PDC法在油紙絕緣套管油量狀態(tài)檢測(cè)的應(yīng)用研究

陳井銳，荀羽，王清波，袁峻，趙威，龔軍

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

0 前言

油紙絕緣套管是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的套管，然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，套管中油紙絕緣要長(zhǎng)時(shí)間承受熱、電、化學(xué)以及各種機(jī)械應(yīng)力的作用，使得其絕緣逐漸老化，因絕緣介質(zhì)受潮及局部放電，易出現(xiàn)缺陷，甚至導(dǎo)致故障發(fā)生。套管缺油易致潮氣侵入使得套管內(nèi)部絕緣受潮，而套管內(nèi)部絕緣受潮將會(huì)引起內(nèi)部局放，嚴(yán)重者甚至引發(fā)爆炸事故。這給電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)[1]。

近年來(lái)，針對(duì)油浸式電力設(shè)備開(kāi)發(fā)出一類新的絕緣診斷方法—介電響應(yīng)法(Dielectric Response)，介電響應(yīng)法包括：頻域介電譜法(Frequency Domain Spectroscopy, FDS)[2-4]、時(shí)域上的恢復(fù)電壓測(cè)量法(Recovery Voltage Method, RVM)和反映時(shí)域充放電過(guò)程的極化-去極化電流法(Polarization and Depolarization Current, PDC)[5-7]。其中極化-去極化電流法具有簡(jiǎn)單、設(shè)備攜帶方便和非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，已被國(guó)外研究者成功運(yùn)用到變壓器老化狀態(tài)評(píng)估研究。極化-去極化電流法其實(shí)質(zhì)是一種介電響應(yīng)分析法，它能反映有關(guān)介質(zhì)極化和電導(dǎo)的基本現(xiàn)象，從而反映出絕緣介質(zhì)性能的變[8-9]。

為了研究極化去極化電流法評(píng)估油紙絕緣式套管缺油的有效性，本文選取了35 kV油紙絕緣套管對(duì)不同油量的套管進(jìn)行了PDC測(cè)試，總結(jié)出有效的油紙絕緣套管測(cè)試方法，通過(guò)PDC測(cè)試結(jié)果對(duì)油紙絕緣套管的油量進(jìn)行了評(píng)估。

1 極化去極化電流法測(cè)試原理

套管極化去極化電流測(cè)量電路如圖1所示，在測(cè)試開(kāi)始時(shí)開(kāi)關(guān)打到a處，對(duì)測(cè)試樣品加上幅值為U0的直流高壓，此時(shí)由于介質(zhì)自身的電導(dǎo)以及介質(zhì)本身的極化過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生流過(guò)試樣的電流ip，即為極化電流，經(jīng)過(guò)極化時(shí)間tp后，使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至b處撤掉電壓并使測(cè)試樣品短路，此時(shí)由于電介質(zhì)的去極化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流過(guò)試樣的電流id，此電流即為去極化電流，去極化時(shí)間另為td。當(dāng)極化和去極化時(shí)間充分長(zhǎng)時(shí)，PDC電流可用公式（1）、（2）表示[10]

式中，C0為電介質(zhì)材料的幾何電容；U0為極化電壓；σ為電介質(zhì)材料的直流電導(dǎo)率；ε0為真空介電常數(shù)；f(t)為介電響應(yīng)函數(shù)。

圖1 套管PDC測(cè)試原理圖

由于極化去極化曲線受套管結(jié)構(gòu)的影響較大，且極化去極化曲線只能初步比較同一型號(hào)或相同結(jié)構(gòu)的套管絕緣狀態(tài)[10]。為進(jìn)一步判斷不同結(jié)構(gòu)的油紙絕緣套管的絕緣狀態(tài)，本文提取了如下特征參量：直流電導(dǎo)率σ0、變壓器介質(zhì)損耗正切值tanδ(ω)。上述特征參量可由公式（3）、（4）獲得[10]。

上式中：ip為極化電流，id為去極化電流，U0為極化電壓，C0為變壓器幾何電容。ε0為油的相對(duì)介電常數(shù)，ε∞為頻率無(wú)窮時(shí)油的介電常數(shù)，χ‘’(ω)為極化過(guò)程中的損耗，χ’(ω)為極化強(qiáng)度。

2 極化去極化測(cè)試方法

本文采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的PDC測(cè)試設(shè)備對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行PDC測(cè)試。該P(yáng)DC測(cè)試設(shè)備的直流極化電壓在0-6 kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)，電流分辨率為0.1 pA，極化時(shí)間在0-2 000 s范圍內(nèi)可調(diào)。

極化-去極化電流法的具體測(cè)試對(duì)象為含不同油量的35 kV油紙絕緣套管。測(cè)試時(shí)利用圖1所示測(cè)試電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)套管接線板端連接測(cè)試設(shè)備高壓電極，套管末屏與測(cè)試設(shè)備測(cè)量端連接。考慮到直流高電壓會(huì)使部分絕緣油發(fā)生電解電離等現(xiàn)象，不僅影響測(cè)試結(jié)果而且會(huì)對(duì)套管油紙絕緣造成破壞。且套管油紙絕緣結(jié)構(gòu)一般只需要較低電壓就能檢測(cè)出的絕緣老化狀態(tài)，因此本文測(cè)試電壓選擇為1 000 V。由于35 kV套管的電容較小，其需要的充電較短，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)套管快速測(cè)試的需求，設(shè)置套管極化時(shí)間為180 s?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境溫度21.3 ℃左右，相對(duì)濕度為55%。

3 PDC測(cè)試結(jié)果與分析

35 kV油紙絕緣套管不同油量測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)套管極化去極化電流幅值為1 E-8 A；其中油量為0 ml的電流幅值最小，隨著油量的增加電流幅值逐漸增大，這是因?yàn)殡S著套管內(nèi)的油量增加，套管內(nèi)的極性分子和套管油絕緣和高壓端接觸面積都會(huì)增多，使得在測(cè)試過(guò)程中的極化強(qiáng)度增大，導(dǎo)致極化去極化電流幅值變大。

圖2 PDC測(cè)試極化電流

圖3 PDC測(cè)試去極化電流圖

根據(jù)公式計(jì)算（1）、（2）、（3）、（4）可知隨著油量的增加直流電導(dǎo)率以及0.1 Hz低頻介損也在增大，這是由于隨著油量的增加極化去極化電流幅值增大，且極化電流增加幅值大于去極化電流幅值，通過(guò)公式（3）計(jì)算得出的電導(dǎo)率就表現(xiàn)為隨著油量的增加而增加，0.1 Hz介損與電導(dǎo)率的大小呈正相關(guān)，所以電導(dǎo)率的增加其0.1 Hz介損值也增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

由極化去極化測(cè)試結(jié)果計(jì)算出的0.1 Hz低頻介損以及直流電導(dǎo)率與油紙絕緣套管的油量成正相關(guān)，隨著油量增加，套管的電導(dǎo)率以及低頻介損增加，根據(jù)此現(xiàn)象，我們對(duì)套管極化去極化測(cè)試結(jié)果進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋梢詫?duì)套管油量變化進(jìn)行粗略判斷。