油紙絕緣水分平衡樣品的制備及水分評(píng)估頻域特征量提取

高 竣 廖瑞金 王有元 呂彥冬 楊麗君 劉捷豐 汪 可

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

2.阿爾斯通電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司 上海 201114

3.中國電力科學(xué)研究院 北京 100192）

0 引言

大型油浸式電力變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)受到電場(chǎng)、水分和溫度等多種因素的聯(lián)合作用而逐漸老化。其中，水分被認(rèn)為是除溫度外，危害變壓器絕緣的“頭號(hào)敵人”[1,2]。相關(guān)研究成果表明：變壓器油紙絕緣中的水分含量每增長(zhǎng)一倍，絕緣壽命將減半[3-5]。因此，通過深入研究水分對(duì)變壓器油紙絕緣特性的影響，提出更好地評(píng)估變壓器油紙絕緣系統(tǒng)含水量的方法，對(duì)延長(zhǎng)變壓器使用壽命、保障供電可靠性等方面具有十分重要的實(shí)際意義[6-13]。

目前，評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)紙板水分含量的常規(guī)方法是，在變壓器停運(yùn)后采用卡爾費(fèi)休滴定法測(cè)量絕緣油中的水分，然后根據(jù)油紙水分平衡曲線，由變壓器油中微水含量推測(cè)絕緣紙板的受潮程度。然而，這種方法具有諸多不足：首先，在取樣過程中大氣中的水分不可避免地進(jìn)入油樣，給試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，特別是油樣水分含量較低時(shí)，誤差的影響將更明顯；其次，為了更好地確定紙板的受潮程度，油紙的水分含量必須處于平衡狀態(tài)，實(shí)際中可通過調(diào)節(jié)負(fù)荷、冷卻器投入方式等方法，讓變壓器處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度來減小誤差[3]，但這種方法的誤差也較大?？傊?，簡(jiǎn)單地依靠變壓器油中的微水含量來評(píng)估絕緣紙板乃至整個(gè)變壓器的受潮程度是不準(zhǔn)確、不全面的[7-9,13]。

以介質(zhì)響應(yīng)理論為基礎(chǔ)的回復(fù)電壓法（Recovery Voltage Method，RVM）、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）和頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）作為一種無損的電氣診斷技術(shù)[14-22]，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有傳統(tǒng)理化參量診斷方法的不足，有效地診斷變壓器的絕緣狀態(tài)，成為目前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。相比于前兩種方法，F(xiàn)DS測(cè)量頻帶窄，受噪聲干擾程度小，所需試驗(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[5,13]。為了推動(dòng)介質(zhì)響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于變壓器油紙絕緣水分含量的定量評(píng)估，有必要對(duì)變壓器油紙絕緣水分遷移的微觀機(jī)理及水分不平衡分布下油紙絕緣的介質(zhì)響應(yīng)特性進(jìn)行深入研究。截止到目前，關(guān)于變壓器油紙絕緣水分FDS的研究，國內(nèi)外專家和學(xué)者尚處于試驗(yàn)現(xiàn)象和FDS測(cè)試結(jié)果定性分析階段；當(dāng)油紙水分平衡后，如何量化頻域介質(zhì)響應(yīng)圖譜與絕緣紙板水分含量的關(guān)系尚未得到有效解決。然而這是將 FDS應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)診斷變壓器絕緣狀態(tài)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題。再者，為了推動(dòng)介質(zhì)響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)電力變壓器油紙絕緣水分含量的定量評(píng)估，對(duì)如何真實(shí)可靠地建立不同水分含量且油紙水分平衡的介質(zhì)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，目前鮮見報(bào)道。

本文研究了一種不同含水量油紙絕緣樣品的制備方法，并深入分析了油紙水分遷移暫態(tài)過程及穩(wěn)態(tài)過程中的頻域介質(zhì)響應(yīng)，量化了絕緣紙板水分含量與頻域特征參量之間的關(guān)系，最后，通過卡爾費(fèi)休滴定法對(duì)油紙水分遷移過程中以及平衡后的絕緣紙板樣品進(jìn)行水分含量測(cè)試。

