基于時(shí)頻域介電響應(yīng)的絕緣油弛豫過程分析

　　摘要 該文測(cè)量并分析了不同水分和老化程度絕緣油的時(shí)頻域介電響應(yīng)，通過頻域介電譜分析絕緣油弛豫時(shí)間較小的弛豫過程，通過極化電流分析絕緣油弛豫時(shí)間較大的弛豫過程和直流電導(dǎo)過程，并研究水分含量和老化程度對(duì)弛豫過程特征參數(shù)的影響。研究表明，絕緣油頻域介電譜可以分為直流電導(dǎo)頻段、弛豫極化頻段和高頻極化頻段三個(gè)頻段。直流電導(dǎo)和高頻極化頻段實(shí)部恒定，虛部與頻率成反比，表現(xiàn)為電阻特性。但兩個(gè)頻段損耗機(jī)制不同，前者以電導(dǎo)損耗為主，由直流電導(dǎo)率決定;后者以極化損耗為主，由高頻電導(dǎo)率決定。絕緣油的水分含量對(duì)直流電導(dǎo)率影響較大，老化程度對(duì)高頻電導(dǎo)率影響較大。絕緣油頻譜在弛豫極化頻段實(shí)部和虛部斜率隨頻率發(fā)生變化，表現(xiàn)為明顯的弛豫過程。水分含量會(huì)減小絕緣油的弛豫時(shí)間，老化程度對(duì)弛豫時(shí)間影響較小。

　　徐晴川; 王圣康; 林福昌; 李化， 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-06

　　關(guān)鍵詞：絕緣油 弛豫過程 頻域介電譜 極化電流 電導(dǎo)損耗 極化損耗

　　0 引言

　　油浸式變壓器的安全性是電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的保證。而絕緣油是油浸式變壓器主絕緣重要組成部分，既浸潤(rùn)在絕緣紙中，增加絕緣紙的絕緣強(qiáng)度，又以單獨(dú)油道的形式存在，具備絕緣、冷卻和滅弧的作用。在變壓器運(yùn)行過程中，其內(nèi)部油紙絕緣會(huì)不斷老化，絕緣油水分含量增加，老化程度加深，介電特性發(fā)生改變[1-2]。

　　國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)絕緣油的介電特性進(jìn)行了研究。C. Ekanayake 等提出了用頻域介電譜評(píng)估絕緣油水分含量，并分析了測(cè)試溫度對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響[3]。S. Singha 等研究了礦物油和植物油在加速熱老化后水分含量、相對(duì)介電常數(shù)、介損、擊穿場(chǎng)強(qiáng)的變化[4]。D. Y. Wang 等測(cè)量了不同溫度以及溫度變化條件下絕緣油的頻域介電譜[5]。K. Bandara 等測(cè)量比較了礦物油和植物油的頻域介電譜和極化電流，建立模型分析極化電流和低頻段的頻域介電譜的關(guān)系[6]。N. A. Muhamad 等測(cè)量了不同水分含量下可生物降解油和礦物油的極化和去極化電流曲線，并以此對(duì)比分析了兩種絕緣油的介電響應(yīng)函數(shù)及最大電導(dǎo)率[7]。廖瑞金等測(cè)量和分析了不同種類和水分條件下絕緣油的寬頻頻域介電譜[8]。周遠(yuǎn)翔等研究了溫度、流體壓強(qiáng)、含水量對(duì)絕緣油直流電導(dǎo)率的影響[9]。劉蘭榮等研究了溫度和微水對(duì)絕緣油相對(duì)介電常數(shù)、介損、擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響[10]。黃國(guó)泰等通過分析多臺(tái)變壓器的受潮情況與回復(fù)電壓初始斜率峰值時(shí)間之間的關(guān)系，提出利用初始斜率峰值時(shí)間來定量評(píng)估絕緣油的微水含量狀態(tài)[11]。劉麗嵐等定量分析了含水量、溫度與絕緣油直流電導(dǎo)率之間的關(guān)系，以及水分對(duì)介電常數(shù)和介損的影響 [12-13]。溫福新等研究了納米改性絕緣油的寬頻介電特性，并從物理上解釋了 ZnO 納米顆粒對(duì)頻譜的影響[14-15]。賈海峰等研究了含水量對(duì)絕緣油的介電損耗因數(shù)、載流子遷移率和直流電導(dǎo)率的影響，以及老化程度和水分含量與直流電導(dǎo)率增大速率的關(guān)系 [16]。

