张涛 刘雅琴 杨文雁 张陈 任乔林 肖洒

摘 要：頻域介电谱（FDS）与水分含量的映射关系能有效评估油纸绝缘状态，为了直接利用频域介电特征量评估绝缘老化和受潮的方法，提出在特征频域段内采用介损积分值作为绝缘状态评估的特征参量，并实验研究了不同绝缘老化和受潮程度对频域介电谱和频域介损积分谱影响及其变化规律。研究结果表明：在10-3～102Hz范围内相对于频域介损，频域介损积分谱对油纸绝缘老化和受潮更为敏感，随着油纸绝缘老化程度和绝缘受潮的增大，介损积分均呈上升趋势，且曲线具有饱和值，该介损积分值可以量化评估油纸绝缘的状态;与绝缘老化相比，在10-3～102Hz范围内，频域介损积分值对绝缘纸的受潮更为敏感，其频域介损积分值更大。因此，提出的频域介损积分谱法为量化评估变压器绝缘状态提供新的研究思路。

关键词：频域介电谱;特征参量;频域介损积分谱;变压器;油纸绝缘

中图分类号：TM 41

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）07-0072-07

Abstract：The state of oilpaper insulation can be effectively assessed by the mapping relationship between the frequency domain spectrum and the moisture content. In order to directly use frequency domain dielectric characteristics to assesse insulation aging and dampness， the dielectric loss integral value was proposed as the characteristic parameter of insulation condition assessment in characteristic frequency domain. The effects of different insulation aging and dampness on dielectric spectrum in frequency domain and dielectric loss integral spectrum in frequency domain and its variation law were studied experimentally.Results show that in 10-3～102 Hz， the frequency domain spectrum of Stanδ than the frequency domain spectrum of tanδ is more sensitive in the change of aging state and moisture content， with the increase of aging degree and moisture content of oilpaper insulation， the dielectric loss integral tends to increase， and the curve has saturation value， which can quantitatively evaluate the state of oilpaper insulation. Compared with insulation aging， the dielectric loss integral value in frequency domain is more sensitive to moisture content of insulating paper in the range of 10-3～102 Hz， and its dielectric loss integral value in frequency domain is larger. Therefore， the proposed frequency domain dielectric loss integral spectrum method provides a new research idea for quantitative evaluation of transformer insulation state.

Keywords：frequency domain dielectric spectroscopy; characteristic parameter; the integral of FDS; transformer; oilpaper insulation

0 引 言

电力变压器作为电能传输和分配的核心和枢纽设备，其绝缘状态的好坏直接影响到电网的安全与稳定运行[1]。变压器是油纸组合绝缘系统，在长期不间断的运行中，易受电、热、水分和机械振动等多种应力的作用[2-3]，引起绝缘材料的受潮和老化，进而导致油纸绝缘微观结构及极化、损耗特性发生改变。因此，通过测量油纸绝缘系统的介电响应特性的变化，可以评估油纸绝缘系统的老化状态[4]。介质响应法作为一种油纸绝缘老化诊断的无损电气测量方法，具有测试方便，可现场测量等优点。根据施加电压源的不同可分为时域介质响应测量方法和频域介质响应测量方法，其中时域介质响应测量方法主要有回复电压法（recovery voltage measurement，RVM）[5-6]、极化去极化电流法（polarization and depolarization current，PDC）[7]，频域介质响应法主要有频域介电谱法（frequency domain spectroscopy，FDS）[8-11]。

频域介电谱法能通過测量油纸绝缘的介质损耗因数、复电容和复介电常数等特征量在低压交变电场下随频率变化的规律来评估其绝缘状态[7]。研究表明，频域介电特征量不同频率段包含着绝缘油、纸的不同信息，通过分析曲线各段的变化规律，建立曲线各段与油纸绝缘系统状态的关系，可用于诊断变压器的油纸绝缘状态。目前国内外学者对频域介电谱法开展了大量的研究，如文献[8]研究绝缘老化对频域介电谱特征量的影响，研究表明随着热老化时间的增大，相对介电常数的虚部随之增大，介损也越大，且在低频段具有最大值。文献[9]研究了水分含量对频域介电谱的影响，研究表明复介电常数的实部和虚部随着水分含量的增大而增加，与老化类似，复介电常数虚部在低频段会出现损耗峰。文献[10]提出在特征频域段内采用复介电常数的实部积分和虚部积分作为绝缘纸板水分含量评估的特征参量，建立了频域介电特征参量与绝缘纸板水分含量的函数关系[10]。但上述研究均基于频域介电谱与水分含量的映射关系评估油纸绝缘的状态，缺乏直接利用频域介电特征量评估绝缘老化和受潮的方法。

为应用频域介电谱法定量评估油纸绝缘系统，本文对频域介电谱的介损值进行积分，得到不同频率下的介损积分值（Stanδ），并实验研究了Stanδ作随频率变化的规律，提出利用频域介损积分谱评估油纸绝缘状态的新方法。

