油紙不均勻熱老化對變壓器頻域譜的影響研究

楊寅明

(國網冀北電力有限公司承德供電公司,河北 承德 067000)

0 引言

油浸式變壓器在居民和工業生產中的作用極為重要，一旦出現問題會對區域甚至整個電網系統產生不可逆的影響。內絕緣系統的好壞是決定變壓器工作年限長短的重要因素。其中的絕緣紙由于不能更換，且老化過程不可恢復，將對變壓器的使用壽命產生重大影響[1]。國內對不同測試電壓以及不同測試溫度下的頻域介電譜曲線的變化特性進行了深入分析，并對頻域介電譜的獲取方法開展了大量研究，但是對絕緣紙不均勻受熱情況下的絕緣紙頻域變化特性的研究仍較少。

頻域介電譜是在頻域范疇里分析電介質的極化過程重要手段，其參數信息豐富、抗干擾能力強、測試方法準確性高，能較為全面地反映現場變壓器絕緣狀態[2]。

為研究絕緣紙熱老化不均勻對頻域參數產生的作用，制備所需樣品，就不同疊放順序樣品開展頻域試驗，對比分析得出紙樣品熱老化不均勻對復介電常數實部、虛部的影響，同時研究熱老化不均勻對紙樣內水分含量影響，從而就紙樣品絕緣水平展開綜合分析[3]，為判斷絕緣紙絕緣性能的優劣提供參考。

1 FDS法測試原理

頻域譜(frequency domain spectrum，FDS)法是通過給油紙樣品兩端加上頻率呈現正弦變化的交流電壓激勵，在介質內部就會產生相對應的電流信號，從而測得其幅值和相位；結合交流電壓激勵的相關信息,可得出樣品中的介質損耗、復介電常數等信息[4]。通過研究這些信息與變壓器之間的關系，可得出水分和復合絕緣結構的絕緣程度，為評估系統絕緣水平提供條件。

FDS法測量原理如圖1所示。

圖1 FDS法測量原理圖Fig.1 FDS method measurement principle

2 頻域試驗準備及步驟

2.1 試驗材料及流程

試驗材料包括絕緣油和絕緣紙。其中，油樣選擇克拉瑪依產25#絕緣油；紙樣選用新出廠的魏德曼絕緣紙(厚度為 0.25 mm)，并把紙樣裁剪為半徑為3 cm的圓形。試驗儀器選用DIRANA(FDS-PDC介質響應分析儀)，可實現頻域和時域老化參數測量。

為避免空氣中水汽對紙樣品的影響、進一步提高試驗準確性，需減少紙樣在空氣中暴露時間，控制紙樣品中的水分含量。

紙樣品試驗邏輯框圖如圖2所示。油樣品試驗流程如圖3所示。

圖2 紙樣品試驗邏輯框圖Fig.2 Logic block diagram of paper sample experiment

圖3 油樣品試驗流程圖Fig.3 Flowchart of oil sample experiment

2.2 試驗樣品設計

樣品制備完成后，把樣品處理后放置于恒溫恒濕老化箱內，設定測試天數為0天、20天、40天。經試驗發現，在這幾個特征時間內，樣品的對應的頻域參數變化較為明顯，且能更好地反映絕緣紙在不均勻老化情況下的頻域參數變化情況。通過將相同測試天數的樣品重疊放置，可得老化均勻試驗樣品，將它們標記為A1、A2、A3；將不同老化時間的樣品重疊放置，得到老化不均勻試驗樣品，標記為B1、B2、B3。不同疊放次序樣品如表1所示。

表1 不同疊放次序樣品

3 試驗結果與分析

3.1 絕緣紙DP值

絕緣紙主要是由大分子化合物纖維素構成的。纖維素在水分、溫度等外界條件相互作用下逐漸老化，發生裂解，導致聚合度(degree of polymerization，DP)值逐漸下降，表征絕緣紙內部產生的老化反應在加劇[5]。本文對樣品DP值開展測試。樣品DP值如表2所示。

