變壓器油紙絕緣頻域介電特征量與絕緣老化狀態(tài)的關(guān)系

廖瑞金 郝 建 楊麗君 袁 泉 唐 超

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

電力設(shè)備的安全運(yùn)行是保證電網(wǎng)安全的第一道防線(xiàn)，電力變壓器作為電能傳輸和配送過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的核心，是設(shè)備安全運(yùn)行中最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備。變壓器的嚴(yán)重事故不僅會(huì)導(dǎo)致自身的損壞，還會(huì)中斷電力供應(yīng)，給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。由內(nèi)絕緣問(wèn)題引發(fā)的故障占據(jù)變壓器故障的重要部分，歷年來(lái)受到電力運(yùn)行部門(mén)和研究學(xué)者的關(guān)注[4]。變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分是油紙絕緣，變壓器油和絕緣紙?jiān)陂L(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受到電、熱等因素的影響都會(huì)發(fā)生老化，引起變壓器絕緣性能下降，油紙絕緣老化過(guò)程是不可逆的，油紙絕緣性能的好壞直接決定變壓器的使用壽命[5-7]。因此對(duì)變壓器油紙絕緣的老化狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確診斷具有重要意義。

目前國(guó)際公認(rèn)的傳統(tǒng)診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)的判據(jù)有三種：油中溶解氣體分析[5-7]、油中糠醛含量[1,5-8]和絕緣紙聚合度[5-9]。由于變壓器中途濾油等各種因素的影響，導(dǎo)致油品化學(xué)參量測(cè)試結(jié)果無(wú)法可靠反映絕緣狀況。雖然聚合度最能真實(shí)地反映油紙絕緣的老化程度，但測(cè)量聚合度需要對(duì)變壓器進(jìn)行放油吊罩，從繞組幾處有代表性的部位進(jìn)行取樣，實(shí)施起來(lái)不但困難較大，而且還會(huì)對(duì)絕緣造成損傷?？紤]到上述幾種方法在診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)時(shí)存在不足，尋找能夠有效反映變壓器絕緣老化狀態(tài)的新特征量及評(píng)估技術(shù)日漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視。

以介電響應(yīng)為基礎(chǔ)的回復(fù)電壓法（Recovery Voltage Method，RVM）[10]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[11]和頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）[12-15]能夠無(wú)損診斷變壓器絕緣狀態(tài)，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。但 RVM 只能評(píng)估絕緣的整體狀況，無(wú)法將絕緣油和絕緣紙的狀況區(qū)別開(kāi)來(lái)，且它對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋非常復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)誤差也比較敏感[12,13]；PDC雖然可以分別評(píng)估絕緣油和絕緣紙的狀況，但易受現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾，且初始極化去極化電流不易測(cè)量[12,13]。相比于前兩種方法，F(xiàn)DS測(cè)量交流電場(chǎng)刺激下的極化響應(yīng)，可以對(duì)不同的刺激頻率進(jìn)行逐點(diǎn)或掃頻測(cè)量，其測(cè)量頻帶窄，受噪聲干擾程度小，所需實(shí)驗(yàn)電源電壓低，攜帶信息豐富，更適用于變壓器絕緣狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)診斷[12,13]。Yew J H、C. Ekanayake等人研究指出油浸絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)或介質(zhì)損耗在低頻段會(huì)隨油紙?jiān)嚻匪趾炕驕y(cè)試溫度的增加而增加[13-16]。Linhjell D等人研究指出，隨著油紙絕緣老化程度的逐漸加重，油浸絕緣紙的頻域介電特征量在低頻段會(huì)不斷增大[16-19]。對(duì)于油紙絕緣系統(tǒng)的FDS研究，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究水分、溫度以及老化對(duì)絕緣油或絕緣紙F(tuán)DS特性的影響，鮮見(jiàn)油紙絕緣系統(tǒng)頻域介電特征量與油紙絕緣老化狀態(tài)之間存在何種量化關(guān)系的報(bào)道。然而探究清楚油絕緣紙老化狀態(tài)和油紙絕緣系統(tǒng)介電特征量之間的量化關(guān)系，無(wú)疑為將FDS應(yīng)用于無(wú)損診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)奠定良好的基礎(chǔ)。

