工程实践--基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术与系6364.docx

《工程实践--基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术与系6364.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程实践--基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术与系6364.docx（51页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 西南交通大学重点实验室项目论文 第I页第11期期工程实实践项目目总结报报告项目名称称 基基于电介介质响应应法油纸纸绝缘微微水测试试技术 及系统统研究项目参加加人 陈俊贤贤 学号：2011024437 陈峰学号号：20010335755 彭松学学号：22010024662 林静英英学号：2011026647 林莉学学号：22010026338 指导教师师 周周利军 20110年 055月 220日 西南交通大学重点实验室项目论文 第IV页摘 要油浸式变变压器由由于具有有较高的的绝缘强强度、较较长的使使用寿命命，广泛泛用于高高压、超超高压输输电系统统以及电电气化铁铁路牵引引供电系系统中。绝绝缘油

2、和和绝缘纸纸组成的的复合绝绝缘构成成了油浸浸式变压压器的绝绝缘系统统，国外外有关资资料指出出：变压压器的寿寿命实质质就是绝绝缘材料料的寿命命。水是极极性物质质，水分分对绝缘缘油的电电性能和和理化性性能均有有很大的的危害。主主要影响响是使油油的击穿穿电压降降低和介介质损耗耗因素增增大，使使固体绝绝缘遭到到永久的的破坏。油油中水分分含量越越多，设设备金属属部件腐腐蚀速度度就越快快，它将将影响设设备的安安全运行行，并缩缩短设备备的使用用寿命。故故测试绝绝缘油中中的微水水含量的的目的是是监测固固体绝缘缘材料的的受潮情情况，对对变压器器的绝缘缘状况的的诊断十分分重要。随着充油油电气设设备的日日益增多多，

3、特别别是5000kvv站的不不断投运运，油浸浸式变压压器的使使用越来来越广泛泛。电力力变压器器的安全全运行是是避免电电网重大大事故的的第一道道防御系系统，如如果一台台大型电电力变压压器在系系统中运运行时出出现故障障，可能能引发大大面积停停电，其其检修期期一般要要半年以以上，给给国民经经济造成成巨大的的损失，给给人民带带来巨大大不便。因因此，整整个油纸纸绝缘系系统含水水量的评评估工作作对变压压器安全全、稳定定运行具具有重要要的意义义。本论文研研究油纸纸绝缘电电介质基基于频率率响应测测试的频频域谱法法（FDDS），重重点研究究FDSS测试电电路的微微电流测测量，充分利利用绝缘缘材料介介电常数数随电

4、压压频率变变化而发发生变化化的这一一固有特特性，通通过测试试不同温温度、不不同微水水含量试试样的输输出电压压增益和相位位差相关关特征参参量，结结合测试试装置的的等效电电路进行行数学计计算，得得出试样样的复介介电常数数。分分析油纸纸绝缘微微水含量量与复复介电常常数、温度度和施施加电压压频率之间相相互影响响的规律律，再利利用数学学软件工工具对测测试数据据的变化化规律进进行拟合合处理，最最终获得得油纸绝绝缘微水水含量与复介介电常数数、温温度和和施加电电压频率率的通通用函数数关系式式，最后后利用此此函数关关系式从从而实现现对未知知油纸绝绝缘微水水含量的的计算。设计出电流电压转换电路，并运用Pspice

5、仿真软件对电路进行仿真分析。关键词：油纸绝绝缘 微水含含量 电介质质 频频率响应应 微微电流测测量FDDS 西南交通大学重点实验室项目论文 第VII页目 录第1章绪绪论111 油纸绝绝缘电介介质频率率响应的的研究意意义112 变压器器油纸绝绝缘系统统2121油纸绝绝缘的老老化机理理21变压器器油绝缘缘老化机机理22纸绝缘缘的老化化机理3313油油纸绝缘缘电介质质频域谱谱法（FFDS）诊诊断的研研究现状状31老化化的影响响.42温度度的影响响.43水分分的影响响.414本本文研究究的主要要内容.5第2章变变压器油油纸绝缘缘电介质质响应的的相关理理论621 引言622 介质响响应的基基本概念念62

6、21 复介介电常数数6222 电介介质的极极化8223 电介介质的损损耗923 频域介介质响应应法在变变压器油油纸绝缘缘诊断上上的应用用10第三章频频率响应应特性的的研究11231电电介质频频率响应应法的介介绍12232频频率响应应法的测测试方法法12321变压压器油纸纸绝缘等等效模型型12322测试试原理113323测试试系统组组成部分分13324工作作原理和和实验步步骤15533油油纸绝缘缘状态和和测试温温度的关关系1553. 44变压器器油纸绝绝缘系统统检测电电路的分分析166第4章油油纸绝缘缘电介质质频率响响应测试试技术的的研究11741 引言17742 FDSS测试电路路示意图图17

