油紙絕緣變壓器時域極化譜特性實驗分析

鄒 陽 蔡金錠

油紙絕緣變壓器時域極化譜特性實驗分析

鄒 陽 蔡金錠

（福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350108）

本文旨在研究油紙絕緣介質老化機理與弛豫響應特征量之間的內在關系，將RVM（Return Voltage Measurement）技術應用于油紙變壓器絕緣狀態(tài)的無損診斷。通過RVM實驗測量平臺，測得恒溫條件下不同微水含量、不同內部結構和不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品對應的回復電壓時域極化譜線，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析出不同絕緣狀態(tài)下油紙絕緣時域極化譜特性參數(shù)的變化規(guī)律，并結合介質極化響應理論，闡明特征參數(shù)弛豫特性變化機理。實驗結果表明：時域回復電壓極化譜中回復電壓最大值和主時間常數(shù)的位置改變，能有效反應油紙絕緣受潮和老化情況；初始斜率在充電時間10-2～101s、峰值時間在充電時間101～104s的量值大小，構成無損診斷的信息依據(jù)；初始斜率是老化程度的直接反饋參量，以區(qū)分水分對極化譜特性的影響；主時間常數(shù)可甄別絕緣結構不同的變壓器絕緣狀態(tài)，其與微水含量的指數(shù)函數(shù)關系，可用于延緩變壓器受潮，提高運行可靠性。

老化 時域極化譜 油紙絕緣 弛豫響應 實驗

1 引言

電力變壓器作為電力系統(tǒng)重要的電力設備之一，但由于長期受到電、熱、機械和環(huán)境等因素影響，變壓器內部絕緣材料會發(fā)生一系列物理和化學變化，導致設備絕緣老化，變壓器設計壽命縮短，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等影響。因此，研究油紙變壓器絕緣老化診斷理論和方法具有重要應用價值[1-4]。

目前，國內外學者多通過油中糠醛含量、溶解氣體和絕緣紙聚合度分析的非電氣特征量法研究油紙絕緣老化診斷問題，其理論體系較成熟[5]。但存在溶解氣體歸屬不明，介質采樣困難以及中途濾油等影響[6-7]。

以介質響應理論為基礎的電氣特征量診斷方法，是一種利用絕緣介質極化響應特性及其特征量，來獲取變壓器受潮和老化等信息的無損的現(xiàn)場診斷方法。其包括時域介質響應測量的回復電壓法（RVM）、極化去極化電流法（PDC）和頻域介質響應測量的頻域介電譜測量（FDS）[8-10]。其中FDS僅能用于低頻段測試，且溫度和熱老化會影響測量結果[11-12]；PDC由于所測電流值太小，且測試時間長，現(xiàn)場溫度變化及電磁干擾，易影響測量準確性[13-14]。

RVM研究始于Bognar A對絕緣紙水分含量和老化狀態(tài)的監(jiān)測[15]，目前受關注度高是因為其敏感度高、信息量大，抗干擾能力強，且便于現(xiàn)場測試。Osvath P等研究了回復電壓特征量和變壓器老化程度的關系[16]；Csepes G等分析了RVM用于變壓器固體絕緣診斷的有效性[17]；文獻[18]通過加速老化實驗研究了特征量與不同老化程度的對應關系。然而由于油紙絕緣介質響應機理復雜，存在水分和老化對回復電壓參數(shù)的影響未能有效區(qū)分，不同變壓器結構引起極化譜差異誤導絕緣狀態(tài)的有效測量等問題；且變壓器現(xiàn)場測試必須停運，機會少有，因此，目前較多研究圍繞著建立變壓器模型進行實驗研究，探尋RVM診斷變壓器絕緣狀態(tài)的實效性。

本文通過變壓器油紙絕緣RVM實驗測量平臺，測試不同微水含量、內部結構和老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品對應的回復電壓極化譜，總結出不同絕緣狀態(tài)時回復電壓特征參數(shù)的變化規(guī)律，為將RVM用于無損診斷變壓器絕緣狀態(tài)尋找依據(jù)和應用價值。

