電力變壓器油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估的頻域介電特征參量研究

廖瑞金 劉捷豐 楊麗君 馬志欽 高 飛 張鐿議

（1.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 2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 廣州 510080 3.中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京 100192）

1 引言

為了解決我國(guó)能源供需矛盾，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的大電網(wǎng)，這對(duì)電力設(shè)備的絕緣提出了更高的要求[1]。作為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的第一道防線,變壓器起到電能傳輸和電壓轉(zhuǎn)換的作用，是最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備之一。變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分是油-紙絕緣，兩者在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中受到電、熱、水分等因素的影響而逐漸老化，從而引起油紙絕緣性能下降[2-5]。現(xiàn)有成果表明[6]：油紙絕緣系統(tǒng)含水量增加一倍，機(jī)械壽命減半，熱老化速度增加一倍。

目前，國(guó)內(nèi)外大部分電網(wǎng)公司在評(píng)估變壓器油紙絕緣含水量方面所采取的方法是[7]：通過測(cè)量絕緣油中的微水含量，然后根據(jù)油紙絕緣水分平衡曲線來確定紙板中的水分含量。然而，這種方法受測(cè)試溫度、人為操作等因素的影響，往往造成水分評(píng)估結(jié)果與其真實(shí)值之間存在較大誤差[8]。

對(duì)于變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)已表明[9]：絕緣油老化后，可以通過濾油、換油等操作使其恢復(fù)到原來的性能，而固體絕緣（紙板或紙）的老化是不可逆的，因此決定變壓器運(yùn)行壽命的是其固體絕緣。目前，電力企業(yè)通常采用由油紙絕緣老化引起的理化參數(shù)和電氣參數(shù)變化來評(píng)估固體絕緣的老化狀態(tài)。理化參數(shù)中，絕緣紙聚合度（DP）、拉伸強(qiáng)度（TS）、油中溶解CO、CO2生成總量及其比值、油中糠醛含量等理化參數(shù)雖然可以直接或間接地反映固體絕緣的老化狀態(tài)，但上述理化參量需要對(duì)變壓器停運(yùn)、吊罩、取芯，這在實(shí)際工作中不可取[9-11]。而對(duì)于電氣參數(shù)，通常認(rèn)為變壓器中的固體絕緣發(fā)生老化后只會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械性能的下降，而諸如工頻介質(zhì)損耗角以及工頻、脈沖擊穿電壓強(qiáng)度等參數(shù)不會(huì)發(fā)生太大變化。因此，長(zhǎng)期以來，電力運(yùn)行部門僅僅將絕緣電阻、極化指數(shù)以及介質(zhì)損耗因數(shù)等離線電氣無損測(cè)量參數(shù)作為變壓器受潮狀況的診斷方法[9]。由于上述理化參量的測(cè)量需要對(duì)變壓器進(jìn)行停運(yùn)、吊罩、取芯操作，這不僅在實(shí)際工作中帶來非常大的不便，而且還會(huì)給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而常規(guī)的電氣試驗(yàn)參數(shù)又無法量化變壓器固體絕緣中的含水量及老化狀態(tài)。截止到目前，研究并獲取有效表征變壓器固體絕緣含水量與老化狀態(tài)的新特征量，進(jìn)而為變壓器油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估提供準(zhǔn)確且有價(jià)值的參考，仍然屬于變壓器油紙絕緣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與前沿問題。

近幾年來，以介電響應(yīng)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的回復(fù)電壓法（Return Voltage Method，RVM）[12,13]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[14-16]和頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）[17,18]是一種新型電氣絕緣診斷技術(shù)，其具有攜帶絕緣信息豐富、對(duì)絕緣無損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而，受到了越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注?，F(xiàn)有研究成果表明[14]，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的介電譜容易受到水分、老化、溫度等多種因素的影響，而水分既是油紙絕緣老化產(chǎn)物之一，又是油紙絕緣老化的催化劑，兩者均會(huì)對(duì)油紙絕緣的介電特性產(chǎn)生影響，且影響規(guī)律類似。因此，如何量化水分、老化并消除測(cè)試溫度對(duì)油紙絕緣介電特性的影響，從而對(duì)固體絕緣的水分含量和老化狀態(tài)作出準(zhǔn)確診斷是當(dāng)前介電響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)診斷的難點(diǎn)之一。