表2 樣品DP值

由表2可知，隨著纖維素不斷發生裂解反應，紙樣品內部的DP值不斷降低，絕緣水平不斷降低。

3.2 試驗結果及分析

在試驗溫度為30 ℃時，對第一組均勻老化試樣(A1、A2、A3)與不均勻老化試樣(B1、B2、B3)開展FDS參數測試，并就頻域內參數復介電常數實部ε′、虛部ε″展開分析。第一組試驗曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，第一組樣品均勻老化和不均勻老化樣品的相對復介電常數實部和虛部在測試頻段內的變化趨勢近似一致，幅值也基本相同。

圖4 第一組試驗曲線Fig.4 Experimental curves of the first group

第二組試驗是對樣品在老化均勻和不均勻狀態下的復介電常數開展測試。第二組試驗曲線如圖5所示。圖5中：實部ε′和虛部ε″曲線隨著頻率的不斷增大，幅值均逐漸下降，在0.5 Hz之前和8 Hz之后均表現出下降較快的趨勢，而在0.5～8 Hz之間則變化相對緩慢；在頻率10 Hz之后，曲線則基本重合在一起[6]。此外，均勻老化曲線和不均勻老化曲線各自的幅值基本一致，但是兩種類型之間則表現出一定的差異。

圖5 第二組試驗曲線Fig.5 Experimental curves of the second group

老化情況是樣品受到水分、酸、溫度等因素的綜合作用而出現的絕緣下降情況。第三組試驗樣品開展自然吸潮后，不同老化樣品浸油前后含水量對比如表3所示。

表3中:浸油前后樣品含水量隨著試驗天數的增加均不斷增大；相同測試天數下，浸油后樣品含水量普遍比浸油前略低[7]。這主要是因為樣品浸油后，內部水分會發生極化運動轉移至絕緣油中。

表3 不同老化樣品浸油前后含水量對比(第三組)

由于水分運動是一個動態平衡過程，加之浸油時間較短，樣品中水分有一部分擴散至絕緣油中導致浸油后樣品含水量值降低。據此，也可認為第三組試驗中，浸油后的樣品含水量即為試驗時樣品水分含量值。

在測試溫度相同時，測試第三組樣品的頻域參數。第三組試驗曲線如圖6所示。

圖6 第三組試驗曲線Fig.6 Experimental curves of the third group

圖6中:不同老化狀態樣品頻域變化情況均伴隨頻率上升而緩慢降低，變化情況較為一致。在頻率為10 Hz之前，老化狀態不同的樣品曲線幅值也不盡相同，尤其是老化均勻樣品的曲線幅值較老化不均勻樣品高[8]。但隨著測試頻率的加大，頻率大于10 Hz后，兩者大小變化情況大致相同。

對第四組試樣在浸油后含水量開展試驗，可得如表4所示的不同老化樣品油浸前后含水量對比。由表4可以看出，紙樣品含水量較少(即老化狀態較輕)時，將樣品放入自然吸潮的絕緣油里，油樣品里面的水分會不斷運動至紙樣品，導致紙樣品的含水量升高[9]；而老化狀態較為嚴重的樣品由于其自身含有一定的水分，在與油接觸后，其內部水分會有一部分擴散至油中，達到水-油水分含量平衡。

表4 不同老化樣品浸油前后含水量對比(第四組)

對第四組樣品進行頻域測試。第四組試驗曲線如圖7所示。

圖7 第四組試驗曲線Fig.7 Experimental curves of the fourth group

圖7中，不同試驗狀態樣品的頻域測試曲線也同樣表現出隨著頻率的升高而逐漸降低的趨勢。第四組樣品受內部水分的影響，老化均勻樣品的頻域曲線隨含水量的增大向高頻方向移動，且在測試頻率大小相同的時候，ε′和ε″幅值伴隨紙樣品中含水率升高而變大[10]；老化不均勻樣品的測試結果整體變化較為統一，幅值也差別較小。

3.3 FDS參數受水分不均勻分布的影響

FDS試驗時，紙樣品內部的水分子會擴散至大分子纖維素中，破壞其結構，降低分子之間的束縛力，增強偶極子之間產生的位移極化。水分子屬于強極性分子，其含量加大的同時會導致電離出來的離子總數量增大，從而加劇偶極子位移極化，導致極化作用加強[11]。