1 FDS测试

1.1 FDS测试原理

频域介电谱法是在特征频域内研究绝缘介质极化和损耗的方法，其测量电路如图1所示。

图1中的绝缘等值电路为扩展德拜模型等值电路，每组RC支路代表不同的弛豫过程，能有效模拟油纸绝缘的介质响应特性。其中Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻;C0为几何电容;Rpn、Cpn为不同弛豫时间的电阻值和电容值。当给电极外施交流电压时，通过绝缘介质的电流[11]可表示为

根据式（2）和式（3）可计算得到不同频率下的复电容和介损等特征量[11]，这些特征量随频率变化的函数曲线，即为频域介电谱。

1.2 介损积分频域谱

频域介电谱法常以水分含量和电导率为估计参量对变压器油纸绝缘状态进行评估，通过测量的FDS曲线与实验室标准曲线进行拟合，估计油纸绝缘的水分含量，并将其做为评判绝缘状态的重要依据。由于在实际应用中常出现拟合曲线与实际曲线不一致的情况，此时无法用频域介电谱准确分析其水分含量。为此，本文提出利用特征频域段内的介损积分值作为绝缘状态评估的特征参量。

本文定义的介损积分值是指以最大频率（f=103 Hz）为基准点，每个频率点和基准点之间构成不同频率段内的介损曲线所围面积。获得不同频率段内的介损积分值，将不同频率点与其对应的介损积分值拟合成一条随频率变化的曲线，则称为频域介损积分谱。具体积分步骤如下：

对频域介电谱中的频率段[fmin，fmax]等分为n个频率点fn（n≥1）。

式中n→+∞时，Stanδn越接近实际面积，fmax为测量的频域范围的最大值，函数φ（tanδn）的值既考虑了介损又考虑了频率特征，使得结果更能有效的反映出实际的绝缘状态。由此可见，介损积分值Stanδn的物理意义为频段内的介损值乘以频率差，与某一点频率下的介损值相比，频域介损积分谱能反映某一频域段的介损累计值，可有效地反映油纸绝缘系统的绝缘状态。

利用频域介电谱测量仪IDAX300对油纸绝缘试品进行FDS测试，将测量数据参数化扩展德拜等值电路模型[12-14]，采用文献[15]所用的方法辨识等值电路参数，用介质响应等值电路参数模拟函数φ的表达式，即式（3）。

按式（4）计算介损积分值，将n个频率与其对应的介损积分值拟合成一条介损积分随频率变化的函数曲线，即为频域介损积分谱。通过上述积分方法得到的频域介损积分谱如图3所示。

由图3可见，频域介损积分谱能反映某一频域段的介损累计值，其变化规律包含了某一频率段内介损累积值和频率两种特性，相比于频域介电谱仅是反映某一频率处的介损值，使得频域介损积分谱携带了更多的油纸绝缘老化状态信息，且其曲线具有饱和特性，该饱和值更适合作为诊断特征量，能更好地反映油纸绝缘系统的老化状态。

2 实验设计

为了获得频域介损积分谱随绝缘老化和受潮的变化规律，本文开展了油纸绝缘老化和受潮对该特征量影响的实验研究。试验材料选择长城牌25号变压器绝缘油，厚度0.5 mm的普通绝缘纸。

2.1 不同老化程度油纸的制备

首先将厚度为0.5 mm的绝缘纸加工成直径130 mm的圆板，每5张1组，准备3组;然后置于温度为120 ℃的干燥箱中干燥6 h后取出，放入空气中吸潮至含水量为2%时，放入3组直径为200 mm的器皿中，将新的长城牌25号变压器绝缘油注入3组器皿中，油纸比例约为20∶1，对容器进行密封，得到3组试验样品;最后将3组油纸试品分别放入温控精度为0.01 ℃、温度设置为130 ℃的恒温老化箱中进行加速热老化试验，并按一定的时间间隔进行取样[16]。本文设置老化时间分别为35 d、49 d和63 d。加速老化期间，每隔一定时间就取出1份试品冷却到30 ℃，进行相同试验温度下试品不同老化程度的FDS测试。老化试品制备流程图如图4所示。

2.2 不同含水量的绝缘纸的制备

由于实际变压器中含水率一般小于5%，因此试验样本也必须小于该值。初步设计的绝缘纸含水率分别为1%，3%，3.7%。首先将3组绝缘纸放置在120℃的干燥箱中持续干燥6 h，再放入空气中进行吸潮，使绝缘纸分别含有1%（干燥纸）、3%、3.7%的水分，然后将三组绝缘纸放入初始状态相同的新油中组成油纸绝缘试品。在恒温30 ℃下进行相同试验温度下试品水分含量的FDS测试[17]。不同含水量试品制备流程图如图5所示。