7、43 FDSS测试原理理1744 FDSS测试电电路的微微电流研研究18441 微电电流测量量方法概概述181开关关电容积积分法1182运算算放大器器（+TT型电阻阻网络+单片机机）183场效效应管+运算放放大器119442 微电电流测量量电路设设计的原原理199443 运算算放大器器的选择择2145 对设计计电路应应用Psspicce仿真真21451 绘制制原理图图22452 对电电路仿真真分析22453 温度度变化对对电路性性能的影影响24446 高频下微微电流测测量电路路的研究究26461 高频的电电路原理理图266462 仿真分析析27总结与展展望300参考文献献31 西南交通大学重点

8、实验室项目报告书 第44页第1章 绪论11 油纸绝绝缘电介介质频率率响应的的研究意意义我国水电电资源蕴蕴藏量达达6.776亿kkW，居居世界首首位。煤煤、石油油、天然然气资源源也很丰丰富。煤煤的预测测量约为为45亿亿吨。可可利用的的风力资资源约为为1.66亿kWW。这些些丰富的的自然资资源为我我国电力力工业的的发展提提供了物物质基础础。经过过50年年的发展展建设，至至19999年底底我国电电力系统统已建成成5000kV输输电线2229227kmm，5000kVV变电所所变电容容量80012万万kVAA；己建建成3330kVV输电线线78778kmm，3330kVV变电所所变电容容量12248万

9、万kVAA；它们们分别是是以5000kVV为网架架的东北北、华北北、华中中、华东东、川渝渝5大区区域电网网和广东东、山东东、广西西、福建建、云南南、贵州州6个省省级电网网；以3330kkV为网网架的西西北电网网；2220kVV的海南南、新疆疆电网；1100kV的的西藏电电网。目前，随随着我国国国民经经济的快快速稳定定发展，人人们对电电能需求求的迅速速增长，我我国电网网的规模模日益扩扩大。在在电力系系统向超超高压、大大容量、大大电网、自自动化方方向发展展的同时时，提高高电力设设备的运运行可靠靠性和稳稳定性更更为重要要。而在在电力系系统运行行中，油油浸式变变压器由由于具有有较高的的绝缘强强度、较较

10、长的使使用寿命命，广泛泛用于高高压、超超高压输输电系统统以及电电气化铁铁路牵引引供电系系统中。绝绝缘油和和绝缘纸纸组成的的复合绝绝缘构成成了油浸浸式变压压器的绝绝缘系统统，变压压器的使使用寿命命是主要要由绝缘缘材料的的绝缘强强度决定定，它的运运行状况况直接关关系到电电力系统统的安全全运行。如果一台大型电力变压器在系统中运行时出现故障，可能引发大面积停电，其检修期一般要半年以上，给国民经济造成巨大的损失，给人民带来巨大不便。因此，对变压器的绝缘状况进行诊断，掌握变压器的运行状态，制定科学、合理的变压器运行、维护以及更新计划，对提高变压器的可用率和整个电网运行可靠性都具有重要意义。对电力变变压器油

11、油纸绝缘缘系统老老化的研研究已经经过了440余年年的历程程，然而而已用于于变压器器绝缘老老化状态态诊断的糠糠醛、聚聚合度、油油中溶解解气体等等方法1由于需要要取油样样、纸样样进行测测量，给给实际工工作中带带来很大大的不便便，并且且本身也也存在一一定的缺缺陷2，33，故不能能用来直直接解决决工程实实际问题题。介电响应应法作为为一种油油纸绝缘缘老化诊诊断的无无损检测测手段，具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点，因此，应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介电响应技术的回复电压法（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和基于频域介电响应的频域谱法（FDS）。其中，FDS是利用介质在交流电压下的极化特

12、性，通过外加正弦电压，测量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复容率等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，这一特点使得FDS法在研究低介质损耗材料方面具有重要的优势4。本文采用用以电介介质响应应为理论论基础的的介电频频谱法（FDS），借助实验室的仪器和设备，搭建油纸绝缘介质响应测试的实验平台，模拟变压器实际运行中复杂多变的外界条件，并通过实验室加速热老化试验模拟变压器油纸绝缘的老化，研究油纸绝缘介电频谱在不同温度、不同微水含量条件下的变化规律；通过对油纸绝缘介电特性的分析，得出其微水含量信息，从而对正确诊断变压器绝缘状况，