　　盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在絕緣油介電特性研究領(lǐng)域取得了不少成果，但通常認(rèn)為絕緣油是一種弱極性的物質(zhì)，在很多時(shí)候簡(jiǎn)化成實(shí)部恒定為 2.2，虛部由直流電導(dǎo)率?oil 決定，為?oil/??? [17-18]。因此對(duì)絕緣油介電特性的研究，主要集中于絕緣油的電導(dǎo)特性以及不同種類絕緣油介電特性的比較，對(duì)于絕緣油的弛豫特性，迄今鮮見于公開發(fā)表的文獻(xiàn)。研究絕緣油的弛豫過程，對(duì)構(gòu)建更加準(zhǔn)確的絕緣油介電模型，分析水分老化因素對(duì)絕緣油介電性能的影響，有很大意義。

　　本文根據(jù)絕緣油的頻域介電譜和極化電流，分析不同水分和老化絕緣油的完整的弛豫過程，研究水分含量和老化程度對(duì)絕緣油弛豫過程特征參數(shù)的影響。

　　1 電介質(zhì)弛豫理論

　　1.1 介電弛豫對(duì)頻譜的影響

　　在外施交流電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部通常存在著自由電荷的定向移動(dòng)和束縛電荷的偏移兩類過程，與之相對(duì)應(yīng)的分別是宏觀的電導(dǎo)和極化過程。

　　當(dāng)電介質(zhì)中僅存在電子極化或離子極化時(shí)，極化過程所需時(shí)間可以忽略不計(jì)，這一類極化被稱為瞬時(shí)極化[19]。此時(shí)其頻域介電譜在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上表現(xiàn)為：實(shí)部?'???是一條不隨頻率變化的水平直線，大小等于介質(zhì)的光頻介電常數(shù)?∞;而虛部?"???只含有直流電導(dǎo)過程，是一條斜率為-1 的直線。

　　當(dāng)電介質(zhì)中除了瞬時(shí)極化外，還存在界面極化等有損極化時(shí)，這部分有損極化過程所需時(shí)間較長(zhǎng)，存在弛豫過程，被稱為弛豫極化[19]。此時(shí)其頻域介電譜在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上表現(xiàn)為：實(shí)部?'???會(huì)出現(xiàn)一段從靜態(tài)介電常數(shù)?s 降到光頻介電常數(shù)?∞的過渡階段;而虛部?"???由于除了電導(dǎo)損耗外，還包含弛豫極化損耗，使其在特定頻段上出現(xiàn)彎曲，斜率隨頻率變化，如圖 1 所示。

　　由此可知，弛豫極化過程對(duì)頻域介電譜有明顯的影響，主要表現(xiàn)為：實(shí)部?'???在低頻段會(huì)增大;虛部?"???在特定頻段出現(xiàn)彎曲，斜率隨著頻率變化。根據(jù)電介質(zhì)的頻域介電譜，能夠分析電介質(zhì)的弛豫極化過程。

　　1.2 電介質(zhì)弛豫極化模型

　　用 于 分 析 電 介 質(zhì) 的 弛 豫 極 化 過 程 的 模 型 有 Debye 模型、Cole-Cole(CC)模型、Davidson-Cole (DC)模型以及 Havriliak-Negami(HN)模型。從數(shù)學(xué)表達(dá)式上看，這四種模型函數(shù)都具有如式(1)所示的相同形式，區(qū)別在于 α 或 β 是否取 1，見表 1 [20]。 * ( ) [1 (j ) ] ? ??? ? ?????? ?? (1)式中，α 和 β 為與弛豫時(shí)間分布相關(guān)的參數(shù)，且 0<α≤1，0<β≤1;?為外電場(chǎng)的角頻率;? 為弛豫時(shí)間常數(shù);??為介電弛豫強(qiáng)度，??= ?s-?∞， ?s 為靜態(tài)介電常數(shù)，?∞為光頻介電常數(shù)。

