李文娟，王慶芬，孫江浩

（石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，石家莊 050000）

油紙絕緣在雙極性衰減振蕩沖擊下的累積效應(yīng)研究

李文娟，王慶芬，孫江浩

（石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，石家莊 050000）

電力變壓器的內(nèi)絕緣在雷電過(guò)電壓的多次沖擊下產(chǎn)生累積效應(yīng)，影響其絕緣性能。研究表明實(shí)際雷電入侵波存在雙極性衰減振蕩波形的情況。首先用不同頻率的雙極性振蕩衰減波波形，取低于其擊穿電壓的電壓值，對(duì)油紙絕緣試品進(jìn)行累積沖擊，繪出其V-N特性曲線，驗(yàn)證了累積效應(yīng)的存在性，探索了V-N特性的規(guī)律；繼而用寬帶頻譜介電測(cè)試儀對(duì)在雙極性振蕩衰減波作用下累積沖擊了100、200、300以及并未受沖擊的絕緣紙進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)比分析了四種情況下復(fù)相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的變化規(guī)律，驗(yàn)證了累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣的損傷。研究結(jié)果表明，雙極性振蕩衰減沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓對(duì)油紙絕緣均存在明顯的累積效應(yīng)。在波形半峰值時(shí)間、所施加的電壓幅值均相同時(shí)，頻率越高的雙極性振蕩波擊穿所需的沖擊次數(shù)越少，復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值均隨著累積沖擊次數(shù)增加而變大，累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣具有損傷。

雷電過(guò)電壓；油紙絕緣；累積效應(yīng)；介電性能

0 引言

電力變壓器發(fā)生故障將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而影響到工廠及企業(yè)等的運(yùn)作，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。國(guó)內(nèi)外的研究和統(tǒng)計(jì)表明，變壓器的故障絕大部分是因?yàn)槠浣^緣性能的老化[2-4]。此外，多次雷電波的沖擊可累積對(duì)變壓器油紙絕緣的傷害，最終引發(fā)絕緣擊穿。有事故分析表明，故障前的多次短路電流沖擊可對(duì)變壓器的絕緣損傷累積量變，從而由雷擊引發(fā)絕緣損壞[3]。由于累積效應(yīng)需要一段時(shí)間，故很難察覺(jué)，也是很大的隱患。

油絕緣的老化分為熱氧老化和電氣老化[5]，紙絕緣老化分為水解、電老化、熱老化、機(jī)械力老化[6]。紙絕緣老化可導(dǎo)致局部放電、擊穿強(qiáng)度下降，且絕緣油產(chǎn)生的酸性物質(zhì)附著在絕緣紙表面，加速油紙絕緣老化，油絕緣和紙絕緣相互形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致變壓器絕緣性能降低。

印度安娜大學(xué)的S.P.Balaji等人對(duì)油紙絕緣進(jìn)行了多次沖擊過(guò)電壓作用以研究其絕緣性能的劣化特性，得到了油紙絕緣在沖擊電壓下的V-N特性數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)各種波頭、波尾時(shí)間的沖擊電壓作用下油紙絕緣可承受的沖擊次數(shù)[7]。曼切斯特大學(xué)對(duì)于雷電沖擊電壓作用下絕緣紙板表面的流注發(fā)展的累積效應(yīng)做了初步研究，研究表明，當(dāng)雷電過(guò)電壓作用于變壓器油紙絕緣時(shí)，流注的發(fā)展存在累積效應(yīng)[8]。

以上研究都證明了累積效應(yīng)的存在及其危害性，但是并未展開(kāi)累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣影響的研究。因此，有必要深入研究變壓器油紙絕緣的累積效應(yīng)及其危害性、分析累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣的影響，這對(duì)變壓器絕緣的研究而言具有重要意義。