13、评估变压器剩余寿命和提高供电可靠性提供重要依据。12 变压器器油纸绝绝缘系统统电力变压压器是电电力系统统中输变变电和供供配电系系统的重重要设备备，关系系到电力力系统的的正常运运行。变变压器种种类很多多，用途途也很广广泛。在在电力变变压器中中，目前前以油浸浸式变压压器的产产量最大大，应用用最广。油浸式电力变压器,是以油作为变压器主要绝缘手段.用于两级电网之间、两区域电网之间联络。油浸式变压器依靠油作冷却介质，如油浸自冷，油浸风冷，油浸水冷及强迫油循环等。一般升压站的主变都是油浸式的，变比20KV/500KV，或20KV/220KV，一般发电厂用于带动带自身负载的厂用变压器也是油浸式变压器，它的变

14、比是20KV/6KV。油浸式变变压器的的绝缘主主要分为为外绝缘缘和内绝绝缘两大大类。外绝缘缘就是变变压器油油箱外部部的套管管和空气气的绝缘缘；内绝绝缘又分分为主绝绝缘和纵纵绝缘两两类。主主绝缘是是指绕组组对地之之间、相相间和同同一相而而不同电电压等级级的绕组组之间的的绝缘；纵绝缘缘 是指指同一电电压等级级的一个个绕组，其其不同部部位之间间，层间间、匝间间、绕组组对静电电屏之间间的绝缘缘。在油浸式式电力变变压器中中，变压压器的绝绝缘形式式主要采采用油纸纸绝缘结结构，即即利用绝绝缘油浸浸渍绝缘缘纸，消消除绝缘缘纸纤维维空隙所所产生的的气隙，提提高其绝绝缘的电电气强度度5。121油纸纸绝缘的的老化机

15、机理油浸式变变压器的的绝缘系系统主要要由变压压器油、纸纸绝缘构构成。由由于纸绝绝缘的老老化过程程是不可可逆的，因因此变压压器寿命命主要取取决于纸纸绝缘的的寿命。变变压器的的实际寿寿命除跟跟制造质质量有关关外，与与运行条条件关系系密切。1变压压器油绝绝缘老化化机理变压器油油主要由许许多不同同分子量量的碳氢氢化合物物组成混混合物，基基本以烷烷烃、环环烷烃和和少部分分芳香烃烃为主。在正常运运行温度度下，油油不会产产生热分分解，油油的老化化主要是氧氧化导致致，铜是是催化剂剂。实际际上对不不能与氧氧气完全全隔离的的油纸绝绝缘设备备，即使使长期不不运行，也也同样存在在老化问问题。油油中吸收收氧在水水分、温

16、温度作用用下使老化化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最终析出油泥。油氧化反应形成少量的CO，CO2，随着运行中气体的积累，CO，CO2，将成为油中气体的主要组分，还有少量H2，和低分子的烃类气体。烃类气体的迅速增加是在非正常的油温下产生的。电或热故障可以使某些CH键和CC键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这砦氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体(如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等)，随着不同故障能量和时间的作用，也可能生成碳氢聚合物及固体碳粒。2纸绝绝缘的老老化机理理变压器的的纸绝缘缘属于纤维素素绝缘材材料，它它是由大大约900的

17、纤纤维素，10的半纤维素及极少量的木素等构成。纸绝缘在热的作用下，将会发生热解、水解、氧化三种降解反应，并有可能同时存在。三种降解的机理分别如下：(1)热热解降解解热解使纤纤维素分分子链发发生解环环或断裂裂，而解解环和断断裂可以以在纤维维W素的任任何部位发生生。热解解也可能只发发生在分分子链的的尾端，把把最后一一环链解解开，产产生COO、CO2等气体体，以及及糖醛及及其他呋呋喃化合合物等液液体。在在2000及以下下，COO，CO2增加较较快，但但不会产产生大量量烃类气气体。(2)水水解降解解水解足热热解的后后续反应应。油纸纸氧化所所产生的的酸是水水解作用用的催化化剂，纤纤维绝缘缘材料中中所含的