鑒于熱應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響最大[1,7]，本文首先模擬變壓器油紙絕緣的實(shí)際生產(chǎn)流程，制作了變壓器油紙絕緣試品，通過(guò)對(duì)其在 110℃進(jìn)行加速熱老化得到不同老化程度的油紙絕緣試品。然后通過(guò)對(duì)不同老化程度油紙絕緣試品進(jìn)行FDS測(cè)試，研究不同老化程度油紙絕緣試品的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、體積電導(dǎo)率與頻率和油紙絕緣老化狀態(tài)的關(guān)系；并研究了油紙絕緣系統(tǒng)溫度對(duì)其 FDS測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律，提出了通過(guò) FDS極化參數(shù)求取絕緣紙活化能的方法，研究成果為將FDS應(yīng)用于無(wú)損診斷油紙絕緣老化狀態(tài)提供了參考。

2 變壓器油紙絕緣老化試驗(yàn)及FDS測(cè)試

實(shí)驗(yàn)材料為25# 變壓器油和變壓器用纖維素絕緣紙（每個(gè)絕緣紙樣品厚 0.3 mm，直徑 32 mm），油紙絕緣試品加速熱老化流程如圖1所示。

圖1 油紙絕緣加速熱老化流程Fig.1 Accelerated thermal aging flowchart of oil-paper insulation

絕緣紙聚合度是最能表征絕緣紙老化程度的指標(biāo)，是非常準(zhǔn)確、可靠、有效的判據(jù)[20]。油紙絕緣試品熱老化過(guò)程中，定期取樣并依照ASTMD 4243對(duì)絕緣紙聚合度得進(jìn)行測(cè)試。采用Concept 80寬帶介電譜測(cè)試系統(tǒng)（Novocontrol GMBH-Germany）測(cè)試油紙絕緣試品的相對(duì)介電常數(shù)εr、介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ、電容C、體積電導(dǎo)率σv4個(gè)頻域介電特征量，選擇直徑 30mm的鍍金電極。測(cè)試頻率范圍為10-3～106Hz，測(cè)試溫度 28℃。采用溫度控制系統(tǒng)QUATRO研究溫度對(duì)油紙絕緣試品頻域介電特征量的影響，該系統(tǒng)的溫度可控范圍為-150～500℃，精度0.01℃。油紙絕緣試品FDS測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 油紙絕緣試品FDS測(cè)試原理圖Fig.2 FDS measuring principle of oil-paper insulation

3 油-紙絕緣試品FDS測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 不同老化程度油紙絕緣試品的εr和 tanδ

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部油-紙絕緣會(huì)逐漸老化。絕緣紙老化會(huì)引起纖維素中的大分子鏈斷裂為更多的小分子鏈，導(dǎo)致絕緣紙聚合度降低并產(chǎn)生水分。絕緣油老化會(huì)生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，還有 CO、CO2、 H2和低分子烴類(lèi)氣體等油中溶解氣體[5-7]。由于液體和固體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)滿(mǎn)足Kiusius-Mosotti（K-M）方程[21]：

式中，N為單位體積電介質(zhì)內(nèi)的粒子數(shù)；α為極化率(F·m2)，是與電介質(zhì)組成粒子的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。油紙絕緣試品老化越嚴(yán)重，油紙絕緣試品單位體積內(nèi)所含極性粒子數(shù)越多，油紙絕緣體系產(chǎn)生的極化現(xiàn)象也就越明顯，由式（1）可知其相對(duì)介電常數(shù)也就越大。圖 3a為不同老化程度油紙絕緣試品的εr與頻率的關(guān)系。任一老化程度的油紙絕緣試品在頻率較低時(shí)（10-3～100Hz），油紙絕緣試品內(nèi)部偶極子松弛極化完成得比較充分，εr較大；隨著頻率的升高，偶極子轉(zhuǎn)向滯后于電場(chǎng)方向的變化，偶極子不能充分完成極化，εr隨頻率升高而減小，在101～106Hz范圍內(nèi)，εr幾乎趨于定值。圖3a還表明，油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的εr隨著油紙絕緣試品老化時(shí)間的增長(zhǎng)明顯增大，可見(jiàn)油紙絕緣試品在10-3～100Hz的εr能間接反映其老化狀態(tài)。