此外，大量研究表明，由于電力系統(tǒng)雜散電容和雜散電感的影響、變壓器內(nèi)部折反射、繞組諧振等原因，實(shí)際雷電過(guò)電壓在變壓器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生振蕩，即實(shí)際過(guò)電壓波形呈雙極性振蕩衰減波，且其50%伏秒特性和標(biāo)準(zhǔn)雷電波差別很大[9-10]。因此，有必要選擇雙極性振蕩衰減波與標(biāo)準(zhǔn)雷電波進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)測(cè)波形及對(duì)其的參數(shù)分析[11-12]，其呈雙極性振蕩衰減波，且振蕩主頻在0～30 kHz均有分布，主要集中在 5～10 kHz。

由此可見(jiàn)，實(shí)際雷電入侵波中存在雙極性衰減振蕩波形的情況。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油紙絕緣老化的成因、檢測(cè)方法、累積效應(yīng)以及雷電波實(shí)際波形都有了一定的研究，但是并未展開(kāi)對(duì)油紙絕緣累積效應(yīng)的具體研究，也并未涉及雙極性衰減振蕩波對(duì)累積效應(yīng)影響的研究。因此，有必要深入研究雙極性衰減振蕩波形變壓器油紙絕緣累積效應(yīng)的影響，并與標(biāo)準(zhǔn)雷電波形進(jìn)行對(duì)比，從而為變壓器油紙絕緣特性測(cè)試方法提供一定參考。

本文采用柱-柱電極模型，首先對(duì)比雙極性衰減振蕩沖擊、標(biāo)準(zhǔn)雷電波過(guò)電壓作用下油紙絕緣的50%擊穿電壓，然后在不同雙極性衰減振蕩波作用下對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行累積沖擊，研究油紙絕緣系統(tǒng)累積擊穿的V-N特性，并與標(biāo)準(zhǔn)雷電波過(guò)電壓作用下的V-N特性進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證累積效應(yīng)的存在并探索總結(jié)其規(guī)律，繼而測(cè)量不同衰減振蕩波作用下絕緣紙的頻域介電特性參數(shù)的變化，對(duì)這些參數(shù)的變化進(jìn)行研究，以達(dá)到對(duì)雙極性衰減振蕩下油紙絕緣系統(tǒng)的累積損傷效應(yīng)進(jìn)行研究分析的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)波形

根據(jù)雙極性振蕩衰減波的實(shí)測(cè)頻率[11-12]，從小到大取振蕩頻率分別為 166.7 Hz、400 Hz、862.1 Hz、15.15 kHz、34.48 kHz、50 kHz的雙極性振蕩衰減波與標(biāo)準(zhǔn)雷電波進(jìn)行試驗(yàn)。波形參數(shù)如表1所示。

表1 波形參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Waveform parameters

1.2 試驗(yàn)電路

利用LC諧振產(chǎn)生雙極性振蕩衰減波，試驗(yàn)電路包括兩部分，一是電壓發(fā)生部分，二是試品部分。電路連接圖和波形圖如圖1所示。

圖1中，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，利用試驗(yàn)變壓器T、高壓硅堆D和保護(hù)電阻r對(duì)電容C進(jìn)行充電，直至設(shè)定電壓；待電容電壓穩(wěn)定之后，閉合開(kāi)關(guān)S，電容C和電感L產(chǎn)生LC諧振，該諧振波形經(jīng)過(guò)阻尼電阻R發(fā)生衰減，從而產(chǎn)生設(shè)定的雙極性衰減波。通過(guò)改變電阻、電感、電容的參數(shù)，可以得到不同參數(shù)的雙極性振蕩衰減波。

標(biāo)準(zhǔn)雷電波由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生。其波形圖如圖2所示。

圖1 雙極性振蕩衰減波試驗(yàn)電路及波形圖Fig.1 Test circuit and waveform diagram of the bipolar oscillating damped

圖2 標(biāo)準(zhǔn)雷電波試驗(yàn)波形Fig.2 Standard lightning impulse test waveform

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以油罐作為試品，模擬油紙絕緣，其高壓端與電壓發(fā)生部分相連，低壓端接地，承受沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)雷電波。電壓波形通過(guò)與試品并聯(lián)的電阻分壓器分壓之后連入示波器，以便對(duì)波形進(jìn)行觀測(cè)和分析。

