基于變頻技術(shù)診斷變壓器絕緣老化的研究與應(yīng)用

谷小博，張一軍

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.金華電業(yè)局，浙江 金華 321017）

變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，在系統(tǒng)中處于重要的地位。一旦發(fā)生故障，將有可能造成大面積的停電事故，給電力系統(tǒng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1999-2003年國(guó)家電網(wǎng)公司110 kV～500 kV變壓器故障中，絕緣故障占到了事故總量的85.0%。因此，正確地了解變壓器絕緣性能顯得尤為重要。

電力變壓器以油紙絕緣類(lèi)型為主，開(kāi)展油紙絕緣變壓器老化的研究，可以充分了解變壓器油紙絕緣的降解模式及其老化的相關(guān)特性信息，科學(xué)評(píng)估變壓器絕緣的老化程度，準(zhǔn)確了解變壓器絕緣的健康狀態(tài)，充分挖掘變壓器的使用潛力，這無(wú)疑具有重要現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

目前，分析判斷變壓器絕緣老化狀態(tài)的方法分為化學(xué)和電氣兩大類(lèi)。化學(xué)方法主要包括油中微水測(cè)試、油中溶解氣體分析、油中糠醛測(cè)試和絕緣紙板聚合度測(cè)試等。特別是油中糠醛測(cè)試和絕緣紙板聚合度測(cè)試較為常用，但是由于變壓器熱虹吸過(guò)濾器的影響，不能測(cè)到真實(shí)的糠醛含量，另外檢修后的真空濾油去除了油中部分糠醛除去，因此油中糠醛測(cè)試存在一定的誤差。而絕緣紙聚合度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)抽取紙樣較為困難，可操作性不強(qiáng)。電氣方法主要有恢復(fù)電壓測(cè)試、極化-去極化電流方法和頻域（變頻）分析法[1]，前兩種方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量容易受到干擾，而頻域（變頻）分析法由于測(cè)量頻帶較寬，因此抗干擾性能較好。

1 變頻測(cè)量技術(shù)（FDS）的原理

1.1 絕緣材料的介電性能

絕緣材料通常為電介質(zhì)，由偶極分子、非偶極分子或兩者共同組成。偶極分子的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使分子內(nèi)存在偶極矩。在外部電場(chǎng)作用下，被極化的偶極子重新取向，中和電極上的部分電荷。在偶極子重新取向的過(guò)程中也可能消耗一定的能量。絕緣材料在外電場(chǎng)作用下可以貯存和消耗電能的性能稱為介電性能，一般用介電常數(shù)和介電損耗來(lái)表示。介電性能變化是由于在外電場(chǎng)作用下發(fā)生的極化和損耗引起的。最常測(cè)量的材料介電性能參數(shù)是復(fù)介電常數(shù)，是介電材料重新取向和中和電極上電荷的能力，通常取決于材料的極化程度以及重新取向要克服的阻力，可以通過(guò)以下方式來(lái)定義。

在頻域中，把電介質(zhì)試樣看作為一個(gè)復(fù)數(shù)電容，則：

此時(shí)介質(zhì)的損耗角余切 tgδ= ε″/ε′= σ/ωε′。因此ε′可以與σ和tgδ中任何一個(gè)參量配對(duì)來(lái)描述電介質(zhì)在電場(chǎng)中的性能，即：

1.2 變壓器介質(zhì)響應(yīng)模型

以單相雙繞組油紙復(fù)合絕緣變壓器為例，高低壓繞組間的主絕緣主要由一系列絕緣隔板、油隙和絕緣撐條構(gòu)成，如圖1所示，即常用的 “薄餅”絕緣結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 變壓器的典型“薄餅”絕緣結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示，可以將主絕緣結(jié)構(gòu)看成由橫向單元和縱向單元構(gòu)成。從縱向上看，絕緣部分主要由絕緣隔板和絕緣油構(gòu)成，設(shè)絕緣隔板占縱向絕緣的比例為X，則其中絕緣油的比例為1-X；同理從橫向上看，絕緣部分由絕緣撐條和絕緣油構(gòu)成，設(shè)絕緣撐條占橫向絕緣的比例為Y，則絕緣油的比例為1-Y，等效圖如圖2所示。

