賈海峰　劉驥　張明澤　呂佳璐　程煒超

摘 要：變壓器油是油浸式電力變壓器中重要的液體絕緣介質(zhì)，有滅弧、絕緣、冷卻等作用。但國內(nèi)外多年的研究表明變壓器油是油浸式電力變壓器內(nèi)部絕緣性能最薄弱的環(huán)節(jié)，因此其絕緣性能直接決定了電力變壓器能否正常安全的運(yùn)行。為了探尋老化過程中微水對(duì)變壓器油介電性能的影響，以45號(hào)變壓器油為研究對(duì)象，利用自行搭建的頻域介電譜測(cè)試平臺(tái)以及載流子遷移率測(cè)試平臺(tái)，得到了變壓器油水分含量對(duì)其介電損耗因數(shù)、復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、載流子遷移率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：變壓器油含水量增加時(shí)，其介電損耗因數(shù)、載流子遷移率和直流電導(dǎo)率均有所增大;在低頻范圍內(nèi)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部會(huì)隨著水分含量的增加而增加，并且頻率越低增加的越大;在高頻范圍內(nèi)，介電損耗因數(shù)曲線上的拐點(diǎn)會(huì)隨著水分含量的增加逐漸消失;隨著老化程度的加劇，變壓器油的直流電導(dǎo)率增大的速率隨含水率的增加而增加。

關(guān)鍵詞：變壓器油;含水率;介電響應(yīng);載流子遷移率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.010

中圖分類號(hào)： TM85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）06-0070-07

Analysis of Influence of Moisture Content Ondielectric

Properties of Transformer Oil after Aging

JIA Hai-feng1，2， LIU Ji1， ZHANG Ming-ze1， L Jia-lu2， CHENG Wei-chao2

（1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application （Ministry of Education）， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：Transformer oil is an important liquid insulating medium in oil-immersed power transformers， which has the functions of arc extinguishing， insulation and cooling. However， many years of domestic and foreign researches have shown that transformer oil is the weakest link in the insulation of oil-immersed power transformers. Therefore， its insulation performance directly determines whether the power transformer can operate normally and safely. In order to explore the influence of moisture on the dielectric properties of transformer oil during the aging process， the 45# transformer oil is taken as the research object. The self-built frequency domain dielectric spectrum test platform and carrier mobility test platform were used to obtain the influence of the moisture content of the transformer oil on its dielectric loss factor， real dielectric constant real part and carrier mobility. The results show that the dielectric loss factor， carrier mobility and DC conductivity increase when the water content of the transformer oil increases. In the low frequency range， the real part of the complex permittivity increases with the moisture content increasing. And the lower the frequency， the greater the real part of the complex permittivity increases. In the high frequency range， the inflection point which appears on the dielectric loss factor curve will gradually disappear with the increase of moisture content. As the degree of aging increases， the increasing rate of DC conductivity of the transformer oil increases with the water content increasing.

試樣制備過程如下： 準(zhǔn)備4組含水量相同的變壓器油，將其中3組進(jìn)行老化處理，即放入真空老化箱中在130℃的溫度下老化，等到其老化7、15、20d時(shí)，分別取出1組試樣。然后在4組試樣中分別取適量的變壓器油并注入一定水分，攪拌均勻后置入烘箱中加熱至60℃使水分充分溶解于變壓器油中，然后冷卻至室溫并進(jìn)行抽真空處理，使油樣中不存在空氣。所有實(shí)驗(yàn)油樣均用庫倫微水儀對(duì)其含水量進(jìn)行標(biāo)定。配制好的油樣倒入密封容器內(nèi)儲(chǔ)存?？紤]到空氣中水分對(duì)油樣的影響，在對(duì)油樣進(jìn)行試驗(yàn)前，再次測(cè)量含水率，并以此為最終含水量。

2.2 測(cè)試平臺(tái)

2.2.1 頻域介電譜測(cè)試平臺(tái)

變壓器油的頻域介電譜測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)是由液體電極、真空干燥箱、IDAX-300以及采集數(shù)據(jù)的上位機(jī)組成。

IDAX-300的基本原理是把絕緣系統(tǒng)置于較寬的頻率范圍，測(cè)量其在不同頻率下和溫度下的介質(zhì)響應(yīng)，可以獲得較為全面的介電性能與絕緣狀態(tài)評(píng)估。該裝置可以直接測(cè)得材料的介質(zhì)損耗角正切值，經(jīng)過輸入測(cè)試電極尺寸后，可以通過測(cè)得的電容量計(jì)算出材料的相對(duì)介電常數(shù)。其損耗測(cè)量范圍0～100，頻率范圍為10-4～104Hz且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)試樣（約40mL變壓器油）倒入液體電極中，隨后放入真空干燥箱。真空干燥箱起保持干燥的測(cè)試環(huán)境和屏蔽干擾信號(hào)的作用。用IDAX-300進(jìn)行測(cè)量，并用上位機(jī)采集與保存測(cè)試數(shù)據(jù)。頻域介電譜測(cè)試試驗(yàn)的測(cè)試頻段是10-3～104Hz，測(cè)試電壓是140V。