試品用于模擬油紙絕緣，故將試品內(nèi)部分由電極、絕緣紙、絕緣油組成。模擬較均勻電場(chǎng)情況下油紙絕緣的柱-柱電極，柱-柱電極采用黃銅圓柱電極，試驗(yàn)時(shí)將絕緣紙夾在高低壓電極之間，即完成整個(gè)試品的組裝。柱-柱電極為直徑25 mm、高度為25 mm的兩個(gè)黃銅圓柱體，其邊緣倒圓角半徑為3 mm。

1.4 試品

為防止發(fā)生沿面閃絡(luò)，將模擬油紙絕緣的絕緣紙?jiān)O(shè)計(jì)為直徑80 mm、厚度0.3 mm的圓形紙片。筆者采用的油紙?jiān)嚇臃謩e為普通絕緣紙和克拉瑪依25號(hào)變壓器油。為達(dá)到模擬油紙絕緣的目的，參考變壓器實(shí)際處理過(guò)程，對(duì)試驗(yàn)油紙?jiān)嚇舆M(jìn)行了干燥等預(yù)處理。油紙?jiān)嚇宇A(yù)處理流程如圖4所示。

圖3 柱-柱電極實(shí)物圖Fig.3 Diagram of rod-rod electrode

圖4 油紙?jiān)嚇宇A(yù)處理流程圖Fig.4 Diagram of the oil-paper sample treating process

2 油紙絕緣擊穿試驗(yàn)

使用0.3 mm絕緣紙的油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于雙極性振蕩衰減波，在對(duì)50%擊穿電壓有一個(gè)大致估計(jì)的情況下，將其折算成對(duì)應(yīng)的充電電壓值后，以估計(jì)充電電壓的50%左右的電壓作為起始充電電壓，每對(duì)試品進(jìn)行一次電壓沖擊后以步長(zhǎng)為5%逐步升高電壓值以進(jìn)行下一次沖擊，直至試品擊穿，記下此時(shí)的充電電壓值，并將其折算為對(duì)應(yīng)的試品高壓端電壓值。反復(fù)進(jìn)行上述操作，依次記下?lián)舸r(shí)折算后的試品高壓端電壓，至少10次有效擊穿后求其擊穿電壓的平均值，則認(rèn)為該平均值即為相應(yīng)波形作用下油紙絕緣的50%擊穿電壓。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雷電波，其沖擊電源效率接近于1，實(shí)際施加在試品上的電壓與充電電壓近似相等，具體數(shù)值也通過(guò)示波器讀取。仍舊采取與雙極性振蕩衰減波相同的方法，取多次擊穿電壓的平均值為其50%擊穿電壓。

記下各種波形作用下油紙絕緣的50%擊穿電壓，并對(duì)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。經(jīng)過(guò)上述所描述的試驗(yàn)方法，得到0.3 mm柱-柱電極油紙絕緣系統(tǒng)在所有波形作用下的50%擊穿電壓，如表2所示。

表2 柱-柱電極模型不同雷電過(guò)電壓50%擊穿電壓Table 2 50%breakdown voltage of rod-rod electrode model under different lightning overvoltage waveforms

3 油紙絕緣累積效應(yīng)試驗(yàn)及分析

3.1 沖擊電壓下油紙絕緣的V-N試驗(yàn)及分析

V-N特性是反映與評(píng)估多次雷電沖擊電壓對(duì)油紙絕緣試品累積效應(yīng)的重要方法，其獲取方式如下：

1）以表1中的擊穿電壓為基準(zhǔn)，每次降低2 kV左右，并以所得到的值為V-N特性試驗(yàn)中不同電壓等級(jí)雷電沖擊電壓的幅值。

2）以60 s時(shí)間間隔對(duì)油紙絕緣試品進(jìn)行累積沖擊試驗(yàn)，直至試品擊穿時(shí)記錄累積施加雷電沖擊電壓的次數(shù)。為了減少誤差，每個(gè)電壓等級(jí)下分別對(duì)10份樣品重復(fù)10次試驗(yàn)。

