廖瑞金 刘捷丰 杨丽君 马志钦 高 飞 张镱议

（1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044 2.广东电网公司电力科学研究院 广州 510080 3.中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

为了解决我国能源供需矛盾，国家电网公司提出了建设以特高压电网为骨干网架的大电网，这对电力设备的绝缘提出了更高的要求[1]。作为电力系统安全运行的第一道防线,变压器起到电能传输和电压转换的作用，是最重要和最关键的设备之一。变压器内绝缘的主要组成部分是油-纸绝缘，两者在长期运行过程中受到电、热、水分等因素的影响而逐渐老化，从而引起油纸绝缘性能下降[2-5]。现有成果表明[6]：油纸绝缘系统含水量增加一倍，机械寿命减半，热老化速度增加一倍。

目前，国内外大部分电网公司在评估变压器油纸绝缘含水量方面所采取的方法是[7]：通过测量绝缘油中的微水含量，然后根据油纸绝缘水分平衡曲线来确定纸板中的水分含量。然而，这种方法受测试温度、人为操作等因素的影响，往往造成水分评估结果与其真实值之间存在较大误差[8]。

对于变压器油纸绝缘老化状态的研究，现有文献已表明[9]：绝缘油老化后，可以通过滤油、换油等操作使其恢复到原来的性能，而固体绝缘（纸板或纸）的老化是不可逆的，因此决定变压器运行寿命的是其固体绝缘。目前，电力企业通常采用由油纸绝缘老化引起的理化参数和电气参数变化来评估固体绝缘的老化状态。理化参数中，绝缘纸聚合度（DP）、拉伸强度（TS）、油中溶解CO、CO2生成总量及其比值、油中糠醛含量等理化参数虽然可以直接或间接地反映固体绝缘的老化状态，但上述理化参量需要对变压器停运、吊罩、取芯，这在实际工作中不可取[9-11]。而对于电气参数，通常认为变压器中的固体绝缘发生老化后只会导致其机械性能的下降，而诸如工频介质损耗角以及工频、脉冲击穿电压强度等参数不会发生太大变化。因此，长期以来，电力运行部门仅仅将绝缘电阻、极化指数以及介质损耗因数等离线电气无损测量参数作为变压器受潮状况的诊断方法[9]。由于上述理化参量的测量需要对变压器进行停运、吊罩、取芯操作，这不仅在实际工作中带来非常大的不便，而且还会给电力企业带来巨大的经济损失。而常规的电气试验参数又无法量化变压器固体绝缘中的含水量及老化状态。截止到目前，研究并获取有效表征变压器固体绝缘含水量与老化状态的新特征量，进而为变压器油纸绝缘状态评估提供准确且有价值的参考，仍然属于变压器油纸绝缘领域研究的热点与前沿问题。

近几年来，以介电响应理论为基础发展起来的回复电压法（Return Voltage Method，RVM）[12,13]、极化去极化电流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[14-16]和频域介电谱法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）[17,18]是一种新型电气绝缘诊断技术，其具有携带绝缘信息丰富、对绝缘无损伤等优点，因而，受到了越来越多国内外学者的关注。现有研究成果表明[14]，变压器油纸绝缘系统的介电谱容易受到水分、老化、温度等多种因素的影响，而水分既是油纸绝缘老化产物之一，又是油纸绝缘老化的催化剂，两者均会对油纸绝缘的介电特性产生影响，且影响规律类似。因此，如何量化水分、老化并消除测试温度对油纸绝缘介电特性的影响，从而对固体绝缘的水分含量和老化状态作出准确诊断是当前介电响应技术应用于变压器油纸绝缘状态现场诊断的难点之一。

为了量化纸板含水量与老化状态并消除测试温度对FDS 特性的影响，更好地推动FDS 技术应用于变压器油纸绝缘含水量与老化状态的无损定量评估，笔者所在的课题组在实验室内制备了不同含水量、不同老化状态的油纸绝缘样品，笔者在分析水分与老化对C*频域谱影响规律的基础上，研究了利用复电容虚部—C″区分油纸绝缘水分和老化状态的方法，提取了能够量化纸板含水量与老化状态的频域特征量，并初步建立了频域特征量分别与纸板含水量以及聚合度之间的量化关系。最后，研究了测试温度对C*频域谱的影响并引入“FDS 曲线频率频移”方法消除测试温度对老化油纸绝缘样品 C*频域谱的影响。