為了量化紙板含水量與老化狀態(tài)并消除測(cè)試溫度對(duì)FDS 特性的影響，更好地推動(dòng)FDS 技術(shù)應(yīng)用于變壓器油紙絕緣含水量與老化狀態(tài)的無損定量評(píng)估，筆者所在的課題組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備了不同含水量、不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品，筆者在分析水分與老化對(duì)C*頻域譜影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了利用復(fù)電容虛部—C″區(qū)分油紙絕緣水分和老化狀態(tài)的方法，提取了能夠量化紙板含水量與老化狀態(tài)的頻域特征量，并初步建立了頻域特征量分別與紙板含水量以及聚合度之間的量化關(guān)系。最后，研究了測(cè)試溫度對(duì)C*頻域譜的影響并引入“FDS 曲線頻率頻移”方法消除測(cè)試溫度對(duì)老化油紙絕緣樣品 C*頻域譜的影響。

2 樣品的制備及FDS 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文試驗(yàn)用的油紙絕緣樣品為普通牛皮絕緣紙板（厚度為1mm）和25#環(huán)烷基礦物絕緣油。

2.1 不同含水量且未老化的油紙絕緣樣品制備

變壓器運(yùn)行過程中，絕大部分水分存在于固體絕緣中。為了提取評(píng)估絕緣紙板水分含量的頻域介電特征量，制備了不同水分含量且未老化的油紙絕緣樣品，為控制紙板樣品的初始水分含量，對(duì)其作以下預(yù)處理：首先，將絕緣紙板置于90℃/50Pa 真空干燥箱中干燥48h；然后，將干燥脫氣后的礦物絕緣油注入絕緣紙板所在真空干燥箱，絕緣紙板在40℃/50Pa 環(huán)境中真空浸漬48h；不同含水量的絕緣紙板是通過放置于空氣中自然吸潮不同時(shí)間來獲得的，最終，制備出的油浸漬紙板樣品含水量分別為0.76%、1.20%、2.35%、3.38%。

2.2 不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品制備

不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品制備流程圖如圖1 所示。礦物絕緣油與絕緣紙板經(jīng)過預(yù)處理后取出，在充氮?dú)獾沫h(huán)境下將絕緣油與絕緣紙板按 10：1 的質(zhì)量比放置于玻璃缸中，并向玻璃缸中放入適當(dāng)比例的銅條，將玻璃缸抽真空后，放置于120℃的老化箱中進(jìn)行加速熱老化，并定期取樣測(cè)試紙板聚合度表征其老化狀態(tài)。

圖1 不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品制備流程圖Fig.1 Flowchart of sample preparation of oil-paper insulation with different aging state

2.3 FDS 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

油紙絕緣樣品的FDS 測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)室自制的三電極系統(tǒng)來完成，如圖2 所示。高壓、測(cè)量及保護(hù)電極均采用黃銅制成。測(cè)試前首先將被測(cè)紙板放置于測(cè)量電極與高壓電極之間，并用彈簧壓緊，然后將三電極裝置和紙板樣品一起放入玻璃缸中，在玻璃缸頂部和底部用環(huán)氧板夾緊并固定。在玻璃缸與頂部環(huán)氧板的接觸處用硅橡膠密封圈填充，并在環(huán)氧板、玻璃缸和密封圈的接觸處涂液態(tài)密封膠進(jìn)行密封。油紙絕緣樣品的FDS 測(cè)試所選用的儀器為奧地利 OMICRON 公司生產(chǎn)的介電響應(yīng)分析儀——DIRANA。本次試驗(yàn)的溫度控制在30℃（變溫試驗(yàn)除外），油紙絕緣樣品在恒溫恒濕箱中靜置6h，待三電極系統(tǒng)內(nèi)外溫度達(dá)到均衡后開始FDS 的測(cè)量。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 被測(cè)油浸漬紙板樣品的理化參數(shù)分析

