王世强 魏建林 张冠军 杨双锁 董 明 刘孝为 霍大渭

（1. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2. 陕西电力科学研究院 西安 710054）

1 引言

变压器尤其是大型油浸式电力变压器的运行可靠性直接关系电力系统的安全稳定，据统计，变压器的运行事故主要由其绝缘系统故障造成。在变压器运行过程中，油纸绝缘长期承受热、电、机械、化学等多种外部应力作用，导致自身绝缘系统不断老化，电气和机械性能逐渐下降并可能造成变压器故障[1,2]。因此，准确诊断油纸绝缘系统的老化状态，对预测变压器的寿命至关重要，也是实现变压器状态维护的前提和基础。

传统诊断变压器油纸绝缘老化状态的试验方法主要有油中溶解气体分析（DGA）、局部放电检测（PD）、油中糠醛含量分析以及绝缘纸聚合度（DP）分析等[3-5]。近十年来，基于介质响应原理的介电响应法作为评估变压器油纸绝缘老化状态的新型试验方法，主要分为时域（Time Domain, TD）和频域（Frequency Domain, FD）两种测量方式，其中时域分为两种，包括回复电压（Return Voltage, RV）法和极化去极化电流（Polarization and Depolarization Current, PDC）法，频域测量方法是指频域谱（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）法[6,7]。由于其可以在不用吊芯，不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析绝缘纸中微水含量，诊断油纸绝缘老化状态，为准确评估变压器绝缘性能和预测剩余寿命提供可靠依据，引起人们越来越多的关注，并逐渐应用于电力系统。然而实际应用表明，介电响应试验结果受测量时试品温度的影响很大，而且现场变压器油纸绝缘温度一直随着早晚、天气、季节及负荷的变化而改变[7-10]。因此要根据油纸绝缘的介电响应准确地计算纸板微水含量以评估绝缘老化状态，必须正确认识温度对介电响应试验结果的影响。

本文通过在实验室内对不同温度下的油浸绝缘纸板试品进行RV和FDS两种介电响应试验，研究温度改变引起测量结果和特征参数的变化，以及温度变化对根据介电响应结果评估绝缘纸板微水含量和老化状态的影响，以模拟温度对判断现场变压器老化程度的影响。

2 试验设计

本文所用实验装置如图1所示。试品介电响应测量采用三电极结构以减小电极边缘效应和试品表面泄漏电流的影响。试验材料为1.5mm厚的变压器绝缘纸板和昆仑牌 25#变压器油。首先将直径为136mm的纸板在110°C下真空干燥48h，然后将干燥纸板取出，放在空气中吸潮，同时通过精密天平观察纸板重量变化，当达到预定 0.5%的微水含量后，将纸板放在高压电极与保护和测量电极之间，为使电极和纸板表面良好接触，在高压电极和测量电极上设计压紧弹簧将试品压紧，然后置入实验装置中并密封。使用真空泵通过抽气口抽至约 50Pa粗真空，然后通过进油口注入新变压器油使纸板充分浸油。实验装置上部配有油枕，用于温度升高时为油膨胀提供空间。

图1 实验装置结构图Fig.1 Structure of the test cell

实验中同时采用若干张直径为170mm的纸板，经过同样的干燥处理后放置于实验装置底部（图中未标注），用于调整油纸比例。实测干燥纸板总重为645g，所用变压器油总重约为6 000g，油纸比例约为9.3∶1，符合实际变压器的油纸比例范围（约为6～10∶1）[5]。

试验开始前首先在室温下静置48h以使绝缘纸板充分浸油，然后将整个试验装置放入温控精度为±0.5°C的高温恒温试验箱。本文选择室温（12℃）、30℃、40℃、50℃和60℃五组温度测量试品的RV和FDS。除室温外，为确保试品温度稳定，实验装置在达到预定温度值并保持24h后进行RV和FDS测量。

RV测量使用HAEFELY公司生产的RVM5461，其输出直流电压范围为 200～2 000V，充电时间 tc为 0.01～10 000s，本文 RV测量所用充电电压 Uc均为500V，充电时间tc为 0.02s～1 000或2 000s，充放电时间比tc/td=2，测量电路如图2所示。

