溫度改變方式對應(yīng)用頻域介電譜法評估油紙絕緣狀態(tài)的影響

高　竣　 王有元　齊超亮　 劉捷豐　伍飛飛　汪　可

（1. 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（重慶大學(xué)）　重慶　400044

2. 中國電力科學(xué)研究院　北京　100192）

溫度改變方式對應(yīng)用頻域介電譜法評估油紙絕緣狀態(tài)的影響

高竣1王有元1齊超亮1劉捷豐1伍飛飛1汪可2

（1. 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（重慶大學(xué)）重慶400044

2. 中國電力科學(xué)研究院北京100192）

為研究溫度改變方式對建立評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的影響，以更好地應(yīng)用頻域介電譜法（FDS）評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)，采用三電極測試系統(tǒng)分別在降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中測試不同溫度下油紙絕緣的頻域介電譜；在分析不同測試溫度及不同溫度改變方式下油紙絕緣頻域介電譜特性的基礎(chǔ)上，引入應(yīng)用頻域介電譜法評估變壓器油紙絕緣水分含量及油浸絕緣紙電導(dǎo)率的量化關(guān)系式，定量研究了測試溫度及溫度改變方式對變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估的影響。結(jié)果表明：測試溫度及溫度改變方式對油紙絕緣頻域介電譜特性影響較大；在同一測試溫度下，溫度改變方式主要影響油紙絕緣頻域介電譜的低頻段；在應(yīng)用頻域介電譜法建立評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)庫時，必須選擇恰當(dāng)且一致的測試溫度及合適的溫度改變方式，否則將導(dǎo)致評估數(shù)據(jù)庫失效；研究成果也可為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)時選擇正確的溫度改變方式提供參考。

電力變壓器油紙絕緣溫度改變方式測試溫度頻域介電譜狀態(tài)評估

0　引言

電力變壓器作為電能傳輸和配送過程中能量轉(zhuǎn)換的核心，是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備［1］，變壓器運(yùn)行失效會造成巨大的直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響人民生活及社會生產(chǎn)。資料表明，由內(nèi)絕緣失效引發(fā)的變壓器故障占據(jù)其運(yùn)行故障的重要部分［2］。油紙絕緣是變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分，其在長期運(yùn)行過程中受到電、熱、機(jī)械和化學(xué)等因素的影響逐漸老化，引起變壓器絕緣性能下降［3］。油紙絕緣性能的優(yōu)劣直接決定變壓器的使用壽命，如何準(zhǔn)確評估現(xiàn)役變壓器的絕緣狀態(tài)及剩余壽命具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)用于評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)的理化、電氣特征參量包括油中酸值、糠醛含量、溶解氣體、絕緣紙拉伸強(qiáng)度、聚合度和工頻介質(zhì)損耗角正切值等。這些參量在應(yīng)用過程中受到濾油、外界干擾或取樣困難等多種因素的限制，影響評估的可靠性和可行性［4］。近年來，探尋反映變壓器絕緣狀態(tài)的新特征量及新技術(shù)備受國內(nèi)外學(xué)者的重視。以介質(zhì)極化理論為基礎(chǔ)的時域回復(fù)電壓（Return Voltage Method，RVM）［5］、極化去極化電流（Polarization and Depolarization Current，PDC）法［6］和頻域介電譜（Frequency-domain Dielectric Spectroscopy，F(xiàn)DS）法［7，8］作為新型的無損診斷技術(shù)，具有操作簡便、攜帶信息豐富、不需吊芯、不用取樣和不破壞絕緣材料等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的研究。尤其是FDS法具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，更適于現(xiàn)場測量。