18、的水分越越多，纤纤维素的的水解速速度就越越快。(3)氧氧化降解解氧化降解解足热解解和水解解的连续续反应。氧氧化归根根到底是是热解和和水解导导致的纤纤维素链链发生断断裂。纤维素降降解三个个关键因因素：温温度、含含水量、含含氧量。13 油纸绝绝缘电介介质频域域谱法（FFDS）诊诊断的研研究现状状对油纸绝绝缘老化化状态的的监测方方法主要要可分为为物理化化学诊断断方法和和电诊断断方法两两大类。其其中关于于化学诊诊断方法法的研究究较为成成熟，有有微水分分析，中溶解解气体分分析（DDGA，绝缘纸纸聚合度度测试（DDP），油中中糠醛含含量分析析等；而而电诊断断方法则则是近十十几年才才发展起起来，仍仍处于研研

19、究阶段段，并没没有得到到广泛的的应用。到目前为为止，传传统的变变压器绝绝缘状态态诊断方法法均存在在各自的的不足，近近年来国国外许多多研究机机构和学学者将目目光转向向了一种种新的测测试方法法基基于频域域介质响响应技术术的频域域谱法（FFreqquenncy Dommainn SppecttrosscoppyFFDS）。介电响应应法始于于20世世纪900年代，作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点，因此，应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介电响应技术的回复电压法（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和基于频域介电响应的频域谱法（FDS）。其中，FDS是利

20、用介质在交流电压下的极化特性，通过外加正弦电压，测量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复容率等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，这一特点使得FDS法在研究低介质损耗材料方面具有重要的优势。FDS主要是由于电介质极化现象引起的，而电介质的极化受到温度、水分、老化程度等多种因素的影响，目前国外一些学者对于FDS的研究，主要集中在不同因素对FDS参数的影响上，并在这方面取得了一些成果。1老化化的影响响P.K.Pooovammma6等对不不同老化化状态的的油纸绝绝缘试品品进行FFDS试试验，发发现随着着老化加加剧，介介电损耗耗

21、越大，相相对介电电常数的的虚部随随试品老老化时间间的增加加而增大大，而实实部基本本不变。且且低频区区有最大大值。OOmarr Haassaanl7等发现现随老化化时间的的增加，增大。在高、中频带和功率因数的幅值重合性好，在低频带（低于1Hz）两者分开，分开点的频率值取决于绝缘老化时间，频率分裂点和老化持续时间是线性的，因此可以用这一点来判断老化，水分和老化的影响也被分开。2温度度的影响响J.H.Yeww8等对225、550、558、770下对对油纸样样品进行行了测量量，发现现随温度度的增加加，复电电容的实实部和虚虚部都随随之增加加。随着着频率的的增大，不不同温度度下复电电容都趋趋于定值值。而且

22、且随着温温度升高高，电容容实部、虚虚部的交交叉点向向高频区区移动，交交叉点频频率和温温度之间间关系基基本呈指指数关系系。另外外，随温温度升高高，曲线线右移，同同时低频频区的曲曲线峰值值消失，在在高频下下曲线趋趋于定值值。P.K.PPoovvammma9等在227和990分别别对新油油和老化化油进行行测量，发发现从1100HHz到00.1HHz，呈呈一直线。新新油介电电损耗对对温度变变化不大大，老化化油在1100HHz到00.1HHz内对对温度较较敏感，曲线上移。两种油的相对介电常数在高频下恒定且重合，低频区发散性较大。随温度升高，低频区相对介电常数增大。Stanislaw M.Gubanski

23、10等研究认温度，水分，老化对纸板直流电导率有影响，且直流电导率对于温度的敏感度高于水分；且为避免非线性，外加电压不宜太高。3水分分的影响响P.K.Pooovammma等等讨论了了不同纸纸中水分分，油电电导率下下与频率率关系曲曲线的不不同：低低频下有有最大值值，高频频下有最最小值，且且随水分分增加，最最大值向向高频区区转移；水分增增加到一一定值，低低频最大大值消失失。J.H.YYew等等对含水水量为00.2%和2%变压器器绝缘纸纸进行试试验，发发现复合合电容的的实部和和虚部随随含水量量的增加加而增大大，不过过虚部增增加的幅幅度较大大。L.E.LLunddgaaard11等对含含水量为为1.22