3.4 老化不均勻對樣品含水量的影響

由紙樣品頻域測試結果可知，復介電常數的虛部logε″曲線在頻率在0.001～0.01 Hz范圍內斜率k趨于恒定，則在該頻段內logε″與頻率的對數logω之間的關系可表示為：

logε″=klogω+b

(1)

式中：b為曲線在logε″的截距。

式(1)中的klogω進行log換算后，可得ω-k。由式(1)可知，樣品相同時，ε″與ω-k的乘積在頻率位0.001～0.01 Hz范圍內是定值。以第二組、第三組試驗所得的試驗結果為例[12]，分析ε″和ω-k乘積和含水率之間的作用情況。均勻老化樣品頻域參數乘積如表5所示。

表5 均勻老化樣品頻域參數乘積

結合表5，以ε″與ω-k的乘積為橫坐標、以紙樣品中的含水量為縱坐標，繪制出兩者之間的擬合關系曲線。擬合關系曲線如圖8所示。

圖8 擬合關系曲線Fig.8 Fitting relation curve

擬合圖8中兩個參數之間的變化作用情況，得出ε″與ω-k的乘積值與水分含量的關系式：

W=2.372×(ε″ω-k+1.418)0.769

(2)

式中：W為水分含量。

關系式的擬合優度達到0.999 7。這說明該關系式可以較為準確地反映出ε″和ω-k的乘積與水分含量之間的關系。

為進一步驗證老化不均勻對油紙絕緣水分含量評估的影響，結合式(2)，對每一組試驗樣品中的均勻受熱老化樣品的水分含量進行估算。均勻老化樣品水分含量對比如表6所示。表6中：誤差值=測量值-計算值。

表6 均勻老化樣品水分含量對比

由表6可知，每一組試驗中的均勻老化受熱樣品的測試結果和計算結果差距較小，反映出試樣受熱均勻對其水分含量評估誤差較小[13]。

利用式(2)分析每一組試樣中不均勻受熱時含水量和試驗結果對比關系。不均勻老化樣品水分含量對比如表7所示。表7中：誤差值=平均值-計算值。

表7 不均勻老化樣品水分含量對比

由表7可知，在樣品受熱不均勻時，樣品含水量測試結果和計算結果之間誤差較大，不能準確反映樣品內部的水分含量情況。

4 結論

本文首先通過制備樣品，設計試驗步驟，設定測試天數為0天、20天、40天。然后，將相同測試天數的樣品重疊放置得到老化均勻試驗樣品，將它們標記為A1、A2、A3，將不同老化時間的樣品重疊放置來得到老化不均勻試驗樣品(B1、B2、B3)。最后，開展頻域介電參數分析，對比分析樣品老化不均勻與老化均勻對樣品FDS參數的作用情況以及對樣品中水分含量的診斷帶來的影響，得到以下結論。

①測試溫度相同時，均勻老化和不均勻老化樣品的頻域參數在測試頻段內變化趨勢相同，幅值也基本相同。

②隨著頻率增大，ε′和ε″逐漸下降，在0.5～8 Hz之間變化緩慢；在頻率10 Hz之后，曲線則基本重合在一起。

③不同老化狀態樣品的頻域變化曲線變化趨勢一致。在頻率10 Hz之前，老化均勻樣品的曲線幅值較老化不均勻樣品高；10 Hz之后，兩者變化幅值大致相同。

④受內部水分的影響，老化均勻樣品的頻域曲線隨含水量的增大向高頻方向移動，ε′和ε″的大小隨紙樣品中水分含量的升高而變大；老化不均勻的試樣頻域測試結果一致，幅值差別較小。

⑤絕緣紙受熱均勻時，可以較為準確評估內部水分含量；受熱不均勻時，樣品含水量測試結果和計算結果之間誤差較大。

開展油紙在不均勻受熱老化的情況下，變壓器頻域譜參數的影響研究，可對變壓器內絕緣結構的老化情況和老化影響因素進行深入探討。通過研究水分、受熱不均勻等因素對頻域參數所帶來的影響，可精準判斷出變壓器內絕緣能力的下降情況，對延長油浸式電力變壓器油紙絕緣結構的使用壽命意義重大。同時，加大對該方面的投入和研究，可更全面掌握油浸式電力變壓器內絕緣影響因素的作用情況，進而采取更有效的防護措施。