根據(jù)表1中得到的柱-柱電極模型油紙絕緣的擊穿電壓，針對(duì)每一種波形都取六種左右的電壓幅值進(jìn)行累積效應(yīng)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)沖擊，試品最終都發(fā)生了擊穿，這說(shuō)明每一次的電壓沖擊都對(duì)試品具有一定損傷效應(yīng)，且損傷經(jīng)過(guò)累積，最終使試品發(fā)生擊穿，進(jìn)一步證明了累積效應(yīng)的存在性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出低頻率組、高頻率組分別和標(biāo)準(zhǔn)雷電波的V-N特性對(duì)比圖，如圖5和圖6所示。對(duì)于擊穿所需次數(shù)，將其每組數(shù)據(jù)與平均值的最大差值作為誤差棒于圖中畫(huà)出。

由圖5和圖6均可以看出：

1）對(duì)于不同頻率的雙極性振蕩衰減波和標(biāo)準(zhǔn)雷電波，其V-N特性曲線均呈現(xiàn)出電壓越高則擊穿所需的次數(shù)越少的規(guī)律，這可以用能量來(lái)解釋：電壓越高能量越大，則每次沖擊累積的損傷就越大，達(dá)到擊穿所需次數(shù)就越少。

圖5 低頻率組波形和標(biāo)準(zhǔn)雷電波V-N特性對(duì)比圖Fig.5 V-N characteristic comparison diagram between low frequency group wave and standard lightning waveforms

圖6 高頻率組波形和標(biāo)準(zhǔn)雷電波V-N特性對(duì)比圖Fig.6 V-N characteristic comparison diagram between high frequency group wave and standard lightning waveforms

2）雙極性振蕩衰減波的V-N特性曲線均在標(biāo)準(zhǔn)雷電波的上方，說(shuō)明相同電壓幅值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)雷電波比雙極性振蕩波擊穿所需的次數(shù)更少，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下的油紙絕緣系統(tǒng)比在雙極性振蕩衰減波作用下更容易擊穿。這從累積效應(yīng)的角度說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)雷電波和雙極性振蕩衰減波的差異。

3）比較兩幅圖中的三條雙極性振蕩衰減波VN曲線可知，在波形半峰值時(shí)間、所施加的電壓幅值均相同時(shí)，頻率越高的雙極性振蕩波擊穿所需的沖擊次數(shù)越少。

3.2 雙極性振蕩衰減波作用下油紙絕緣介電特性試驗(yàn)及分析

介質(zhì)的介電性能通常用相對(duì)介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗角正切值來(lái)表示。絕緣紙是累積效應(yīng)的主要原因，本文對(duì)絕緣紙的介電性能進(jìn)行測(cè)試和分析。以頻率為862.1 Hz、半峰值時(shí)間為5 ms的雙極性振蕩衰減波為對(duì)象，設(shè)置其高壓端實(shí)際電壓值為20 kV，對(duì)柱-柱電極油紙絕緣系統(tǒng)分別沖擊 0、100、200、300次，然后用寬帶介電譜測(cè)試儀以及頻域介電譜法（FDS）對(duì)經(jīng)過(guò)累積沖擊之后的絕緣紙進(jìn)行復(fù)相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量頻率的范圍為10-2～107Hz，測(cè)量結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 復(fù)相對(duì)介電常數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.7 εrcurves under different frequency

圖8 介質(zhì)損耗角正切值隨頻率的變化曲線Fig.8 Tanδ curves under different frequency

由圖7可得，相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值均在4.5到7之間，每條曲線的走勢(shì)大致相同，都是隨著頻率的增加而逐漸減小，且減小的速率在10-2Hz時(shí)最大，然后趨于平緩，到104Hz左右之后又逐漸增大。此外，隨著累積沖擊次數(shù)增大，介電常數(shù)值越大，而介電常數(shù)越大則表明絕緣老化程度越嚴(yán)重，這從微觀角度直觀地說(shuō)明了累積效應(yīng)確實(shí)對(duì)油紙絕緣產(chǎn)生了損傷。由圖中還可以看到，四條曲線差別最大的頻段集中在低頻段，即10-2到10 Hz左右，且隨著累積沖擊次數(shù)增大，低頻段介電常數(shù)減小的速率越大；而在高頻段四條曲線差別并不大。