2 样品的制备及FDS 测试系统简介

本文试验用的油纸绝缘样品为普通牛皮绝缘纸板（厚度为1mm）和25#环烷基矿物绝缘油。

2.1 不同含水量且未老化的油纸绝缘样品制备

变压器运行过程中，绝大部分水分存在于固体绝缘中。为了提取评估绝缘纸板水分含量的频域介电特征量，制备了不同水分含量且未老化的油纸绝缘样品，为控制纸板样品的初始水分含量，对其作以下预处理：首先，将绝缘纸板置于90℃/50Pa 真空干燥箱中干燥48h；然后，将干燥脱气后的矿物绝缘油注入绝缘纸板所在真空干燥箱，绝缘纸板在40℃/50Pa 环境中真空浸渍48h；不同含水量的绝缘纸板是通过放置于空气中自然吸潮不同时间来获得的，最终，制备出的油浸渍纸板样品含水量分别为0.76%、1.20%、2.35%、3.38%。

2.2 不同老化状态的油纸绝缘样品制备

不同老化状态的油纸绝缘样品制备流程图如图1 所示。矿物绝缘油与绝缘纸板经过预处理后取出，在充氮气的环境下将绝缘油与绝缘纸板按 10：1 的质量比放置于玻璃缸中，并向玻璃缸中放入适当比例的铜条，将玻璃缸抽真空后，放置于120℃的老化箱中进行加速热老化，并定期取样测试纸板聚合度表征其老化状态。

图1 不同老化状态的油纸绝缘样品制备流程图Fig.1 Flowchart of sample preparation of oil-paper insulation with different aging state

2.3 FDS 测试系统简介

油纸绝缘样品的FDS 测试采用实验室自制的三电极系统来完成，如图2 所示。高压、测量及保护电极均采用黄铜制成。测试前首先将被测纸板放置于测量电极与高压电极之间，并用弹簧压紧，然后将三电极装置和纸板样品一起放入玻璃缸中，在玻璃缸顶部和底部用环氧板夹紧并固定。在玻璃缸与顶部环氧板的接触处用硅橡胶密封圈填充，并在环氧板、玻璃缸和密封圈的接触处涂液态密封胶进行密封。油纸绝缘样品的FDS 测试所选用的仪器为奥地利 OMICRON 公司生产的介电响应分析仪——DIRANA。本次试验的温度控制在30℃（变温试验除外），油纸绝缘样品在恒温恒湿箱中静置6h，待三电极系统内外温度达到均衡后开始FDS 的测量。

图2 三电极测量系统Fig.2 Measure system with three electrodes

3 实验结果及分析

3.1 被测油浸渍纸板样品的理化参数分析

老化过程中纸板含水量的测量采用DL32 卡尔费休水分仪来完成，测试结果如图3 所示，可看出在油纸样品热老化过程中，纸板水分一直在0.6%上下波动。这是由于在热老化过程中，油纸样品内部及其上方氮气中水分分布的动态平衡导致的[14]。热老化过程中纤维素的分解导致不断有水分产生，但由于老化温度较高，水分容易转移到绝缘油中，而且当绝缘油的相对湿度大于油纸样品上方氮气的相对湿度时，水分将由绝缘油向空气中转移，因此热老化过程中纸板中的水分含量变化不大。

图3 老化过程中绝缘纸板的水分含量Fig.3 Moisture contents of pressboards during aging

目前，聚合度是最能表征绝缘纸板老化状态的理化参量。图4 给出了绝缘纸板聚合度在120 ℃加速热老化过程中的变化规律。在不同的取样时间下，可看出绝缘纸板聚合度随老化时间逐渐下降。

图4 老化过程中绝缘纸板的DPFig.4 DP values of pressboards during aging

3.2 含水量对油浸渍纸板复电容C＊的影响规律

不同水分含量下且未老化油浸绝缘纸板的复电容频域谱测试结果如图5 所示。由图5a 中可以看出，随绝缘纸板水分含量的增加，复电容实部 C′在10-3～100Hz 频域范围内逐渐增大，而高频部分变化不大。由图5b 可看出，随绝缘纸板含水量的增加，复电容虚部C″在10-3～102Hz 频域范围内逐渐增大并且向高频方向移动。