老化過程中紙板含水量的測(cè)量采用DL32 卡爾費(fèi)休水分儀來完成，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示，可看出在油紙樣品熱老化過程中，紙板水分一直在0.6%上下波動(dòng)。這是由于在熱老化過程中，油紙樣品內(nèi)部及其上方氮?dú)庵兴址植嫉膭?dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致的[14]。熱老化過程中纖維素的分解導(dǎo)致不斷有水分產(chǎn)生，但由于老化溫度較高，水分容易轉(zhuǎn)移到絕緣油中，而且當(dāng)絕緣油的相對(duì)濕度大于油紙樣品上方氮?dú)獾南鄬?duì)濕度時(shí)，水分將由絕緣油向空氣中轉(zhuǎn)移，因此熱老化過程中紙板中的水分含量變化不大。

圖3 老化過程中絕緣紙板的水分含量Fig.3 Moisture contents of pressboards during aging

目前，聚合度是最能表征絕緣紙板老化狀態(tài)的理化參量。圖4 給出了絕緣紙板聚合度在120 ℃加速熱老化過程中的變化規(guī)律。在不同的取樣時(shí)間下，可看出絕緣紙板聚合度隨老化時(shí)間逐漸下降。

圖4 老化過程中絕緣紙板的DPFig.4 DP values of pressboards during aging

3.2 含水量對(duì)油浸漬紙板復(fù)電容C＊的影響規(guī)律

不同水分含量下且未老化油浸絕緣紙板的復(fù)電容頻域譜測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。由圖5a 中可以看出，隨絕緣紙板水分含量的增加，復(fù)電容實(shí)部 C′在10-3～100Hz 頻域范圍內(nèi)逐漸增大，而高頻部分變化不大。由圖5b 可看出，隨絕緣紙板含水量的增加，復(fù)電容虛部C″在10-3～102Hz 頻域范圍內(nèi)逐漸增大并且向高頻方向移動(dòng)。

圖5 不同含水量油浸漬絕緣紙板的C*頻域譜Fig.5 C* spectroscopy of pressboards with different moisture contents

3.3 老化對(duì)油浸漬紙板復(fù)電容C＊的影響規(guī)律

在120℃下加速熱老化不同時(shí)間的油浸絕緣紙板的復(fù)電容C*頻域譜如圖6 所示。

圖6 不同老化程度油浸漬絕緣紙板的C*頻域譜Fig.6 C* spectroscopy of pressboards with different thermal aging levels

由圖6 可以看出，復(fù)電容的實(shí)部C′在整個(gè)測(cè)試頻帶范圍內(nèi)隨老化加劇而逐漸增大，而復(fù)電容的虛部C″在10-3～10-1Hz 頻域范圍內(nèi)隨老化時(shí)間增加而增大，而在10-1Hz 以上基本重合。這主要是因?yàn)椋涸诓煌l率的交變電場(chǎng)激勵(lì)下，油紙絕緣本身及其交界面上發(fā)生極化，不同類型極化完成所需時(shí)間不同。C″在低頻區(qū)隨老化時(shí)間的變化主要是由油紙夾層界面極化主導(dǎo)，在高頻段則與偶極子轉(zhuǎn)向極化有關(guān)[4]。

3.4 紙板含水量與老化狀態(tài)特征參量的提取

由圖6b 不同老化時(shí)間的油浸絕緣紙板的C″頻域譜可看出，隨紙板老化程度的不斷加劇，C″僅在10-3～10-1Hz 范圍內(nèi)發(fā)生變化，而在10-1Hz 以上基本不變。注意到不同老化程度紙板的水分含量變化不大，約在0.6%左右波動(dòng)，這說明老化過程中纖維素大分子鏈的裂解以及油紙老化產(chǎn)生的酸、呋喃等老化產(chǎn)物增大了油浸絕緣紙板的損耗，而不是水分的影響。由圖5b 的不同水分含量油浸絕緣紙板的C″可以看出，不同水分含量下未老化油浸絕緣紙板的C″在 10-3～102Hz 范圍內(nèi)均隨水分含量增加而增大。因此，水分和老化對(duì)油浸絕緣紙板C″影響的頻率范圍不同，可據(jù)此對(duì)油浸絕緣紙板的水分含量和老化狀態(tài)分別評(píng)估。