　　四種弛豫模型的頻譜實(shí)部?'???和虛部?"???在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的曲線如圖 2 所示。

　　可以看到，不同弛豫極化模型頻譜曲線實(shí)部隨頻率的增大而減小，虛部隨頻率先增大后減小。但是在低頻和高頻極限時(shí)，不同弛豫極化模型頻譜曲線虛部在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率不同，具體見表 1。

　　不同弛豫極化模型虛部在高低頻極限下斜率的具體推導(dǎo)見附錄。

　　因此，根據(jù)絕緣介質(zhì)頻譜曲線在高低頻極限下的斜率，可以為不同絕緣介質(zhì)弛豫模型的選擇提供依據(jù)。

　　2 樣品制備與測(cè)試

　　2.1 樣品制備

　　本文選用克拉瑪依 25#絕緣油為研究對(duì)象，通過加速熱老化試驗(yàn)和吸潮試驗(yàn)，制備和測(cè)量不同水分和老化程度絕緣油的極化電流和頻域介電譜。

　　首先進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)。稱取 300mL 全新絕緣油，放入 500mL 試劑瓶?jī)?nèi)，放入適量拋光的銅絲用于催化絕緣油老化。將試劑瓶放入真空干燥箱內(nèi)抽真空，在 130℃下進(jìn)行加速熱老化。在老化 15d 和 30d 時(shí)，各取 150mL 絕緣油放入不同試劑瓶中，分別編號(hào) B 和 C。另取 150mL 未老化絕緣油，編號(hào)為 A，在 100℃下抽真空干燥 48h。油樣 A、B、C 即為老化 0d、15d、30d 的干燥的絕緣油，其初始水分含量見表 2。

　　其次進(jìn)行吸潮試驗(yàn)。取不同老化程度的干燥的絕緣油油樣 50mL，放入不同 50mm×30mm 扁形稱量瓶中。將扁形稱量瓶放入 45℃，相對(duì)濕度為 60% 恒溫恒濕箱中吸潮，定期攪拌并測(cè)量水分含量。

　　試驗(yàn)制備的不同老化程度絕緣油吸潮后水分含量和編號(hào)見表 3，每種絕緣油均制備四種不同水分含量的油樣，分別約為 10?L/L、20 ?L/L、30 ?L/L、 40 ?L/L。

　　2.2 時(shí)頻域介電響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

　　絕緣油時(shí)域和頻域的介電響應(yīng)測(cè)試等效電路如圖 3 所示。其中測(cè)試對(duì)象采用日置的液體電極 SME-8330，電極間距為 1mm，有效電極面積為 0.005m 2。絕緣油時(shí)域介電響應(yīng)通過 Keithley-6517B 靜電計(jì)進(jìn)行極化電流測(cè)試得到，極化時(shí)間為 3 600s，極 化 電 壓 為 140V 。 絕 緣 油 頻 域 介 電 響 應(yīng) 通 過 IDAX-300 絕緣分析儀進(jìn)行頻域介電譜測(cè)試得到，測(cè)量頻率范圍為 1mHz~1kHz，極化電壓有效值為 140V。

　　測(cè)量的溫度為 45℃，每次測(cè)量前將液體電極放入恒溫恒濕箱 4h，待液體電極內(nèi)部溫度完全均衡后開始絕緣油時(shí)頻域介電響應(yīng)的測(cè)量。每次測(cè)量至少間隔 2h，保證絕緣油樣充分去極化后進(jìn)行下一次的測(cè)量。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果與絕緣油弛豫過程分析