2 RVM測量依據(jù)與原理

回復電壓法測量分為充電、放電、測量和松弛四步，其流程示意圖如圖1所示。首先對絕緣介質兩端施加直流高壓充電，即電介質極化；接著兩電級短路，電介質去極化開始釋放電荷。若將兩電極開路，由于去極化持續(xù)，未釋放完的電荷便在兩電極間產(chǎn)生一個電勢差，即需測量的回復電壓。測量完后絕緣介質充分接地，釋放殘余電荷，即為松弛[19-20]。

圖1 回復電壓測量流程示意圖Fig.1 Measurement process of return voltage

充電時間tc取值范圍10-2～104s，由小及大逐步改變tc值，記錄每個tc對應的回復電壓的三個特征參數(shù):回復電壓最大值Urmax、初始斜率Sr(dUr/dt)和峰值時間tpeak。擬合每次測得的回復電壓最大值Urmax與對應tc的關系曲線，即回復電壓極化譜[21]。

圖2即為一典型的油紙絕緣回復電壓極化譜，其中出現(xiàn)最大Urmax時，所對應的tc時間，稱為主時間常數(shù)tcdom。

圖2 典型油紙絕緣變壓器極化譜Fig.2 Typical polarization spectrum of oil-paper transformer

變壓器絕緣介質主要為絕緣油和絕緣紙，極化后由于油是弱極性分子，恢復較快；但紙和水的緩慢極化使得電極間仍有一個電壓?；貜碗妷簻y量恰是利用緩慢極化中回復電壓值、弛豫時間等特征參數(shù)與絕緣性能的密切關系[22]，研究不同絕緣狀態(tài)特征參數(shù)的變化規(guī)律，從而無損診斷油紙絕緣狀態(tài)。

3 變壓器油紙絕緣RVM實驗測量

3.1實驗裝置和條件

變壓器油紙絕緣系統(tǒng)主要由絕緣油、絕緣紙、隔板和撐條等組成，繞組間的油和紙是介質主體，且隔板和撐條主要成分為纖維素，因此按變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的結構單元，設計實驗模型如圖3所示。

圖3 油紙絕緣系統(tǒng)模型示意圖Fig.3 Model of oil-paper insulation system

實驗用25#新疆環(huán)烷基變壓器油和0.1mm厚的變壓器專用纖維素絕緣紙?；貜碗妷簻y試儀RVM5461，可在tc為10-2～104s范圍內測得回復電壓值、初始斜率和峰值時間等特征參數(shù)，并通過RS-232接口與計算機連接，通過計算機讀取并分析數(shù)據(jù)擬合得到回復電壓極化譜。盛樣裝置為硼硅酸鹽玻璃器皿（耐高溫、腐蝕），具有良好的密封性，其與RVM5461的接線如圖4所示?？紤]環(huán)境因素影響，本實驗在獨立空調小室進行，以保證空氣濕度小，環(huán)境噪聲小和溫度穩(wěn)定（設定30℃），避免影響實驗結果。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 The experimental device

3.2RVM實驗結果分析

3.2.1 微水含量不同的回復電壓極化譜特性

水分是變壓器絕緣受潮和老化后的極性分子產(chǎn)物，其含量增加會影響變壓器壽命和供電可靠性，因此有必要研究微水含量變化對應的回復電壓特征值變化規(guī)律。

將絕緣紙放入101型鼓風干燥箱干燥24h后，浸入干燥后的絕緣油中，攝入不同含量的水分后，密封并充分浸泡12h，得到微水含量不同的油紙絕緣樣品。通過RVM5461測試獲得各個樣品的特征參數(shù)并繪出回復電壓極化譜如圖5所示。

由圖5可知，微水含量越多的極化譜，Urmax最大值出現(xiàn)越早，即主時間常數(shù)tcdom越小，且Urmax最大值越大。其原因分析如下:水分子固有偶極矩μ較大，極性強，其含量增多會加劇界面極化，使極