1 油紙水分平衡樣品的制備

1.1 試驗(yàn)材料預(yù)處理與測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)介

試驗(yàn)用的絕緣油為未老化的克拉瑪依產(chǎn)25#環(huán)烷基礦物油。為了方便頻域介質(zhì)響應(yīng)的測(cè)試，試驗(yàn)用的普通牛皮絕緣紙板加工成直徑為85mm，厚度為2mm的圓形紙板。為了盡量使紙板均勻干燥，將其固定在卡槽上，卡槽上有鋸齒狀槽，用4根支撐夾緊絕緣紙板，并用銅絲纏繞固定，如圖1所示。

圖1 絕緣紙板與卡槽Fig.1 Pressboards and support bars

測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)介：測(cè)試系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室自制的三電極測(cè)試裝置，該裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖2所示。高壓、低壓及保護(hù)電極均采用黃銅制成，被測(cè)樣品置于測(cè)量電極與高壓電極之間。為了消除沿面泄漏電流對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在測(cè)試電極外圍增加保護(hù)電極。FDS的測(cè)試設(shè)備選用奧地利OMICRON公司生產(chǎn)的介質(zhì)響應(yīng)分析儀DIRANA，輸出電壓峰值±200V，測(cè)量電流±50mA，分辨率0.1pA。

圖2 三電極測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Measure system with three electrodes

1.2 不同含水量油紙絕緣水分平衡樣品的制備

本次試驗(yàn)制備了水分含量期望值分別為 1%、2%、3%、4%且水分平衡的油紙樣品。具體的試驗(yàn)步驟如圖3所示。首先，將未老化的絕緣油與絕緣紙板放在真空干燥箱中進(jìn)行干燥、脫氣，然后將經(jīng)上述處理后的絕緣紙板放于干燥后的絕緣油中真空浸油 48h，浸完油后用卡爾費(fèi)休水分儀測(cè)量紙板中的初始水分含量并計(jì)算出紙板達(dá)到水分含量期望值時(shí)的重量；接著，在常溫下將浸油后的絕緣紙板分別放入高精度電子天平上吸潮，當(dāng)紙板的重量達(dá)到期望值后，將紙板與干燥好的絕緣油一起置于三電極裝置中，并用密封膠密封；最后，將三電極裝置置于溫濕度分別為60°C/50%RH的恒溫恒濕箱中進(jìn)行油紙水分平衡并定期（測(cè)試時(shí)間為0天、4天、8天、12天）測(cè)量紙板的水分含量及頻域介質(zhì)響應(yīng)。

圖3 不同水分含量的樣品制備流程Fig.3 Flowchart of sample preparation with different moisture contents

為了提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，絕緣油與紙板水分含量分別進(jìn)行了3次測(cè)試，取平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。絕緣油和絕緣紙板的水分含量均采用Karl Fischer滴定法進(jìn)行，參照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60814和ASTM D1533。其中絕緣油的初始水分含量為8.5×10-4%，用于制備四種水分含量紙板（1%、2%、3%、4%）的初始水分含量分別為0.74%、0.78%、0.82%和0.84%。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 暫穩(wěn)態(tài)頻域介質(zhì)響應(yīng)及特征參量提取

本文以水分含量期望值為2%的絕緣紙板為例，研究了油紙水分遷移過程中 tanδ頻域譜的暫態(tài)響應(yīng)特性，如圖4所示?？梢钥闯觯S著平衡時(shí)間的增加，絕緣紙板中的水分逐漸向絕緣油中遷移，而tanδ在 10-3～100Hz的低頻段內(nèi)有略微減小的趨勢(shì)。水分在油紙絕緣之間遷移對(duì)頻域介質(zhì)響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，由于紙板中水分子的減少，與水分子結(jié)合形成附著帶電離子的親水性離子或基團(tuán)會(huì)減少，造成離子式極化減弱；另一方面，水分子的減少會(huì)降低自身在電場(chǎng)作用下形成誘導(dǎo)偶極矩的概率，進(jìn)一步削弱了油浸絕緣紙板的偶極子極化。

圖4 油紙水分遷移時(shí)的tanδ頻域譜Fig.4 tanδ of oil-paper insulation in the migration process of moisture

