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变压器油纸绝缘老化评估的极化与去极化电流测量研究
作者及机构
本研究由T.K. Saha和P. Purkait完成，两人均来自澳大利亚昆士兰大学信息技术与电气工程学院（University of Queensland, School of Information Technology and Electrical Engineering）。研究发表于《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》2004年2月刊（Vol. 11, No. 1）。
研究领域与动机
电力变压器是电网的核心设备，其油纸绝缘系统在长期运行中受热、电、化学应力影响，逐渐老化并积累水分，导致绝缘性能下降。传统水分检测方法（如油样卡尔费休滴定法）存在局限性：油纸水分平衡受温度影响，且难以实时监测固体绝缘状态。因此，开发非破坏性诊断技术对评估变压器绝缘状态至关重要。
理论基础
极化与去极化电流（Polarization and Depolarization Current, PDC）是一种时域介电响应测量技术，通过分析绝缘材料在直流电压激励下的极化/去极化电流特性，可间接评估其电导率、水分含量及老化程度。该技术基于介电响应理论：绝缘材料的电流密度由传导电流和位移电流组成，其响应函数（response function）与材料记忆特性相关，能反映绝缘状态。
1. PDC测量原理与设备开发
- 实验设计：对变压器施加直流电压（如500 V）并持续长时间（10^4秒），测量极化电流；撤压后短接测量去极化电流。
- 设备：采用自主开发的界面极化谱（Interfacial Polarization Spectra, IPS）测量系统，包含高阻静电计、直流高压源、计算机控制模块及LabVIEW软件，实现全自动化测量。
- 创新点：该系统首次整合了PDC测量功能，可现场测试变压器绝缘状态。
2. 介电响应建模与参数提取
- 数学模型：基于Jonscher介电响应理论，构建复合油纸绝缘系统的响应函数：
[ f(t) = \frac{A}{(t/t_0)^n + (t/t_0)^m} ]
其中，参数n和m分别关联油和纸的导电特性。
- 电导率计算：通过极化与去极化电流差值估算复合电导率，进一步分离油和纸的电导率（公式11、16、19）。
3. 现场测试与样本选择
- 研究对象：选取6台不同服役年限的变压器（7 MVA至100 MVA），分为三组：
- A组：轻载（A1）与疑似老化（A2）变压器对比；
- B组：同一变压器在油再生处理前后的状态（B1、B2）；
- C组：超期服役变压器（C1、C2）。
- 测试条件：均在变电站环境下进行，充电电压500 V，充放电时间各10^4秒。
4. 数据分析与验证
- 辅助检测：结合油中水分含量（卡尔费休法）、糠醛（HPLC法）及纸绝缘含水量（Oommen平衡曲线）验证PDC结果。
1. 绝缘状态区分
- A组：A2的极化/去极化电流幅值显著高于A1（图9），其纸电导率（3.0×10^-13 S/m）为A1（2.5×10^-15 S/m）的120倍，且油中糠醛含量高50倍（表2），证实A2存在严重老化。
- C组：1936年投运的C1电流幅值高于1959年的C2（图11），其油电导率（31.0×10^-12 S/m）为C2的8.6倍，纸含水量（4.2%）亦更高（表4）。
2. 油再生效果评估
- B组：油再生后（B2），油电导率下降至1.9×10^-12 S/m（B1为7.6×10^-12 S/m），纸电导率降低40%（表3），但改善幅度有限，表明油再生仅部分去除水分和老化副产物。
3. 时间依赖性分析
- 电流特性：极化电流初始阶段（<100秒）反映油状态，长期（>1000秒）反映纸状态（图4-8）。高电导率导致电流幅值升高，与模拟结果一致。
科学价值
1. 验证了PDC技术可分离油纸绝缘的电导率，为量化水分和老化程度提供新方法。
2. 建立了介电响应函数与绝缘状态的关联模型，填补了时域诊断理论的空白。
应用价值
1. 支持变压器维护决策（如油再生、干燥或绕组更换）。
2. 为电网资产延寿管理提供低成本、非破坏性工具。
局限性
- 纸老化程度的精确量化仍需结合化学分析（如糠醛）。
- 长期跟踪数据不足，需进一步验证PDC对老化速率的预测能力。
其他发现
- 极早期极化电流（秒）可能受残余离子影响，需优化测量协议（如预放电时间）。
- 超期服役变压器（如C1）的异常高电流暗示绝缘临近失效风险，需优先更换。
（全文约2000字）