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，探索水分、老化和溫度等因素對油紙絕緣FDS特性的影響規(guī)律，得到了很多有價(jià)值的研究成果［7-10］；目前國外已實(shí)現(xiàn)采用FDS法將現(xiàn)場測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室建立的變壓器油紙絕緣水分評估數(shù)據(jù)庫對比分析實(shí)現(xiàn)絕緣紙水分含量的現(xiàn)場評估，并已有商業(yè)儀器和軟件投入使用［11］。但是實(shí)際應(yīng)用表明，F(xiàn)DS測試結(jié)果受測試溫度的影響很大，而且現(xiàn)場變壓器油紙絕緣系統(tǒng)溫度隨著時間早晚、天氣、季節(jié)及負(fù)荷的變化而改變［12］，并引起絕緣系統(tǒng)中水分及低分子酸、呋喃化合物等油紙老化產(chǎn)物等處于動態(tài)平衡過程中，這都將影響絕緣狀態(tài)的準(zhǔn)確評估。因此在應(yīng)用FDS法建立實(shí)驗(yàn)室評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)庫及現(xiàn)場測試時，必須正確認(rèn)識不同測試溫度對其評估結(jié)果的影響，尤其是在實(shí)驗(yàn)室建立不同測試溫度下油紙狀態(tài)評估數(shù)據(jù)庫時還必須考慮溫度改變方式的差異對評估結(jié)果的影響。但是，目前在溫度改變方式對油紙絕緣FDS特性特別是對在應(yīng)用FDS法定量評估油紙絕緣狀態(tài)方面的深入研究鮮見報(bào)道。

本文采用三電極測試系統(tǒng)分別在降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中測試不同溫度下的油紙絕FDS，在不同測試溫度及不同溫度改變方式下對油紙絕緣FDS特性進(jìn)行了深入分析，然后以基于FDS法評估變壓器油紙絕緣水分含量及油浸絕緣紙電導(dǎo)率的量化關(guān)系式為例，定量研究了測試溫度及溫度改變方式對油紙絕緣狀態(tài)評估結(jié)果的影響，并從微觀角度分析了影響的機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)樣品制備及FDS測試

本文用于實(shí)驗(yàn)的油紙絕緣為普通硫酸鹽木漿牛皮絕緣紙（厚度為2 mm）和25號克拉瑪依精煉礦物油。為控制樣品的初始狀態(tài)，對其作以下預(yù)處理：首先，將絕緣紙板置于90℃/50Pa真空箱中干燥48h；其次，將脫氣后的礦物油加熱至40℃并注入絕緣紙所在真空箱中，絕緣紙板在40℃/50Pa環(huán)境中浸漬48h；最后將樣品置于90℃熱老化箱中靜置72h，以保證絕緣油與絕緣紙板之間溫度平衡，再進(jìn)行變溫試驗(yàn)。

FDS測試采用自制的三電極測試系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60093，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓、測量及屏蔽電極均采用黃銅制成，被測試品置于測量電極與高壓電極之間，并利用彈簧壓緊；然后將測試系統(tǒng)置入如圖2所示帶有溫控系統(tǒng)（由Pt100及XMTG—3002溫控儀組成）的密封罐中。測試儀器采用OMICRON公司生產(chǎn)的介質(zhì)響應(yīng)分析儀DIRANA，其輸出電壓峰值±200V，測量電流±50mA，分辨率1pA，測試頻段范圍為2×10-4～103Hz。

變溫實(shí)驗(yàn)時，將樣品從90℃熱老化箱中取出置于90℃恒溫、恒濕箱中靜置12h。先進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，測試溫度選擇90～30℃，每降低10℃測量一次；然后進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，測試溫度選擇30～90℃，每增加10℃測量一次，升、降溫速率由恒溫系統(tǒng)自動控制，每次測試之前均將樣品在目標(biāo)溫度下靜置3h，以保證樣品充分穩(wěn)定于測試溫度下。

圖1　三電極測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1　The schematic structure of the three-electrode measuring system

圖2　三電極測量系統(tǒng)實(shí)物Fig.2　The physical map of the three-electrode measuring system

