受潮對(duì)硅油浸漬絕緣紙的頻域介電性能影響

周利軍 黎枝鑫 廖 維 張 俊 王東陽

受潮對(duì)硅油浸漬絕緣紙的頻域介電性能影響

周利軍 黎枝鑫 廖 維 張 俊 王東陽

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

硅油作為礦物油潛在的替代品，已經(jīng)廣泛運(yùn)用在變壓器等油浸式電力設(shè)備當(dāng)中。為了研究受潮對(duì)硅油浸漬絕緣紙頻域介電性能的影響，該文首先通過理論推導(dǎo)提出了一種介電響應(yīng)測(cè)試中電導(dǎo)損耗和極化損耗的分離方法；然后制備了不同水分含量的硅油浸漬絕緣紙樣品，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的電導(dǎo)損耗和極化損耗進(jìn)行了分離，并討論了水分含量對(duì)介電響應(yīng)過程的影響規(guī)律；最后通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行HN（Havriliak-Negami）模型參數(shù)辨識(shí)，提取了介電特征量與水分含量之間的映射關(guān)系。研究結(jié)果表明：不同水分含量硅油浸漬絕緣紙極化損耗曲線均存在損耗峰，隨水分含量增加，損耗峰的頻段逐漸變寬，且向高頻方向移動(dòng)；所提電導(dǎo)損耗和極化損耗分離方法能夠顯著提高HN模型數(shù)據(jù)重構(gòu)精度；介電馳豫強(qiáng)度De、積分特征量1、2和水分含量之間滿足的函數(shù)關(guān)系可以為硅油浸漬絕緣紙水分含量評(píng)估提供參考。

硅油浸漬絕緣紙 水分 頻域介電譜 復(fù)介電常數(shù)虛部分離 Havriliak-Negami模型

0 引言

高電壓、大容量的油浸式變壓器作為電能變換的核心部件，其油紙絕緣性能的優(yōu)劣直接決定了變壓器的可靠運(yùn)行。目前，廣泛用于變壓器中的絕緣油主要為礦物油，它存在閃點(diǎn)低、生物降解率差、對(duì)環(huán)境有很大污染等弊端，而硅油閃點(diǎn)、燃點(diǎn)高，且能夠自然降解，有望替代礦物油充當(dāng)設(shè)備絕緣介質(zhì)[1]，目前已在牽引變壓器[2]、高壓電纜終端中得到大量應(yīng)用[3-4]。絕緣受潮是影響變壓器絕緣性能的一個(gè)重要因素，水分作為油紙絕緣系統(tǒng)的“頭號(hào)威脅”，不僅會(huì)降低絕緣強(qiáng)度，還會(huì)加速絕緣系統(tǒng)劣 化[5-6]，因此研究水分對(duì)硅油浸漬絕緣紙介電性能的影響具有非常重要的意義。

硅油的分子結(jié)構(gòu)是聚二甲基硅氧烷[7]，它的分子主鏈由硅氧原子組成，與硅相連的側(cè)基為甲基。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)，和礦物油相比，硅油表現(xiàn)出良好的電氣特性和熱穩(wěn)定性，在25℃、50℃、75℃、90℃、100℃時(shí)介質(zhì)損耗角更小，并且受溫度變化的影響更小。日本日立公司研究人員發(fā)現(xiàn)，硅油具有更好的阻燃性、耐熱性、電氣性能以及更好的化學(xué)惰性和可回收性[7]。并且發(fā)現(xiàn)硅油紙的擊穿電壓要高于礦物油紙[9]。因?yàn)榻^緣紙是由多條纖維素鏈通過復(fù)雜的纏繞、交織而構(gòu)成的多孔電介質(zhì)材料[10]，絕緣油性能很大程度影響油浸漬絕緣紙性能。由于硅油同礦物油在分子結(jié)構(gòu)、擊穿電壓、介電性能、熱穩(wěn)定性等方面存在顯著差異，因此礦物油紙的現(xiàn)有水分含量研究成果可為硅油紙研究提供參考，但不能直接應(yīng)用于硅油浸漬絕緣紙的水分含量評(píng)估。

