油紙絕緣變壓器在電力系統中是非常重要的樞紐設備,其安全運行直接關系到整個電力系統正常穩定工作,而引起變壓器故障的主要原因為其絕緣老化或受潮,所以能夠對變壓器絕緣狀態的準確評估具有重要意義.近些年,以介質響應理論為基礎,涌現出多種新興的油紙絕緣變壓器絕緣狀態診斷方法,包括回復電壓測量法\\(RVM\\)、極化去極化電流法\\(PDC\\)和頻域譜法\\(FDS\\)等,其中RVM更易于現場線路布局,具有較好的抗干擾能力、單次測試獲取的信息量大等優點,而相對于傳統檢測法而言,回復電壓法又可對變壓器現場無損絕緣狀態診斷.因此,回復電壓法仍具有很好的應用前景,且對其深入研究也是很有價值和意義的.國內外對基于回復電壓的變壓器絕緣系統狀態診斷法作了許多研究工作,此前,基于RVM對不同變壓器的大量測試結果驗證了該法的有效性,也有不少學者研究了溫度、濕度、水分等對回復電壓特征量的影響,但根據回復電壓法對油紙絕緣系統氣隙\\(氣泡\\)的研究尚少.當絕緣系統外加電壓超過一定值后,系統中的氣隙將易引發局部放電,若任其發展,對變壓器的絕緣破壞是毀滅性的,所以對油紙絕緣系統氣隙的準確檢測研究是很有必要的.但由于油紙絕緣變壓器具體的介質響應機理復雜,所以引用回復電壓法對油紙絕緣狀態的準確診斷仍需要采集更多的現場數據來進行分析和驗證,而實際中,能夠對油紙絕緣變壓器進行測試的機會并不多,只有當變壓器停機檢修時才可同步進行回復電壓測試,且測試時間也不充裕.因此,該文建立回復電壓模擬測試實驗平臺,在其基礎上,主要研究氣隙對回復電壓參數的影響規律,通過模擬實驗為深入探究充分應用回復電壓法對油紙絕緣狀態準確診斷打下基礎.
1、 回復電壓測量原理
回復電壓法以介質響應理論為基礎,通過在絕緣介質兩端施加直流高壓,進行充放電處理后,由于絕緣介質的極化特性,可獲取絕緣兩端的回復電壓,研究其與老化受潮之間的對應關系,從而建立回復電壓法對絕緣狀態診斷的相關依據.回復電壓法的一次測試流程包括充電、放電、測量和松弛4個階段,其測量電路如圖1所示.具體測試步驟:
1\\)首先斷開開關S2,S3,閉合開關S1,直流電源U對變壓器進行充電,絕緣介質呈現極化反應,在介質兩端束縛大量電荷;2\\)經過充電時間tc后,斷開開關S1,閉合開關S2,開關S3仍保持斷開狀態,對變壓器進行放電,則其處于去極化過程,原兩極束縛電荷被釋放為自由電荷,產生去極化電流;3\\)當放電時間達到放電時間td時,斷開開關S1和S2,接通開關S3,若去極化過程還在繼續,剩余的自由電荷將在兩極形成回復電壓,并對其回復電壓參數進行記錄;4\\)將變壓器殘余電荷徹底放電,為下次測試做準備.
此過程產生的回復電壓曲線如圖2所示.一個測試周期中可獲取回復電壓的3個主要參數\\(回復電壓最大值Urmax、初始斜率Sr以及回復電壓峰值時間tpeak\\),通過調控充電時間tc,循環記錄相應充電時間tc下的各參數,并生成各次的回復電壓最大值Urmax與充電時間tc之間的變化關系曲線,即回復電壓極化譜.
2、回復電壓模擬實驗
2.1油紙絕緣系統實驗模型
油紙絕緣變壓器的絕緣系統主要由變壓器油、隔板和撐條等組成,其剖面排列結構如圖3所示,油紙絕緣系統主要位于高低壓繞組之間,由于撐條的加固作用,變壓器油與隔板交替排列.根據圖3,選取其中的結構單元作為本油紙絕緣系統的實驗模型,如圖4所示,而隔板和撐條的成分都為纖維素,所以在實驗中將二者簡化為相同材料的變壓器絕緣紙.
2.2 實驗裝置及步驟
實驗裝置主要有RVM5461回復電壓測試儀和盛樣裝置,實驗裝置及其接線方式如圖5所示,實驗材料為0.1mm變壓器絕緣紙\\(單層\\)和25號變壓器油.實驗具體步驟:
1\\)清洗盛樣裝置與實驗用的電極,并進行徹底干燥;2\\)將新變壓器絕緣油加入到盛樣裝置;3\\)將所需實驗項目的絕緣紙平坦放在油中的負電極上,為了降低裝置對試品極化效果的影響,將電極與絕緣紙放于裝置中心位置;4\\)待絕緣紙都被絕緣油浸透均勻時,正電極覆蓋于絕緣紙上面;5\\)關上盛樣裝置的密封蓋;6\\)分別將正、負電極的外接引線連接到RVM5461儀器的兩極探測線;7\\)檢查接線并確認開始實驗,打開RVM5461電源開關,設置極化電壓、充放電時間比\\(該文取2\\)、充電時間范圍等量;8\\)依次進行各充電時間下的回復電壓測試,并保存其間獲取的回復電壓參數;9\\)實驗結束,記錄數據以及自動生成的回復電壓極化譜;10\\)重新調整量,進行下一個實驗項目.
