電力變壓器油紙絕緣狀態評估的頻域介電特征參量研究

廖瑞金 劉捷豐 楊麗君 馬志欽 高 飛 張鐿議

（1.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.廣東電網公司電力科學研究院 廣州 510080 3.中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

為了解決我國能源供需矛盾，國家電網公司提出了建設以特高壓電網為骨干網架的大電網，這對電力設備的絕緣提出了更高的要求[1]。作為電力系統安全運行的第一道防線,變壓器起到電能傳輸和電壓轉換的作用，是最重要和最關鍵的設備之一。變壓器內絕緣的主要組成部分是油-紙絕緣，兩者在長期運行過程中受到電、熱、水分等因素的影響而逐漸老化，從而引起油紙絕緣性能下降[2-5]。現有成果表明[6]：油紙絕緣系統含水量增加一倍，機械壽命減半，熱老化速度增加一倍。

目前，國內外大部分電網公司在評估變壓器油紙絕緣含水量方面所采取的方法是[7]：通過測量絕緣油中的微水含量，然后根據油紙絕緣水分平衡曲線來確定紙板中的水分含量。然而，這種方法受測試溫度、人為操作等因素的影響，往往造成水分評估結果與其真實值之間存在較大誤差[8]。

對于變壓器油紙絕緣老化狀態的研究，現有文獻已表明[9]：絕緣油老化后，可以通過濾油、換油等操作使其恢復到原來的性能，而固體絕緣（紙板或紙）的老化是不可逆的，因此決定變壓器運行壽命的是其固體絕緣。目前，電力企業通常采用由油紙絕緣老化引起的理化參數和電氣參數變化來評估固體絕緣的老化狀態。理化參數中，絕緣紙聚合度（DP）、拉伸強度（TS）、油中溶解CO、CO2生成總量及其比值、油中糠醛含量等理化參數雖然可以直接或間接地反映固體絕緣的老化狀態，但上述理化參量需要對變壓器停運、吊罩、取芯，這在實際工作中不可取[9-11]。而對于電氣參數，通常認為變壓器中的固體絕緣發生老化后只會導致其機械性能的下降，而諸如工頻介質損耗角以及工頻、脈沖擊穿電壓強度等參數不會發生太大變化。因此，長期以來，電力運行部門僅僅將絕緣電阻、極化指數以及介質損耗因數等離線電氣無損測量參數作為變壓器受潮狀況的診斷方法[9]。由于上述理化參量的測量需要對變壓器進行停運、吊罩、取芯操作，這不僅在實際工作中帶來非常大的不便，而且還會給電力企業帶來巨大的經濟損失。而常規的電氣試驗參數又無法量化變壓器固體絕緣中的含水量及老化狀態。截止到目前，研究并獲取有效表征變壓器固體絕緣含水量與老化狀態的新特征量，進而為變壓器油紙絕緣狀態評估提供準確且有價值的參考，仍然屬于變壓器油紙絕緣領域研究的熱點與前沿問題。

近幾年來，以介電響應理論為基礎發展起來的回復電壓法（Return Voltage Method，RVM）[12,13]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[14-16]和頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）[17,18]是一種新型電氣絕緣診斷技術，其具有攜帶絕緣信息豐富、對絕緣無損傷等優點，因而，受到了越來越多國內外學者的關注。現有研究成果表明[14]，變壓器油紙絕緣系統的介電譜容易受到水分、老化、溫度等多種因素的影響，而水分既是油紙絕緣老化產物之一，又是油紙絕緣老化的催化劑，兩者均會對油紙絕緣的介電特性產生影響，且影響規律類似。因此，如何量化水分、老化并消除測試溫度對油紙絕緣介電特性的影響，從而對固體絕緣的水分含量和老化狀態作出準確診斷是當前介電響應技術應用于變壓器油紙絕緣狀態現場診斷的難點之一。

為了量化紙板含水量與老化狀態并消除測試溫度對FDS 特性的影響，更好地推動FDS 技術應用于變壓器油紙絕緣含水量與老化狀態的無損定量評估，筆者所在的課題組在實驗室內制備了不同含水量、不同老化狀態的油紙絕緣樣品，筆者在分析水分與老化對C*頻域譜影響規律的基礎上，研究了利用復電容虛部—C″區分油紙絕緣水分和老化狀態的方法，提取了能夠量化紙板含水量與老化狀態的頻域特征量，并初步建立了頻域特征量分別與紙板含水量以及聚合度之間的量化關系。最后，研究了測試溫度對C*頻域譜的影響并引入“FDS 曲線頻率頻移”方法消除測試溫度對老化油紙絕緣樣品 C*頻域譜的影響。