基于介電響應(yīng)理論的頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）因?yàn)槠涫┘与妷旱?、測(cè)試無損性、攜帶信息豐富等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于變壓器油紙絕緣受潮狀態(tài)評(píng)估[11-12]。許多研究學(xué)者嘗試使用介電響應(yīng)模型如擴(kuò)展Debye模型、Havriliak- Negami模型、Davidson-Cole模型、Cole-Cole模型解析頻域介電響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)[13-18]，并進(jìn)一步提取對(duì)水分敏感的特征參量。模型參數(shù)的求解是研究模型特征參量的前提，為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)識(shí)別精度，目前主流解決方式有：①使用尋優(yōu)能力強(qiáng)的優(yōu)化算法進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)；②改進(jìn)現(xiàn)有模型使其更適應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。例如，重慶大學(xué)學(xué)者提出了一種融合遺傳算法與Levenberg-Marquardt算法的方法進(jìn)行擴(kuò)展Debye模型參數(shù)辨識(shí)，有效地解決了擴(kuò)展Debye模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)重構(gòu)匹配度差的問題[15]，引入了修正Cole-Cole模型提取油紙絕緣頻域特征參量，并研究了水分含量與特征參量的變化規(guī)律[16]。西安交通大學(xué)學(xué)者將修正HN模型引入納米改性變壓器油研究中，發(fā)現(xiàn)擬合曲線和實(shí)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性[17]。三峽大學(xué)學(xué)者引入了考慮直流電導(dǎo)率和跳躍電導(dǎo)率的改進(jìn)Davidson-Cole模型并選用混合蛙跳算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)[18]。

研究發(fā)現(xiàn)，介電響應(yīng)測(cè)試過程中損耗部分主要包括電導(dǎo)損耗與極化損耗，而經(jīng)典介電弛豫模型中未考慮電導(dǎo)損耗，因此為了進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)識(shí)別精度，更好地研究受潮對(duì)硅油浸漬絕緣紙的頻域介電性能影響，本文首先通過理論推導(dǎo)提出了一種介電響應(yīng)測(cè)試中電導(dǎo)損耗和極化損耗的分離方法，然后制備了不同水分含量的硅油浸漬絕緣紙樣品，分析測(cè)試結(jié)果并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的電導(dǎo)損耗和極化損耗進(jìn)行了分離，討論了水分含量對(duì)電導(dǎo)損耗和極化損耗的影響規(guī)律，最后通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行HN模型參數(shù)辨識(shí)，提取了介電特征量與水分含量之間的映射關(guān)系，為硅油浸漬絕緣紙水分含量的評(píng)估提供參考。

1 電導(dǎo)損耗與極化損耗分離方法

1.1 理論分析與推導(dǎo)

當(dāng)對(duì)電介質(zhì)兩端施加一個(gè)頻率為的交流電壓時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部會(huì)發(fā)生電導(dǎo)和極化兩個(gè)響應(yīng)過程。電介質(zhì)內(nèi)部的損耗主要由三個(gè)響應(yīng)過程決定[19]： ①介質(zhì)中載流子的傳播；②偶極子的微觀轉(zhuǎn)動(dòng)；③材料微觀界面以及電極界面的電荷積累。載流子的傳播構(gòu)成了介質(zhì)內(nèi)的電導(dǎo)過程，偶極子極化和界面電荷的累積構(gòu)成了介質(zhì)內(nèi)的極化過程，電介質(zhì)的三個(gè)主要響應(yīng)過程如圖1所示。

圖1 材料的介電響應(yīng)過程

復(fù)介電常數(shù)虛部用來表示上述介電響應(yīng)過程中的介質(zhì)損耗，表征電介質(zhì)的極化和電導(dǎo)損耗之 和[17, 20]，有

電導(dǎo)過程和極化過程的表達(dá)式[21-23]分別為

將式（3）表示的復(fù)介電常數(shù)極化過程的實(shí)部和虛部分離后，可以得到頻域介電響應(yīng)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的HN模型，有