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不同測試溫度下油紙絕緣FDS

不同測試溫度下油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)ε*頻域譜如圖3及圖4所示。可以看出，在測試頻段內(nèi)，不論降溫實(shí)驗(yàn)還是升溫實(shí)驗(yàn)，復(fù)介電常數(shù)ε*頻域譜均受測試溫度影響較大，且具有相似變化規(guī)律；測試溫度在30～90℃范圍變化時，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部低頻段明顯增大，當(dāng)測試溫度達(dá)到70℃時，低頻區(qū)出現(xiàn)“轉(zhuǎn)折”，且溫度愈高，轉(zhuǎn)折愈明顯；復(fù)介電常數(shù)虛部高頻段隨測試溫度升高呈向右、上平移現(xiàn)象，低頻段出現(xiàn)與實(shí)部類似的現(xiàn)象。文獻(xiàn)［13］探討了基于特征頻率點(diǎn)處（10-3Hz、10-2Hz和10-1Hz）復(fù)相對介電常數(shù)值的油紙絕緣老化狀態(tài)評估方法，并指出采用該方法評估時需保持測試溫度的一致性。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖3　不同測試溫度下油紙絕緣ε*頻域譜（降溫實(shí)驗(yàn)）Fig.3　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （cooling experiment）

不同測試溫度下油紙絕緣tanδ頻域譜如圖5及圖6所示?？梢钥闯?，不論降溫實(shí)驗(yàn)還是升溫實(shí)驗(yàn)，tanδ頻域譜均受測試溫度影響較大，且同樣具有相似變化規(guī)律；測試溫度在30～90℃范圍變化時，tanδ頻域譜在高頻段呈向右、上平移現(xiàn)象；當(dāng)測試溫度達(dá)到50℃時，低頻段出現(xiàn)“凸起”，且溫度愈高，凸起愈明顯，凸起峰值基本不變，但隨測試溫度升高向高頻移動。文獻(xiàn)［13］同時探討了基于油紙絕緣tanδ頻域譜特征頻率點(diǎn)（10-3Hz、10-2Hz和10-1Hz）的老化狀態(tài)評估方法，其準(zhǔn)確應(yīng)用也應(yīng)建立在恰當(dāng)并一致測試溫度的基礎(chǔ)上；文獻(xiàn)［14，15］中提出了應(yīng)用油紙絕緣tanδ頻域譜測試頻段內(nèi)最小值評估其水分含量的方法，從本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，其評估結(jié)果受測試溫度影響較大，下文將定量研究測試溫度對該評估方法結(jié)果的影響。

圖4　不同測試溫度下油紙絕緣ε*頻域譜（升溫實(shí)驗(yàn)）Fig.4　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （heating experiment）

圖5　不同測試溫度下油紙絕緣tanδ頻域譜（降溫實(shí)驗(yàn)）Fig.5　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （cooling experiment）

圖6　不同測試溫度下油紙絕緣tanδ頻域譜（升溫實(shí)驗(yàn)）Fig.6　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （heating experiment）

2.2不同溫度改變方式下的油紙絕緣FDS

溫度是影響變壓器油紙絕緣、老化的重要因素之一，同時也是影響油紙絕緣FDS測試的重要因素，特別是在油紙絕緣、老化程度不斷加深，以纖維素為主要成分的絕緣紙發(fā)生包含一系列的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的降解過程，伴隨纖維素長鏈斷裂，生成氣體、水分、低分子酸和呋喃化合物等，而絕緣油老化也將生成酸等弱極性或強(qiáng)極性物質(zhì)，導(dǎo)致油紙絕緣單位體積內(nèi)帶電粒子數(shù)目增多的情況。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，溫度對油紙絕緣頻域介電特性的影響主要有兩方面：一是通過影響油紙絕緣系統(tǒng)的電導(dǎo)率和極化時間常數(shù)實(shí)現(xiàn)［16］，二是變壓器油與絕緣紙中的水分分布、遷移與平衡取決于油紙絕緣系統(tǒng)的溫度［17］。因此，本文對比了降溫與升溫過程中油紙絕緣FDS特性，對比結(jié)果如圖7及圖8所示（為便于觀察，本文僅繪出四種溫度，其他測試溫度下具有類似規(guī)律）?？梢钥闯觯瑥?fù)介電常數(shù)ε*及tanδ頻域譜受溫度改變方式的影響，特別是低頻段影響較為明顯；復(fù)介電常數(shù)ε*的實(shí)部與虛部在降溫與升溫過程中變化趨勢一致，整體上降溫過程的曲線高于升溫過程的；降溫與升溫過程的tanδ頻域譜高頻段受測試方式影響較小，低頻段對溫度變化較為敏感。因此，在實(shí)驗(yàn)室建立基于FDS法的變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估數(shù)據(jù)庫以及在應(yīng)用文獻(xiàn)［13］中方法評估變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)及水分含量時，不僅需要選擇恰當(dāng)且一致的測試溫度，同時還需要選擇合適的溫度改變方式。