另外，油紙絕緣系統(tǒng)老化越嚴(yán)重，其極化損耗和電導(dǎo)損耗也會(huì)越大。圖3b給出了不同老化程度油紙絕緣試品的 tanδ 與頻率的關(guān)系。在頻率較低時(shí)（10-3～100Hz），油紙絕緣試品的極化損耗和電導(dǎo)損耗共同存在，油紙絕緣試品的tanδ 較大；隨著頻率的升高，開(kāi)始出現(xiàn)極化滯后電場(chǎng)變化的情況，極化損耗減小，使得油紙絕緣試品的tanδ 值將隨頻率增大而減小，以致在 101Hz～106Hz范圍內(nèi)，不同老化程度油紙絕緣試品的 tanδ 值差別不明顯。圖3b也明確表明，油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的 tanδ會(huì)隨著油紙絕緣試品老化時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，可見(jiàn)油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的 tanδ 對(duì)油紙絕緣試品老化狀態(tài)的反映非常敏感。

圖3 不同老化程度油紙絕緣試品的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.3 Relative permittivity and dielectric loss factor of oil-paper insulation sample with different aging level

3.2 不同老化程度油紙絕緣試品的C

由于 C=ε0εrS/d，其中， ε0=8.85×10-12F/m; S 為極板面積（m2），d為電介質(zhì)厚度（m），則不同老化程度油紙絕緣試品的C與εr具有相同的變化規(guī)律。圖4表明，油紙絕緣試品在10-3～10-1Hz的C對(duì)油紙絕緣老化狀態(tài)的反映亦特別敏感。Amir Abbas Shayegani等人通過(guò)研究指出[22]，通過(guò)油紙絕緣試品在較低頻率和較高頻率的 C，可以區(qū)分老化和水分對(duì)油紙絕緣試品介電特性的影響。但油紙絕緣系統(tǒng)的老化程度和油紙絕緣系統(tǒng)的C存在何種量化關(guān)系，尚未見(jiàn)研究報(bào)道。鑒于C與εr變化規(guī)律的相似性，本文將老化不同程度油紙絕緣試品的C(DPt)和εr(DPt)分別在10-3Hz、10-2Hz、10-1Hz的值與絕緣紙聚合度進(jìn)行擬合分析，得到下表所示不同老化程度油紙絕緣的 C(DPt)和εr(DPt)與聚合度差值（DP0-DPt）的關(guān)系。其中，DP0為絕緣紙未老化時(shí)的聚合度1 180，DPt為油紙絕緣試品老化 t時(shí)的聚合度，C(DPt)和εr(DPt)分別指絕緣紙聚合度為 DPt時(shí)油紙絕緣試品的電容和相對(duì)介電常數(shù)。表中的擬合優(yōu)度很高，表明在已知油紙絕緣試品初始聚合度的前提下，通過(guò)對(duì)油紙絕緣試品進(jìn)行較低頻率處的FDS測(cè)試，得到油紙絕緣試品老化 t時(shí)刻的 C(DPt)或εr(DPt)，即可根據(jù)表中公式計(jì)算出油紙絕緣試品老化t時(shí)刻的聚合度DPt，從而達(dá)到了應(yīng)用FDS對(duì)油紙絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行無(wú)損診斷的目標(biāo)。

圖4 不同老化程度油紙絕緣試品的電容Fig.4 Capacitance of oil-paper insulation sample with different aging levels