其中

式（4）、式（5）所示的HN模型考慮的主要是介質(zhì)內(nèi)部的極化過程[23]，電導(dǎo)過程對(duì)介電常數(shù)虛部的貢獻(xiàn)并未考慮在內(nèi)，而實(shí)測(cè)的復(fù)介電常數(shù)虛部包含了電導(dǎo)過程損耗，這使得式（4）、式（5）應(yīng)用于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)較大的誤差。當(dāng)不考慮電導(dǎo)損耗時(shí)，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部分別表征極化強(qiáng)度和極化損耗的大小，兩個(gè)參量屬于描述同一個(gè)物理過程的兩種不同表現(xiàn)形式，二者具有定量的關(guān)系式，即Kramers-Kroning色散公式[17, 20]。

由式（1）、式（2）可知，介質(zhì)中電導(dǎo)過程僅影響復(fù)介電常數(shù)虛部，因此式（4）可用于表征介質(zhì)的極化過程。由于介質(zhì)中電導(dǎo)過程會(huì)對(duì)復(fù)介電常數(shù)虛部產(chǎn)生影響，需將電導(dǎo)和極化兩個(gè)介電響應(yīng)過程分離，根據(jù)式（4）、式（5）可得到僅包含反映極化過程的復(fù)介電常數(shù)虛部和實(shí)部的關(guān)系，有

進(jìn)一步可以得到復(fù)介電常數(shù)虛部電導(dǎo)損耗計(jì)算表達(dá)式為

1.2 電導(dǎo)和極化損耗分離方法

基于上述理論推導(dǎo)與分析，本文提出一種電導(dǎo)和極化損耗分離方法，步驟如下：

（1）針對(duì)測(cè)試得到的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部結(jié)果，基于式（4），利用灰狼優(yōu)化算法（Grey Wolf Optimizer, GWO）對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)過程詳見第1.3節(jié)，得到式（4）中相關(guān)參數(shù)。

該步驟灰狼優(yōu)化算法中用到的目標(biāo)函數(shù)1表達(dá)式為

（2）將第（1）步中辨識(shí)得到的參數(shù)代入式（7），計(jì)算得到極化損耗數(shù)據(jù)，計(jì)算式為

1.3 基于灰狼優(yōu)化算法的HN模型參數(shù)辨識(shí)

GWO算法是由學(xué)者Seyedali Mirjalili在2014年所提出的一種群智能優(yōu)化算法，該算法受到自然界中灰狼捕食獵物的活動(dòng)啟發(fā)，由于其較強(qiáng)的收斂能力、參數(shù)少、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[24-26]。GWO中的每一匹狼代表優(yōu)化問題的每一個(gè)可能解，每一匹狼有兩個(gè)屬性，分別為個(gè)體的位置和適應(yīng)度。狼群嚴(yán)格遵守著一個(gè)社會(huì)支配關(guān)系，狼群由a、b、c、d四種狼構(gòu)成，其中a、b、c分別為狼群中適應(yīng)度值排第一、第二、第三的三匹狼，負(fù)責(zé)指揮狼群的捕食過程，剩余灰狼的種類為d。每一次迭代過程更新狼群位置和適應(yīng)度，直到滿足迭代次數(shù)或者滿足停止條件，算法停止，輸出參數(shù)最優(yōu)解，算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 灰狼優(yōu)化算法流程

2 實(shí)驗(yàn)材料處理及實(shí)驗(yàn)

油紙絕緣頻域介電譜實(shí)驗(yàn)采用OMICRON公司的DIRANA介電響應(yīng)分析儀，測(cè)試頻段為1mHz～1kHz，測(cè)試電壓為200V，為了避免溫度和環(huán)境中水分對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，將測(cè)試用三電極裝置放于25℃干燥箱中完成測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料處理流程