圖7　降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中油紙絕緣ε*頻域譜Fig.7　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

圖8　降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中油紙絕緣tanδ頻域譜Fig.8　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

3　溫度改變方式對油紙絕緣狀態(tài)評估結(jié)果的影響

3.1對油紙絕緣水分含量評估結(jié)果的影響

文獻(xiàn)［14，15］提出，油紙絕緣FDS測試頻段內(nèi)介質(zhì)損耗最小值tanδmin與其水分含量m.c.滿足

根據(jù)式（1）計(jì)算得到降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中不同測試溫度下油紙絕緣水分含量見表1。

從表1中可以看出，不論何種溫度改變方式隨著測試溫度的升高，油紙絕緣水分評估結(jié)果均增大，評估結(jié)果極差（同一溫度改變方式下，不同測試溫度間評估結(jié)果最大值超最小值的比例分?jǐn)?shù)），分別為85.1%及78.7%；相同測試溫度下，降溫實(shí)驗(yàn)評估結(jié)果均大于升溫實(shí)驗(yàn)的，評估結(jié)果偏差（同一測試溫度下，不同溫度改變方式間評估結(jié)果最大值超最小值的比例分?jǐn)?shù)，不包含30℃），最小為0.7%（40℃）、最大為4.3%（80℃）。

表1　降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中油紙絕緣水分含量評估結(jié)果Tab.1　The results of moisture content assessment of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

當(dāng)被測油紙絕緣樣品溫度升高時，樣品中帶電粒子運(yùn)動速度增大，平均動能增加，粒子的遷移速率增大［12，18，19］；帶電粒子及極性微粒熱運(yùn)動加快，促使單位時間內(nèi)通過油紙夾層界面的帶電粒子增多，使得夾層界面極化發(fā)生的機(jī)率及強(qiáng)度增大，同時溫度升高使得松弛過程加快，松弛時間變小，進(jìn)一步增大界面極化的強(qiáng)度，使得高頻區(qū)介質(zhì)損耗值tanδ增大，導(dǎo)致運(yùn)用式（1）評估水分含量結(jié)果偏大；此外，測試溫度的變化影響水分在絕緣油與絕緣紙之間的平衡狀態(tài)，根據(jù)如圖9所示的T.V. Oommen曲線［20］可知，隨著測試溫度的升高，水分由絕緣紙中經(jīng)油紙夾層界面向絕緣油中擴(kuò)散，進(jìn)一步增大了油紙夾層界面極化的強(qiáng)度，使得tanδ頻域譜增大，同時使得水分評估結(jié)果增大。而降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中水分等極性及弱極性微粒通過油紙夾層界面的動態(tài)平衡過程，亦是造成降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中評估結(jié)果差異的原因之一。

圖9　不同溫度下油紙絕緣微水的穩(wěn)態(tài)分布曲線Fig.9　Equilibrium moisture distribution curves of oil-paper insulation at different temperatures

3.2對油浸絕緣紙電導(dǎo)率評估結(jié)果的影響

文獻(xiàn)［21］指出，油紙絕緣FDS可根據(jù)式（2）評估油浸絕緣紙電導(dǎo)率

根據(jù)式（2）評估本文降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中σpaper評估結(jié)果見表2。

表2　降溫與升溫實(shí)驗(yàn)中油浸絕緣紙σpaper評估結(jié)果Tab.2　The results of σpaperassessment of oil impregnated insulation paper in the cooling and heating experiment