表 不同老化程度油紙絕緣試品的電容C(DPt)和相對(duì)介電常數(shù)εr(DPt)與 (DP0-DPt)的擬合方程Tab. Fitted equation between C(DPt), εr(DPt)and(DP0 -DPt)of oil-paper insulation sample with different aging levels

本文是在 110℃下對(duì)油紙絕緣試品進(jìn)行加速熱老化，得到不同老化程度的油紙絕緣試品。然后將油紙絕緣試品在室溫下自然靜置48h后進(jìn)行FDS測(cè)試。對(duì)于在不同老化溫度下老化的油紙絕緣試品，即使絕緣紙聚合度相同且測(cè)試條件完全相同的情況下，其FDS測(cè)試結(jié)果是否一致，仍需嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證。

3.3 不同老化程度油紙絕緣試品的σv

高聚物的體積電導(dǎo)率σv可對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行表征，圖5為不同老化程度油紙絕緣試品的σv與頻率的關(guān)系。圖5表明，任一老化程度油紙絕緣試品的σv隨頻率的升高而增大；在 10-3～100Hz范圍內(nèi)，油紙絕緣試品的σv隨絕緣老化程度的加重而增大；在100～106Hz范圍內(nèi)，不同老化程度油紙絕緣試品的σv幾乎相等。從圖3和圖5可見(jiàn)，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在工頻時(shí)的介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率在老化過(guò)程中變化并不明顯，這與Farahani M等人研究所得結(jié)果一致[12]。因此本文建議通過(guò)比較變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在較低頻率處的頻域介電特征量來(lái)反映油紙絕緣的狀態(tài)。

圖5 不同老化程度油紙絕緣試品的體積電導(dǎo)率Fig.5 Volume conductivity of oil-paper insulation sample with different aging levels

3.4 溫度對(duì)油紙絕緣試品FDS特征參量的影響

由于變壓器在不同季節(jié)停運(yùn)進(jìn)行 FDS測(cè)試時(shí)所處環(huán)境溫度可能不同，為將FDS更好地用于工程實(shí)際，需研究溫度對(duì)FDS測(cè)試結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)油紙絕緣試品在不同測(cè)試溫度下的εr、tanδ、C和σv與頻率關(guān)系的分析（見(jiàn)圖6），可知溫度不改變各個(gè)介電特征參量隨頻率的變化趨勢(shì)，僅改變各個(gè)參量在某一頻率下的大小。圖6表明，隨著溫度的升高，油紙絕緣試品的εr、tanδ、C 和σv在 10-3～100Hz范圍內(nèi)逐漸增大；而在100～106Hz范圍內(nèi)，溫度對(duì)油紙絕緣試品介電特征量的影響很弱。另外，油紙絕緣試品的εr、tanδ、C和σv趨于近乎穩(wěn)定值的頻率會(huì)隨溫度的升高而增大。

圖6 老化油紙絕緣試品（DP=880）的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電導(dǎo)率、電容與溫度的關(guān)系Fig.6 Relative permittivity, dielectric loss factor, volume conductivity and capacitance of oil-paper insulation sample versus test temperature

本文借鑒時(shí)溫疊加原理的基本思想[23,24]，提出利用油紙絕緣試品 tanδ 曲線(xiàn)求解絕緣紙的活化能的新方法，并通過(guò)求解出的活化能值，驗(yàn)證上述得到的溫度對(duì)油紙絕緣試品介電特征參量影響規(guī)律的正確性，從而為更好地應(yīng)用FDS準(zhǔn)確診斷變壓器老化狀態(tài)提供參考。在同一坐標(biāo)中不同測(cè)試溫度下油紙絕緣試品 tanδ 變化曲線(xiàn)如圖 6b所示。本文選取30℃下的 tanδ 曲線(xiàn)作為主曲線(xiàn) S1，將 50℃和 70℃下的 tanδ 曲線(xiàn)延頻率軸水平移動(dòng)到 30℃下的 tanδ曲線(xiàn)，使30℃、50℃、70℃下的tanδ 最終形成一條新的主曲線(xiàn)S2。將某個(gè)溫度T下tanδ 曲線(xiàn)上的點(diǎn)，在通過(guò)平移形成最終主曲線(xiàn) S2前后該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率比，定義為“頻溫平移因子”αT，即