24、%、33.4%和5%的油纸纸样品测测量，发发现随含含水量增增加，相相对介电电常数的的实部和和虚部在在低频区区随之增增大，高高频区不不同含水水量的曲曲线重合合。综上所述述，对FFDS用用于变压压器油纸纸绝缘诊诊断方面面的研究究虽然取取得了一一定的成成果，但但仍存在在许多问问题，主主要表现现在：（1）研研究表明明，影响响FDSS反映油油纸绝缘缘状态信信息的因因素较多多，但是是其影响响因素对对FDSS各参数数的具体体影响并并不明确确，已有有的研究究只是定定性的指指明了影影响因素素对FDDS参数数的影响响。（2）目目前关于于FDSS的测量量结果多多是对其其现象的的描述，还还不能进进行圆满满的解释释，更

25、没没有从电电介质极极化理论论的本质质上对其其原因进进行深入入分析。要要将频域域谱法诊诊断油纸纸绝缘的的状态信信息应用用于实际际，必须须进行大大量试验验和理论论分析，进进一步研研究、总总结规律律，并对对其结果果进行合合理解释释。（3）利利用仿真真与试验验相结合合的手段段对FDDS进行行研究目目前还鲜鲜有报道道。（4）如如何将频频域谱法法与时域域的回复复电压法法、极化化去极化化电流法法相结合合，建立立三种方方法综合合的油纸纸绝缘老老化无损损评估模模型，获获得评估估变压器器老化的的介电响响应综合合特征参参量。因此，为为了更好好的用频频域谱法法诊断变变压器油油纸绝缘缘的状态态信息，解解决目前前FDSS

26、存在的的问题和和不足，对对其进一一步深入入研究具具有重要要的理论论和实际际意义。14 本文研研究的主主要内容容（1）本本文首先先介绍了了油纸绝绝缘系统统。（2）其其次分析析变压器器油纸绝绝缘的老老化机理理，阐述述了油纸纸绝缘电电介质基基于频率率响应的的频域谱谱法(FFDS)的研究现现状。（3）介介绍变压压器油纸纸绝缘介介电响应应相关理理论，对对介电理理论的一一些概念念进行阐阐述。（4）研研究基于于电介质质频率响响应的频频域谱法法（FDDS），重重点研究究油纸绝绝缘电介介质频率率响应测测试中的的微电流流测量。（5）针针对油纸纸绝缘电电介质频频率响应应测试中中的微电电流测量量，对其进进行放大大电路

27、的的设计，并并运用PPspiice仿仿真软件件对电路路进行仿仿真分析析，为电电路放大大器、各各电阻、电电容的选选择提供供参考，仿仿真分析析了不同同温度下下对电路路的影响响。（6）在在实验室室条件下下，模拟拟变压器器油纸绝绝缘系统统，进行频频率响测测试实验验，并对对实验结结果提出出改进方方法。第2章 变压器器油纸绝绝缘电介介质响应应的相关关理论21 引言介质响应应理论主主要是揭揭示电介介质基本本特性（电电极化、电电导、介介质损耗耗以及电电介质击击穿）的的物理本本质，探探讨电介介质在电电场作用用下所发发生的物物理过程程与电介介质的结结构、组组成之间关系系的规律律性。变变压器油油纸绝缘缘是一种种复合

28、电电介质，油纸绝绝缘的老老化会引引起油纸纸绝缘体体系介电电特性的的变化，故故电介质质理论对对其是适适用的。但但由于变变压器是是由绝缘缘纸和绝绝缘油两两种介质质组成的的油-纸纸复合绝绝缘系统统，其极极化过程程与单一一电介质质的极化化过程不不同。因因此有必必要先对对电介质质的相关关理论进进行分析析。22 介质响响应的基基本概念念221 复复介电常常数在外加电电场作用用下，介介质的介介电常数数是综合合反映介介质极化化微观过过程的宏宏观物理理量。电电介质的的介电常常数又称称为电容容率，如如果在平平行平板板式电极极间充满满相对介介电常数数为 的的电介质质，其电电容量为为（2-11）式中为真真空的介介电常

29、数数，的大大小等于于F/mm，S为为极板面面积，dd为电介介质厚度度。如果在该该电容器器电极加加上角频频率为的的正弦交交流电压压 （22-2）则在电极极上出现现的电荷荷量为（2-33）在外电路路上的电电流为电电荷Q对对时间的的导数：（2-44）此时电流流相位超超前电压压。当电容器器填充某某种电介介质时，则则其电容容量为： （22-5）式中为该该介质的的相对介介电常数数，即 （22-6）如果考虑虑到填充充电介质质是弱导导电性，或或是一种种极性的的，或者者兼有这这2种特特性的材材料，那那么，电电容量就就不再是是理想的的电容器器，电流流对电压压的相位位就不会会恰好相相差。因因为此时时增加了了一个与与

