變壓器油紙絕緣含水量定量評估的 頻域介電特征參量研究

廖瑞金 劉捷豐 呂彥冬 楊麗君 高 竣

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2.阿爾斯通電網技術中心有限公司 上海 201114）

1 引言

工程上評估變壓器油紙絕緣含水量的方法通常是測量油中的微水含量，然后根據油紙水分平衡曲線來確定絕緣紙板中的含水量[7]。然而此方法具有諸多不足[8]：首先，在取樣過程中大氣中的水分不可避免地進入油樣，給試驗結果帶來誤差。特別是油樣含水量較低時，誤差的影響將更明顯。其次，為了更好地確定絕緣紙板的受潮程度，油紙之間的水分必須處于平衡狀態，實際中很困難。

近年來，研究有效反映變壓器油紙絕緣含水量的新特征參量及新技術備受國內外專家學者的重視。以電介質物理理論為基礎的回復電壓法（Recovery Voltage Measurement，RVM）[9]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[10,11]及頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）[12,13]作為一種新型的無損絕緣診斷技術，具有操作簡便、攜帶絕緣信息豐富、無需取樣等優點，受到了廣大科研工作者的關注。目前，國內外學者已對該技術開展了大量研究工作，老化和溫度等因素對變壓器油紙絕緣FDS 頻域介電特性的影響規律已取得了一些有價值的研究成果[14-17]。國外學者常利用介質損耗因數頻域譜tanδ 評估絕緣紙板中的水分。最常見的方法是利用介質損耗因數tanδ 的最小值與絕緣紙板水分含量的關系進行診斷[18]，通常情況下介質損耗因數最小值tanδmin常存在于高頻部分，特別是在絕緣紙板水分含量較高時。由于測量電纜以及導線接觸處的感性效應會影響此頻段的介質損耗因數；而且受到實驗人員和測量環境差異的影響，tanδmin與絕緣紙板水分含量的關系式一直未得到統一[19]。另外，文獻[18]應用tanδmin評估絕緣紙板含水量并沒有考慮測試溫度帶來的影響，由于我國地域遼闊，各地氣候差異較大，且一年四季的氣溫也不一樣[16]。同時還由于變壓器負荷變化等原因，造成變壓器內絕緣系統溫度不同：如過負荷的變壓器內絕緣油溫度較高，而欠負荷的變壓器內絕緣油溫度相對較低。這些因素均會對變壓器油紙絕緣頻域介電譜的測量結果帶來影響。因此，對于同一水分含量下的變壓器油紙絕緣，根據不同測量溫度下的tanδmin測試結果評估出的絕緣紙板水分含量與其真實值并不吻合；截止到目前，國外雖然已有一些商用介電響應測試儀器用于評估變壓器絕緣紙板中的水分含量，如DIRANA 等[20]，但其評估方法及原理涉及企業的商業機密，其評估方法及原理尚不得而知；而且國內在此方面的研究尚處于起步階段。因此，有效提取FDS 中所攜帶的水分信息，并消除測試溫度對FDS 的影響已經成為了該領域的研究熱點，受到了廣大國內外學者的關注。

本文通過在實驗室內對30℃及50℃下不同水分含量的油紙絕緣樣品進行復相對介電常數ε*r頻域譜測量，在此基礎上，研究了水分及測量溫度對油紙絕緣ε*r頻域譜的影響規律，提取了用于油浸漬絕緣紙板水分含量定量評估的頻域介電特征參量；最后，通過引入了“FDS 曲線頻率平移法”以消除測量溫度對ε*r頻域譜的影響，從而提高絕緣紙板水分定量評估的可靠性。

2 油紙絕緣樣品制備及FDS 測試

本次試驗所采用的材料為普通牛皮絕緣紙板和25#環烷基變壓器礦物絕緣油。為控制油浸漬絕緣紙板樣品的初始水分含量，便于不同水分含量油浸漬絕緣紙板的制備，對絕緣紙板作如下預處理：首先，將絕緣紙板置于90 /50Pa℃ 真空浸油箱中干燥72h；其次，將干燥脫氣后的礦物絕緣油加熱至40℃并注入絕緣紙板所在真空浸油箱，絕緣紙板在40 /50Pa℃環境中浸漬48h；最后，采用DL32 卡爾費休水分儀對預處理后隨機取出的絕緣紙板分別測量其不同部位的水分含量，本次試驗選取了三個部位：絕緣紙板圓心、絕緣紙板圓心和邊緣之間的中部、絕緣紙板的邊緣，為了消除人為因素對絕緣紙板水分含量測試結果的影響，每個絕緣紙板樣品的水分重復測量三次。最終確定被測試絕緣紙板樣品的初始水分含量為 0.57%，最后，將其他樣品放置于空氣中自然吸潮的方式獲得不同水分含量的實驗樣品。經過上述流程制備出的油浸漬絕緣紙板樣品的水分含量分別為0.57%、0.91%、1.87%、2.64%和3.58%。

