基于頻域介損積分譜分析變壓器油紙絕緣狀態(tài)的研究

張濤 劉雅琴 楊文雁 張陳 任喬林 肖灑

摘?要：頻域介電譜（FDS）與水分含量的映射關(guān)系能有效評(píng)估油紙絕緣狀態(tài)，為了直接利用頻域介電特征量評(píng)估絕緣老化和受潮的方法，提出在特征頻域段內(nèi)采用介損積分值作為絕緣狀態(tài)評(píng)估的特征參量，并實(shí)驗(yàn)研究了不同絕緣老化和受潮程度對(duì)頻域介電譜和頻域介損積分譜影響及其變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：在10-3～102Hz范圍內(nèi)相對(duì)于頻域介損，頻域介損積分譜對(duì)油紙絕緣老化和受潮更為敏感，隨著油紙絕緣老化程度和絕緣受潮的增大，介損積分均呈上升趨勢，且曲線具有飽和值，該介損積分值可以量化評(píng)估油紙絕緣的狀態(tài);與絕緣老化相比，在10-3～102Hz范圍內(nèi)，頻域介損積分值對(duì)絕緣紙的受潮更為敏感，其頻域介損積分值更大。因此，提出的頻域介損積分譜法為量化評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)提供新的研究思路。

關(guān)鍵詞：頻域介電譜;特征參量;頻域介損積分譜;變壓器;油紙絕緣

中圖分類號(hào)：TM 41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）07-0072-07

Abstract：The state of oilpaper insulation can be effectively assessed by the mapping relationship between the frequency domain spectrum and the moisture content. In order to directly use frequency domain dielectric characteristics to assesse insulation aging and dampness， the dielectric loss integral value was proposed as the characteristic parameter of insulation condition assessment in characteristic frequency domain. The effects of different insulation aging and dampness on dielectric spectrum in frequency domain and dielectric loss integral spectrum in frequency domain and its variation law were studied experimentally.Results show that in 10-3～102 Hz， the frequency domain spectrum of Stanδ than the frequency domain spectrum of tanδ is more sensitive in the change of aging state and moisture content， with the increase of aging degree and moisture content of oilpaper insulation， the dielectric loss integral tends to increase， and the curve has saturation value， which can quantitatively evaluate the state of oilpaper insulation. Compared with insulation aging， the dielectric loss integral value in frequency domain is more sensitive to moisture content of insulating paper in the range of 10-3～102 Hz， and its dielectric loss integral value in frequency domain is larger. Therefore， the proposed frequency domain dielectric loss integral spectrum method provides a new research idea for quantitative evaluation of transformer insulation state.

Keywords：frequency domain dielectric spectroscopy; characteristic parameter; the integral of FDS; transformer; oilpaper insulation

0?引?言

電力變壓器作為電能傳輸和分配的核心和樞紐設(shè)備，其絕緣狀態(tài)的好壞直接影響到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行[1]。變壓器是油紙組合絕緣系統(tǒng)，在長期不間斷的運(yùn)行中，易受電、熱、水分和機(jī)械振動(dòng)等多種應(yīng)力的作用[2-3]，引起絕緣材料的受潮和老化，進(jìn)而導(dǎo)致油紙絕緣微觀結(jié)構(gòu)及極化、損耗特性發(fā)生改變。因此，通過測量油紙絕緣系統(tǒng)的介電響應(yīng)特性的變化，可以評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)[4]。介質(zhì)響應(yīng)法作為一種油紙絕緣老化診斷的無損電氣測量方法，具有測試方便，可現(xiàn)場測量等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)施加電壓源的不同可分為時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)測量方法和頻域介質(zhì)響應(yīng)測量方法，其中時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)測量方法主要有回復(fù)電壓法（recovery voltage measurement，RVM）[5-6]、極化去極化電流法（polarization and depolarization current，PDC）[7]，頻域介質(zhì)響應(yīng)法主要有頻域介電譜法（frequency domain spectroscopy，F(xiàn)DS）[8-11]。

