子结构也会发生改变。为了研究油纸老化对PDC测量结果的影响，本次试验选用普通牛皮绝缘纸(厚度为0.25cm)，将纸样剪成长宽分别为20cm和5cm的大小，经过萃取、真空烘干处理之后放置在老化箱中，在140 ℃下进行热老化，分别在0h、120h、240h和360h取样测试。测量结果如图10和图11所示。

图10 油纸老化对极化电流的影响

图11 油纸老化对去极化电流的影响

随时间的增加，Ip变化幅度较小，但Idp急剧减小，说明绝缘纸的老化对Idp的影响较为明显。比较120h和360h的去极化电流曲线，可知老化时间为360h时，去极化电流的值要比120h时的高，这主要是因为老化时间越长，产生的水分子变多，被束缚的电荷随之增多，因而造成Idp变大。

2.3 油老化对PDC测量结果的影响

本次试验样品选取25#新的变压器矿物绝缘油，平均分装在4个相同的磨口典量瓶中，密封之后，放入老化箱中老化，在老化时间分别为0h、60h、120h和240h时，将样品取出并分别进行红外光谱测试[13]。本次试验选用美国ThermoFisher生产的Nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪。红外光谱测试结果如图12所示。

图12 不同老化时期绝缘油的红外光谱

随老化时间的增加，绝缘油中元素C和H构成的分子架构不变，C-H主吸收峰位置没有发生变化。绝缘油中主要官能团的数量大小对应于红外光谱的吸收峰强度，可通过吸收峰强度来分析官能团在老化前后的变化[14]，进而得出其对极化电流和去极化电流的影响。比较老化时间为0h和240h的曲线，可知老化后，吸收峰的强度随老化时间的延长有所下降，分子链间作用力下降，氢键断裂，产生更多的水分子，造成极化电流和去极化电流不同程度增大。

3 结束语

本文在PDC法的基础之上，通过搭建油浸式电力变压器油纸绝缘系统的等效模型进行仿真分析和开展水分和油纸老化试验研究，得出极化电压、去极化时间以及含水量等因素对极化电流和去极化电流的起始值、末端值以及曲线变化趋势的影响规律，可据此来对变压器的绝缘状况进行判定。目前，运用时域响应法来研究油纸绝缘状态尚处于起始阶段，还没有足够完善的理论依据来解释时域介质极化现象，也缺乏公认的时域特征量来很好地表征油纸绝缘状态及其极化特性，因此运用PDC法来准确评估油纸绝缘状态仍需大量试验和验证。

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Study on the PDC Method of Power Transformer Oil-paper Insulation

To comprehensively study the factors affecting the insulated state of power transformer, on the basis of the polarization and depolarization current (PDC) method, the measure by combining simulation and experiment is taken. Through building the equivalent model of transformer oil-paper insulation system, the influence regular patterns between polarization voltage, polarization time, and depolarization time, upon polarization and depolarization current are obtained with simulation; the aging tests of moisture and oil paper aging are conducted for researching the relationships between moisture, insulating oil aging, oil paper aging and polarization and depolarization current and oil paper again, thus the foundation is laid for future research on insulation state of power transformation and promotion of the application of PDC method.

Power transformer Oil paper insulation Polarization current Depolarization current Insulation Aging Moisture

李洁(1964-)，男，1990年毕业于北京科技大学电气工程专业，获硕士学位，副教授；主要从事电力系统的研究。

TM411;TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510002

修改稿收到日期：2015-05-21。