图5 不同含水量油浸渍绝缘纸板的C*频域谱Fig.5 C* spectroscopy of pressboards with different moisture contents

3.3 老化对油浸渍纸板复电容C＊的影响规律

在120℃下加速热老化不同时间的油浸绝缘纸板的复电容C*频域谱如图6 所示。

图6 不同老化程度油浸渍绝缘纸板的C*频域谱Fig.6 C* spectroscopy of pressboards with different thermal aging levels

由图6 可以看出，复电容的实部C′在整个测试频带范围内随老化加剧而逐渐增大，而复电容的虚部C″在10-3～10-1Hz 频域范围内随老化时间增加而增大，而在10-1Hz 以上基本重合。这主要是因为：在不同频率的交变电场激励下，油纸绝缘本身及其交界面上发生极化，不同类型极化完成所需时间不同。C″在低频区随老化时间的变化主要是由油纸夹层界面极化主导，在高频段则与偶极子转向极化有关[4]。

3.4 纸板含水量与老化状态特征参量的提取

由图6b 不同老化时间的油浸绝缘纸板的C″频域谱可看出，随纸板老化程度的不断加剧，C″仅在10-3～10-1Hz 范围内发生变化，而在10-1Hz 以上基本不变。注意到不同老化程度纸板的水分含量变化不大，约在0.6%左右波动，这说明老化过程中纤维素大分子链的裂解以及油纸老化产生的酸、呋喃等老化产物增大了油浸绝缘纸板的损耗，而不是水分的影响。由图5b 的不同水分含量油浸绝缘纸板的C″可以看出，不同水分含量下未老化油浸绝缘纸板的C″在 10-3～102Hz 范围内均随水分含量增加而增大。因此，水分和老化对油浸绝缘纸板C″影响的频率范围不同，可据此对油浸绝缘纸板的水分含量和老化状态分别评估。

对比图5b 与图6b 可知，水分和老化对油浸渍绝缘纸板 C″图谱的影响频率范围不同，可选取10-3～10-1Hz 频域范围作为纸板老化状态评估的特征频段，选取10-1～102Hz 频域范围作为纸板水分含量评估的特征频段。为了分析方便，文中选取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101为特征频率并提取了如表 1 所示的特征参量（Characteristic Parameter，CP），其中：CP1～CP2 反映了纸板的老化状态，CP3～CP5 反映了纸板的水分含量。

表1 油纸绝缘状态评估特征参量Tab.1 Characteristic parameters for condition assessment of oil-paper insulation

图7 与图8 分别给出了纸板水分含量（mc 表示纸板的水分含量）、纸板聚合度（DP 表征纸板老化状态）分别与特征频率下C″值的拟合曲线。表2 给出了油纸绝缘状态评估参量与 C″值的拟合方程及拟合优度，由表2 可看出，在所提取的特征频率处，C″值分别与纸板聚合度、水分含量的拟合优度均达到了0.93 以上。

图7 C″与纸板含水量的拟合关系Fig.7 Fitting relation between C″ values and moisture contents of pressboards

图8 C″与纸板聚合度拟合关系Fig.8 Fitting relation between C″ values and DP

表2 绝缘状态评估参量与C″的拟合关系及拟合优度Tab.2 Fitting relation between moisture content &DP and characteristic parameter of condition assessment

3.4 测试温度对老化油浸渍绝缘纸板C＊的影响

测试温度是影响介电响应现场测量结果的重要因素。由于我国幅员辽阔，变压器的介电响应测试结果会随着早晚、天气、季节的变化而变化[19]，如不考虑测试温度对频域介电响应的影响，油纸绝缘的评估结果往往与其真实状态不符，而且在现场测量时，往往不能精确地控制测试温度，因此，需进一步深入研究测试温度对 C*频域谱的影响[20]。

图9 不同测量温度下油浸绝缘纸板的C*频域谱Fig.9 C* spectroscopy of oil-impregnated pressboard at different measuring temperature

图9 给出了老化50 天（DP=650）且含水量为0.52%的油浸渍绝缘纸板在30℃、50℃、70℃、90℃下的C*频域谱。由图9 可以看出，随测试温度升高，C′ 在10-3～100Hz 之间内逐渐增大且随温度升高向高频方向移动；而C″在10-3～102Hz 之间也存在类似规律。