頻域介電譜法能通過測量油紙絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)、復(fù)電容和復(fù)介電常數(shù)等特征量在低壓交變電場下隨頻率變化的規(guī)律來評(píng)估其絕緣狀態(tài)[7]。研究表明，頻域介電特征量不同頻率段包含著絕緣油、紙的不同信息，通過分析曲線各段的變化規(guī)律，建立曲線各段與油紙絕緣系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系，可用于診斷變壓器的油紙絕緣狀態(tài)。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頻域介電譜法開展了大量的研究，如文獻(xiàn)[8]研究絕緣老化對(duì)頻域介電譜特征量的影響，研究表明隨著熱老化時(shí)間的增大，相對(duì)介電常數(shù)的虛部隨之增大，介損也越大，且在低頻段具有最大值。文獻(xiàn)[9]研究了水分含量對(duì)頻域介電譜的影響，研究表明復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部隨著水分含量的增大而增加，與老化類似，復(fù)介電常數(shù)虛部在低頻段會(huì)出現(xiàn)損耗峰。文獻(xiàn)[10]提出在特征頻域段內(nèi)采用復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部積分和虛部積分作為絕緣紙板水分含量評(píng)估的特征參量，建立了頻域介電特征參量與絕緣紙板水分含量的函數(shù)關(guān)系[10]。但上述研究均基于頻域介電譜與水分含量的映射關(guān)系評(píng)估油紙絕緣的狀態(tài)，缺乏直接利用頻域介電特征量評(píng)估絕緣老化和受潮的方法。

為應(yīng)用頻域介電譜法定量評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)，本文對(duì)頻域介電譜的介損值進(jìn)行積分，得到不同頻率下的介損積分值（Stanδ），并實(shí)驗(yàn)研究了Stanδ作隨頻率變化的規(guī)律，提出利用頻域介損積分譜評(píng)估油紙絕緣狀態(tài)的新方法。

1?FDS測試

1.1?FDS測試原理

頻域介電譜法是在特征頻域內(nèi)研究絕緣介質(zhì)極化和損耗的方法，其測量電路如圖1所示。

圖1中的絕緣等值電路為擴(kuò)展德拜模型等值電路，每組RC支路代表不同的弛豫過程，能有效模擬油紙絕緣的介質(zhì)響應(yīng)特性。其中Rg為油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣電阻;C0為幾何電容;Rpn、Cpn為不同弛豫時(shí)間的電阻值和電容值。當(dāng)給電極外施交流電壓時(shí)，通過絕緣介質(zhì)的電流[11]可表示為

根據(jù)式（2）和式（3）可計(jì)算得到不同頻率下的復(fù)電容和介損等特征量[11]，這些特征量隨頻率變化的函數(shù)曲線，即為頻域介電譜。

1.2?介損積分頻域譜

頻域介電譜法常以水分含量和電導(dǎo)率為估計(jì)參量對(duì)變壓器油紙絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，通過測量的FDS曲線與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，估計(jì)油紙絕緣的水分含量，并將其做為評(píng)判絕緣狀態(tài)的重要依據(jù)。由于在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)擬合曲線與實(shí)際曲線不一致的情況，此時(shí)無法用頻域介電譜準(zhǔn)確分析其水分含量。為此，本文提出利用特征頻域段內(nèi)的介損積分值作為絕緣狀態(tài)評(píng)估的特征參量。

本文定義的介損積分值是指以最大頻率（f=103 Hz）為基準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)頻率點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間構(gòu)成不同頻率段內(nèi)的介損曲線所圍面積。獲得不同頻率段內(nèi)的介損積分值，將不同頻率點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的介損積分值擬合成一條隨頻率變化的曲線，則稱為頻域介損積分譜。具體積分步驟如下：

對(duì)頻域介電譜中的頻率段[fmin，fmax]等分為n個(gè)頻率點(diǎn)fn（n≥1）。

式中n→+∞時(shí)，Stanδn越接近實(shí)際面積，fmax為測量的頻域范圍的最大值，函數(shù)φ（tanδn）的值既考慮了介損又考慮了頻率特征，使得結(jié)果更能有效的反映出實(shí)際的絕緣狀態(tài)。由此可見，介損積分值Stanδn的物理意義為頻段內(nèi)的介損值乘以頻率差，與某一點(diǎn)頻率下的介損值相比，頻域介損積分譜能反映某一頻域段的介損累計(jì)值，可有效地反映油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。

利用頻域介電譜測量儀IDAX300對(duì)油紙絕緣試品進(jìn)行FDS測試，將測量數(shù)據(jù)參數(shù)化擴(kuò)展德拜等值電路模型[12-14]，采用文獻(xiàn)[15]所用的方法辨識(shí)等值電路參數(shù)，用介質(zhì)響應(yīng)等值電路參數(shù)模擬函數(shù)φ的表達(dá)式，即式（3）。