30、电压具具有相同同相位的的电导分分量，故故总的电电流为两两部分电电流的和和： （2-7） 如果把电电介质试试样看成成一个复复数电容容，则式式(2-7)中中的电导导可以写写成（2-88） 式中的为为电介质质的复介介电常数数，称为为损耗因因子。损耗角正正切又可可以表示示为（2- 9）角频率与与损耗因因子的乘乘积等于于介质的的电导率率 （22-100）该电导率率为所有有损耗的的总和，它它包括由由载流子子迁移造造成的直直流电导导、电偶偶极子取取向以及及其他极极化所造造成的损损耗。从直流到到高频，可以与、中任何一个配对描述电介质在电场中的性能。即 （2-11）作为绝缘缘部件，特特别是对对于高频频、高压压绝

31、缘，要要求相对对介电常常数和损损耗系数数都要小小，这是是因为绝绝缘材料料的发热热量，即即功率损损耗P与与电压UU的平方方、角频频率、相相对介电电常数和和和损耗耗角正切切成正比比： （2-12）式中C为为绝缘部部件的几几何电容容。通过测量量和，可以以判断绝绝缘材料料的电绝绝缘强度度、水分分含量以以及老化化程度。222 电电介质的的极化电介质极极化是在在外电场场的作用用下，束束缚电荷荷的局部部移动导导致宏观观上显示示出电性性，在电电介质的的表面和和内部不不均匀的的地方出出现电荷荷的现象象。理想想的绝缘缘介质内内部没有有自由电电荷，实实际的电电介质内内部总是是存在少少量自由由电荷，它它们是造造成电介

32、介质漏电电的原因因。极化机制制：把电介介质看成成大量微微观带电电粒子组组成的电电荷体系系，从电电磁学的的基本公公式出发发，利用用矢量分分析和电电动力学学的有关关公式，通通过定量量计算得得出单个个原子在在空间某某处产生生的电势势相当于于一个电电偶极子子的势，从从理论层层次说明明分子或或原子固固有电矩矩的存在在、电介介质分子子的分类类、电介介质在外外电场中中的极化化模型及及电介质质极化的的规律。在介质理理论中，常常用偶极极矩的大大小来表表示组成成介质分分子所具具有的极极化特性性。一般般分子偶偶极矩uu的大小小取决于于有效电电场E，并并与之成成正比关关系，即即表示为为 （22-133）式中，为为比例

33、系系数，它它的物理理含义是是每单位位电场强强度的分分子偶极极矩，称称为极化化率。这这是描述述分子极极化特性性的一个个重要的的微观物物理量，越大，分子的极化能力越强。若单位体体积内极极化质点点总数为为N，则则可把宏宏观的极极化强度度P与微微观的极极化率联联系起来来，得到到 （2-14）电介质的的极化形形式较多多，基本本类型有有电子位位移极化化、离子子位移极极化、偶偶极子转转向极化化、热离离子极化化和界面面极化。1 电子极化化，是在在电场作作用下原原子核与与负电子子云之间间相对位位移，它它们的等等效中心心不再重重合而分分开一定定的距离离I形成电电偶极矩矩pe=ell(l由负电电中心指指向正电电中心

34、，e是电荷荷量，见电偶极极子)。当当电场不不太强时时，电偶极极矩pe同有有效电场场成正比比，pe=eE，式中e称为为电子极极化率。极化建立所需的时间极短（s），不产生能量损耗，同时电子极化率与温度无关。任何电介质都要发生电子位移极化。2 离子极化化又称为为原子极极化，是是在正负负离子组组成的物物质中异异极性离离子沿电电场向相相反方向向位移形形成电偶偶极矩ppa。pa与有效效电场成成正比，pa=aE，a称为离离子极化化率，这这两种极极化都同同温度无无关。离离子位移移极化建建立所需需时间为为s，在在极化过过程中不不伴随有有能量消消耗，离离子极化化率只与与离子的的结构参参数有关关，而与与温度无无关。

35、 3 固有电矩矩的取向向极化，某某些电介介质分子子由于结结构上的的不对称称性而具具有固有有电矩pp。在无无外电场场时，由由于热运运动,这这些分子子的取向向完全是是无规的的，电介介质在宏宏观上不不显示电电性。在在外电场场的作用用下，每每个分子子的电矩矩受到电电场的力力矩作用用,趋于于同外场场平行,即趋于于有序化化；另一一方面热热运动使使电矩趋趋于无序序化。在在一定的的温度和和一定的的外电场场下，两两者达到到平衡。固固有电矩矩的取向向极化也也可以引引入取向向极化率率d描述述,当电电场强度度不太大大而温度度不太低低时，kk是玻耳耳兹曼常常数，TT是热力力学温度度。这种种极化同同温度的的关系密密切。偶