圖2 絕緣結(jié)構(gòu)的等效圖

因此絕緣油、撐條和隔板三部分絕緣狀況完全可以表征變壓器的絕緣狀況，而絕緣油性能老化的可能性較小，因此變壓器絕緣老化狀況主要在于撐條和隔板兩部分固體絕緣的絕緣狀況。

1.3 絕緣診斷儀

絕緣診斷儀主要功能是測(cè)量介質(zhì)在不同頻率下的阻抗值，并通過(guò)軟件分析得到固體絕緣 （絕緣紙板）的含水量和絕緣油的導(dǎo)電率兩個(gè)表征變壓器絕緣的參量。

儀器的測(cè)量頻率范圍為0.1 mHz～1 000 Hz，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析中常用0.01 Hz～1 000 Hz，輸出電壓為200 V（峰值），由于測(cè)量頻率可變，所以在測(cè)量中可以較好地克服工頻干擾源的影響。

測(cè)量阻抗值Z在頻域中可以以多種參量模式來(lái)等效，如常用的C－tgδ模式，即介質(zhì)的電容－介質(zhì)損耗因數(shù)模式； ε′-ε″模式即復(fù)介電常數(shù)（f）模式。根據(jù)上述復(fù)介電常數(shù)定義，有：

式中：ω＝2πf，Re和Im分別表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。

在頻域分析中，只要知道介質(zhì)的阻抗Z，就可以計(jì)算出介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。測(cè)量出變壓器各部分絕緣在頻域中的阻抗值，可以計(jì)算出絕緣紙板和絕緣油的復(fù)介電常數(shù)，結(jié)合絕緣油的狀況，即可了解變壓器的絕緣和老化狀況。

絕緣診斷儀中絕緣紙和絕緣油的復(fù)介電常數(shù)通過(guò)MODS軟件分析得到，通過(guò)頻域譜測(cè)量曲線與由典型數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到的模型曲線進(jìn)行對(duì)比分析，獲得固體材料（絕緣紙）中的水分含量和絕緣油的導(dǎo)電率兩個(gè)表征絕緣紙板和油的特征參量，步驟和判斷結(jié)果如圖3和表1所示。可以采用這兩個(gè)參量表征三部分絕緣，從而獲知變壓器絕緣材料的老化情況。

圖3 MODS軟件分析的步驟

表1 絕緣紙含水量的判斷結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)變壓器測(cè)試情況及分析

使用絕緣診斷儀分別對(duì)1臺(tái)500 kV主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）A相和7臺(tái)220 kV主變共計(jì)8臺(tái)變壓器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分別用T1-T8表示，其中T2和T3為試驗(yàn)時(shí)未投運(yùn)變壓器，其余為試驗(yàn)時(shí)的在運(yùn)變壓器。

2.1 T1主變測(cè)試情況

T1為500 kV分相變壓器組。2006年10月的絕緣油微水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)主變A相微水含量超標(biāo)，2007年5月對(duì)A相進(jìn)行真空濾油并熱油循環(huán)48 h處理，處理前后的變頻測(cè)量和微水結(jié)果見(jiàn)圖4和表2。

圖4 T1 A，C相處理前后變頻測(cè)試結(jié)果

表2 T1 A相處理前后軟件分析和微水測(cè)量

可以看出，處理前后的絕緣紙板含水量數(shù)值不變， 而絕緣油的導(dǎo)電率從 1.19E-14（即 1.19×10－14，以下相同）減小到9.85E-15，與熱油循環(huán)循環(huán)處理前后的微水?dāng)?shù)據(jù)基本對(duì)應(yīng)。