3、 實驗結果及分析
3.1 極化電壓對回復電壓曲線的影響
通過RVM5461獲取回復電壓數據,依次改變極化電壓\\(分別選取200,400和600V\\)和充電時間tc,并進行回復電壓測試,得到各次的回復電壓曲線,如圖6所示.各充電時間下的回復電壓曲線與極化電壓成正比例關系,即回復電壓隨著極化電壓的增大而增大,這是由于極化電壓增大,絕緣系統的極化過程更強烈,從而聚集大量電荷導致產生較大的回復電壓.考慮到實驗室外在干擾不大,且絕緣系統相對簡單并不需要太高實驗電壓,而為便于觀察,該文將極化電壓設置為400V.為將油紙絕緣系統中所隱含的所有極化信息完整反映出來,對各不同充電時間下的回復電壓曲線進行測試,獲取對應參數,并將它們與充電時間相結合.
3.2 氣隙對回復電壓最大值的影響
絕緣系統氣隙對各充電時間下的回復電壓最大值Urmax構成的關系曲線\\(回復電壓極化譜\\)影響較大,如圖7所示.由圖7可知,極化譜前端出現局部峰值,因為空氣主要成分為非極性電介質,在外電場作用下,產生感應偶極矩,在電介質表面出現極化電荷,而該部分極化建立時間較小,當外加電場移去后,感應偶極矩快速消失,對應的極化電荷也迅速中和,同時由于界面極化引起的吸收電流也為衰減形式,所以氣隙主要對充放電時間較小情況下的回復電壓最大值產生影響.同時,圖7中極化譜的主時間常數并未受到氣隙的作用而改變,這是由于隨著充放電時間增加,進行回復電壓測試時,受氣隙感應偶極矩和吸收電流的影響顯著降低.另外,極化譜末端與絕緣紙狀態相關聯,說明固體絕緣狀態并未發生較大變化,與實際相符,而末端有所偏差,可能是由于后期的殘余電荷積累產生的作用.
3.3氣隙對回復電壓峰值時間的影響
在各次充電時間tc下,絕緣系統氣隙對回復電壓峰值時間tpeak的影響如圖8所示.絕緣系統不管是否含有氣隙,回復電壓峰值時間與充電時間呈正比例關系,即tpeak隨著充電時間的增大而增大,且從測試數據中可發現小充電時間下,含有氣隙時的回復電壓峰值時間比無氣隙的小,由于氣隙極化而束縛的電荷導致去極化電流在短時增大,所對應達到回復電壓最大值的時間也有所減小.而充電時間較大后,其與tpeak呈線性關系,且相對于無氣隙時的情況,含有氣隙的斜率更大.
圖9所示,氣隙并不改變初始斜率的總體趨勢,但含有氣隙使小充電時間下的初始斜率明顯增大,而最后二者都緩慢衰減為零,氣隙積累的自由電荷在感應偶極矩消失后快速釋放,回復電壓在較短的時間內增大,則含有氣隙的絕緣系統的初始斜率比無氣隙時的大,而后期由于充放電時間都較大,氣隙極化產生的那部分電荷已釋放完全,對初始斜率的影響不大.
另外,回復電壓初始斜率與極化電導率的關系為dUr/dt=βE/ε0.\\(1\\)式中E為外加直流電場;β為極化電導率;ε0為真空介電常數.根據式\\(1\\)可知,氣隙的引入使得絕緣系統的極化電導率增大,即系統的絕緣狀態將越差,反之,回復電壓初始斜率越小,表示絕緣系統狀態良好.而實際中,變壓器若存在氣隙可對絕緣產生嚴重破壞,引起局部擊穿等,與實驗分析結果相一致.
4、 結語
筆者通過實驗室模擬回復電壓測試,定性研究分析了氣隙對絕緣系統回復電壓特性的影響,得到詳細的實驗結果,表明氣隙與回復電壓參數之間有較好的相關性.綜合考量回復電壓最大值Urmax、回復電壓峰值時間tpeak以及初始斜率Sr與充電時間tc間的關系變化,可對油紙絕緣系統中是否含有氣隙進行有效診斷.此外,筆者后續將對氣隙進行定量以深入研究氣隙量的不同與回復電壓參數的影響規律.
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