基于變頻技術診斷變壓器絕緣老化的研究與應用

谷小博，張一軍

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.金華電業局，浙江 金華 321017）

變壓器是電力系統的核心設備，在系統中處于重要的地位。一旦發生故障，將有可能造成大面積的停電事故，給電力系統和國民經濟造成不可估量的損失。據不完全統計，1999-2003年國家電網公司110 kV～500 kV變壓器故障中，絕緣故障占到了事故總量的85.0%。因此，正確地了解變壓器絕緣性能顯得尤為重要。

電力變壓器以油紙絕緣類型為主，開展油紙絕緣變壓器老化的研究，可以充分了解變壓器油紙絕緣的降解模式及其老化的相關特性信息，科學評估變壓器絕緣的老化程度，準確了解變壓器絕緣的健康狀態，充分挖掘變壓器的使用潛力，這無疑具有重要現實意義和學術價值。

目前，分析判斷變壓器絕緣老化狀態的方法分為化學和電氣兩大類。化學方法主要包括油中微水測試、油中溶解氣體分析、油中糠醛測試和絕緣紙板聚合度測試等。特別是油中糠醛測試和絕緣紙板聚合度測試較為常用，但是由于變壓器熱虹吸過濾器的影響，不能測到真實的糠醛含量，另外檢修后的真空濾油去除了油中部分糠醛除去，因此油中糠醛測試存在一定的誤差。而絕緣紙聚合度測試現場抽取紙樣較為困難，可操作性不強。電氣方法主要有恢復電壓測試、極化-去極化電流方法和頻域（變頻）分析法[1]，前兩種方法現場測量容易受到干擾，而頻域（變頻）分析法由于測量頻帶較寬，因此抗干擾性能較好。

1 變頻測量技術（FDS）的原理

1.1 絕緣材料的介電性能

絕緣材料通常為電介質，由偶極分子、非偶極分子或兩者共同組成。偶極分子的不對稱結構，使分子內存在偶極矩。在外部電場作用下，被極化的偶極子重新取向，中和電極上的部分電荷。在偶極子重新取向的過程中也可能消耗一定的能量。絕緣材料在外電場作用下可以貯存和消耗電能的性能稱為介電性能，一般用介電常數和介電損耗來表示。介電性能變化是由于在外電場作用下發生的極化和損耗引起的。最常測量的材料介電性能參數是復介電常數，是介電材料重新取向和中和電極上電荷的能力，通常取決于材料的極化程度以及重新取向要克服的阻力，可以通過以下方式來定義。

在頻域中，把電介質試樣看作為一個復數電容，則：

此時介質的損耗角余切 tgδ= ε″/ε′= σ/ωε′。因此ε′可以與σ和tgδ中任何一個參量配對來描述電介質在電場中的性能，即：

1.2 變壓器介質響應模型

以單相雙繞組油紙復合絕緣變壓器為例，高低壓繞組間的主絕緣主要由一系列絕緣隔板、油隙和絕緣撐條構成，如圖1所示，即常用的 “薄餅”絕緣結構[1]。

圖1 變壓器的典型“薄餅”絕緣結構

根據圖1所示，可以將主絕緣結構看成由橫向單元和縱向單元構成。從縱向上看，絕緣部分主要由絕緣隔板和絕緣油構成，設絕緣隔板占縱向絕緣的比例為X，則其中絕緣油的比例為1-X；同理從橫向上看，絕緣部分由絕緣撐條和絕緣油構成，設絕緣撐條占橫向絕緣的比例為Y，則絕緣油的比例為1-Y，等效圖如圖2所示。

圖2 絕緣結構的等效圖

因此絕緣油、撐條和隔板三部分絕緣狀況完全可以表征變壓器的絕緣狀況，而絕緣油性能老化的可能性較小，因此變壓器絕緣老化狀況主要在于撐條和隔板兩部分固體絕緣的絕緣狀況。

1.3 絕緣診斷儀

絕緣診斷儀主要功能是測量介質在不同頻率下的阻抗值，并通過軟件分析得到固體絕緣 （絕緣紙板）的含水量和絕緣油的導電率兩個表征變壓器絕緣的參量。

儀器的測量頻率范圍為0.1 mHz～1 000 Hz，現場試驗分析中常用0.01 Hz～1 000 Hz，輸出電壓為200 V（峰值），由于測量頻率可變，所以在測量中可以較好地克服工頻干擾源的影響。

測量阻抗值Z在頻域中可以以多種參量模式來等效，如常用的C－tgδ模式，即介質的電容－介質損耗因數模式； ε′-ε″模式即復介電常數（f）模式。根據上述復介電常數定義，有：