　　本節(jié)以老化 30d，水分含量為 9.3?L/L 絕緣油樣品 C1 在 45℃下的頻域介電譜和極化電流測(cè)試結(jié)果為對(duì)象，分析其弛豫過程。首先基于頻域介電譜進(jìn)行弛豫過程分析。頻域介電譜測(cè)試頻譜范圍一般為 1mHz~1kHz，若要測(cè)量更低的頻段，測(cè)試時(shí)間就會(huì)指數(shù)級(jí)增大。而 1mHz~1kHz 的頻域介電譜無法準(zhǔn)確反映出弛豫時(shí)間較大的弛豫過程，在進(jìn)行弛豫過程分析的時(shí)候，這部分弛豫過程的極化損耗會(huì)被包含到電導(dǎo)損耗中。相反，由于靜電計(jì)瞬態(tài)響應(yīng)較差，極化電流無法準(zhǔn)確反映弛豫時(shí)間較小的弛豫過程，但能夠準(zhǔn)確地反映出較大弛豫時(shí)間的弛豫過程。因此根據(jù)極化電流對(duì)頻域介電譜弛豫過程分析進(jìn)行修正，可以獲得絕緣油完整準(zhǔn)確的弛豫過程以及在寬頻段下的頻域介電譜。

　　3.1 基于頻域介電譜的弛豫過程

　　在 45℃下，對(duì)絕緣油樣 C1 的頻域介電譜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 4 所示。

　　由圖 4 可知，測(cè)量得到絕緣油的頻域介電譜在 1Hz 以上的頻段實(shí)部恒定為 2.2，虛部與頻率成反比，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下斜率為-1;在 1Hz 以下的頻段實(shí)部增大，虛部出現(xiàn)彎曲，斜率隨著頻率變化，表現(xiàn)為明顯的弛豫過程。

　　絕緣油在高頻極限下的斜率為-1，根據(jù) 1.2 節(jié)的論述，只有 Debye 模型符合這一特性，因此選擇 Debye 模型作為絕緣油的弛豫極化模型。

　　由于電介質(zhì)材料一般存在多個(gè)弛豫極化過程，進(jìn)一步將 Debye 模型的單條 RC 支路擴(kuò)展為多條 RC 支路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)[21-23]，以 n 個(gè)弛豫過程為例，其等值電路如圖 5 所示。對(duì)應(yīng)絕緣油的擴(kuò)展 Debye 弛豫模型如式(2)所示?；谧钚《嗽?，對(duì)絕緣油頻譜進(jìn)行擬合，分離出絕緣油弛豫模型的各個(gè)分量[24]。擬合結(jié)果以及弛豫模型的各個(gè)分量如圖 6 所示。

　　Fig.5 Equivalent circuit of single branch Debye model and extended Debye model dc 0 1 * 1 n i i i j j ? ?? ?? ? ?????? ? ?? ? (2)式中，?∞為光頻介電常數(shù);? dc 為直流電導(dǎo)率;? ?i 為介電弛豫強(qiáng)度;?i為弛豫時(shí)間常數(shù)。

　　由圖 6 可知，絕緣油在 1mHz~1kHz 頻段用二支路擴(kuò)展 Debye 模型就可以較好的擬合，擬合度 R 2 =0.96，擬合參數(shù)見表 4。

　　基于絕緣油在 1mHz~1kHz 的頻域介電譜，對(duì)絕緣油的弛豫過程進(jìn)行分析：

　　1)絕緣油在 1mHz~1kHz 頻段存在兩個(gè)弛豫過程，其弛豫時(shí)間分別為 2.4s 和 15.4s。

　　2)在 1Hz 以上的頻段，兩個(gè)弛豫過程都無法跟上電場(chǎng)的變化，弛豫支路 1 和 2 實(shí)部分量接近于 0，虛部分量與頻率成反比，因此絕緣頻譜實(shí)部恒定，虛部與頻率成反比，表現(xiàn)為電阻的特性。

　　3)在 1Hz 以下的頻段，弛豫支路 1 和 2 實(shí)部分量增大，虛部分量隨頻率先增大后減小，因此絕緣頻譜實(shí)部增大，虛部出現(xiàn)彎曲，斜率隨著頻率變化，表現(xiàn)為明顯的弛豫過程。