圖4 硅油紙樣品頻域介電譜測(cè)試示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及處理分析

3.1 不同水分含量硅油紙樣品頻域介電譜曲線

不同水分含量下硅油浸漬絕緣紙?jiān)嚇拥念l域介電譜測(cè)試曲線如圖5所示。從圖中可以看出，在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部均隨著頻率的升高而逐漸下降，這是因?yàn)殡S著頻率的升高，電介質(zhì)極化過程中極化時(shí)間長的非瞬時(shí)極化強(qiáng)度逐漸下降，并且電導(dǎo)損耗隨著頻率上升也會(huì)減小，因而表征電介質(zhì)極化強(qiáng)度的介電常數(shù)實(shí)部以及表征電介質(zhì)極化損耗的介電常數(shù)虛部都逐漸減小。

圖5 不同水分含量下硅油浸漬絕緣紙?jiān)嚇拥念l域介電譜測(cè)試曲線

由式（2）可知，電導(dǎo)損耗和頻率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下是呈斜率為-1的線性函數(shù)關(guān)系的，從圖5b可以看出，水分含量為0.52%、1.05%、1.96%、3.06%的樣品曲線在10Hz之前都近似具有上述函數(shù)特性特點(diǎn)，說明在該區(qū)域這4個(gè)水分含量樣品電導(dǎo)損耗對(duì)介電常數(shù)虛部主曲線是起主導(dǎo)作用的。4.03%、5.51%含水量的樣品介電常數(shù)虛部曲線在0.1～10Hz附近隨著頻率的上升下降速度變慢，說明在此處存在著明顯的極化損耗，并且極化損耗已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，在0.1～10Hz頻段，這兩個(gè)樣品電導(dǎo)損耗對(duì)介電常數(shù)虛部主曲線的影響已經(jīng)弱于極化損耗，若要定量描述圖中曲線下降變緩速率，可以計(jì)算上述區(qū)域的曲線斜率，通過斜率變化規(guī)律描述。

3.2 不同水分硅油紙樣品電導(dǎo)和極化損耗分析

由于電導(dǎo)損耗在高頻段數(shù)值較小，而占極化損耗大部分的非瞬時(shí)極化損耗因?yàn)楦簧想妶?chǎng)的變化，在高頻段取值也較小，復(fù)介電常數(shù)虛部實(shí)測(cè)值在高頻段已經(jīng)下降到較低值，本文所提方法的計(jì)算誤差在虛部高頻段的比重逐漸增加，計(jì)算誤差對(duì)于電導(dǎo)和極化損耗分析的影響不可避免，因此本文所提介電常數(shù)虛部電導(dǎo)損耗和極化損耗分離方法主要考慮低頻段。由3.1節(jié)分析可知，6組不同水分含量的虛部測(cè)試數(shù)據(jù)中，4.03%和5.51%水分含量的硅油紙樣品在0.1～10Hz頻率段內(nèi)，極化損耗已經(jīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)復(fù)介電常數(shù)虛部數(shù)據(jù)進(jìn)行極化損耗和電導(dǎo)損耗分離，得到了虛部的極化損耗和電導(dǎo)損耗曲線如圖6所示。而由圖6a可知，極化損耗曲線隨著水分含量增加逐漸向高頻方向移動(dòng)，說明水分含量越大的樣品，其極化損耗下降到較低水平時(shí)的頻率越大，為了既能最大程度地反映頻域介電響應(yīng)數(shù)據(jù)中的極化部分所包含的信息，又能減小高頻段計(jì)算誤差對(duì)分析的影響，選取水分含量為5.51%的樣品復(fù)介電常數(shù)虛部實(shí)測(cè)曲線下降變緩結(jié)束的頻率點(diǎn)作為分析的上限頻率，因此本文研究頻率范圍定為0.001～10Hz。