2.2 220 kV變壓器測(cè)試情況

7臺(tái)220 kV主變的主要參數(shù)和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4和圖5。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，5臺(tái)在運(yùn)220 kV主變中T5的含水量和絕緣油導(dǎo)電率最大，T2和T3的測(cè)試結(jié)果較小。

2.3 220 kV變壓器測(cè)試結(jié)果分析

表3 試驗(yàn)的220 kV主變運(yùn)行參數(shù)

表4 7臺(tái)220 kV主變測(cè)試軟件分析結(jié)果

圖5 6臺(tái)220 kV主變測(cè)試圖形

新投運(yùn)主變（新絕緣紙）的絕緣較好，絕緣紙板的聚合度在1 000以上，隨著運(yùn)行時(shí)間和負(fù)荷的增加，絕緣紙逐漸發(fā)生裂解反應(yīng)，聚合度不斷下降，以致喪失絕緣性能。因此絕緣紙板的聚合度是反映變壓器老化程度的重要和準(zhǔn)確直觀的參數(shù)。對(duì)上述5臺(tái)220 kV運(yùn)行主變?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行的絕緣紙板聚合度測(cè)試結(jié)果和變頻參數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，聚合度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

運(yùn)行變壓器的絕緣老化與運(yùn)行時(shí)間、最高負(fù)荷和溫度有關(guān)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，5臺(tái)變壓器絕緣紙板聚合度與運(yùn)行時(shí)間和最高負(fù)荷乘積近似成線性關(guān)系，如圖5所示。

表5 5臺(tái)已運(yùn)行220 kV主變絕緣紙板聚合度測(cè)試結(jié)果

圖5 5臺(tái)變壓器絕緣紙板聚合度與運(yùn)行時(shí)間和最高負(fù)荷乘積的關(guān)系

表6為用紙板聚合度、變壓器的運(yùn)行時(shí)間和最高負(fù)荷的乘積、變頻測(cè)試分別對(duì)T4，T5，T6，T7和T8變壓器老化情況的分析結(jié)果。

表6 T4-T8變壓器的絕緣老化分析

紙板聚合度結(jié)果較小的T5變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，兩種測(cè)試結(jié)果基本吻合。為了研究紙板聚合度和變壓器的運(yùn)行時(shí)間、最高負(fù)荷的乘積間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)T4，T6，T7和T8的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出函數(shù)關(guān)系式為：

式中：F為紙板聚合度；變量x為變壓器的運(yùn)行時(shí)間和最高負(fù)荷的乘積。

將T5變壓器的測(cè)試數(shù)據(jù)代入，得到擬合計(jì)算后的聚合度為721，誤差為6%，基本吻合。

3 結(jié)論

（1）油浸式變壓器的絕緣由絕緣油和固體絕緣紙板構(gòu)成，溫度、電場(chǎng)和水分是影響絕緣老化的主要因素。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變壓器的測(cè)試，驗(yàn)證了變頻測(cè)試技術(shù)（FDS）是一種較好的分析診斷變壓器絕緣老化的方法。

（3）運(yùn)行變壓器的絕緣老化與運(yùn)行時(shí)間、最高負(fù)荷、運(yùn)行溫度有關(guān)。紙板聚合度F和變壓器的運(yùn)行時(shí)間和最高負(fù)荷的乘積x近似成線性關(guān)系， 滿足函數(shù)關(guān)系式：F（x）＝-3.3986x＋1482.6。

[1]U GAFVERT， G FRIMPONG， J FUHR.Modelling of Dielectric Measurements on Power Transforms[C].Paris:CIGRE，1998.

[2]S M GUBANSKI,P Boss.Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power Transformers[J].IEEE， 2003，19（3）:12-18.

[3]劉玉仙.油紙絕緣受壓器中水分的聚積及其對(duì)熱老化的影響[J].變壓器， 2004（2）:8-13.

[4]董 明，張 偉，張冠軍，等.基于糠醛含量分析的電力變壓器絕緣老化診斷[J].變壓器，2008（12）:51-55.