由圖8可得，四條曲線的介質(zhì)損耗角正切值在0到0.35之間。單獨(dú)觀察每條曲線，可以發(fā)現(xiàn)其走勢(shì)是相同的，其值都是在0.01 Hz處最高，然后逐漸降低，且其減小的速度也逐漸降低，大概到10到100 Hz左右達(dá)到最低值，再逐漸增大，且其增大的速度也逐漸增大。分析認(rèn)為，當(dāng)頻率逐漸增大時(shí)，由于極化滯后于電場(chǎng)變化，不能充分建立松弛極化，導(dǎo)致介質(zhì)損耗角正切值降低；而當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，電場(chǎng)變化的周期也增大，可逐漸接近松弛極化時(shí)間，此時(shí)松弛極化對(duì)電場(chǎng)頻率變化最敏感，使得介質(zhì)損耗角正切值再次增大。

此外，同一頻率下，隨著累積沖擊次數(shù)增加，介質(zhì)損耗角正切值變大，而從前文已經(jīng)知道，介質(zhì)損耗角正切值表征了介質(zhì)損耗，由此可以推知，增大累積沖擊次數(shù)會(huì)增加介質(zhì)損耗，即是說(shuō)，累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)確實(shí)存在損傷。

4 結(jié)論

1）雙極性振蕩衰減沖擊電壓對(duì)油紙絕緣均存在明顯的累積效應(yīng)，且電壓越低，累積擊穿次數(shù)就越大；在波形半峰值時(shí)間、所施加的電壓幅值均相同時(shí)，頻率越高的雙極性振蕩波擊穿所需的沖擊次數(shù)越少。

2）雙極性振蕩衰減沖擊電壓對(duì)絕緣紙介電特性有明顯影響，復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值均隨著累積沖擊次數(shù)增加而變大，表明累積效應(yīng)對(duì)油紙絕緣具有損傷。

3）雙極性振蕩衰減沖擊電壓下，油紙絕緣相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值在4.5到7之間，且隨著頻率的增加而逐漸減??；介質(zhì)損耗角正切值在0到0.35之間，且隨著振蕩衰減頻率的增大，其呈快速降低然而后緩慢增大的趨勢(shì)。

4）相同電壓幅值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)雷電波比雙極性振蕩波擊穿所需的次數(shù)更少，標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下的油紙絕緣系統(tǒng)比在雙極性振蕩衰減波作用下更容易擊穿。

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Study on the Accumulating Effect of Bipolar Damped Oscillation Impulse on Oil-Paper Insulation System

LI Wenjuan，WANG Qingfen，SUN Jianghao
（Shijiazhuang Tiedao University Sifang College，Shijiazhuang 050000，China）

The multiple invasion of lightning impulse in power transformers may cause accumulative effect on the internal insulation，which influence the insulation performance.The research indicates that the bipolar oscillating damped waveforms do exist in the actual waveform of the lightning overvoltage.Bipolar oscillating damped waveforms with different frequency are firstly applied，and then the value lower than the breakdown voltage is used to accumulatively strike the oil-paper insulation system.After that the V-N performance curves are drawn to study the existence of accumulating effect，through which the rules of V-N relation are also investigated.At last，the dielectric property parameters εr and tanδ under different overvoltage waveforms and frequency are measured，and the facts of oil-paper insulation failure by accumulative effect are verified.Research results indicate that，both bipolar oscillating damped waveform and lightning waveform have obvious accumulating effects oil-paper insulation system.Under the same time of half-value and applied voltage magnitude，the higher the frequency of bipolar oscillating damped waveform，the fewer the times of impulse for insulation breakdown.The dielectric property parameters εr and tanδ will increase with the times of impulse voltage，meaning that accumulating effect does impair oil-paper insulation system.

lightning overvoltage；oil-paper insulation；accumulative effect；dielectric property

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.032

2016-00-0

李文娟 （1983—），女，講師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，高電壓技術(shù)。