圖6 復(fù)介電常數(shù)虛部極化損耗和電導(dǎo)損耗曲線

由圖6a可知，極化損耗曲線隨著水分含量增加逐漸向高頻方向移動(dòng)，所有樣品極化損耗在低頻段均出現(xiàn)了損耗峰，隨著水分含量的增大，損耗峰的頻段逐漸變寬。由圖6分析圖5b水分含量為4.03%和5.51%的硅油紙絕緣試樣虛部實(shí)測(cè)曲線下降變緩的現(xiàn)象，這是因?yàn)閷?shí)測(cè)值中低頻部分電導(dǎo)損耗占據(jù)主導(dǎo)地位，而由圖6a可以看出，由于水分是強(qiáng)極性物質(zhì)，水分含量越多的試樣由于有更多強(qiáng)極性物質(zhì)參與到極化過程中，因此中低頻的極化損耗會(huì)逐漸增加，這使得極化損耗在中低頻部分的比重增加。隨水分含量增加，極化損耗曲線對(duì)主曲線的影響逐漸凸顯出來，因此圖5b出現(xiàn)了明顯的下降變緩現(xiàn)象。

由圖6b可知，介電常數(shù)虛部的電導(dǎo)損耗曲線隨頻率升高逐漸下降，這和式（2）所描述的電導(dǎo)損耗過程一致。隨著水分含量的增加，電導(dǎo)損耗曲線逐漸向高頻方向移動(dòng)。

3.3 HN模型的參數(shù)辨識(shí)效果比對(duì)

針對(duì)測(cè)試得到的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)，基于HN模型（見式（4）及式（5）），利用灰狼優(yōu)化算法進(jìn)行擬合，圖7所示為擬合結(jié)果。擬合過程中優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為2，有

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的原曲線和重構(gòu)曲線

Fig.7 The original curves and the reconstructed curves of the measured data

此外，針對(duì)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部以及分離得到的虛部的極化損耗部分，基于HN模型（見式（4）及式（5）），利用灰狼優(yōu)化算法進(jìn)行擬合，圖8所示為擬合結(jié)果。擬合過程中優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為3，有

式中，為虛部極化損耗第i個(gè)頻率點(diǎn)的計(jì)算值。

目標(biāo)函數(shù)2、3與1的具體函數(shù)形式不同，是因?yàn)?是進(jìn)行實(shí)測(cè)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部數(shù)據(jù)的參數(shù)辨識(shí)時(shí)用到，而2、3是同時(shí)對(duì)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)時(shí)用到。

圖7、圖8所示擬合曲線的相對(duì)殘差二次方和見表1，由表1可以看出，圖7擬合曲線相對(duì)殘差二次方和要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖8擬合曲線，由此可知，去除電導(dǎo)損耗后重構(gòu)數(shù)據(jù)精度要明顯優(yōu)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著水分含量增大，數(shù)據(jù)重構(gòu)精度越來越差，這是因?yàn)樗趾吭礁撸橘|(zhì)中的電導(dǎo)損耗也就越大，電導(dǎo)損耗對(duì)介電常數(shù)虛部曲線的影響也越大，因此對(duì)只表征極化損耗的HN模型參數(shù)辨識(shí)過程的影響也越顯著。由以上分析可知，本文所提的電導(dǎo)和極化損耗分離方法能夠顯著提高HN模型的參數(shù)辨識(shí)精度。

表1 擬合曲線相對(duì)殘差二次方和

Tab.1 Sum of squares of relative residuals of fitting data

在低頻段，復(fù)介電常數(shù)虛部主要由電導(dǎo)損耗主導(dǎo)[27]，因此本文所提數(shù)據(jù)分離方法有助于解決實(shí)測(cè)曲線中低頻部分中因電導(dǎo)損耗所主導(dǎo)而不能很好反映出極化損耗的問題。

3.4 水分含量對(duì)特征量影響研究

HN模型對(duì)虛部極化損耗數(shù)據(jù)和實(shí)部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果見表2。

表2 HN模型參數(shù)

Tab.2 The parameters of HN model

基于辨識(shí)得到的HN模型參數(shù)，分析了介電弛豫強(qiáng)度De和水分含量之間的關(guān)系，擬合關(guān)系如如圖9所示，關(guān)系式為