36、偶极子转转向极化化的建立立需要较较长的时时间，约约s，极极化过程程伴随有有能量的的损耗。偶偶极子转转向极化化是一种种与热运运动有关关的极化化方式，可可以推断断，反映映极性分分子极化化的极化化率与温温度有关关。 4 界面极化化，由于于电介质质组分的的不均匀匀性以及及其他不不完整性性，例如如杂质、缺缺陷的存存在等，电电介质中中少量自自由电荷荷停留在在俘获中中心或介介质不均均匀的分分界面上上而不能能相互中中和，形形成空间间电荷层层，从而而改变空空间的电电场。从从效果上上相当于于增强电电介质的的介电性性能。 电电介质的的极化是是这四种种极化机机制的宏宏观总效效果。这这种与热热运动有有关的极极化，其其建

37、立时时间较长长，在电电场频率率较高的的情况下下，极化化会有滞滞后现象象发生，从从这个意意义上，热热离子极极化常被被称为松松弛极化化。223 电电介质的的损耗电介质中中在交变变电场作作用下转转换成热热能的能能量，这些热热会使电电介质升升温并可可能引起起热击穿穿，因此此，研究究电介质质的损耗耗问题，实实质上就就是研究究能量转转换问题题。根据据介质理理论关于于介质损损耗的定定义，它它是指电电介质在在单位时时间内每每单位体体积中，将将电能转转化为热热能而消消耗的能能量。工程实际际中，常常以正弦弦电压作作用下通通过介质质的有功功电流与与无功电电流之比比，或有有功损耗耗与无功功损耗之之比，即即介质损损耗角

38、正正切值（）作为介质损耗的特征参数。为电流有功分量和无功分量之比，而电流的有功分量引起介质中的能量的损耗，所以的值能反映介质损耗的大小；仅取决于材料特性而与材料的尺寸、形状无关，其值可以直接由实验测定。此外，还可以用复介电常数的虚部来表征介质损耗，称为介质损耗因数。电介质在在交变电电场中与与频率和和温度等等因素有有关，电电介质损损耗按其其形成机机理可分分为弛豫豫损耗、共共振损耗耗和电导导损耗。前前两者分分别与电电介质的的弛豫极极化和共共振极化化过程有有关 。对对于弛豫豫损耗，当当交变电电场的频频率 1时，介介质损耗耗达到极极大值，为组成成电介质质的极性性分子和和热离子子的弛豫豫时间。对对于共振

39、振损耗，当当电场频频率等于于电介质质振子固固有频率率（共振振）时，损损失能量量最大。电电导损耗耗则是由由贯穿电电介质的的电导电电流引起起，属焦焦耳损耗耗，与电电场频率率无关。1电导导损耗任何电介介质都不不可能是是理想的的绝缘体体，不可可避免地地存在一一些弱联联系的导导电载流流子。在在电场作作用下，这这些导电电载流子子将作定定向漂移移，形成成传导电电流。这这部分传传导电流流以发热热的形式式消耗掉掉，我们们把它称称之为电电导损耗耗。电导导损耗与与电场频频率无关关，但随随着温度度的升高高而急剧剧增加。2 弛豫极化化损耗当交变电电场E 改变其其大小和和方向时时，电介介质极化化的大小小和方向向随着改改变

40、。如如电介质质为极性性分子组组成(极极性电介介质)或或含有弱弱束缚离离子（这这类偶极极子和离离子极化化由于热热运动造造成,分分别称为为偶极子子和热离离子）,转向或或位移极极化需要要一定时时间（弛弛豫时间间），电电介质极极化与电电场就产产生了相相位差，由由这种相相位差而而产生了了电介质质弛豫损损耗Wgg。电介质在在电场中中发生极极化都需需要建立立一定的的时间，其其中有的的极化形形式，如如电子位位移极化化和离子子位移极极化需时时极短（s），但另外一些极化需时较长，例如偶极子转向极化，一般需要经历s甚至更长的时间。因此此类极化在外施电场频率较高时，就有可能跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性，产生弛