2.2.2 載流子遷移率測(cè)試平臺(tái)

變壓器油載流子遷移率測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，變壓器油遷移率測(cè)試系統(tǒng)由液體電極、開關(guān)系統(tǒng)、接線屏蔽盒、試樣屏蔽盒、靜電計(jì)6517B以及采集數(shù)據(jù)的上位機(jī)組成，其中開關(guān)系統(tǒng)是由時(shí)間繼電器以及為其供電的直流電源組成。開關(guān)系統(tǒng)起控制線路開斷的作用，可以設(shè)置施加直流電壓的時(shí)間。

靜電計(jì)6517B比其他同類型的儀表具有更高的精度和靈敏度指標(biāo)。它最大電阻測(cè)量值可達(dá)1016Ω，測(cè)量電流的范圍為1fA～20mA，內(nèi)置±1kV電源，獨(dú)特的高電阻測(cè)量電壓反接方法等優(yōu)點(diǎn)。由于靜電計(jì)6517B配備內(nèi)置電源且測(cè)試所需電壓較低，可使用靜電計(jì)的內(nèi)置電源控制直流電壓的極性反轉(zhuǎn)。因此測(cè)試開始以及極性反轉(zhuǎn)時(shí)的直流電壓均可視為階躍電壓。

測(cè)試變壓器油的載流子遷移率時(shí)，先將試驗(yàn)油樣（約40mL變壓器油）倒入液體電極中，然后放入試樣屏蔽盒。設(shè)置施加直流電壓的幅值與時(shí)間，本文中施加的直流電壓幅值為80V，測(cè)量時(shí)間為2h（電壓反轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)為1h），為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度采樣時(shí)間間隔設(shè)為0.1s。隨后打開開關(guān)系統(tǒng)，使用靜電計(jì)6517B檢測(cè)電流，最后用上位機(jī)收集與保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 含水量對(duì)變壓器油介電損耗因數(shù)的影響

圖4為25℃時(shí)不同老化程度變壓器油在不同含水量下測(cè)試的介電損耗因數(shù)示意圖。

如圖4所示，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，變壓器油的介電損耗因數(shù)tanδ與頻率f總體上呈線性關(guān)系;隨著變壓器油中含水量的不斷增大，其介電損耗因數(shù)曲線向右上平移;介電損耗因數(shù)在高頻處（1000Hz左右）會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，隨著變壓器油中水分含量的增加，其拐點(diǎn)會(huì)逐漸消失。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下的能量損耗由電導(dǎo)損耗及松弛極化損耗構(gòu)成。電導(dǎo)損耗存在于頻域介電譜的所有頻率段，因此電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗隨著頻率的增加而減小。由于頻率較低時(shí)松弛極化都能完全建立，電介質(zhì)中僅存在電導(dǎo)損耗。隨著頻率不斷增大，松弛極化損耗開始產(chǎn)生并不斷增大。當(dāng)頻率很大時(shí)，電介質(zhì)的損耗以松弛極化損耗為主。因此，介電損耗因數(shù)在高頻處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。隨著變壓器油中水分含量的增加，使得參與電介質(zhì)極化的粒子數(shù)增多。并且水分子是極性分子，通過電離過程得到的離子會(huì)使電導(dǎo)損耗快速增大，也會(huì)使電介質(zhì)的損耗在高頻段下降的趨勢(shì)變緩。因此，隨著變壓器油中含水量的不斷增大，其介電損耗因數(shù)曲線向右上平移，高頻段的拐點(diǎn)會(huì)逐漸消失。

3.2 含水量對(duì)變壓器油相對(duì)介電常數(shù)的影響

圖5為25℃時(shí)不同老化程度變壓器油在不同含水量下測(cè)試的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部示意圖。

如圖5所示，在高頻范圍內(nèi)，變壓器油復(fù)介電常數(shù)實(shí)部基本不會(huì)改變;而在低頻范圍內(nèi)，變壓器油復(fù)介電常數(shù)實(shí)部會(huì)隨著油中含水量的增大而增加，并且頻率越低增加的越大。

變壓器油的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部隨頻率變化的原因是：在低頻范圍內(nèi)，變壓器油中的極化主要是雜質(zhì)引起的空間電荷極化[20]，隨著測(cè)試電壓的頻率不斷增大，空間電荷極化來不及完成，因此變壓器油的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部逐漸變小。當(dāng)電場(chǎng)頻率較大時(shí)，變壓器油中主要存在的極化為電子位移極化，而電子位移極化完成極化所需時(shí)間較短，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)能充分完成，因此變壓器油的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部沒有什么改變。