本次試驗中復相對介電常數ε*r頻域譜的測量采用如圖1 所示的三電極測試系統。該測量系統的高壓電極、測量電極以及保護電極均采用黃銅制成，被測絕緣紙板樣品放置于高壓電極與測量電極之間，并利用彈簧壓緊，將整個電極浸入經干燥脫氣的絕緣油中進行測試；本次實驗測量前，將三電極測試系統放置于恒溫恒濕箱中靜置6h，以保證絕緣油與絕緣紙板之間溫度平衡并充分穩定于測量溫度下。測量所用儀器選用奧地利OMICRON 公司生產的介電響應分析儀DIRANA，被測油紙絕緣樣品的測試頻率設置為2×10-4Hz～5kHz，測試電壓的峰值設置為100V。

圖1 三電極測量系統 Fig.1 Measurement system with three electrodes

3 試驗結果及分析

文中對五種水分含量的15 個絕緣紙板在30℃及50℃下進行ε*r測試（每種水分含量下的絕緣紙板個數為3），由于在相同環境下制備的同一含水量的樣品的水分含量存在差異，為了消除該差異對測量結果帶來的誤差，文中分別對同一種水分含量下的3 個樣品進行ε*r測試并取平均值作為該水分含量下ε*r的測試結果。

3.1 ε*r 頻域譜測試結果

對比圖2、圖3 中相同測試溫度下不同水分含量的油紙絕緣樣品的測試結果，可以看出，在相同的測試溫度下，絕緣紙板含水量的增加導致了油紙絕緣樣品單位體積內參與極化的分子數目增多，樣品的極化程度增加，界面極化得到加強。因此，ε'r在2×10-4～100Hz 范圍內逐漸增大。由圖2、圖3 中還可看出，隨絕緣紙板水分含量的增加，ε'r'在2×10-4～102Hz 范圍內逐漸增大。這主要是因為油浸漬絕緣紙板中水分含量的增加不僅導致了油紙界面極化損耗的增大，而且增大了油紙絕緣的電導率，從而加大了其電導損耗，因此，ε'r' 在2×10-4～102Hz 范圍內逐漸增大。

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圖2 30℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的ε*r 頻域譜 Fig.2 The ε*r spectroscopy of oil-paper insulation with different moisture contents at 30℃

圖3 50℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的ε*r 頻域譜 Fig.3 The ε*r spectroscopy of oil-paper insulation with different moisture contents at 50℃

對比圖2、圖3 中相同水分含量下不同測試溫度的油紙絕緣樣品的測試結果，可以看出，隨著測試溫度升高，ε'r與ε'r'急劇變大的頻率區域均向高頻方向移動。根據 Jonscher 的低頻彌散（Low Frequency Dispersion，LFD）理論[21]，產生這種現象的主要原因是：測試溫度升高導致了導電粒子的平均動能增加，弛豫時間減小，彌散區域頻率升高。從圖2、圖3 還可看出，溫度升高導致電導損耗變大，由于電導損耗在較低頻率下對ε'r'貢獻較大，所以ε'r'在低頻區隨著測試溫度的升高而增大[16]。

圖2、圖3 的ε*r頻域譜測試結果表明，在相同的測試溫度下，絕緣紙板含水量的改變對不同特征頻段的ε'r及ε'r'有顯著的影響。因此，本文以ε'r與ε'r'作為研究對象，研究用于評估變壓器油紙絕緣含水量的特征參量提取方法。

3.2 絕緣紙板水分評估的特征參量提取

本文以圖2、圖3 的ε*r測試結果為例，介紹用于絕緣紙板水分評估的特征參量提取方法，由 3.1節的內容可知，在相同的測試溫度下，水分對ε'r及ε'r'的影響頻段不同，因此，可選取10-3～10-1Hz 的頻率范圍作為ε'r評估絕緣紙板水分含量的特征頻段；而ε'r'可選取10-1～101Hz 的頻率范圍作為評估絕緣紙板水分含量的特征頻段。為了在有限的測量頻段內盡可能獲得ε'r及ε'r'所攜帶的水分信息，本文提出對ε'r及ε'r'在各自特征頻段內的積分面積——SRP（對實部ε'r進行積分）以及SIP（對虛部ε'r'進行積分）作為油浸漬絕緣紙板水分評估的特征參量函數，其含義如下表所示。