圖5給出了不同水分含量油紙絕緣水分平衡后的tanδ測(cè)試曲線。由圖5可以看出，隨著絕緣紙板水分含量的增加，tanδ整體向高頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)較為明顯。絕緣紙板中水分含量的增加，不僅導(dǎo)致油紙夾層界面極化損耗增大，而且增大了油紙二相復(fù)合絕緣的電導(dǎo)率，從而增大了油紙絕緣的電導(dǎo)損耗，因此，tanδ隨著絕緣紙板水分含量增加有整體上移的趨勢(shì)。

圖5 油紙水分平衡后的tanδ 頻域譜Fig.5 tanδ of oil-paper insulation after moisture equilibrium

經(jīng)過上述分析，油紙絕緣水分平衡后，水分含量的增加導(dǎo)致紙板的 tanδ在 10-3～101Hz顯著增加，本文將不同特征頻率下的 tanδf測(cè)量值與絕緣紙板的水分含量進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，tanδf與絕緣紙板水分含量有擬合優(yōu)度非常高的指數(shù)關(guān)系，如圖6所示。式中，mc為絕緣紙板水分含量；tanδf為特征頻率處的介質(zhì)損耗因數(shù)（所選特征頻率為f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz）；A、B、C為與絕緣紙板水分含量相關(guān)的擬合常數(shù)，各參數(shù)值及擬合優(yōu)度見表1。

圖6 絕緣紙板tanδf與水分含量的關(guān)系Fig.6 Quantitative relationship between tanδf and moisture content in pressboard

表1 絕緣紙板tanδf與水分含量的擬合方程Tab.1 Fitting equations between tanδf and moisture content of pressboard

圖7為水分含量期望值為 2%的紙板在水分遷移過程中復(fù)電容實(shí)部C′ 的測(cè)試結(jié)果。可以看出，紙板中的水分向絕緣油遷移的暫態(tài)過程中，油紙樣品在10-3～100Hz低頻區(qū)，C′ 隨紙板水分含量的減少而略微減小，而在101～103Hz范圍內(nèi)C′ 基本不變。因?yàn)樗菑?qiáng)極性分子，水分含量的減小將導(dǎo)致油浸絕緣紙中單位體積內(nèi)參與極化的分子數(shù)目減少，油紙絕緣樣品極化程度減弱，故其復(fù)電容實(shí)部在低頻區(qū)隨水分含量減少而減小。

圖7 油紙水分遷移時(shí)復(fù)電容實(shí)部Fig.7 Real part of complex capacitance of oil-paper insulation in the migration process of moisture

圖8 油紙水分平衡后的復(fù)電容實(shí)部Fig.8 Real part of complex capacitance of oil-paper insulation after moisture equilibrium

圖8給出了油紙水分平衡后不同水分含量紙板C′的測(cè)試曲線，由圖8可以看出，油浸絕緣紙板的復(fù)電容實(shí)部在 10-3～100Hz范圍內(nèi)隨水分含量的增加而迅速增大，而在101～103Hz范圍內(nèi)復(fù)電容實(shí)部差別很小。因此根據(jù)C′在不同的頻段下對(duì)水分的敏感程度不同，本文將其敏感頻率下的C′f測(cè)量值與絕緣紙板含水量進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)C′f與紙板水分含量有擬合優(yōu)度較高的線性關(guān)系，如圖9所示。

圖9 絕緣紙板C′f與水分含量的關(guān)系Fig.9 Quantitative relationship between C′f and moisture content of pressboards

式中，mc為絕緣紙板水分含量；C′f為特征頻率處的介質(zhì)損耗因數(shù)（所選特征頻率為f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz）；A、B為與絕緣紙板水分含量相關(guān)的擬合常數(shù)，各參數(shù)值及擬合優(yōu)度見表2。由表2可看出，除了頻率為10-1Hz下的tanδf和水分含量指數(shù)關(guān)系的擬合優(yōu)度稍低外，其余特征頻率處tanδf擬合優(yōu)度達(dá)到了0.9以上。