2.3 实验测量及介损积分频域谱的计算步骤

为便于在实验室进行实际测试，设计了如图6所示的实验测量装置，包括频域介电谱测试仪IDAX300、三电极测量系统、恒温箱、高压控制开关、数据传输线和PC机。图6中：H表示电压施加端，L表示电流测量端，G表示接地端。

实验的测试频率范围为0.1 m～1 kHz，测试温度为恒温30 ℃，测试电压为140 V，通过上述测量系统获得FDS的测量数据，然后按图7所示计算步骤获取频域介损积分谱。

3 实验结果及分析

3.1 绝缘老化对频域介电特征量的影响

本文按老化实验的设计制备了老化时间分别为35 d、49 d和63 d 3组样品。对3组试品分别进行FDS测量，得到试品在不同老化时间下的频域介电谱如图8所示。由图8可见，在10-2～103Hz范围内，随老化时间的增加，tanδ随之增大，表明随着绝缘的老化，介质的极化损耗和电导损耗显著增加，频域介电谱曲线的变化反映了绝缘性能的下降;曲线在10 Hz左右出现了转折点，但该特征并不显著，仍需通过曲线拟合估计水分含量来评估其绝缘状态;在10-4～10-2 Hz范围内，频域介电谱的数值比较接近，且易受温度、电磁干扰等周围环境因数的影响，也不利于利用该部分特征值进行绝缘状态的诊断。

为了获得更好的诊断规律，本文根据图7所示的计算方法，对介损曲线进行积分，得到频域介损积分谱，如图9所示。

由图9可见，介损积分值随频率的减小先增加后趋于稳定。这是由于积分值为介损乘以频率差，在高频段，介质极化并不充分，介损值较低，且频率差也较小，因此介损积分值较小;随着频率的减小，导致电源有充分的时间对绝缘介质进行极化，介质损耗值较大，且频段差值也在增大，因此其介损积分值逐渐增大。当频率增大到100 Hz时，两者的乘积基本维持恒定，即在10-3～102 Hz范围内，Stanδ趋于饱和值。该值能较好的用于区分绝缘状态的变化，同频率下，随老化程度的增加介损积分值Stanδ增大。对比tanδ与Stanδ的频域谱可知，该特征量更易于评估油纸绝缘系统的老化状态。

3.2 水分含量对频域介电特征量的影响

绝缘纸板在老化中会产生水分，水分子不仅易于离解为导电的离子，而且还是一种强极性分子，对油纸绝缘极化和损耗特性有较大影响[18-19]。为研究水分对频域特征量的影响，本实验选取3组不同受潮程度的绝缘样品，3组绝缘纸的水分含量分别为1%、3%、3.7%的，然后将3组绝缘纸分别放入相同的绝缘油中，进行FDS测试，得到试品在不同水分含量下的频域介电谱如图10所示。

由图10可见，同频率下，油纸绝缘的介损值随水分含量的增加而增大，在1～103 Hz范围内，介损频域谱的变化规律不明显，不易得到不同水分含量与介损频域谱变化的关系，从而无法准确的评估出油纸绝缘系统中的水分含量。

本文通过对介损曲线进行积分，得到频域介损积分谱如图11所示。

由图11可见，介损积分值的变化规律与老化具有类似的特性，随频率的减小先增加后趋于稳定。在10-4～102 Hz范围内，Stanδ趋于饱和值，同一频率下的介损积分值随着水分含量的增大而增加，水分含量越高，油纸绝缘的电导率越大，电导损耗随之变大;且频率越低，极化损耗越大，导致介损积分值增大。

基于上述分析可见，相比频域介电谱，在10-4～102Hz范围内的频域介损积分值趋于饱和值，频域介损积分谱更能直观反映出油纸绝缘系统中绝缘纸水分含量的变化规律，因此，频域介损积分谱能有效评估变压器的油纸绝缘状态。

4 结 论

本文提出了利用频域介损积分谱诊断油纸绝缘状态的方法，实验研究了不同老化程度和不同水分含量的频域介损积分谱的变化规律，得出以下主要结论：

1）频域介损积分值包含了某一频率段内介损累积值，与频域介电谱相比，包含了更多的油纸绝缘老化状态信息，且其曲线具有饱和特性，该饱和值更适合作为诊断特征量，能更好地反映油纸绝缘系统的老化状态。

2）在10-3～102 Hz范围内，频域介损积分值Stanδ，随着油纸绝缘老化程度和绝缘受潮的增大，介损积分均呈上升趋势，且Stanδ趋于一个饱和值;Stanδ可以作为评估绝缘纸水分含量的特征新参量。

3）老化和受潮对频域介损积分谱的影响特性有显著差别，与绝缘老化相比，在10-3～102Hz范围内，频域介损积分值Stanδ对绝缘纸的受潮更为敏感，其频域介损积分值更大。

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（编辑：刘素菊）