表 油浸漬絕緣紙板水分評估特征參量 Tab. Characteristic parameters for assessing moisture content of oil-immersed pressboard

圖4、圖5 給出了SRP及SIP分別與測試頻率的擬合關系，可以看出，在這兩種測試溫度下，不同水分含量下絕緣紙板的SRP及SIP與測試頻率存在擬合優度非常高的指數函數關系，其擬合優度均達到了0.9 以上，特別是SRP，其在10-3～10-1Hz 的特征頻段內的擬合優度達到了0.99，上述用于油浸漬絕緣紙板水分含量評估的頻域介電特征量SRP及SIP與測試頻率的擬合關系表明：SRP及SIP在各自的特征頻段內對紙板含水量的變化比較敏感，因此，可以提取這兩個參量中所攜帶的水分信息來評估絕緣紙板的水分含量。

圖4 30℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的SRP 與SIP Fig.4 The SRP and SIP of oil-paper insulation sample with different moisture contents at 30℃

圖5 50℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的SRP 與SIP Fig.5 The SRP and SIP of oil-paper insulation sample with different moisture contents at 50℃

分析圖4 與圖5 中不同水分含量、不同測試溫度下SRP及SIP與測試頻率的擬合曲線可知，在相同的測試溫度與積分頻段內，隨著絕緣紙板含水量的增加，SRP及SIP顯著增大。因此，為了能有效提取SRP及SIP所攜帶的水分信息，筆者將SRP︱f=10-1及SIP︱f=101作為最終評估絕緣紙板水分含量的特征參量，將其分別簡寫為SRP(10-1)與SIP(10)。

圖6 30℃及50℃下SRP(10-1)與含水量的關系 Fig.6 Relationship between moisture content and SRP(10-1) at 30 and 50℃ ℃

圖7 30℃及50℃下SIP(10)與含水量的關系 Fig.7 Relationship between moisture content and SIP(10) at 30 ℃ and 50℃

圖6 與圖7 分別給出了30℃及50℃下的SRP(10-1)及SIP(10)分別與絕緣紙板水分含量Km.c.之間的擬 合關系及擬合優度。可以看出，被測絕緣紙板的水分含量Km.c.與特征頻段的SRP(10-1)及SIP(10)均存在擬合優度較高的指數函數關系，因此，可以將SRP(10-1)、SIP(10)用于絕緣紙板水分含量的定量評估，對于水分含量未知的絕緣紙板樣品，可以先測量得到ε*r的頻域譜，然后利用表1 中的計算公式提取用于絕緣紙板水分含量定量評估的頻域特征參量—SRP(10-1)及SIP(10)，并將SRP(10-1)及SIP(10)通過代入圖6、圖7 中的擬合公式計算出水分含量，而且SRP(10-1)與SIP(10)可以相互對比驗證。

需要指出的是：根據圖2、圖3 中的ε*r頻域譜的測試結果可知，在評估水分含量未知的絕緣紙板樣品時，SRP與SIP的特征頻段選取與紙板含水量及測量溫度密切相關，（特別是SRP的特征頻段選取），對于水分含量及測量溫度較低的樣品，SRP與SIP的特征頻段應向低頻方向選取。

3.3 測試溫度對油紙絕緣ε*r 的影響規律及消除方法

測試溫度是影響介電響應方法現場測量結果的重要因素。在現場測量中，由于一年四季的巨大溫差和晝夜溫度的變化，介電響應測量結果有很大差異，且由于變壓器維修時間的緊迫性，介電響應測試多在變壓器退出運行后不久展開，在此過程中變壓器內部溫度劇烈變化且油紙中的水分受到溫度的影響而重新分布[16,22]。在此情況下，采用圖6、圖7中的擬合公式將會造成較大的誤差，這將造成固體絕緣水評估結果失實，由于現場對變壓器進行介電響應測量時，往往不能精確地控制其測試溫度。為此，需要進一步研究測試溫度對ε*r頻域譜的影響規律從而更好的將SRP與SIP應用于現場評估。

圖8 給出了水分含量為1.87%的油浸漬絕緣紙板在不同測試溫度下（30℃、50℃、70℃、90℃）的ε'r頻域譜測試結果。可以看出，測試溫度對油紙樣品頻域介電特性的影響非常顯著。

圖8 含水量為1.87%的油紙絕緣樣品在不同溫度下 的ε'r 頻域譜 Fig.8 The ε'r spectroscopy of oil-paper insulation sample with 1.87% moisture content at different testing temperatures