對(duì)比圖5b 與圖6b 可知，水分和老化對(duì)油浸漬絕緣紙板 C″圖譜的影響頻率范圍不同，可選取10-3～10-1Hz 頻域范圍作為紙板老化狀態(tài)評(píng)估的特征頻段，選取10-1～102Hz 頻域范圍作為紙板水分含量評(píng)估的特征頻段。為了分析方便，文中選取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101為特征頻率并提取了如表 1 所示的特征參量（Characteristic Parameter，CP），其中：CP1～CP2 反映了紙板的老化狀態(tài)，CP3～CP5 反映了紙板的水分含量。

表1 油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估特征參量Tab.1 Characteristic parameters for condition assessment of oil-paper insulation

圖7 與圖8 分別給出了紙板水分含量（mc 表示紙板的水分含量）、紙板聚合度（DP 表征紙板老化狀態(tài)）分別與特征頻率下C″值的擬合曲線。表2 給出了油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估參量與 C″值的擬合方程及擬合優(yōu)度，由表2 可看出，在所提取的特征頻率處，C″值分別與紙板聚合度、水分含量的擬合優(yōu)度均達(dá)到了0.93 以上。

圖7 C″與紙板含水量的擬合關(guān)系Fig.7 Fitting relation between C″ values and moisture contents of pressboards

圖8 C″與紙板聚合度擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relation between C″ values and DP

表2 絕緣狀態(tài)評(píng)估參量與C″的擬合關(guān)系及擬合優(yōu)度Tab.2 Fitting relation between moisture content &DP and characteristic parameter of condition assessment

3.4 測(cè)試溫度對(duì)老化油浸漬絕緣紙板C＊的影響

測(cè)試溫度是影響介電響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的重要因素。由于我國(guó)幅員遼闊，變壓器的介電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果會(huì)隨著早晚、天氣、季節(jié)的變化而變化[19]，如不考慮測(cè)試溫度對(duì)頻域介電響應(yīng)的影響，油紙絕緣的評(píng)估結(jié)果往往與其真實(shí)狀態(tài)不符，而且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，往往不能精確地控制測(cè)試溫度，因此，需進(jìn)一步深入研究測(cè)試溫度對(duì) C*頻域譜的影響[20]。

圖9 不同測(cè)量溫度下油浸絕緣紙板的C*頻域譜Fig.9 C* spectroscopy of oil-impregnated pressboard at different measuring temperature

圖9 給出了老化50 天（DP=650）且含水量為0.52%的油浸漬絕緣紙板在30℃、50℃、70℃、90℃下的C*頻域譜。由圖9 可以看出，隨測(cè)試溫度升高，C′ 在10-3～100Hz 之間內(nèi)逐漸增大且隨溫度升高向高頻方向移動(dòng)；而C″在10-3～102Hz 之間也存在類似規(guī)律。

國(guó)內(nèi)學(xué)者廖瑞金等[11]研究了測(cè)試溫度對(duì)老化后油紙絕緣樣品頻域介電譜的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)油紙絕緣樣品老化后，不同測(cè)試溫度下的頻域介電譜可以延頻率軸水平方向移動(dòng)到一條參考主曲線上，從而消除測(cè)試溫度對(duì)頻域介電譜的影響，文獻(xiàn)[21]將此法描述為“FDS 曲線頻率平移法”。文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果表明：該方法對(duì)厚度為0.3mm 且DP=880 的纖維素絕緣紙板是有效的。遺憾的是，該文獻(xiàn)并未提及該方法對(duì)更厚的以及老化程度更為嚴(yán)重的纖維素絕緣紙板是否仍然有效。為了驗(yàn)證該方法的普適性，從而更好的將FDS 技術(shù)應(yīng)用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估，在本次實(shí)驗(yàn)中，筆者發(fā)現(xiàn)，老化50 天（DP=650）且厚度為1mm 的油浸漬絕緣紙板在不同測(cè)試溫度下的 C*頻域譜曲線也可平移到一條參考主曲線上。本文選取30℃為參考溫度Tref，定義此測(cè)試溫度下的C*頻域譜作為主曲線S1，將50℃、70℃和90℃下的C*頻域譜延頻率軸水平方向向左移動(dòng)，使得四個(gè)溫度下的C*頻域譜曲線基本重合，最終形成一條新的C*主頻域譜曲線S2。為了將某個(gè)測(cè)試溫度T 下的C*曲線通過“FDS 曲線頻率平移”方法最終形成主曲線S2，本文引入了“頻溫平移因子”αT的概念[11,21-23]，即