從表2中可知，隨著測試溫度升高，油浸絕緣紙電導(dǎo)率σpaper呈增大趨勢；同一測試溫度下，升溫實(shí)驗(yàn)評估結(jié)果一般大于降溫實(shí)驗(yàn)的，最大偏差（同一測試溫度下，不同溫度改變方式間評估結(jié)果最大值超最小值的比例分?jǐn)?shù)）76.0%（70℃）。造成上述變化的原因主要是溫度影響油紙絕緣系統(tǒng)中的帶電或極性微粒的運(yùn)動特性及水分在絕緣油紙之間的動態(tài)平衡過程，與3.1節(jié)中對水分評估的影響機(jī)理基本相同，此處不再贅述。而從3.1及3.2節(jié)定量研究溫度及溫度改變方式對應(yīng)用FDS法評估油紙絕緣水分含量及油浸絕緣紙電導(dǎo)率的評估結(jié)果可知，在實(shí)驗(yàn)室建立基于FDS法的變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估數(shù)據(jù)庫及在現(xiàn)場診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)時，必須保證恰當(dāng)且一致的測試溫度及合適的溫度改變方式，否則將導(dǎo)致評估結(jié)果失實(shí)。

4　結(jié)論

本文在采用三電極測試系統(tǒng)測試降溫及升溫實(shí)驗(yàn)中油紙絕緣FDS的基礎(chǔ)上，對比分析了不同測試溫度及不同溫度改變方式下的油紙絕緣FDS特性，引入應(yīng)用FDS法定量評估油紙絕緣水分含量及油浸絕緣紙電導(dǎo)率的量化關(guān)系式，定量研究了溫度及溫度改變方式對油紙絕緣狀態(tài)評估的影響，得到如下結(jié)論：

（1）油紙絕緣FDS受測試溫度及溫度改變方式影響較大；在同一測試溫度下溫度改變方式主要影響油紙絕緣FDS的低頻段；溫度改變方式不同還會對油紙絕緣狀態(tài)評估結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

（2）應(yīng)用FDS法現(xiàn)場診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)時，必須保證恰當(dāng)且一致的測試溫度；而在實(shí)驗(yàn)室建立不同溫度下基于FDS法的變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估數(shù)據(jù)庫時，還需選擇合適的溫度改變方式，否則將導(dǎo)致評估數(shù)據(jù)庫失實(shí)。

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Effect of Temperature Change Mode on Condition Assessment of Oil-Paper Insulation Based on Frequency-Domain Dielectric Spectroscopy Method

Gao Jun1Wang Youyuan1Qi Chaoliang1Liu Jiefeng1Wu Feifei1Wang Ke2
（1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China
2. China Electric Power Research InstituteBeijing100192China）

In order to better apply frequency-domain dielectric spectroscopy （FDS） in nondestructive diagnosis of oil-paper insulation condition of transformer，the influence of temperature change mode on establishing assessment database of oil-paper insulation condition of transformer was investigated. FDS of oil-paper insulation at various temperatures was measured by a three-electrode measuring system in the cooling and heating experiments. Based on the FDS properties of oil-paper insulation at different testing temperatures and different temperature change modes，the relationships of quantitative assessment moisture content and conductivity of oil impregnated paper were introduced，and then the influences of testing temperature and temperature change mode on quantitative assessment results of oil-paper insulation condition were studied. It demonstrates that testing temperature and temperature change mode have great impacts on the FDS properties of oil-paper insulation. Low frequency range of FDS of oil-paper insulation depends heavily on temperature change mode. If frequency-domain dielectric spectroscopy method is used to establish the assessment database ofoil-paper insulation condition of transformer，both appropriate testing temperature and suitable temperature change mode should be taken into account. This study is also a reference to select proper temperature change mode in the temperature-varying experiment at laboratory.

Power transformer，oil-paper insulation，temperature change mode，testing temperature，frequency-domain dielectric spectroscopy，condition assessment

TM835

高竣男，1989年生，博士研究生，主研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷。

王有元男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)、電氣設(shè)備絕緣在線智能監(jiān)測和故障診斷技術(shù)等方面的研究。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277187）。

2013-10-20改稿日期 2013-12-10