　　3.2 基于極化電流的弛豫過程修正

　　在 45℃下，測(cè)試絕緣油樣 C1 的極化電流，測(cè)試結(jié)果如圖 7a 所示，并且與頻譜確定的 Debye 模型參數(shù)轉(zhuǎn)換得到的極化電流進(jìn)行比較。

　　由圖 7a 可知，Debye 模型轉(zhuǎn)換電流相比于測(cè)量電流，穩(wěn)態(tài)直流分量更大，衰減更快，說明頻域介電譜并沒有準(zhǔn)確地反映出絕緣油完整的弛豫過程，還有弛豫時(shí)間更長(zhǎng)的弛豫過程沒有被反映出來，需要根據(jù)極化電流對(duì)頻域介電譜弛豫過程分析進(jìn)行修正。

　　根據(jù)測(cè)量得到的極化電流，絕緣油還存在一個(gè)弛豫時(shí)間更大的支路，因此在二支路 Debye 模型的基礎(chǔ)上增加一條弛豫支路，用三支路擴(kuò)展 Debye 模型來擬合極化電流 ipol 為[25] 3 pol 0 1 i t i i i A A e ???? ?? (3)式中，A0 為穩(wěn)態(tài)直流分量;?i 為弛豫時(shí)間常數(shù);Ai 為弛豫支路電流初值，其中 A1、A2 由式(2)擬合的模型參數(shù)? ?1、? ?2、?1、?2決定，關(guān)系為 0 i 0 Δ i i U A C??? (4)式中，U0 為極化電壓;C0 為液體電極幾何電容， C0=40.4pF。

　　根據(jù)極化電流確定的弛豫支路 3 的模型參數(shù)，對(duì)絕緣油 1mHz~1kHz 頻譜擬合參數(shù)進(jìn)行修正，得到絕緣油完整準(zhǔn)確的弛豫過程參數(shù)，見表 5。

　　根據(jù)修正后的弛豫過程參數(shù)，轉(zhuǎn)換得到極化電流和測(cè)量得到極化電流的比較如圖 7b 所示，可以看到，在極化中后期，轉(zhuǎn)換電流與測(cè)量電流幾乎完全吻合。在極化前期，兩者有所偏差，這是由于靜電計(jì)對(duì)電流瞬態(tài)響應(yīng)能力較差，不能反映真實(shí)的極化電流。

　　3.3 絕緣油寬頻弛豫過程分析

　　根據(jù)絕緣油頻域介電譜和極化電流綜合確定的弛豫過程參數(shù)，獲得了絕緣油樣 C1 在寬頻段下的頻域介電譜以及各個(gè)弛豫過程分量，如圖 8 所示。

　　可以看到，絕緣油寬頻頻域介電譜完整準(zhǔn)確的反映了各個(gè)弛豫過程，對(duì)各個(gè)弛豫過程分量進(jìn)行分析：

　　1)當(dāng) f?[1,10 3 ]Hz 時(shí)，各弛豫支路實(shí)部分量遠(yuǎn)小于?∞，絕緣油頻譜實(shí)部?'???基本不變，大小等于?∞;各弛豫支路虛部分量均與頻率成反比，絕緣油頻譜虛部?"???也與頻率成反比。此頻段極化損耗遠(yuǎn)大于電導(dǎo)損耗，絕緣損耗以極化損耗為主導(dǎo)。

　　2)當(dāng) f?[10-3 ,1]Hz 時(shí)，隨著各弛豫支路實(shí)部分量的增大，絕緣油頻譜實(shí)部?'???增大;?"???由各弛豫支路分量虛部和直流電導(dǎo)綜合決定。此頻段各弛豫支路???≈1，表現(xiàn)為明顯的弛豫過程，絕緣損耗為極化損耗和電導(dǎo)損耗的綜合作用，如圖 9 所示。