為了消除測試溫度對頻域介電響應測試結果的影響，筆者借鑒“時溫疊加”[23]與“頻溫疊加”[24-25]的基本思想，將不同測試溫度下被測油紙絕緣樣品的ε'r與ε'r'頻域譜通過“FDS 曲線頻率平移法”分別平移至某一個參考溫度下，以構建不同測試溫度下的ε'r與ε'r'頻域譜主曲線。限于篇幅，文中僅給出了構造ε'r頻域譜主曲線的方法。本文以30℃作為參考溫度，介紹ε'r頻域譜主曲線的構造方法，并引入了“頻溫平移因子”αT[24-25]的概念，即

式中，fT為測試溫度T 時ε'r頻域譜平移前某點對應的頻率；f30為平移至參考溫度時該點在主曲線上對應的頻率。

定義α30=1，由圖8 中的ε'r頻域譜測試數據，可以計算得到50℃、70℃和90℃下對應的αT分別為α50=4.07、α70=28.52、α90=185.41，構造的ε'r頻域譜主曲線如圖9 所示。

圖9 ε'r 頻域譜主曲線 Fig.9 Master curve of ε'r spectroscopy

從圖9 中可以看出，ε'r頻域譜主曲線的頻率范圍由2×10-4Hz～5kHz 擴展到10-6Hz～5kHz，因此，通過“FDS 曲線頻率平移法”可以獲得ε'r頻域譜更為低頻的信息。將αT和測試溫度T 進行擬合發現二者具有很好的指數關系，如圖10 所示。

圖10 αT 與測試溫度T 間的關系 Fig.10 Relationship between αT and T

由圖10 中的αT與測試溫度T 間的擬合公式可得到任意測試溫度下的αT，即可以將任意測試溫度下的ε*r測試曲線歸算到同一參考溫度下（如本文選取30℃為參考溫度）。因此，結合圖10 中的擬合公式和參考溫度下的ε*r頻域譜就可以估算出同一個被測樣品在任意測試溫度下的ε*r頻域譜，從而消除測試溫度對ε*r頻域譜的影響；進而提高了油浸漬紙板水分評估結果的可靠性。

值得一提的是：由于不同測試溫度、不同水分含量的油紙絕緣樣品的介電響應測試結果受絕緣紙材料類型等因素的影響也較大，對于改性的絕緣紙（如熱穩定紙）即使浸油環境、FDS 測試流程、絕緣紙水分測量結果及聚合度（DP）均相同的情況下，其FDS 頻域譜的測量結果是否與普通牛皮絕緣紙板完全一致，仍需要嚴謹驗證。

4 結論

本文在實驗室內制備了不同水分含量的油紙絕緣樣品并測試了其ε*r頻域譜，提出了將ε'r和ε'r'在各自特征頻段內的積分面積作為絕緣紙板水分含量定量評估的特征參量，并建立了特征參量與絕緣紙板含水量的量化關系，借鑒“時溫疊加”與“頻溫疊加”的基本思想，通過“FDS 曲線頻率平移”方法消除了測試溫度對油紙絕緣頻域介電特性的影響，所得主要結論如下：

（1）油紙絕緣樣品的復相對介電常數實部ε'r及虛部ε'r'對絕緣紙板水分含量及測試溫度的變化較為靈敏，在30℃及50℃的測試溫度下，隨著油紙絕緣水分含量的增大，ε'r在2×10-4～100Hz 頻域范圍內顯著增大，而ε'r'在2×10-4～102Hz 頻域范圍內也顯著增大。

（2）將ε'r和ε'r' 在各自特征頻段內的積分面積最大值SRP（10-1）及SIP（10）作為絕緣紙板水分含量定量評估的頻域介電特征參量，并建立了頻域介電特征參量與絕緣紙板水分含量的量化關系。

（3）隨著測試溫度升高，油紙絕緣樣品的ε'r和ε'r'頻域譜呈現向右平移的現象。通過“FDS 曲線頻率平移”方法，可以將不同測量溫度下的ε*r頻域譜平移到參考主曲線下，這樣可以消除測試溫度對油紙絕緣ε*r頻域譜的影響。

（4）鑒于變壓器油紙絕緣系統的頻域介電譜易受到水分、老化、溫度等多種因素的影響，且水分與老化對油紙絕緣的介電響應特性的影響規律類似，為了進一步提高絕緣紙板水分評估結果的可靠性，下一步需研究紙板老化對水分評估結果的影響并量化老化對水分評估結果的影響。

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