国内学者廖瑞金等[11]研究了测试温度对老化后油纸绝缘样品频域介电谱的影响规律，发现油纸绝缘样品老化后，不同测试温度下的频域介电谱可以延频率轴水平方向移动到一条参考主曲线上，从而消除测试温度对频域介电谱的影响，文献[21]将此法描述为“FDS 曲线频率平移法”。文献[11]的研究结果表明：该方法对厚度为0.3mm 且DP=880 的纤维素绝缘纸板是有效的。遗憾的是，该文献并未提及该方法对更厚的以及老化程度更为严重的纤维素绝缘纸板是否仍然有效。为了验证该方法的普适性，从而更好的将FDS 技术应用于变压器油纸绝缘状态评估，在本次实验中，笔者发现，老化50 天（DP=650）且厚度为1mm 的油浸渍绝缘纸板在不同测试温度下的 C*频域谱曲线也可平移到一条参考主曲线上。本文选取30℃为参考温度Tref，定义此测试温度下的C*频域谱作为主曲线S1，将50℃、70℃和90℃下的C*频域谱延频率轴水平方向向左移动，使得四个温度下的C*频域谱曲线基本重合，最终形成一条新的C*主频域谱曲线S2。为了将某个测试温度T 下的C*曲线通过“FDS 曲线频率平移”方法最终形成主曲线S2，本文引入了“频温平移因子”αT的概念[11,21-23]，即

式中，fT为测试温度T 下C*频域谱曲线上某点平移前对应的频率；fref为平移后该点在C*主频域谱S2上对应的频率。下面以C′频域谱曲线为例推导αT的过程（C″频域谱曲线的αT推导过程类似，这里不再赘述），将参考温度T30（30℃）对应的“频温平移因子”定义为α30=1，则根据图9a 中的C′数据，可以计算得到50℃、70℃和90℃下对应的频温平移因子分别为α50=2.41、α70=9.13，α90=36.44。不同温度的C′频域谱平移后的主曲线如图10 所示。可以看出，主曲线S2的频率范围由10-3～103Hz 扩展到了10-5～103Hz，因此，通过FDS 曲线频率平移方法可以获得C*频域谱更为低频的信息。

图10 C′主曲线Fig.10 Master curve of C′

将αT和测试温度进行拟合发现，二者具有拟合优度非常高的指数关系。图11 给出了被测样品的αT和测试温度的拟合曲线。可以看出，对于DP=650且厚度为1mm 的测试样品，根据图11 中的拟合关系可得到任意温度下的αT，即可以将任意测量温度下的C*频域谱归算到同一参考温度下，从而消除测试温度对C*频域谱的影响。

图11 频温平移因子αT与温度T 的关系Fig.11 Relation between αTand temperature T

4 结论

本文实验室内制备了不同含水量、不同老化状态的油纸绝缘样品并测试了其复电容C*图谱，研究了利用复电容虚部—C″区分水分和老化对 C*频域谱影响的方法，所得结论如下：

（1）提出了采用特征频率处所对应的C″值作为评估油纸绝缘含水量和老化状态的特征量，选取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101做为特征频率点，建立了聚合度以及含水量与C″值的拟合关系。

（2）测试温度对老化油浸渍绝缘纸板C*频域谱的测试结果有着非常大的影响，笔者通过引入“FDS曲线频率平移”方法将老化50 天（DP=650）且厚度为1mm 的油浸渍绝缘纸板在不同测试温度下的C*频域谱曲线平移到一个参考温度下，消除了测试温度对油浸渍绝缘纸板C*频域谱的影响，进而验证了“FDS 曲线频率平移”方法的普适性。

（3）需要指出的是：鉴于由于同一测试对象的αT与测试温度的拟合公式的拟合优度不可能达到100%，再加上仪器本身的测试精度，四条曲线为离散点拟合出的曲线不能达到完全重合。特别是高频段重合率稍低（见图10），但是，这并不影响特征量评估油纸绝缘的含水量与老化状态。因此，应用“FDS 曲线频率平移法”基本上可以消除测试温度对老化油纸绝缘样品FDS 测试结果的影响。这为现场评估变压器油纸绝缘的状态奠定了基础。

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