式中：ω＝2πf，Re和Im分別表示復數的實部和虛部。

在頻域分析中，只要知道介質的阻抗Z，就可以計算出介質的復介電常數。測量出變壓器各部分絕緣在頻域中的阻抗值，可以計算出絕緣紙板和絕緣油的復介電常數，結合絕緣油的狀況，即可了解變壓器的絕緣和老化狀況。

絕緣診斷儀中絕緣紙和絕緣油的復介電常數通過MODS軟件分析得到，通過頻域譜測量曲線與由典型數據推導得到的模型曲線進行對比分析，獲得固體材料（絕緣紙）中的水分含量和絕緣油的導電率兩個表征絕緣紙板和油的特征參量，步驟和判斷結果如圖3和表1所示。可以采用這兩個參量表征三部分絕緣，從而獲知變壓器絕緣材料的老化情況。

圖3 MODS軟件分析的步驟

表1 絕緣紙含水量的判斷結果

2 現場變壓器測試情況及分析

使用絕緣診斷儀分別對1臺500 kV主變壓器（以下簡稱主變）A相和7臺220 kV主變共計8臺變壓器進行了現場測試，分別用T1-T8表示，其中T2和T3為試驗時未投運變壓器，其余為試驗時的在運變壓器。

2.1 T1主變測試情況

T1為500 kV分相變壓器組。2006年10月的絕緣油微水試驗中發現主變A相微水含量超標，2007年5月對A相進行真空濾油并熱油循環48 h處理，處理前后的變頻測量和微水結果見圖4和表2。

圖4 T1 A，C相處理前后變頻測試結果

表2 T1 A相處理前后軟件分析和微水測量

可以看出，處理前后的絕緣紙板含水量數值不變， 而絕緣油的導電率從 1.19E-14（即 1.19×10－14，以下相同）減小到9.85E-15，與熱油循環循環處理前后的微水數據基本對應。

2.2 220 kV變壓器測試情況

7臺220 kV主變的主要參數和測試結果見表3、表4和圖5。

從表4數據可以看出，5臺在運220 kV主變中T5的含水量和絕緣油導電率最大，T2和T3的測試結果較小。

2.3 220 kV變壓器測試結果分析

表3 試驗的220 kV主變運行參數

表4 7臺220 kV主變測試軟件分析結果

圖5 6臺220 kV主變測試圖形

新投運主變（新絕緣紙）的絕緣較好，絕緣紙板的聚合度在1 000以上，隨著運行時間和負荷的增加，絕緣紙逐漸發生裂解反應，聚合度不斷下降，以致喪失絕緣性能。因此絕緣紙板的聚合度是反映變壓器老化程度的重要和準確直觀的參數。對上述5臺220 kV運行主變在實驗室進行的絕緣紙板聚合度測試結果和變頻參數測試結果進行比對，聚合度測試結果見表5。

運行變壓器的絕緣老化與運行時間、最高負荷和溫度有關。根據測量結果，5臺變壓器絕緣紙板聚合度與運行時間和最高負荷乘積近似成線性關系，如圖5所示。

表5 5臺已運行220 kV主變絕緣紙板聚合度測試結果

圖5 5臺變壓器絕緣紙板聚合度與運行時間和最高負荷乘積的關系

表6為用紙板聚合度、變壓器的運行時間和最高負荷的乘積、變頻測試分別對T4，T5，T6，T7和T8變壓器老化情況的分析結果。

表6 T4-T8變壓器的絕緣老化分析

紙板聚合度結果較小的T5變壓器測試數據可以看出，兩種測試結果基本吻合。為了研究紙板聚合度和變壓器的運行時間、最高負荷的乘積間的對應關系，對T4，T6，T7和T8的測試數據進行線性擬合，得出函數關系式為：

式中：F為紙板聚合度；變量x為變壓器的運行時間和最高負荷的乘積。

將T5變壓器的測試數據代入，得到擬合計算后的聚合度為721，誤差為6%，基本吻合。

3 結論

（1）油浸式變壓器的絕緣由絕緣油和固體絕緣紙板構成，溫度、電場和水分是影響絕緣老化的主要因素。

（2）通過現場變壓器的測試，驗證了變頻測試技術（FDS）是一種較好的分析診斷變壓器絕緣老化的方法。

（3）運行變壓器的絕緣老化與運行時間、最高負荷、運行溫度有關。紙板聚合度F和變壓器的運行時間和最高負荷的乘積x近似成線性關系， 滿足函數關系式：F（x）＝-3.3986x＋1482.6。

[1]U GAFVERT， G FRIMPONG， J FUHR.Modelling of Dielectric Measurements on Power Transforms[C].Paris:CIGRE，1998.

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[3]劉玉仙.油紙絕緣受壓器中水分的聚積及其對熱老化的影響[J].變壓器， 2004（2）:8-13.

[4]董 明，張 偉，張冠軍，等.基于糠醛含量分析的電力變壓器絕緣老化診斷[J].變壓器，2008（12）:51-55.