　　3)當(dāng) f?[10-5 ,10-3 ]Hz 時(shí)，?'???基本不變，為各弛豫支路的介電弛豫強(qiáng)度? ?i 和光頻介電常數(shù)?∞之和;?"???與頻率成反比，由? dc 決定。此頻段電導(dǎo)損耗遠(yuǎn)大于極化損耗，絕緣損耗以電導(dǎo)損耗為主導(dǎo)。

　　綜上分析，可以將絕緣油樣 C1 的[10-5 ,10-3 ]Hz 頻段歸納為直流電導(dǎo)頻段，將[10-3 ,1]Hz 頻段歸納為弛豫極化頻段，將[1,103 ]Hz 頻段歸納為高頻極化頻段，如圖 10 所示。直流電導(dǎo)頻段和高頻極化頻段實(shí)部恒定，虛部與頻率成反比，表現(xiàn)為電阻特性，但兩者損耗的機(jī)理不同。直流電導(dǎo)頻段絕緣損耗為電導(dǎo)損耗，高頻極化頻段絕緣損耗為極化損耗。弛豫極化頻段實(shí)部和虛部斜率隨頻率變化，絕緣損耗為極化損耗和電導(dǎo)損耗的綜合作用。

　　對(duì)于直流電導(dǎo)頻段，其頻譜虛部由直流電導(dǎo)率? dc決定，即 ???? (5)頻段的上限 fdc-max 由最大弛豫時(shí)間支路?3決定，即 dc-max 3 1 2 f ??? (6)對(duì)于高頻極化頻段，其頻譜虛部由高頻電導(dǎo)率? ∞決定，即 3 dc 0 0 1 '' ( ) / i i ?? ? ? ??????? ? ?? (7)式中，? ∞為高頻下的等效電導(dǎo)率，是? dc 與各弛豫支路高頻電導(dǎo)率之和。各弛豫支路高頻電導(dǎo)率與? ?i 和?i關(guān)系為 0Δ i i i ? ???? (8)頻段的下限由最小弛豫時(shí)間支路?1決定，即 -min 1 1 2 f ???? (9)? dc、? ∞、?1、?3 四個(gè)特征參數(shù)雖然沒有包含絕緣油寬頻頻譜所有的信息，但基本上已經(jīng)確定了頻譜曲線實(shí)部和虛部的形態(tài)，同時(shí)也具備一定的物理意義：

　　1)? dc表示絕緣油在直流條件下的電導(dǎo)率。

　　2)? ∞表示絕緣油在高頻條件下的等效電導(dǎo)率，對(duì)于油紙絕緣模型中關(guān)于絕緣油頻譜的簡(jiǎn)化模型?? oil(???????j??????，? 0 用? ∞表示更為準(zhǔn)確。

　　3)? ∞/? dc反映了絕緣頻譜的弛豫強(qiáng)度，? ∞/? dc 越大，頻譜曲線彎曲程度越厲害，弛豫特征也越明顯。

　　4)?1、?3分別決定了絕緣油弛豫極化頻段上下限頻率，?1、?3 越大，弛豫極化頻段上下限頻率越小。

　　4 不同水分和老化程度絕緣油弛豫極化特征

　　對(duì)于不同老化程度的絕緣油樣 A、B、C，每種油樣都制備了四種不同的水分，分別約為 10?L/L， 20?L/L，30?L/L，40?L/L。通過測(cè)量不同水分和老化程度絕緣油的頻域介電譜和極化電流，根據(jù)頻域介電譜和極化電流，按第 3 節(jié)論述的方法得到不同水分和老化程度絕緣油完整準(zhǔn)確的弛豫過程以及在寬頻段下的頻域介電譜。由于電介質(zhì)頻譜實(shí)部可以根據(jù) Kramers-Kroning 關(guān)系由虛部決定[26]，并且頻譜虛部形態(tài)特征較實(shí)部更為明顯，因此本文主要研究絕緣油寬頻頻域介電譜的虛部，如圖 11 所示，其中曲線為根據(jù)絕緣油弛豫過程得到的寬頻頻域介電譜，曲線上的標(biāo)記表示測(cè)量頻譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