表2 絕緣紙板C′f與水分含量的擬合方程Tab.2 Fitting equations between C′f and moisture content of pressboards

值得一提的是，本文所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于2mm厚的普通牛皮絕緣紙板，通過測(cè)量 tanδf值或C′f值估算被測(cè)試品的水分含量，而且目前能準(zhǔn)確評(píng)估的水分含量區(qū)間有限，因此下階段需要對(duì)其他厚度及含水量的紙板進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和公式修正。

圖10為水分含量期望值為2%的紙板在水分向絕緣油中遷移時(shí)的復(fù)電容虛部C″的變化規(guī)律?？梢钥闯?，紙板中的水分向絕緣油遷移的暫態(tài)過程中，油紙樣品在10-3～101Hz頻率區(qū)間內(nèi)，C″隨紙板水分含量的減少而略微減小，而在102～103Hz范圍內(nèi)C″基本不變。圖11給出了油紙水分平衡后的復(fù)電容虛部，可以看出，其隨頻率的變化規(guī)律和圖5中的tanδ很相似，隨絕緣紙板水分含量的增加，復(fù)電容虛部C″向高頻方向移動(dòng)。紙板水分含量的增加不僅導(dǎo)致界面極化損耗增大，同時(shí)會(huì)增大油紙的電導(dǎo)率，進(jìn)而提高電導(dǎo)損耗，因此，C″隨水分含量增加而增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，C″在10-3～101Hz頻率區(qū)間，C″f和水分含量依然存在明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其規(guī)律和tanδ類似，由于篇幅有限，這里就不再贅述。

圖10 油紙水分遷移時(shí)復(fù)電容虛部Fig.10 Imaginary part of complex capacitance of oil-paper insulation in the migration process of moisture

圖11 油紙絕緣水分平衡后的復(fù)電容虛部Fig.11 Imaginary part of complex capacitance of oil-paper insulation after moisture equilibrium

2.2 卡爾費(fèi)休測(cè)試結(jié)果及分析

表3給出了不同水分含量紙板的卡爾費(fèi)休測(cè)試結(jié)果。可以看出，油紙水分平衡過程中，紙板樣品的溫度升高到 60℃導(dǎo)致了紙板中的水分向絕緣油中遷移，圖4、圖7和圖10也能說明此問題。

由表3的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)油紙水分平衡后，紙板中的水分實(shí)測(cè)值與期望值相差很小，這主要是油紙水分平衡后，絕大部分水分存在于紙板中，絕緣油中的水分在整個(gè)油紙絕緣系統(tǒng)中占得比例非常小，因此水分在油紙系統(tǒng)中達(dá)到平衡的所需的時(shí)間也相對(duì)較短。因此，本文所提出的不同水分含量油紙樣品制備方法可以較為準(zhǔn)確的制備出不同水分含量且油紙水分平衡的樣品。

表3 不同水分含量的絕緣紙板水分測(cè)試結(jié)果Tab.3 Measured results of pressboards under different moisture contents（%）

3 結(jié)論

本文研究了一種油紙絕緣水分平衡樣品的制備方法，并深入分析了油紙水分遷移暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)過程的頻域介質(zhì)響應(yīng)，最后利用卡爾費(fèi)休水分儀測(cè)試了紙板樣品在油紙水分平衡前與平衡后的水分含量，得出的結(jié)論如下：

（1）絕緣紙板中的水分向絕緣油遷移的暫態(tài)過程中，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ、復(fù)電容實(shí)部C′、復(fù)電容虛部C″在低頻段內(nèi)（10-3～100Hz）均有略微減小的趨勢(shì)。

（2）油紙絕緣水分平衡后，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ與復(fù)電容虛部C″在10-3～102Hz的范圍內(nèi)隨水分含量的增加而增大，且曲線均向高頻方向移動(dòng)。

（3）油紙絕緣水分平衡后，在所提取的特征頻率處（f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz），介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ、復(fù)電容實(shí)部C′和虛部C″均與絕緣紙板的水分含量存在特定的函數(shù)關(guān)系。

（4）本文所提出的制備方法可以較為準(zhǔn)確地制備出不同水分含量且水分平衡的油紙絕緣樣品。

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