極化去極化電流法極化參量對電力電容器絕緣狀態的影響

王 鑫,張晨萌2,劉渝根, 譚思文3,孫鵬宇

(1.輸配電裝備系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044；2. 國網四川省電力公司電力科學研究院 四川 成都 610041;3.國網德陽供電公司 四川 德陽 618000)

0 引 言

電力電容器在電力系統中用途廣泛等，扮演著濾波、載波和高頻保護等多種角色[1-4]電力電容器長期處于溫度高、場強高的狀態，受到諧波電流、過電壓、過負載等因素影響，內部絕緣狀態會出現一定程度的劣化，使電網正常運行受到威脅[5-8]。所以，找到成熟高效的電力電容器絕緣檢測手段顯得十分必要。

電容值作為電力電容器主要的電氣參數，在一定程度上可以反映電力電容器的絕緣狀態。電容值的減小，可判斷是內部元件有斷虛焊、松脫造成；電容值的增大，可判斷是由于電力電容器內部某些串、并聯單元被擊穿所引起的。國家標準規定，電力電容器實測電容與其額定電容相差應保持在一定范圍內(一般為-5%～+5%，不同類型電容器偏差范圍要求不同)[9]。如今，主要通過化學方法[10]、電方法[11]對其進行絕緣判斷，其中包含電容器極間絕緣檢測、油中氣體組分分析、微水濃度分析、局部放電參量檢測等一系列手段。就化學方法而言，油中溶解氣體分析法已廣泛使用，但由于實驗材料取樣困難，不易現場檢測。局部放電檢測法能夠實現對電容器內部集中性缺陷的定量檢測，但由于電容器電容值較大，限制了局部放電檢測的靈敏度，且現場測試存在干擾，限制了電容器局部放電檢測技術的廣泛應用。

近些年來，基于時域介電響應的極化去極化電流法(polarization-depolarization current，PDC)作為一種新型的電力設備絕緣狀態評估方法開始受到各國學者的重視[12-13]。該方法利用測試所得的極化去極化電流推導出決定電氣設備絕緣狀態的參量，可以有效對其老化程度進行判斷。同時極化去極化電流法是一種快速、高效、不具有破壞性的電氣測量方法。文獻[14]利用PDC法對交聯聚乙烯電纜進行了沒有損耗的檢測，研究結果證實了極化去極化電流檢測方法能夠有效反映XLPE電纜的絕緣特性。文獻[15]利用極化去極化電流法提出了用極化電導率來衡量油紙絕緣的老化情況，在不同溫度下，其利用PDC法測試所得的極化去極化電流，推導出了油紙絕緣的極化電導率。文獻[16]通過PDC法分析了油紙絕緣中水分含量與其PDC中的參數聯系。上述研究表明，利用極化去極化電流法可以有效反映試品的絕緣狀態。但目前極化去極化電流測試法多在實驗室針對絕緣介質進行測試，利用該方法對現場電氣設備的測試，特別是對電力電容器的測試尚缺乏研究。

下面，首先分析了極化去極化電流法的測試原理，其次利用測試的極化去極化電流推導出決定電容器絕緣狀態的兩個特征參量，即直流電導率和0.1 Hz介損；再基于該方法理論，研究了在不同極化電壓和不同極化去極化時間下，電力電容器的絕緣狀態兩個特征參量的差異；提出了利用極化去極化電流來檢測電力電容器絕緣狀態，并分析極化參量對檢測結果的影響。

1 極化去極化電流法原理和測試方法

1.1 極化去極化電流法原理

外加電場E(t)作用在電力電容器上，則此時電力電容器介質材料內部的全電流為

(1)

式中：i(t)為極化全電流；C0為電介質試驗樣品的幾何電容；σ0為電介質的直流電導率；ε0為真空介電常數；ε為光頻介電常數；f(t)為電介質極化響應函數，其隨著時間連續衰減，衰減的速度和電介質的組成、構成以及外界因素有關。

通過式(1)可知，當電力電容器兩端通電，其電介質進入極化過程，此時極化電流為

(2)

當進入去極化過程，即電力電容器兩端短接，此時回路電流是去極化電流。

id(t)=-C0U[f(t+td)-f(t)]

(3)

式中，td表示極化時間。

利用設備測試所得PDC電流推導出表征電力電容器絕緣參量之一的直流電導率。

(4)

式中，σ0即為電力電容器絕緣狀態評估的其中一個特征參量。

其次，通過傅立葉變換得到頻域中的全電流表達式，為

(5)

式中，F(ω)是將電力電容器內部電介質響應函數f(t)利用傅立葉變換表示的復數形式。

F(ω)=χ′(ω)-jχ″(ω)

(6)

將式(6)代入式(5)，全電流的頻域表達式可改寫為

(7)

則可以得到介質損耗角正切值為

(8)

1.2 極化去極化電流測試方法

圖1為電力電容器極化去極化電流波形。

圖1 極化去極化電流曲線

實驗基于極化去極化電流法測試平臺，該測試平臺的原理如圖2所示。

圖2 測試平臺

試驗中將開關打向S1，此時整個回路進入極化階段，利用直流電源為電力電容器提供極化電壓，其內部電介質開始極化，并通過回路中的皮安表記錄極化電流值。極化時間人為設定，極化階段結束后，開關自動從S1打向S2，此時回路中無直流電源，充電完成的電力電容器會對回路進行放電，進入去極化階段，同樣采用皮安表記錄此時的去極化電流。