2 樣品的制備及FDS 測試系統簡介

本文試驗用的油紙絕緣樣品為普通牛皮絕緣紙板（厚度為1mm）和25#環烷基礦物絕緣油。

2.1 不同含水量且未老化的油紙絕緣樣品制備

變壓器運行過程中，絕大部分水分存在于固體絕緣中。為了提取評估絕緣紙板水分含量的頻域介電特征量，制備了不同水分含量且未老化的油紙絕緣樣品，為控制紙板樣品的初始水分含量，對其作以下預處理：首先，將絕緣紙板置于90℃/50Pa 真空干燥箱中干燥48h；然后，將干燥脫氣后的礦物絕緣油注入絕緣紙板所在真空干燥箱，絕緣紙板在40℃/50Pa 環境中真空浸漬48h；不同含水量的絕緣紙板是通過放置于空氣中自然吸潮不同時間來獲得的，最終，制備出的油浸漬紙板樣品含水量分別為0.76%、1.20%、2.35%、3.38%。

2.2 不同老化狀態的油紙絕緣樣品制備

不同老化狀態的油紙絕緣樣品制備流程圖如圖1 所示。礦物絕緣油與絕緣紙板經過預處理后取出，在充氮氣的環境下將絕緣油與絕緣紙板按 10：1 的質量比放置于玻璃缸中，并向玻璃缸中放入適當比例的銅條，將玻璃缸抽真空后，放置于120℃的老化箱中進行加速熱老化，并定期取樣測試紙板聚合度表征其老化狀態。

圖1 不同老化狀態的油紙絕緣樣品制備流程圖Fig.1 Flowchart of sample preparation of oil-paper insulation with different aging state

2.3 FDS 測試系統簡介

油紙絕緣樣品的FDS 測試采用實驗室自制的三電極系統來完成，如圖2 所示。高壓、測量及保護電極均采用黃銅制成。測試前首先將被測紙板放置于測量電極與高壓電極之間，并用彈簧壓緊，然后將三電極裝置和紙板樣品一起放入玻璃缸中，在玻璃缸頂部和底部用環氧板夾緊并固定。在玻璃缸與頂部環氧板的接觸處用硅橡膠密封圈填充，并在環氧板、玻璃缸和密封圈的接觸處涂液態密封膠進行密封。油紙絕緣樣品的FDS 測試所選用的儀器為奧地利 OMICRON 公司生產的介電響應分析儀——DIRANA。本次試驗的溫度控制在30℃（變溫試驗除外），油紙絕緣樣品在恒溫恒濕箱中靜置6h，待三電極系統內外溫度達到均衡后開始FDS 的測量。

圖2 三電極測量系統Fig.2 Measure system with three electrodes

3 實驗結果及分析

3.1 被測油浸漬紙板樣品的理化參數分析

老化過程中紙板含水量的測量采用DL32 卡爾費休水分儀來完成，測試結果如圖3 所示，可看出在油紙樣品熱老化過程中，紙板水分一直在0.6%上下波動。這是由于在熱老化過程中，油紙樣品內部及其上方氮氣中水分分布的動態平衡導致的[14]。熱老化過程中纖維素的分解導致不斷有水分產生，但由于老化溫度較高，水分容易轉移到絕緣油中，而且當絕緣油的相對濕度大于油紙樣品上方氮氣的相對濕度時，水分將由絕緣油向空氣中轉移，因此熱老化過程中紙板中的水分含量變化不大。

圖3 老化過程中絕緣紙板的水分含量Fig.3 Moisture contents of pressboards during aging

目前，聚合度是最能表征絕緣紙板老化狀態的理化參量。圖4 給出了絕緣紙板聚合度在120 ℃加速熱老化過程中的變化規律。在不同的取樣時間下，可看出絕緣紙板聚合度隨老化時間逐漸下降。

圖4 老化過程中絕緣紙板的DPFig.4 DP values of pressboards during aging

3.2 含水量對油浸漬紙板復電容C＊的影響規律

不同水分含量下且未老化油浸絕緣紙板的復電容頻域譜測試結果如圖5 所示。由圖5a 中可以看出，隨絕緣紙板水分含量的增加，復電容實部 C′在10-3～100Hz 頻域范圍內逐漸增大，而高頻部分變化不大。由圖5b 可看出，隨絕緣紙板含水量的增加，復電容虛部C″在10-3～102Hz 頻域范圍內逐漸增大并且向高頻方向移動。