式中，fT為測(cè)試溫度T 下C*頻域譜曲線上某點(diǎn)平移前對(duì)應(yīng)的頻率；fref為平移后該點(diǎn)在C*主頻域譜S2上對(duì)應(yīng)的頻率。下面以C′頻域譜曲線為例推導(dǎo)αT的過程（C″頻域譜曲線的αT推導(dǎo)過程類似，這里不再贅述），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9a 中的C′數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到50℃、70℃和90℃下對(duì)應(yīng)的頻溫平移因子分別為α50=2.41、α70=9.13，α90=36.44。不同溫度的C′頻域譜平移后的主曲線如圖10 所示?？梢钥闯?，主曲線S2的頻率范圍由10-3～103Hz 擴(kuò)展到了10-5～103Hz，因此，通過FDS 曲線頻率平移方法可以獲得C*頻域譜更為低頻的信息。

圖10 C′主曲線Fig.10 Master curve of C′

將αT和測(cè)試溫度進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，二者具有擬合優(yōu)度非常高的指數(shù)關(guān)系。圖11 給出了被測(cè)樣品的αT和測(cè)試溫度的擬合曲線?？梢钥闯觯瑢?duì)于DP=650且厚度為1mm 的測(cè)試樣品，根據(jù)圖11 中的擬合關(guān)系可得到任意溫度下的αT，即可以將任意測(cè)量溫度下的C*頻域譜歸算到同一參考溫度下，從而消除測(cè)試溫度對(duì)C*頻域譜的影響。

圖11 頻溫平移因子αT與溫度T 的關(guān)系Fig.11 Relation between αTand temperature T

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備了不同含水量、不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品并測(cè)試了其復(fù)電容C*圖譜，研究了利用復(fù)電容虛部—C″區(qū)分水分和老化對(duì) C*頻域譜影響的方法，所得結(jié)論如下：

（1）提出了采用特征頻率處所對(duì)應(yīng)的C″值作為評(píng)估油紙絕緣含水量和老化狀態(tài)的特征量，選取f=10-3、f=10-2、f=10-1、f=100、f=101做為特征頻率點(diǎn)，建立了聚合度以及含水量與C″值的擬合關(guān)系。

（2）測(cè)試溫度對(duì)老化油浸漬絕緣紙板C*頻域譜的測(cè)試結(jié)果有著非常大的影響，筆者通過引入“FDS曲線頻率平移”方法將老化50 天（DP=650）且厚度為1mm 的油浸漬絕緣紙板在不同測(cè)試溫度下的C*頻域譜曲線平移到一個(gè)參考溫度下，消除了測(cè)試溫度對(duì)油浸漬絕緣紙板C*頻域譜的影響，進(jìn)而驗(yàn)證了“FDS 曲線頻率平移”方法的普適性。

（3）需要指出的是：鑒于由于同一測(cè)試對(duì)象的αT與測(cè)試溫度的擬合公式的擬合優(yōu)度不可能達(dá)到100%，再加上儀器本身的測(cè)試精度，四條曲線為離散點(diǎn)擬合出的曲線不能達(dá)到完全重合。特別是高頻段重合率稍低（見圖10），但是，這并不影響特征量評(píng)估油紙絕緣的含水量與老化狀態(tài)。因此，應(yīng)用“FDS 曲線頻率平移法”基本上可以消除測(cè)試溫度對(duì)老化油紙絕緣樣品FDS 測(cè)試結(jié)果的影響。這為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估變壓器油紙絕緣的狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

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