由3.2節(jié)分析和圖6可知，硅油浸漬絕緣紙極化損耗曲線、電導(dǎo)損耗曲線和水分含量之間具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，隨著水分含量增加，曲線向高頻方向移動(dòng)，因此對(duì)圖6a、圖6b曲線取積分值得到積分特征量S1、S2，水分含量和積分特征量S1、S2之間的擬合關(guān)系如圖10、圖11所示，關(guān)系式如式（15）、式（16）所示。介電馳豫強(qiáng)度De、積分特征量S1、S2和水分含量之間分別滿足式（14）～式（16）所示函數(shù)關(guān)系，該關(guān)系可為硅油浸漬絕緣紙水分含量評(píng)估提供參考。

圖10 水分含量和積分特征量S1的函數(shù)關(guān)系

圖11 水分含量和積分特征量S2的函數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

為了深入研究水分對(duì)硅油浸漬絕緣紙頻域介電性能的影響，本文提出了一種頻域介電譜測(cè)試數(shù)據(jù)極化損耗和電導(dǎo)損耗的分離方法，提取了分離得到的極化損耗、電導(dǎo)損耗曲線積分值和辨識(shí)得到的介電弛豫強(qiáng)度作為特征量，并分析了特征量和水分含量的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）所提分離復(fù)介電常數(shù)虛部電導(dǎo)損耗和極化損耗的方法能有效提高HN模型重構(gòu)數(shù)據(jù)的精度。

2）分離得到的極化損耗和電導(dǎo)損耗曲線隨水分含量增加均向高頻方向移動(dòng)，不同水分含量的極化損耗曲線均有損耗峰，并且隨著水分含量增加，損耗峰的頻段變寬。

3）提取的介電馳豫強(qiáng)度De積分特征量1、2和水分含量之間分別滿足式（14）～式（16）所示函數(shù)關(guān)系，此關(guān)系可為硅油浸漬絕緣紙水分含量評(píng)估提供參考。

[1] 鄧軍波, 曹立爽, 趙艾萱, 等. 老化及受潮下硅油紙和礦物油紙絕緣的頻域介電譜特性對(duì)比研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(21): 6418-6426.

Deng Junbo, Cao Lishuang, Zhao Aixuan, et al. Com- parative study on the frequency domain spectroscopy measurements of silicone oil-paper and mineral oil-paper insulation with different moisture and thermal aging condition[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(21): 6418-6426.

[2] 于會(huì)民, 張綺, 王會(huì)娟, 等. 電力機(jī)車牽引變壓器絕緣用油的性能對(duì)比研究[J]. 潤滑油, 2016, 31(4): 23-28.

Yu Huimin, Zhang Qi, Wang Huijuan, et al. Com- parative analysis of characteristics of insulating oils in traction transformers for electric locomotive[J]. Lubricating Oil, 2016, 31(4): 23-28.

[3] 夏俊峰, 徐曉峰, 仲偉霞, 等. XLPE高壓電纜終端用硅油性能綜合試驗(yàn)分析[J]. 電線電纜, 2013(4): 1-3.

Xia Junfeng, Xu Xiaofeng, Zhong Weixia, et al. Comprehensive study in silicone oils used in XLPE HV power cable terminals[J]. Electric Wire & Cable, 2013(4): 1-3.

[4] 張若兵, 辛鴻帥, 郭國化. 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備電纜終端絕緣硅油老化問題試驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(11): 3746-3752.

Zhang Ruobing, Xin Hongshuai, Guo Guohua. Experimental research on ageing of insulation silicone oil in cable terminal of gas insulated switchgear[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(11): 3746-3752.

[5] 楊峰, 唐超, 周渠, 等. 基于等效電路的油紙絕緣系統(tǒng)受潮狀態(tài)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4586-4596.

Yang Feng, Tang Chao, Zhou Qu, et al. Analyzing the moisture state of oil-paper insulation system using an equivalent circuital model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4586-4596.

[6] 李加才, 陳繼明, 朱明曉, 等. 油紙復(fù)合絕緣熱老化及水分影響機(jī)理的反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(9): 1999-2005.