按式（4）計(jì)算介損積分值，將n個(gè)頻率與其對(duì)應(yīng)的介損積分值擬合成一條介損積分隨頻率變化的函數(shù)曲線，即為頻域介損積分譜。通過上述積分方法得到的頻域介損積分譜如圖3所示。

由圖3可見，頻域介損積分譜能反映某一頻域段的介損累計(jì)值，其變化規(guī)律包含了某一頻率段內(nèi)介損累積值和頻率兩種特性，相比于頻域介電譜僅是反映某一頻率處的介損值，使得頻域介損積分譜攜帶了更多的油紙絕緣老化狀態(tài)信息，且其曲線具有飽和特性，該飽和值更適合作為診斷特征量，能更好地反映油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。

2?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了獲得頻域介損積分譜隨絕緣老化和受潮的變化規(guī)律，本文開展了油紙絕緣老化和受潮對(duì)該特征量影響的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)材料選擇長城牌25號(hào)變壓器絕緣油，厚度0.5 mm的普通絕緣紙。

2.1?不同老化程度油紙的制備

首先將厚度為0.5 mm的絕緣紙加工成直徑130 mm的圓板，每5張1組，準(zhǔn)備3組;然后置于溫度為120 ℃的干燥箱中干燥6 h后取出，放入空氣中吸潮至含水量為2%時(shí)，放入3組直徑為200 mm的器皿中，將新的長城牌25號(hào)變壓器絕緣油注入3組器皿中，油紙比例約為20∶1，對(duì)容器進(jìn)行密封，得到3組試驗(yàn)樣品;最后將3組油紙?jiān)嚻贩謩e放入溫控精度為0.01 ℃、溫度設(shè)置為130 ℃的恒溫老化箱中進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，并按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行取樣[16]。本文設(shè)置老化時(shí)間分別為35 d、49 d和63 d。加速老化期間，每隔一定時(shí)間就取出1份試品冷卻到30 ℃，進(jìn)行相同試驗(yàn)溫度下試品不同老化程度的FDS測試。老化試品制備流程圖如圖4所示。

2.2?不同含水量的絕緣紙的制備

由于實(shí)際變壓器中含水率一般小于5%，因此試驗(yàn)樣本也必須小于該值。初步設(shè)計(jì)的絕緣紙含水率分別為1%，3%，3.7%。首先將3組絕緣紙放置在120℃的干燥箱中持續(xù)干燥6 h，再放入空氣中進(jìn)行吸潮，使絕緣紙分別含有1%（干燥紙）、3%、3.7%的水分，然后將三組絕緣紙放入初始狀態(tài)相同的新油中組成油紙絕緣試品。在恒溫30 ℃下進(jìn)行相同試驗(yàn)溫度下試品水分含量的FDS測試[17]。不同含水量試品制備流程圖如圖5所示。

2.3?實(shí)驗(yàn)測量及介損積分頻域譜的計(jì)算步驟

為便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際測試，設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)測量裝置，包括頻域介電譜測試儀IDAX300、三電極測量系統(tǒng)、恒溫箱、高壓控制開關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸線和PC機(jī)。圖6中：H表示電壓施加端，L表示電流測量端，G表示接地端。

實(shí)驗(yàn)的測試頻率范圍為0.1 m～1 kHz，測試溫度為恒溫30 ℃，測試電壓為140 V，通過上述測量系統(tǒng)獲得FDS的測量數(shù)據(jù)，然后按圖7所示計(jì)算步驟獲取頻域介損積分譜。

3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1?絕緣老化對(duì)頻域介電特征量的影響

本文按老化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)制備了老化時(shí)間分別為35 d、49 d和63 d 3組樣品。對(duì)3組試品分別進(jìn)行FDS測量，得到試品在不同老化時(shí)間下的頻域介電譜如圖8所示。由圖8可見，在10-2～103Hz范圍內(nèi)，隨老化時(shí)間的增加，tanδ隨之增大，表明隨著絕緣的老化，介質(zhì)的極化損耗和電導(dǎo)損耗顯著增加，頻域介電譜曲線的變化反映了絕緣性能的下降;曲線在10 Hz左右出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但該特征并不顯著，仍需通過曲線擬合估計(jì)水分含量來評(píng)估其絕緣狀態(tài);在10-4～10-2 Hz范圍內(nèi)，頻域介電譜的數(shù)值比較接近，且易受溫度、電磁干擾等周圍環(huán)境因數(shù)的影響，也不利于利用該部分特征值進(jìn)行絕緣狀態(tài)的診斷。