圖5 不同含水量油浸漬絕緣紙板的C*頻域譜Fig.5 C* spectroscopy of pressboards with different moisture contents

3.3 老化對油浸漬紙板復電容C＊的影響規律

在120℃下加速熱老化不同時間的油浸絕緣紙板的復電容C*頻域譜如圖6 所示。

圖6 不同老化程度油浸漬絕緣紙板的C*頻域譜Fig.6 C* spectroscopy of pressboards with different thermal aging levels

由圖6 可以看出，復電容的實部C′在整個測試頻帶范圍內隨老化加劇而逐漸增大，而復電容的虛部C″在10-3～10-1Hz 頻域范圍內隨老化時間增加而增大，而在10-1Hz 以上基本重合。這主要是因為：在不同頻率的交變電場激勵下，油紙絕緣本身及其交界面上發生極化，不同類型極化完成所需時間不同。C″在低頻區隨老化時間的變化主要是由油紙夾層界面極化主導，在高頻段則與偶極子轉向極化有關[4]。

3.4 紙板含水量與老化狀態特征參量的提取

由圖6b 不同老化時間的油浸絕緣紙板的C″頻域譜可看出，隨紙板老化程度的不斷加劇，C″僅在10-3～10-1Hz 范圍內發生變化，而在10-1Hz 以上基本不變。注意到不同老化程度紙板的水分含量變化不大，約在0.6%左右波動，這說明老化過程中纖維素大分子鏈的裂解以及油紙老化產生的酸、呋喃等老化產物增大了油浸絕緣紙板的損耗，而不是水分的影響。由圖5b 的不同水分含量油浸絕緣紙板的C″可以看出，不同水分含量下未老化油浸絕緣紙板的C″在 10-3～102Hz 范圍內均隨水分含量增加而增大。因此，水分和老化對油浸絕緣紙板C″影響的頻率范圍不同，可據此對油浸絕緣紙板的水分含量和老化狀態分別評估。

對比圖5b 與圖6b 可知，水分和老化對油浸漬絕緣紙板 C″圖譜的影響頻率范圍不同，可選取10-3～10-1Hz 頻域范圍作為紙板老化狀態評估的特征頻段，選取10-1～102Hz 頻域范圍作為紙板水分含量評估的特征頻段。為了分析方便，文中選取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101為特征頻率并提取了如表 1 所示的特征參量（Characteristic Parameter，CP），其中：CP1～CP2 反映了紙板的老化狀態，CP3～CP5 反映了紙板的水分含量。

表1 油紙絕緣狀態評估特征參量Tab.1 Characteristic parameters for condition assessment of oil-paper insulation

圖7 與圖8 分別給出了紙板水分含量（mc 表示紙板的水分含量）、紙板聚合度（DP 表征紙板老化狀態）分別與特征頻率下C″值的擬合曲線。表2 給出了油紙絕緣狀態評估參量與 C″值的擬合方程及擬合優度，由表2 可看出，在所提取的特征頻率處，C″值分別與紙板聚合度、水分含量的擬合優度均達到了0.93 以上。

圖7 C″與紙板含水量的擬合關系Fig.7 Fitting relation between C″ values and moisture contents of pressboards

圖8 C″與紙板聚合度擬合關系Fig.8 Fitting relation between C″ values and DP

表2 絕緣狀態評估參量與C″的擬合關系及擬合優度Tab.2 Fitting relation between moisture content &DP and characteristic parameter of condition assessment

3.4 測試溫度對老化油浸漬絕緣紙板C＊的影響

測試溫度是影響介電響應現場測量結果的重要因素。由于我國幅員遼闊，變壓器的介電響應測試結果會隨著早晚、天氣、季節的變化而變化[19]，如不考慮測試溫度對頻域介電響應的影響，油紙絕緣的評估結果往往與其真實狀態不符，而且在現場測量時，往往不能精確地控制測試溫度，因此，需進一步深入研究測試溫度對 C*頻域譜的影響[20]。

圖9 不同測量溫度下油浸絕緣紙板的C*頻域譜Fig.9 C* spectroscopy of oil-impregnated pressboard at different measuring temperature

圖9 給出了老化50 天（DP=650）且含水量為0.52%的油浸漬絕緣紙板在30℃、50℃、70℃、90℃下的C*頻域譜。由圖9 可以看出，隨測試溫度升高，C′ 在10-3～100Hz 之間內逐漸增大且隨溫度升高向高頻方向移動；而C″在10-3～102Hz 之間也存在類似規律。