圖5 不同水分含量的回復電壓極化譜Fig.5 The polarization spectrums of reply voltage with different Moisture content

化響應速度變快，所以tcdom變??；同時水分含量增多，會加速絕緣紙纖維素的水解，使雜質粒子變多，導致更多殘余極化電荷聚集，極化更劇烈，造成絕緣介質耐電性能下降，電導率和介電常數(shù)變大，因此，Urmax最大值隨著微水含量增多而變大，可見時域極化譜能有效反映絕緣系統(tǒng)中微水含量的不同。為了量化其關系，采用CA-100水分測定儀對不同主時間常數(shù)絕緣樣品對應的微水含量進行測試，測試結果見表。經(jīng)過對表中測試數(shù)據(jù)的擬合得到微水含量與tcdom的指數(shù)關系式為

式中，t為時間常數(shù)，s；h為微水含量，%。由式（1）可知，微水含量每減少0.35%，主時間常數(shù)tcdom約增長一倍，因此可利用主時間常數(shù)診斷油紙絕緣狀態(tài)，進而為采取措施減少絕緣水分，提高變壓器工作性能提供依據(jù)。

表 主時間常數(shù)與微水含量的關系Tab. The relationship between dominant time constant and water content

微水含量增加，界面極化加劇，Urmax最大值加速出現(xiàn)，因此初始斜率Sr值更大。tc在10-2～101s范圍內，初始斜率對微水含量變化反應敏感；且同一tc下，微水含量越多，電導率和介電損耗變大，所以Sr值越大，如圖6所示。

圖6 水分對回復電壓初始斜率的影響Fig.6 The initial slope of reply voltage with different Moisture content

由RVM原理，峰值時間Tpeak與初始斜率Sr成反比，因此微水含量越多，峰值時間Tpeak越小。在tc為100～104s范圍內，峰值時間變化明顯。因為水分極化緩慢，其反應在大時間弛豫環(huán)節(jié)，且水分主要附著在絕緣紙上，所以通過Tpeak值可診斷絕緣紙的狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 水分對回復電壓峰值時間的影響Fig.7 The peak time of reply voltage with different moisture content

由上可知，油紙絕緣微水含量越大，極化譜回復電壓最大值越大且主時間常數(shù)越小，主時間常數(shù)與微水含量成指數(shù)關系。初始斜率在tc為10-2～101s變化明顯，可用于判斷絕緣受潮情況；峰值時間在tc為100～104s范圍內可診斷絕緣紙的狀態(tài)，其變化情況與初始斜率相反。

3.2.2 內部結構不同的回復電壓極化譜特性

利用RVM技術診斷不同內部絕緣結構的變壓器是目前研究的一個熱點?？紤]到變壓器內部均為多層油道與絕緣紙結合的結構，實驗用絕緣紙層數(shù)變化來等效其內部結構不同，研究其對極化譜的影響。實驗采用干燥24h后的絕緣紙制成層數(shù)不同的絕緣樣品，在絕緣油中密封浸泡12h后用于實驗測試。

由圖8可知，隨著層數(shù)減少，回復電壓極化譜主時間常數(shù)呈減小趨勢，回復電壓最大值略增大。隨著tc增加，初始斜率Sr總體呈減小趨勢，且同一tc時間下，絕緣層數(shù)越多，初始斜率Sr值越小，如圖9所示。峰值時間Tpeak隨著tc增加而變大，同一tc時間下，層數(shù)越多，Tpeak值也越大，如圖10所示。其原因分析如下:絕緣介質極化，介質表面出現(xiàn)束縛電荷，極板電荷面密度變?yōu)棣?σ0+σ′，由靜電場Gauss定理[22]，若外加電壓U不變，則場強E（E=U/d）不變，絕緣樣品等效電容為