Li Jiacai, Chen Jiming, Zhu Mingxiao, et al. A reactive molecular dynamics simulation of thermal aging process of oil-paper insulation and the influence mechanism of moisture[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1999-2005.

[7] Yamagishi A, Kojima H, Morooka H, et al. Funda- mental study of the development of a transformer with low-viscosity silicone liquid[J]. Electrical Engineering in Japan, 2008, 165(2): 21-28.

[8] Yasuda K, Arazoe S, Igarashi T, et al. Comparison of the insulation characteristics of environmentally- friendly oils[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, 17(3): 791-798.

[9] Wada J, Nakajima A, Miyahara H, et al. Surface breakdown characteristics of silicone oil for electric power apparatus[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(4): 830-837.

[10] 李先浪. 基于電介質(zhì)響應(yīng)法的油紙絕緣微水?dāng)U散特性研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2014.

[11] 鄧映鑫, 楊麗君, 燕飛東, 等. 受潮油紙絕緣的非線性介電響應(yīng)特性及H-W模型在時(shí)-頻轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4609-4619.

Deng Yingxin, Yang Lijun, Yan Feidong, et al. Nonlinear dielectric response characteristics of damp oil-impregnated pressboard insulation and application of H-W model in time-frequency conversion[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4609-4619.

[12] 范賢浩, 劉捷豐, 張鐿議, 等. 融合頻域介電譜及支持向量機(jī)的變壓器油浸紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(10): 2161-2168.

Fan Xianhao, Liu Jiefeng, Zhang Yiyi, et al. Aging evaluation of transformer oil-immersed insulation combining frequency domain spectroscopy and support vector machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2161-2168.

[13] 杜林, 冉鸝蔓, 蔚超, 等. 基于擴(kuò)展德拜模型的油紙絕緣受潮頻域特征量研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(13): 3051-3058.

Du Lin, Ran Liman, Wei Chao, et al. Study on frequency domain characteristics of moisture in oil-paper insulation based on extended Debye model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3051-3058.

[14] 劉東明, 李學(xué)寶, 頊佳宇, 等. 高壓SiC器件封裝用有機(jī)硅彈性體高溫寬頻介電特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2548-2559.

Liu Dongming, Li Xuebao, Xu Jiayu, et al. Analysis of high temperature wide band dielectric properties of organic silicone elastomer for high voltage SiC device packaging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2548-2559.

[15] 杜林, 楊峰, 蔚超, 等. 基于頻域介電譜的油紙絕緣寬頻等效模型參數(shù)辨識(shí)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(5): 1158-1166.

Du Lin, Yang Feng, Wei Chao, et al. Parameter identification of the wide-band model of oil- impregnated paper insulation using frequency domain spectroscopy[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2018, 33(5): 1158-1166.

[16] 楊麗君, 高思航, 高竣, 等. 油紙絕緣頻域介電譜的修正Cole-Cole模型特征參量提取及水分含量評(píng)估方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(10): 26-33.

Yang Lijun, Gao Sihang, Gao Jun, et al. Characteri- stic parameters extracted from modified Cole-Cole model and moisture content assessment methods study on frequency-domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2016, 31(10): 26-33.

[17] 溫福新, 董明, 任明, 等. 基于修正的Havriliak- Negami模型的SiO2納米改性變壓器油寬頻介電弛豫特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(7): 166-172.

Wen Fuxin, Dong Ming, Ren Ming, et al. The broadband dielectric relaxation properties of the transformer oil based on SiO2nanoparticles using modified Havriliak-Negami model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(7): 166- 172.

[18] 張濤, 李林多, 冉華軍, 等. 采用改進(jìn)Davidson- Cole介電模型的變壓器油紙絕緣狀態(tài)分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2019, 39(1): 192-197, 204.

Zhang Tao, Li Linduo, Ran Huajun, et al. Analysis of transformer oil paper insulation aging using improved Davidson-Cole dielectric model[J]. Electric Power Automation Equipment, 2019, 39(1): 192-197, 204.