41、豫现象。致使电介质的极化强度P滞后于外施电场强度E，并且随着外电场频率的升高，电介质的介电常数下降;当外施电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，其介电常数随频率的上升而下降至零，这时电介质的介电常数只由位移极化提供，而趋于光频介电常数，这一过程也消耗部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为弛豫极化损耗。3共振振损耗对于电子子位移极极化和离离子位移移极化,电介质质可以看看成是许许多振子子的集合合,这些些振子在在电场作作用下作作受迫振振动，并并最终以以热能方方式损耗耗。当电电场频率率比振子子频率高高得多或或低得多多时，损损失能量

42、量很少。只只有当电电场频率率等于振振子固有有频率（共共振）时时，损失失能量最最大，故故称电介介质共振振损耗。23 频域介介质响应应法在变变压器油油纸绝缘缘诊断上上的应用用介电响应应理论从从提出至至今已有有几十年年历史，但但对介电电响应理理论的应应用主要要集中于于对电介介质材料料的应用用研究，如如应用于于高介陶陶瓷、以以铁电性性能为基基础的铁铁电薄膜膜等，以以改善这这些材料料的性能能。介电电响应理理论用于于变压器器油纸绝绝缘状况况的研究究，在近近十几年年才逐渐渐发展起起来。实实践中发发现，介介电响应应法作为为一种无无损检测测手段，它它具有抗抗干扰能能力强、携携带信息息丰富等等特点。因因此，国国外

43、的许许多研究究机构和和学者都都认为对对于浸油油变压器器等电力力设备，介介质响应应法是一一种很好好的诊断断工具。变压器油油纸绝缘缘本身就就是一种种复合电电介质，在在温度、水水分、老老化、机机械应力力等因素素作用下下，其介介电特性性必将发发生变化化，介质质响应法法就是基基于这样样的原理理来诊断断变压器器油纸绝绝缘的状状况。介介质响应应法根据据激励源源的不同同分为时时域和频频域介质质响应两两种，前前者又包包括回复复电压法法（RVVM）和和极化去去极化电电流法（PPDC）两两种；频频域介质质响应法法即频域域谱法（FFDS）。对于频域域谱法，通通过正弦弦交流激激励对单单一频率率下的油油纸绝缘缘系统进进行

44、介质质响应测测量有时时并不能能够得到到绝缘系系统的全全面状态态。为得得到更多多信息，在在低压下下，通过过改变交交流激励励的频率率，并采采用复介介电常数数，复电电容，介介质损耗耗，功率率因素等等作为频频率的函函数，用用该函数数的变化化情况来来评估运运行中变变压器绝绝缘老化化状况。测测得的复复电容、相相对介电电常数等等曲线的的不同部部分包含含着绝缘缘油和绝绝缘纸的的不同信信息，通通过分析析不同条条件下曲曲线各段段的变化化情况，确确定各段段与油纸纸绝缘系系统状态态信息的的关系，就就可以对对变压器器油纸绝绝缘状态态进行诊诊断。第三章 频率率响应特特性的研研究3.1电电介质频频率响应应法的介介绍电介质响

45、响应法作作为新的的绝缘测测试方法法, 其研研究始于于20世纪纪80年代代, 220世纪纪90年代代后回复复电压法法、极化去去极化电电流法等等时域电电介质响响应法陆陆续涌现现.。频率响响应法由由于所获获信息量量大、测试电电源电压压低而受受到广泛泛关注.。频率响响应法是是在宽频频范围内内(如10-44 1106 H z)测测试油纸纸绝缘复复介电常常数实部部Ec、虚部(介质损损耗) Ed曲线, 通过分分析其幅幅值、形状的的变化趋趋势评估估油纸绝绝缘所处处温度、微量、老化程程度等绝绝缘状况况.目前, 对电介介质响应应法的研研究还处处在起始始阶段。频率响应应法为表表征变压压器油纸纸绝缘的的老化状状态及微微水含量量提供了了新的手手段, 但环境境因素尤尤其是温温度对测测试结果果有严重重的影响响. 为更更准确的的理解测测试结果果, 对不不同温度度下油纸纸绝缘频频率响应应的研究究显得十十分重要要. 本文文对电介介质响应应法进行行分析建建模, 搭建了了实验平平台, 测试了了油纸绝绝缘的频频率响应应,讨论了了油隙对对测试结结果的影影响, 分析了了温度与与油纸绝绝缘频率率响应的的关联关关系。3.2 频率率响应法法的测试试方法3.2.1变压压器油纸纸绝缘等等效模型型变压器主主绝缘系系统由一一系列纸纸筒压板板、油隙隙以及对对纸筒起