FDS测量使用瑞典保加玛公司的绝缘诊断测试仪IDA200，输出波形为0.1mHz～1kHz、峰值为0～200V的可调正弦电压施加于试品上，同时测量通过试品的电流信号，从而得到不同频率下试品复电容和介质损耗因数tanδ，基于此分析其微水含量及老化程度。本文中所有FDS测量都是在1mHz～1kHz频率范围，施加的正弦电压有效值为140V，测量电路如图3所示。

图2 RV基本测量电路图Fig.2 Basic RV measurement circuit

图3 FDS基本测量电路图[11]Fig.3 Basic FDS measurement circuit[11]

3 试验结果与分析

3.1 RV测量结果

如前所述，将变压器纸板真空干燥处理后，放在空气中吸潮，以模拟变压器受潮和不同老化状态，当达到预定0.5%的微水含量后，放入实验装置中在不同温度下进行实验。

图4给出了一次充电RV测量典型曲线，首先将直流充电电压Uc施加到被测试品上，经充电时间tc后，进行 td时间的短路放电，然后开路，试品被极化的电荷会逐渐返回其自由状态，引起试品两端电压先升高，达到最大值，然后下降，直至零值，这种电压被称为回复电压。在波形上，可以看到RV最大值Urmax，RV初始斜率Sr，最大值时间trmax等参数。

图4 RV测量示意图Fig.4 Sketch map of RV measurement

图5所示为各温度下试品RV极化谱曲线。由图可以看出同一老化状态下（本文为新绝缘纸板和变压器油），温度对RV极化谱各参数影响很大。随着测量温度升高，其峰值时间tpeak向较短充电时间方向偏移，峰值电压Upeak逐渐变小。

图5 不同温度下试品RV极化谱Fig.5 RV spectra of sample at different temperatures

图6 微水含量对试品RV极化谱的影响（25°C）[12]Fig.6 Moisture contents impact on RV spectra （25°C）[12]

图7 老化程度对RV极化谱影响[12]Fig.7 RV spectra of transformers at different aging conditions[12]

Osvath等研究表明变压器固体绝缘微水含量和老化程度对RV极化谱影响显著，如图6和图7所示。试品微水含量越大，RV极化谱向较短充电时间方向偏移，峰值电压Upeak变大，峰值时间tpeak变小[12]。老化程度越严重，油纸绝缘系统 RV极化谱向较短充电时间方向偏移，Upeak和tpeak变小。因此RV测量法可以根据变压器油纸绝缘系统的 RV极化谱及其特征参数变化分析其微水含量及老化状态。

Osvath、Gafvert等学者认为，温度引起RV极化谱的变化反映了温度变化引起的油纸之间水分迁移以及温度对油纸绝缘试品极化过程的影响[12,13]。对比图6和图7，由图5试验结果看出，温度可以引起试品 RV极化谱明显变化，同一老化状态、同样微水含量的绝缘系统在不同温度下进行 RV测量所得结果变化很大，因此根据 RV测量结果评估其微水含量及老化状态时，必须考虑温度带来的影响，否则，评估结果将产生较大偏差，造成判断失实。例如，如果 RV测量在较高的温度下进行，就会得到老化偏严重、微水含量偏高的评估结果，可能偏离油纸绝缘的真实状态。

图8为温度对各充电时间下 Urmax对应的时间trmax的影响。可以看出，在同一温度下，保持充放电时间比 tc/td=2，随着充电时间增大，trmax也逐渐变大，两者近乎呈线性关系；在同一充电时间tc情况下，随着温度的升高，trmax逐渐变小，Kozlovskis等学者认为温度升高引起试品极化粒子热运动加剧，松弛过程速度加快，并使油纸绝缘试品内部导电粒子运动加快，试品电导率增大，导致trmax逐渐变小[14]。