為了獲得更好的診斷規(guī)律，本文根據(jù)圖7所示的計(jì)算方法，對(duì)介損曲線進(jìn)行積分，得到頻域介損積分譜，如圖9所示。

由圖9可見，介損積分值隨頻率的減小先增加后趨于穩(wěn)定。這是由于積分值為介損乘以頻率差，在高頻段，介質(zhì)極化并不充分，介損值較低，且頻率差也較小，因此介損積分值較小;隨著頻率的減小，導(dǎo)致電源有充分的時(shí)間對(duì)絕緣介質(zhì)進(jìn)行極化，介質(zhì)損耗值較大，且頻段差值也在增大，因此其介損積分值逐漸增大。當(dāng)頻率增大到100 Hz時(shí)，兩者的乘積基本維持恒定，即在10-3～102 Hz范圍內(nèi)，Stanδ趨于飽和值。該值能較好的用于區(qū)分絕緣狀態(tài)的變化，同頻率下，隨老化程度的增加介損積分值Stanδ增大。對(duì)比tanδ與Stanδ的頻域譜可知，該特征量更易于評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。

3.2?水分含量對(duì)頻域介電特征量的影響

絕緣紙板在老化中會(huì)產(chǎn)生水分，水分子不僅易于離解為導(dǎo)電的離子，而且還是一種強(qiáng)極性分子，對(duì)油紙絕緣極化和損耗特性有較大影響[18-19]。為研究水分對(duì)頻域特征量的影響，本實(shí)驗(yàn)選取3組不同受潮程度的絕緣樣品，3組絕緣紙的水分含量分別為1%、3%、3.7%的，然后將3組絕緣紙分別放入相同的絕緣油中，進(jìn)行FDS測試，得到試品在不同水分含量下的頻域介電譜如圖10所示。

由圖10可見，同頻率下，油紙絕緣的介損值隨水分含量的增加而增大，在1～103 Hz范圍內(nèi)，介損頻域譜的變化規(guī)律不明顯，不易得到不同水分含量與介損頻域譜變化的關(guān)系，從而無法準(zhǔn)確的評(píng)估出油紙絕緣系統(tǒng)中的水分含量。

本文通過對(duì)介損曲線進(jìn)行積分，得到頻域介損積分譜如圖11所示。

由圖11可見，介損積分值的變化規(guī)律與老化具有類似的特性，隨頻率的減小先增加后趨于穩(wěn)定。在10-4～102 Hz范圍內(nèi)，Stanδ趨于飽和值，同一頻率下的介損積分值隨著水分含量的增大而增加，水分含量越高，油紙絕緣的電導(dǎo)率越大，電導(dǎo)損耗隨之變大;且頻率越低，極化損耗越大，導(dǎo)致介損積分值增大。

基于上述分析可見，相比頻域介電譜，在10-4～102Hz范圍內(nèi)的頻域介損積分值趨于飽和值，頻域介損積分譜更能直觀反映出油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣紙水分含量的變化規(guī)律，因此，頻域介損積分譜能有效評(píng)估變壓器的油紙絕緣狀態(tài)。

4?結(jié)?論

本文提出了利用頻域介損積分譜診斷油紙絕緣狀態(tài)的方法，實(shí)驗(yàn)研究了不同老化程度和不同水分含量的頻域介損積分譜的變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）頻域介損積分值包含了某一頻率段內(nèi)介損累積值，與頻域介電譜相比，包含了更多的油紙絕緣老化狀態(tài)信息，且其曲線具有飽和特性，該飽和值更適合作為診斷特征量，能更好地反映油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。

2）在10-3～102 Hz范圍內(nèi)，頻域介損積分值Stanδ，隨著油紙絕緣老化程度和絕緣受潮的增大，介損積分均呈上升趨勢，且Stanδ趨于一個(gè)飽和值;Stanδ可以作為評(píng)估絕緣紙水分含量的特征新參量。

3）老化和受潮對(duì)頻域介損積分譜的影響特性有顯著差別，與絕緣老化相比，在10-3～102Hz范圍內(nèi)，頻域介損積分值Stanδ對(duì)絕緣紙的受潮更為敏感，其頻域介損積分值更大。

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（編輯：劉素菊）