式中，σ0為真空時電荷面密度；σ′為束縛電荷面密度；S為極板面積；d為介質厚度。

圖8 不同絕緣結構與回復電壓極化譜的關系Fig.8 The polarization spectrums of reply voltage with different insulation structure

圖9 絕緣層數(shù)與回復電壓初始斜率的關系Fig.9 The initial slope of reply voltage with different insulation structure

圖10 絕緣層數(shù)與回復電壓峰值時間的關系Fig.10 The peak time of reply voltage with different insulation structure

當絕緣紙層數(shù)減少時，可表征為絕緣狀態(tài)變差，此時絕緣電阻值變小，等效電容值增大，與變壓器絕緣受潮老化后，絕緣介質極化特性改變，相對介電常數(shù)εr變大，介質厚度d變小引起等效電容C增大（見式（2））的邏輯關系一致。由于絕緣狀態(tài)變差，極化建立時間更短，則主時間常數(shù)變小，初始斜率Sr變大，Tpeak值變小。

由于內部結構不影響絕緣介質弛豫特性，因此可用tcdom來甄別不同結構變壓器的絕緣狀態(tài)。同一臺變壓器通常內部結構變化不大，即等效電容C穩(wěn)定，在RVM測量時，若Sr變大，對應Tpeak值變小，則去極化電流變大，表征變壓器絕緣狀態(tài)變差。

由上可知，主時間常數(shù)的大小可區(qū)分出不同內部結構變壓器的絕緣狀態(tài)；初始斜率Sr變大，Tpeak值變小，可表征變壓器絕緣狀態(tài)劣化。

3.2.3 不同老化程度回復電壓極化譜特性

變壓器長期運行，絕緣老化程度會加深，導致單位體積內極性粒子數(shù)量增多。這樣不僅會使絕緣紙聚合度降低，絕緣性能下降，而且會使絕緣介質電導率和介質損耗變大，更易極化。由于絕緣介質極化特性和微觀極化率α的關系滿足Clausius方程[22]，即

式中，N為電介質單位體積內粒子數(shù)。若介質有效場強Ei與介質宏觀平均場強E等效，即Ei=E，則介電常數(shù)εr與微觀極化率α成正比。因此不同老化狀態(tài)下，介質極化率改變引起介電常數(shù)變化，成為分析絕緣狀態(tài)的手段。在RVM測量中，回復電壓值、弛豫時間等特征參數(shù)是絕緣極化的結果，以此研究老化與回復電壓特征參數(shù)的關系。

圖11中，老化前后回復電壓最大值都是先增大再減小，其原因是充電初期時間短，松弛極化未完全建立，只有弱極性分子迅速去極化，而其他分子電偶極矩有序化未完全形成；隨著tc增大，時間常數(shù)τ增大，強極性分子的界面極化、轉向極化充分完成，則介質極化強度趨于穩(wěn)定；若tc再增大，則td也在增大，此時極化過程已臨上限，而去極化過程持續(xù)加劇，去極化電流變大，所以回復電壓最大值會隨著tc增大而減小。其次，由于老化越嚴重，松弛極化反應越強，所以Urmax峰值出現(xiàn)更早，即主時間常數(shù)tcdom??；殘余極化電荷增多，Urmax峰值變大。

圖11 絕緣系統(tǒng)老化對回復電壓極化譜的影響Fig.11 The polarization spectrums of reply voltage with different aging level

由于高溫是絕緣老化的直接原因，受絕緣熱老化影響，初始斜率Sr與極化電導率σβ關系為[23]

式中，E為外加直流電場；ε0為真空介電常數(shù)。當外加電壓恒定時，Sr與σβ成正比，結合絕緣老化機理，Sr可作為絕緣老化的判斷依據(jù)，以此區(qū)分老化和受潮對變壓器極化譜的影響。老化嚴重后，則極性分子增多，使得絕緣介電常數(shù)增大，電導率變大，因此Sr較之老化前，數(shù)值更大，如圖12所示。