图8 不同温度下试品trmax谱图Fig.8 trmax spectra of sample at different temperatures

图9为不同温度下试品RV初始斜率Sr谱图。可以看出，同一温度下，保持 tc/td=2，随着充电时间的延长，Sr逐渐变小，两者同样近乎呈线性关系；在 tc相同时，Sr随着温度的升高而变大，主要是由试品在温度较高时松弛过程速度加快导致。

图9 不同温度下试品Sr谱图Fig.9 Initial slope spectra of sample at different temperatures

3.2 FDS测量结果

在实际电介质中，由于存在电导，电介质的介质损耗因数tanδ 可表示为[15-17]

式中，ε′(ω)和ε″(ω)为复介电常数ε*(ω)的实部和虚部；σ0为电介质电导率。

在电介质材料状态诊断中，经常用复电容模型表示电介质材料，此时复电容C*(ω)可定义为

其中Z(ω)为电介质阻抗；复电容实部 C′(ω)代表电介质材料在施加电压作用下无损耗的容性部分；而虚部C″(ω)表示电介质材料的损耗部分，则此时介质损耗因数tanδ 也可以表示为[5,16]

图10 不同测量温度下试品介损tanδ FDSFig.10 FDS of tanδ at different measurement temperatures

图10所示为在不同温度下试品tanδ 的FDS曲线。随着温度升高，在低频段tanδ 的增加明显，同时 tanδ 最小值 tanδmin向高频方向偏移。Gubanski等人认为此现象主要是由于随着温度升高，试品中导电粒子平均动能增加，运动速度加快，粒子迁移率增大，试品电导率变大导致[8,16,17]。

进一步，图 11给出了不同温度下 tanδmin的变化。可以看出tanδmin整体呈现随温度升高而略微变大的趋势。

图11 不同温度下的tanδminFig.11 tanδmin at different temperatures

国外有些学者根据大量 FDS测量结果发现，tanδmin和纸板中微水含量mc有很密切的关系，可用公式表达为[18]

由于此公式并未考虑温度给测量结果带来的影响，所以即使是在纸板具有同样微水含量的情况下，根据不同温度下的 FDS测量结果利用式（5）得出的微水含量也不相同，因此为了更准确合理地应用FDS测量结果评估纸板微水含量，需要考虑测量时刻温度带来的影响。

图12所示为试品复电容实部C′在不同温度下的FDS曲线。

图12 不同测量温度下试品复电容实部C′Fig.12 Real capacitance of sample at different temperatures

从图可以看出，在1mHz～1Hz的较低频率内，温度对 C′影响十分显著，随着温度升高，C′急剧变大的频率区域向高频方向移动。根据Jonscher的低频弥散（Low Frequency Dispersion, LDF）理论[15]，介质的ε′(ω)在弥散区域急剧变化，而温度对介质弥散区域有很大影响。当温度升高时，弥散区域向高频方向移动，ε′(ω)快速变小的频率区域也相应移向高频，反之当温度降低时，弥散区域向低频方向移动。这种现象主要是因为当温度升高时，弛豫时间减小，弥散区域频率升高。

而在1Hz～1kHz的较高频率范围，C′受温度影响较弱，但随着温度升高也在缓慢变大。这主要是因为当温度升高时极化粒子的热运动能量增大，弛豫时间减小，极化过程加强，C′相应增大[16]。

图13所示为试品复电容虚部C″在不同温度下的FDS曲线。由图可以看出，温度对试品损耗部分C″的影响与对介损tanδ 的影响相似，C″的FDS曲线随着温度升高向高频方向偏移，而且在较低频率范围受温度影响较大。主要原因是温度升高，使导电粒子平均动能增加，导电粒子运动速度变快，迁移率增大使试品的电导率变大，由于电导损耗在较低频率下对试品 C″贡献较大，随频率升高影响逐渐减弱，导致试品 C″在较低频率下随着温度的升高而明显增大；另外温度升高也将使极化粒子热运动增加，松弛时间减小，弛豫极化过程加强，由极化作用产生的损耗增加，也将导致试品C″升高[16,17]。

图13 不同测量温度下试品复电容虚部C″Fig.13 Imaginary capacitance of sample at different temperatures