[19] Liu Jiefeng, Fan Xianhao, Zhang Yiyi, et al. Temperature correction to dielectric modulus and activation energy prediction of oil-immersed cellulose insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Elctrical Insu- lation, 2020, 27(3): 956-963.

[20] 胡一卓, 董明, 謝佳成, 等. 空間電荷引起的油紙絕緣低頻弛豫現(xiàn)象研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(6): 2026-2037.

Hu Yizhuo, Dong Ming, Xie Jiacheng, et al. Study of low frequency domain relaxation of oil-paper insulation caused by space charge[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(6): 2026-2037.

[21] Wang Dongyang, Zhou Lijun, Li Huize, et al. Moisture estimation for oil-immersed bushing based on FDS method: at a reference temperature[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2018, 12(10): 2480-2486.

[22] 金維芳. 電介質(zhì)物理學(xué)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[23] 董明, 劉媛, 任明, 等. 油紙絕緣頻域介電譜特征參數(shù)提取及絕緣狀態(tài)相關(guān)性研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(23): 6246-6253.

Dong Ming, Liu Yuan, Ren Ming, et al. Study of characteristic parameter extraction and insulation condition correlation of frequency-domain dielectric spectroscopy for oil-paper insulation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(23): 6246-6253.

[24] Mirjalili S, Mirjalili S M, Lewis A. Grey wolf optimizer[J]. Advances in Engineering Software, 2014, 69: 46-61.

[25] 曲春輝, 孫文文, 陶思鈺, 等. 考慮電動(dòng)汽車接入的風(fēng)/光/水/儲(chǔ)靈活性資源系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究[J]. 電氣應(yīng)用, 2019, 38(1): 71-77.

[26] 龍霞飛, 楊蘋, 郭紅霞, 等. 基于KELM和多傳感器信息融合的風(fēng)電齒輪箱故障診斷[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2019, 43(17): 132-139.

Long Xiafei, Yang Ping, Guo Hongxia, et al. Fault diagnosis of wind turbine gearbox based on KELM and multi-sensor information fusion[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(17): 132-139.

[27] 董明, 劉媛, 任明, 等. 油紙絕緣頻域介電譜解釋方法研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(4): 1002-1008.

Dong Ming, Liu Yuan, Ren Ming, et al. Explanation study of frequency-domain dielectric spectroscopy for oil-paper insulation system[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(4): 1002-1008.

Influence of Moisture on Frequency Domain Spectroscopy of Silicone Oil Impregnated Insulation Paper

（College of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

As a potential substitute of mineral oil, silicone oil has been widely used in power equipment such as transformers. In order to study the influence of moisture on the frequency domain spectroscopy of silicone oil impregnated insulation paper, firstly, this paper proposed a method to separate conductance loss and polarization loss in the imaginary part of the complex permittivity by theoretical derivation, prepared silicone oil impregnated insulation paper samples with different moisture contents, and separated the conductivity loss and polarization loss in the test results and analyzed the influence of moisture on dielectric response process. The relationship between dielectric characteristic parameters and moisture content was extracted through the Havriliak-Negami model parameter identification. The results show that there are loss peaks in all polarization loss curves of silicone oil impregnated insulation paper, and as the moisture content increases, the frequency band of the loss peak gradually widens and moves toward the high frequency. The proposed method can significantly improve the data reconstruction accuracy of HN model. The functional relationship of the integral feature quantity1and2, the dielectric relaxation strength and the moisture content can provide a reference for moisture evaluation of silicone oil impregnated insulation paper.

Silicone oil impregnated insulation paper, moisture, frequency domain spectroscopy, separation of imaginary part of complex permittivity, Havriliak-Negami model

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210364

TM855

國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金（U1834203）、國家自然科學(xué)基金（51877183）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2020B1515130001）和四川省科技計(jì)劃（2020JDTD0009）資助項(xiàng)目。

2021-03-17

2021-08-02

周利軍 男，1978年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail: ljzhou10@163.com（通信作者）

黎枝鑫 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣栌图埥^緣老化與受潮機(jī)理及其評(píng)估。E-mail: fightinglzx@163.com

（編輯 崔文靜）