　　根據(jù)不同水分含量和老化程度絕緣油的? dc、? ∞、?1、?3 四個(gè)弛豫極化特征參數(shù)，分析水分含量和老化程度對(duì)絕緣油介電特性的影響，如圖 12、13 所示，其中? A-dc，? B-dc，? C-dc分別表示絕緣油樣 A、 B、C 的? dc，其他特征參數(shù)也是同樣的表示方式。

　　由圖 12 可知，隨著水分含量的增加，絕緣油的? dc 相比于? ∞增大較快，? ∞/? dc 減小，根據(jù) 3.3 節(jié)的論述，相同老化程度絕緣油頻譜曲線的弛豫特征也越不明顯，如圖 11 所示。隨著老化程度的增大，絕緣油的? ∞相比于? dc 增大較快，? ∞/? dc 增大，相同水分含量絕緣油頻譜曲線的弛豫特征也越明顯，如圖 14 所示。

　　由圖 13 可知，絕緣油水分含量會(huì)減小?1和?3，相應(yīng)的弛豫極化頻段也向頻譜頻率更高的方向移動(dòng)，這是由于水分子能與絕緣油中一些親水性的離子或者基團(tuán)結(jié)合，使其更容易偏離平衡位置，使得絕緣油弛豫響應(yīng)加快，弛豫時(shí)間減小[27-29]。老化程度對(duì)?1 和?3 影響較小，兩者并沒有呈現(xiàn)出顯著的規(guī)律。

　　5 結(jié)論

　　本文通過測(cè)量不同水分和老化程度絕緣油的頻域介電譜和極化電流，分析了絕緣油完整的弛豫過程，提取出有效反映弛豫過程且具備一定物理意義的特征參數(shù)，并研究了水分含量和老化程度對(duì)弛豫過程特征參數(shù)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

　　1)絕緣油存在一定的弛豫過程，頻域介電譜能夠反映弛豫時(shí)間較小的弛豫過程，極化電流能夠反映弛豫時(shí)間較大的弛豫過程和直流電導(dǎo)過程。

　　2)絕緣油頻譜可以分為三個(gè)頻段：直流電導(dǎo)頻段，弛豫極化頻段，高頻極化頻段。直流電導(dǎo)和高頻極化頻段實(shí)部恒定，虛部與頻率成反比，表現(xiàn)為電阻特性。弛豫極化頻段實(shí)部和虛部斜率隨頻率發(fā)生變化，表現(xiàn)為明顯的弛豫過程。

　　3)直流電導(dǎo)頻段以電導(dǎo)損耗為主，由直流電導(dǎo)率決定，高頻極化頻段以極化損耗為主，由高頻電導(dǎo)率決定。

　　4)水分含量對(duì)絕緣油直流電導(dǎo)率影響較大，老化程度對(duì)高頻電導(dǎo)率影響較大。水分含量越小，老化程度越大，絕緣油頻譜曲線的弛豫特征越明顯。

　　5)水分含量會(huì)減小絕緣油的弛豫時(shí)間，老化程度對(duì)弛豫時(shí)間影響較小。

　　附 錄

　　不同弛豫極化模型的通用表達(dá)式如式(1)所示，區(qū)別在于 α 或 β 是否取 1。將式(1)進(jìn)行分解，可得實(shí)部?'???和虛部?"???分別為 / 2 s '( ) ( )cos( ) r ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? (A1) / 2 s ''( ) ( )sin( ) r ?? ? ? ? ???? ?? (A2)其中，參數(shù) r 和 θ 為 2 r 1 2( ) cos( / 2) ( ) ? ?? ? ? ?? ?? ?? (A3) ( ) sin( / 2) arctan 1 ( ) cos( / 2) ???? ????? ???? (A4)在低頻和高頻極限時(shí)，頻譜實(shí)部和虛部可以分別寫為[20]。 s '( ) , ''( ) ( 1/ ) ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(A5)? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??(A6)因此，不同弛豫極化模型在低頻和高頻極限時(shí)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率由模型中的參數(shù) α 和 β決定，頻譜虛部曲線在低頻極限下的斜率為 α，在高頻極限下的斜率為-αβ。