4 结论

本文在不同温度下对油浸纸板试品进行介电响应时域RV和频域FDS测量，实验结果显示RV和FDS试验受温度影响显著，随着温度升高，试品极化粒子热运动加剧，松弛过程速度加快，试品 RV极化谱向较短充电时间方向偏移，峰值电压 Upeak和峰值时间tpeak减小；在同一充电时间下，RV最大值时间trmax变小，初始斜率Sr变大；试品介电损耗因数和复电容虚部频域谱向较高频率方向偏移，而它们的最小值呈现总体增大趋势；复电容实部随温度升高而变大，在较低频率的弥散区域尤其明显。因此根据RV和FDS测量试验结果评估油纸绝缘微水含量和老化状态时，必须考虑温度带来的影响，否则，评估结果将产生较大偏差，可能偏离油纸绝缘的真实状态，造成判断失实。

[1]Hassan O, Shyegani A A, Borsi H, Gockenbach, et al.Detection of oil-pressboard insulation aging with dielectric spectroscopy in time and frequency domain measurements[C]. IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Toulouse, France, 2004, 2:665-668.

[2]杨丽君, 廖瑞金, 孙会刚, 等. 变压器油纸绝缘热老化特性及特征量研究[J]. 电工技术学报, 2009,24(8): 27-33.Yang Lijun, Liao Ruijin, Sun Huigang, et al.Investigation on properties and characteristics of oil-paper insulation in transformer during thermal degradation process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(8): 27-33.

[3]杨启平, 薛五德, 蓝之达. 变压器绝缘老化的诊断与寿命评估[J]. 变压器, 2004, 41(2): 13-17.Yang Qiping, Xue Wude, Lan Zhida. Aging diagnosis and expected life assessment for transformer insulation[J]. Transformer, 2004, 41(2): 13-17.

[4]操敦奎, 许维宗, 阮国方. 变压器运行维护与故障分析处理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[5]Yew J H, Saha T K, Thomas A. Impact of temperature on the frequency domain dielectric spectroscopy for the diagnosis of power transformer insulation[C].IEEE Power Engineering Society General Meeting,Montreal, Canada, 2006: 1-7.

[6]Zaengl W S. Dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment, part I:theoretical considerations[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2003, 19(5): 5-18.

[7]Gubanski S M, Boss P, Csepes G, et al. Dielectric response methods for diagnostics of power transformers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine,2003, 19(3): 12-18.

[8]Ekanayake C, Gubanski S M, Graczkowski A, et al.Frequency response of oil impregnated pressboard and paper samples for estimating moisture in transformer insulation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(3): 1309-1317.

[9]Yew J H, Pradhan M K, Saha T K. Effects of moisture and temperature on the frequency domain spectroscopy analysis of power transformer insulation[C]. IEEE Power and Energy Society General Meeting, Pittsburgh,USA, 2008: 1-8.

[10]Wang Shiqiang, Wei Jianlin, Yang Shuangsuo, et al.Temperature and thermal aging effects on the frequency domain spectroscopy measurement of oil-paper insulation[C]. The 9th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Harbin, China, 2009: 329-332.

[11]Services G E. IDA 200-insulation diagnostic system user's manual[M].Taby, Sweden: Pax Diagnostics AB,2006.

[12]Osvath P, Poell H. Polarization spectrum analysis for diagnosis of oil/paper insulation systems[C]. Nordic Insulation Symposium, Vaasa, Finland, 1994:155-161.

[13]Gafvert U. Condition assessment of insulation systemsanalysis of dielectric response methods[C]. Nordic Insulation Symposium, Bergen, Norway, 1996: 1-19.

[14]Kozlovskis A. Temperature dependence of return voltage characteristics[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(3): 705-708.

[15]Jonscher A K. Dielectric relaxation in solids[M].London: Chelsea Dielectrics Press, 1983.

[16]张良莹, 姚熹. 电介质物理[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1991.

[17]金维芳. 电介质物理学[M]. 北京: 机械工业出版社,1997.

[18]Zaengl W S. Applications of dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine,2003, 19(6): 9-22.