國內學者廖瑞金等[11]研究了測試溫度對老化后油紙絕緣樣品頻域介電譜的影響規律，發現油紙絕緣樣品老化后，不同測試溫度下的頻域介電譜可以延頻率軸水平方向移動到一條參考主曲線上，從而消除測試溫度對頻域介電譜的影響，文獻[21]將此法描述為“FDS 曲線頻率平移法”。文獻[11]的研究結果表明：該方法對厚度為0.3mm 且DP=880 的纖維素絕緣紙板是有效的。遺憾的是，該文獻并未提及該方法對更厚的以及老化程度更為嚴重的纖維素絕緣紙板是否仍然有效。為了驗證該方法的普適性，從而更好的將FDS 技術應用于變壓器油紙絕緣狀態評估，在本次實驗中，筆者發現，老化50 天（DP=650）且厚度為1mm 的油浸漬絕緣紙板在不同測試溫度下的 C*頻域譜曲線也可平移到一條參考主曲線上。本文選取30℃為參考溫度Tref，定義此測試溫度下的C*頻域譜作為主曲線S1，將50℃、70℃和90℃下的C*頻域譜延頻率軸水平方向向左移動，使得四個溫度下的C*頻域譜曲線基本重合，最終形成一條新的C*主頻域譜曲線S2。為了將某個測試溫度T 下的C*曲線通過“FDS 曲線頻率平移”方法最終形成主曲線S2，本文引入了“頻溫平移因子”αT的概念[11,21-23]，即

式中，fT為測試溫度T 下C*頻域譜曲線上某點平移前對應的頻率；fref為平移后該點在C*主頻域譜S2上對應的頻率。下面以C′頻域譜曲線為例推導αT的過程（C″頻域譜曲線的αT推導過程類似，這里不再贅述），將參考溫度T30（30℃）對應的“頻溫平移因子”定義為α30=1，則根據圖9a 中的C′數據，可以計算得到50℃、70℃和90℃下對應的頻溫平移因子分別為α50=2.41、α70=9.13，α90=36.44。不同溫度的C′頻域譜平移后的主曲線如圖10 所示。可以看出，主曲線S2的頻率范圍由10-3～103Hz 擴展到了10-5～103Hz，因此，通過FDS 曲線頻率平移方法可以獲得C*頻域譜更為低頻的信息。

圖10 C′主曲線Fig.10 Master curve of C′

將αT和測試溫度進行擬合發現，二者具有擬合優度非常高的指數關系。圖11 給出了被測樣品的αT和測試溫度的擬合曲線。可以看出，對于DP=650且厚度為1mm 的測試樣品，根據圖11 中的擬合關系可得到任意溫度下的αT，即可以將任意測量溫度下的C*頻域譜歸算到同一參考溫度下，從而消除測試溫度對C*頻域譜的影響。

圖11 頻溫平移因子αT與溫度T 的關系Fig.11 Relation between αTand temperature T

4 結論

本文實驗室內制備了不同含水量、不同老化狀態的油紙絕緣樣品并測試了其復電容C*圖譜，研究了利用復電容虛部—C″區分水分和老化對 C*頻域譜影響的方法，所得結論如下：

（1）提出了采用特征頻率處所對應的C″值作為評估油紙絕緣含水量和老化狀態的特征量，選取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101做為特征頻率點，建立了聚合度以及含水量與C″值的擬合關系。

（2）測試溫度對老化油浸漬絕緣紙板C*頻域譜的測試結果有著非常大的影響，筆者通過引入“FDS曲線頻率平移”方法將老化50 天（DP=650）且厚度為1mm 的油浸漬絕緣紙板在不同測試溫度下的C*頻域譜曲線平移到一個參考溫度下，消除了測試溫度對油浸漬絕緣紙板C*頻域譜的影響，進而驗證了“FDS 曲線頻率平移”方法的普適性。

（3）需要指出的是：鑒于由于同一測試對象的αT與測試溫度的擬合公式的擬合優度不可能達到100%，再加上儀器本身的測試精度，四條曲線為離散點擬合出的曲線不能達到完全重合。特別是高頻段重合率稍低（見圖10），但是，這并不影響特征量評估油紙絕緣的含水量與老化狀態。因此，應用“FDS 曲線頻率平移法”基本上可以消除測試溫度對老化油紙絕緣樣品FDS 測試結果的影響。這為現場評估變壓器油紙絕緣的狀態奠定了基礎。

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