式中，fT為溫度T下tanδ 曲線(xiàn)上某點(diǎn)平移前對(duì)應(yīng)的頻率；fref為平移的該點(diǎn)在主曲線(xiàn)S2上對(duì)應(yīng)的頻率。將參考溫度 T30(30℃)對(duì)應(yīng)的“頻溫平移因子”定義為α30=1，則根據(jù)圖6b數(shù)據(jù)，計(jì)算得到50℃和70℃對(duì)應(yīng)的頻溫平移因子分別為α50=12，α70=84。頻溫平移因子是與溫度 T有關(guān)的函數(shù)，滿(mǎn)足 Arrhenius方程

式中，Ea為 Arrhenius活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，R=8.314J/mol/K；T為溫度，K。lnαT與 1/T30-1/T呈直線(xiàn)關(guān)系，直線(xiàn)的斜率為Ea/R，用直線(xiàn)的斜率乘以R即得活化能Ea。

絕緣紙的活化能求解如圖7和圖8所示，求解出的油浸絕緣紙（DP=880）的活化能為95.83KJ/mol，該活化能結(jié)果與Stamm等人所得結(jié)果相吻合[25]，可見(jiàn)本文得到的溫度對(duì)油紙絕緣試品介電特征參量影響規(guī)律是正確的。若利用式（2）～式（4）求解出不同老化程度油紙絕緣試品在不同測(cè)試溫度下的“頻溫平移因子”αT，將上文表中不同老化狀態(tài)油紙絕緣系統(tǒng)在測(cè)試溫度T28（28℃）下的頻域介電特征量推廣到不同的測(cè)試溫度，建立起不同老化狀態(tài)油紙絕緣系統(tǒng)的頻域介電特征量在不同測(cè)試溫度下T的數(shù)據(jù)庫(kù)，則在現(xiàn)場(chǎng)FDS測(cè)試時(shí)，將已知溫度T下的FDS結(jié)果與建立起的溫度T下的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，這樣不僅能解決由于環(huán)境溫度不同對(duì)FDS測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響，而且還可對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)老化狀態(tài)做出評(píng)估。

圖7 主曲線(xiàn)S2Fig.7 Master curve of S2

圖8 lnαT 與（1/T30-1/T）的關(guān)系Fig.8 Relatioship between lnαT and (1/T30-1/T)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)變壓器油-紙絕緣試品頻域介電特征量與頻率和絕緣紙老化狀態(tài)的關(guān)系研究，得出以下結(jié)論：

（1）油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的εr、tanδ、C和σv隨著油紙絕緣試品老化程度的加重而增大，提出油紙絕緣系統(tǒng)在較低頻率處（10-3～100Hz）的頻域介電特征量能反映其老化狀態(tài)。

（2）得到不同老化程度油紙絕緣的C(DPt)和εr(DPt)分別在 10-3Hz、10-2Hz、10-1Hz的值與聚合度差值（DP0-DPt）均存在二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，在已知油紙絕緣試品初始聚合度的情況下，通過(guò)FDS得到油紙絕緣系統(tǒng)在10-3～100Hz的C(DPt)或εr(DPt)，即可對(duì)油絕緣系統(tǒng)老化狀態(tài)做出診斷。

（3）提出“頻溫平移因子”求解絕緣紙活化能的新方法，利用油紙絕緣試品在不同溫度下的tanδ 曲線(xiàn)求解出的絕緣紙（DP=880）活化能為96.65kJ/mol；利用頻溫平移因子可將不同測(cè)試溫度下的頻域介電特征量進(jìn)行歸算，解決了測(cè)試溫度不同對(duì)FDS結(jié)果帶來(lái)的影響。

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