充電時間10-2～101s范圍內，絕緣介質偶極子極化不充分，回復電壓峰值時間Tpeak在老化前后，區(qū)別不明顯。隨著充電時間增加，極化過程越加劇烈，Tpeak值開始增大，且同一tc下，Tpeak值老化后比老化前小，如圖13所示。

圖12 絕緣系統(tǒng)老化對回復電壓初始斜率的影響Fig.12 The initial slope of reply voltage with different aging level

圖13 絕緣系統(tǒng)老化對回復電壓峰值時間的影響Fig.13 The peak time of reply voltage with different aging level

由上可知，老化程度加深后，絕緣介質中雜質增多，使絕緣性能下降，引起絕緣介質特性變化，電導率和介質損耗變大，因此極化更快速，使得主時間常數(shù)減小，且雜物粒子增多，充分極化后，極化譜回復電壓最大值變大。由于極化強度加強，使得極化電導率變大，引起初始斜率變大，以區(qū)分受潮對極化譜的影響；結合tc＞101s區(qū)間，Tpeak值反應敏感，老化后Tpeak值小于老化前，診斷絕緣老化程度。

4 結論

本文研究了不同絕緣狀態(tài)油紙絕緣介質回復電壓極化譜特性，結合實驗對相關譜線進行分析，得到如下結論:

（1）微水含量增多，回復電壓最大值增大，主時間常數(shù)減小，對應的初始斜率值增大，峰值時間減小，且微水含量與主時間常數(shù)存在量化關系。由于絕緣系統(tǒng)中，99%的水分都附著在固體絕緣中，因此可以利用回復電壓極化譜和特征參數(shù)的變化規(guī)律，診斷變壓器固體絕緣的性能，避免變壓器吊罩、取樣造成物理損傷。

（2）回復電壓極化譜能有效反映變壓器絕緣系統(tǒng)內部結構差異和絕緣狀態(tài)的變化，其中主時間常數(shù)可鑒別不同內部結構變壓器的絕緣性能，從而奠定了無損診斷基礎。

（3）絕緣老化程度加深，極化譜回復電壓峰值會變大，且主時間常數(shù)會減?。辉诔潆姇r間大于101s后，Tpeak值變化顯著，可作為診斷參量。并且老化加劇，老化產(chǎn)物增多，極化更充分，通過極化電導率與初始斜率的關系，可診斷絕緣老化程度，以區(qū)分老化和受潮對絕緣的影響。

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Experimental Analysis on Time-Domain Polarization Spectrum of Oil-Paper Insulation Transformer

Zou Yang Cai Jinding
（College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350108 China）

Return voltage measurement(RVM) is being investigated for condition assessment of transformer insulation, in order to study inherent laws between the mechanism of oil-paper insulation aging and the characteristics of relaxation response. A measurement platform is established for RVM experiments at a constant temperature in the paper, and time-domain polarization spectrums of return voltage are tested with different water content, geometric conditions and aging conditions. The variation of oil-paper insulation transformer’s return voltage is analyzed by the experimental data and dielectric polarization response theory. The results of experiments show that polarization spectrums of return voltage can be used to diagnostic the water content of oil-paper insulation transformer and aging conditions; not only the initial slope of the charging time between 0.01s and 10s but also the peak time of the charging time between 10s and 10 000s are important basis for non-destructive diagnosis; the initial slope can directly reflect the aging degree, which is used to distinguish the effects of moisture on the polarization spectrums; dominant time constant which is exponential relationship with moisture content can identify the condition of different transformer, it’s significant to delay the transformer moisture and improve its operational reliability.

Aging, time-domain polarization spectrums, oil-paper insulation, relaxation response, experiments

TM835

鄒 陽 男，1980年生，博士研究生，研究方向為電氣絕緣老化設備診斷。

國家自然科學基金資助項目（61174117），福建省中青年教師教育科研項目（科技A類）（JA13053），福州大學科技育苗專項基金（2013-XY-5）資助項目。

2014-11-03 改稿日期 2015-01-16

蔡金錠 男，1954年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷的研究。