2 基于極化去極化電流法的電容器絕緣狀態測試

2.1 試驗試品

測試電容器為全膜型電力電容器，內部采用3個芯子并聯后兩組串聯形式。雙面粗化聚丙烯薄膜厚度為12 μm，絕緣油為芐基甲苯油。樣品額定電壓為12 kV，電容量為0.6 μF。圖3為測試電容器的外形及內部結構。

圖3 試驗電容器

2.2 不同極化電壓下PDC曲線

為了對電力電容器絕緣狀態參量進行計算，需要把時域PDC數據利用傅立葉變換到頻率，故利用不同極化電壓來檢測其油膜絕緣結構的線性特性。試驗分別選取200 V、500 V、800 V三種極化電壓值，進行電力電容器極化去極化電流曲線測試，極化去極化時間均選為360 s。每一種電壓等級下，重復測量PDC電流曲線10次并取其平均值。每兩次試驗間隔時間為5 min，每次試驗結束后對樣品進行放電。各個電壓等級下的測試結果如圖4所示。

圖4 不同電壓下極化去極化電流曲線

從圖4所示的測試結果分析，在不同極化電壓等級下，極化和去極化電流曲線都受到了一定的影響。從PDC電流幅值角度出發，可以看出隨著極化電壓的不斷攀升，PDC電流幅值也不斷越大，而對極化去極化電流衰減趨勢沒有影響，體現了電力電容器油膜絕緣結構具有良好的線性特性。

根據測試所得的極化去極化電流曲線，推導出了被測電力電容器直流電導率和0.1 Hz介損損耗，并取其平均值，如表1所示。

表1 不同極化電壓下電力電容器直流電導率和0.1 Hz介損損耗

圖5、圖6可以更加直觀地表現不同電壓等級下，電力電容器直流電導率的變化。

圖5 不同極化電壓下的電力電容器直流電導率

從圖5、圖6中可知，在不同極化電壓等級下，被測電力電容器直流電導率和0.1 Hz介損損耗沒有明顯變化，相鄰電壓等級下變化不超過5%，趨近于一條直線。表明了極化電壓的變化對于極化去極化電流法檢測電力電容器絕緣狀態沒有顯著影響。

圖6 不同極化電壓下電力電容器0.1 Hz介質損耗

2.3 不同極化去極化時間下PDC曲線

由介電響應理論可知，電介質絕緣材料極化過程充分與否取決于極化時間，極化過程越充分，對于極化過程中的信息記憶更為清楚，此現象為“記憶效應”，其有利于基于PDC對電力電容器絕緣狀態進行準確檢測。分別設置90 s、180 s、360 s不同極化去極化時間，進行電力電容器極化去極化電流曲線測試，極化電壓均選為500 V。在任一極化去極化時間下，重復進行極化去極化電流曲線測試10次，并取極化去極化電流平均值作為測試結果，如圖7所示。同樣，每兩次試驗間隔時間為5 min，每次試驗結束后對樣品進行放電。

從如圖7所示測試結果分析可得，在不同極化去極化時間下，極化電流曲線隨著時間的增長趨近于一個穩定的值，不同極化時間下極化電流曲線在同一時間段內幾乎重合；而去極化電流曲線在前60 s內幾乎重合，隨著去極化時間的增加，去極化電流時間長的曲線有上移趨勢，說明去極化過程更為充分時可以使得電介質產生更多的束縛電荷來降低去極化電流的衰減程度。

圖7 不同極化去極化時間下PDC電流曲線

同理由測試所得的極化去極化電流曲線，可推導出此時被測電力電容器直流電導率和0.1 Hz介質損耗，其平均值如表2所示。

表2 不同極化去極化時間下電力電容器直流電導率和0.1 Hz介質損耗

更加直觀體現不同極化去極化時間下電力電容器直流電導率的變化，如圖8、圖9所示。

同樣，從圖8、圖9可得：在不同極化去極化時間下，被測電力電容器直流電導率和0.1 Hz介質損耗并未發生明顯變化，相鄰不同極化去極化時間下，其兩個絕緣參量變化不超過5%，趨近于一條直線。這表明了PDC法中極化去極化時間不同(極化時間大于等于90 s)對于其檢測電力電容器絕緣狀態沒有顯著影響。

圖8 不同極化去極化時間下的電力電容器直流電導率

圖9 不同極化去極化時間下電力電容器0.1 Hz介質損耗

3 結 論

通過理論分析及試驗驗證，得出以下結論：

1)利用極化去極化電流法來檢測電力電容器的絕緣狀態，其決定性的兩個特征參量為直流電導率和0.1 Hz介質損耗。

2)測試表明在不同極化電壓下，隨著極化電壓的提升，極化去極化電流幅值越大，但對極化去極化電流衰減趨勢沒有影響，直流電導率和0.1 Hz介質損耗沒有發生顯著的變化。

3)測試表明在不同極化去極化時間下：極化電流曲線趨近于一個穩定的值，不同極化時間下極化電流曲線在同一時間段內幾乎重合；而去極化電流曲線在前60 s內幾乎重合，隨著去極化時間的增加，去極化電流時間長的曲線有上移趨勢。由此可得在不同極化去極化時間下，直流電導率和0.1 Hz介質損耗也沒有發生顯著變化。

綜上所述，在不同極化電壓和不同極化去極化時間下，電力電容器的極化、去極化電流都有不同程度的差異，絕緣狀態參量直流電導率和0.1 Hz介質損耗卻沒有發生顯著的變化。所以利用極化去極化電流法能夠無損檢測電力電容器的絕緣狀態。