3.3 含水量對(duì)變壓器油載流子遷移率的影響

根據(jù)式（4）可知，變壓器油載流子遷移率的計(jì)算受試樣兩端的階躍電壓、電極間的距離及載流子遷移時(shí)間等影響。表1列出了變壓器油載流子遷移率的影響因素。

在上述因素的影響下，依據(jù)式（4）可計(jì)算出不同老化程度變壓器油在不同含水量下測(cè)試的載流子遷移率，如圖6所示。

根據(jù)表1和圖6可知，在其他影響因素不變的情況下，變壓器油載流子的遷移時(shí)間隨微水含量的增加而變小，并且其遷移率隨微水含量的增加而變大;變壓器油的載流子遷移率隨著微水含量增加而升高的速率也越來越大。

產(chǎn)生上述變化的原因是：水是弱電解質(zhì)，在外電場(chǎng)以及電離平衡的作用下會(huì)電離出正負(fù)離子（H+、OH-）。隨著變壓器油中微水含量不斷增加，電離出的正負(fù)離子不斷增多，使得變壓器油中的載流子增多，加強(qiáng)了變壓器油的導(dǎo)電性能。測(cè)試開始時(shí)階躍電壓把變壓器油中處于無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的載流子聚集到電極表面附近，當(dāng)電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)由于變壓器油的導(dǎo)電性能因載流子的增加而增強(qiáng)，聚集在電極表面的載流子能更快向?qū)γ骐姌O遷移，即載流子的遷移時(shí)間減少。因此變壓器油的去極化時(shí)間減少，導(dǎo)致變壓器油的載流子遷移率增大。

3.4 含水量對(duì)變壓器油直流電導(dǎo)率的影響

使用ZC36型高絕緣電阻測(cè)量儀測(cè)量液體電極中變壓器油在1kV直流電壓下的絕緣電阻，測(cè)試過程中當(dāng)電阻值不再變化時(shí)記錄下來（約為2min），并通過下述公式可計(jì)算出變壓器油的直流電導(dǎo)率σ0：

σ0=lRS（5）

圖7為25℃時(shí)不同老化程度變壓器油在不同含水量下測(cè)試的直流電導(dǎo)率示意圖。

如圖7所示，不同老化程度的變壓器油的直流電導(dǎo)率都隨著含水量的增加而不斷增大;并且隨著老化程度的不斷加劇，變壓器油的直流電導(dǎo)率受含水率的影響而變大的速率也越來越大。

變壓器油的直流電導(dǎo)率改變的原因是：變壓器油中微水含量增大時(shí)，為了達(dá)到電離平衡變壓器油中會(huì)產(chǎn)生更多的正負(fù)離子（H+、OH-），使得變壓器油中的離子增多。根據(jù)絕緣電介質(zhì)直流電導(dǎo)率σ0與離子濃度n0和載流子遷移率μ的關(guān)系：

σ0=2eμn0（6）

變壓器油微水含量的增加不僅使離子濃度增加還使載流子遷移率變大。因此變壓器油的直流電導(dǎo)率隨著微水含量的增加而增大。

4 結(jié) 論

研究了老化程度和含水量對(duì)變壓器油介電性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）實(shí)驗(yàn)表明，老化程度相同的情況下，在高頻范圍內(nèi)介電損耗因數(shù)曲線高頻上的拐點(diǎn)會(huì)隨著水分含量的增加逐漸消失。

2）變壓器油中微水含量對(duì)載流子遷移率的變化具有明顯影響。變壓器油中水分含量增大時(shí)，載流子在恒定電場(chǎng)條件下的遷移時(shí)間減少，導(dǎo)致載流子遷移率增大。

3）變壓器油的直流電導(dǎo)率受油中離子濃度以及載流子遷移率的影響。變壓器油中微水含量增大時(shí)，油中離子濃度以及載流子遷移率都增大，導(dǎo)致其直流電導(dǎo)率變大。因此變壓器油的直流電導(dǎo)率隨著含水量的增加而不斷增大，并且隨著老化程度的不斷加劇，變壓器油的直流電導(dǎo)率增大的速率隨微水含量的增加而增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)油紙絕緣的微水含量評(píng)估具有一定的意義，可以結(jié)合其他的測(cè)量方法減少測(cè)量誤差。但仍存在一些不足，尤其在在不同老化程度微水含量相同的情況下變壓器油介電與理化性能的變化尚有研究空間。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-05

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金 （51977051）.

作者簡介：

劉 驥（1972—），男，教授，博士研究生導(dǎo)師;

張明澤（1992—），男，博士研究生.

通信作者：

賈海峰（1995—），男，碩士研究生，E-mail： 1215678424@qq.com.