王有元　高　竣　劉捷豐　張鐿議　郝　建　馬志欽

變壓器油紙絕緣老化與水分含量評估頻域介電特征量

王有元1高竣1劉捷豐1張鐿議1郝建2馬志欽3

（1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044 2. 重慶市電力公司電力科學研究院 重慶 401123 3. 廣東省電網(wǎng)公司電力科學研究院 廣州 510080）

為區(qū)分水分以及老化狀態(tài)對油紙絕緣頻域介電響應的影響，更好地推動頻域介電譜技術（FDS）應用于現(xiàn)場電力變壓器絕緣狀態(tài)的無損評估，首先在實驗室制備了不同含水量、不同熱老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品，然后在深入分析老化和水分對頻域介電響應影響規(guī)律的基礎上，提出一種利用介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 區(qū)分油紙絕緣水分和老化狀態(tài)對頻域介電響應影響的方法，并提取了能夠量化絕緣紙水分含量及聚合度的頻域介電特征量。研究結(jié)果表明：提取的油紙絕緣樣品的頻域介電特征量在10-1～10Hz的頻域范圍內(nèi)對水分反映靈敏，而老化僅僅在10-3～10-1Hz的測試頻段內(nèi)對該特征量的影響較大，該特征量在兩頻段范圍內(nèi)的最大值分別與絕緣紙水分含量、聚合度均存在擬合優(yōu)度較高的指數(shù)函數(shù)關系。提取的特征量可進一步應用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)的無損評估。

電力變壓器 油紙絕緣 老化狀態(tài) 水分含量 特征參量 FDS 介質(zhì)損耗因數(shù)

0　引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵?，是電力系統(tǒng)最重要和最昂貴的設備之一，其運行狀態(tài)的好壞直接影響整個電力系統(tǒng)能否安全、可靠運行[1,2]。變壓器的絕緣系統(tǒng)是由絕緣油與絕緣紙兩部分組成，二者在長期運行過程中受電、熱、機械振動、水分和氧氣等多種因素的影響而逐漸老化，導致變壓器的電氣及機械絕緣性能逐漸劣化，而油紙絕緣性能的優(yōu)劣將直接決定變壓器的使用壽命，所以準確把握變壓器的絕緣狀態(tài)具有重要的現(xiàn)實意義[3,4]。

傳統(tǒng)的變壓器絕緣狀態(tài)診斷方法采用由絕緣系統(tǒng)老化引起的理化參數(shù)和電氣性能參數(shù)的變化進行評估，主要有油中溶解氣體分析（Dissolved Gas-in-oil Analysis，DGA）、局部放電（Partial Discharge，PD）檢測、油中微水和糠醛含量分析以及絕緣紙聚合度分析等[4,5]。傳統(tǒng)的老化診斷方法由于測試過程繁雜，或者測量結(jié)果誤差大，難以準確建立絕緣狀態(tài)與實驗結(jié)果的對應關系[6,7]。近幾年來，以介質(zhì)極化理論為基礎的介電響應測試法，由于具有不吊芯、無損、抗干擾能力強和適于現(xiàn)場評估等優(yōu)點，而被逐漸應用到變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估中，主要包括回復電壓法（Recovery Voltage Method，RVM）[8]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[9]以及頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）[10-15]。相比前兩種方法，F(xiàn)DS因其中能夠描述正弦交變電場下電介質(zhì)的復介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)等隨電場頻率的變化規(guī)律，攜帶信息豐富，測量頻帶窄，抗干擾能力強，更適于現(xiàn)場測量和診斷，可對變壓器油和絕緣紙的狀況分別進行評估，具有更加廣闊的應用前景[10,11]。

對于絕緣狀況的診斷研究，已證實絕緣紙老化以及含水量與介電響應圖譜具有較強的相關關系，但目前依然局限于探索各種單一因素對油紙絕緣系統(tǒng)頻域介電譜特性變化規(guī)律的影響[16-19]，特別是如何區(qū)分水分和老化對油紙絕緣介電響應的影響，對絕緣紙的水分含量和老化狀態(tài)分別進行有效評估一直是國內(nèi)外學者研究的熱點與難點。為解決上述問題，在實驗室內(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試了其頻域介電響應特性，然后提出了一種利用介質(zhì)損耗正切值tanδ 區(qū)分油紙絕緣水分和老化狀態(tài)影響的評估方法，并提取了能夠量化絕緣紙水分含量及聚合度的頻域介電特征量，初步建立了特征參量與絕緣紙含水量和聚合度之間的量化關系。

1　樣品制備及FDS測試

實驗用油紙絕緣樣品為普通牛皮絕緣紙（厚度為1mm）和25#環(huán)烷基礦物絕緣油。為控制樣品的初始狀態(tài)，對其作以下預處理：①將絕緣油和紙板分別在90℃、50Pa環(huán)境下放置48h進行干燥、脫氣；②將除水、脫氣的絕緣油和紙板一起放入40℃、50Pa的真空箱中浸漬48h；③將樣品分為兩部分，一部分樣品置于老化箱中進行加速熱老化實驗，另一部分通過自然吸潮的方式獲得不同水分含量的樣品。

1.1不同老化狀態(tài)的油紙絕緣樣品的制備

將一部分經(jīng)過預處理后的樣品取出，在充氮氣環(huán)境下將油紙按質(zhì)量比為10∶1放置于圖1所示玻璃瓶中，并向玻璃瓶中放入適當比例的銅條，然后依次將玻璃瓶抽真空、充氮氣至標準大氣壓后置于120℃的老化箱中進行加速熱老化，并定期取樣測試其聚合度變化規(guī)律。

圖1　樣品密閉裝置Fig.1　Sample sealing device

1.2不同水分含量的油紙絕緣樣品制備

在變壓器的制造過程中，雖然油紙絕緣會經(jīng)過干燥、真空注油和熱油循環(huán)等一系列脫水、除水工藝，但在油和固體絕緣中仍會殘留一定量的水分。根據(jù)電壓等級的不同，變壓器剛投入運行時絕緣紙中殘余水分一般小于0.5%，而在長期運行過程，由外部入侵的水分以及油紙絕緣老化自身產(chǎn)生的水分，到壽命末期時絕緣紙中的水分可達4%以上。因此，本實驗處理的樣品的水分含量（Moisture Content, MC）為0.5%～4%，其中不同水分含量的紙板樣品是通過將預處理后的紙板暴露在空氣中自然吸潮不同時間來獲得的。絕緣紙中水分含量采用梅特勒-托利多DO308干燥爐和DL32卡爾菲休庫侖滴定儀進行測試，參照標準IEC 60814和ASTM D1533，每次取3次測量的平均值作為測試結(jié)果。最終制備的紙板樣品的水分含量分別為0.76%、1.20%、2.35%和3.38%。

1.3FDS測試系統(tǒng)簡介

油紙絕緣樣品的FDS測試采用實驗室自制的三電極測試系統(tǒng)完成，其設計滿足標準IEC 60093：1980，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。高壓、低壓及保護電極均采用黃銅制成，被測樣品置于測量電極與高壓電極之間，并用彈簧壓緊，將整個電極浸入絕緣油中進行測試，為消除沿面泄漏電流對測試結(jié)果的影響，在測試電極外圍增加保護電極。FDS測試所用的儀器為奧地利OMICRON公司生產(chǎn)的介電響應分析儀DIRANA。所有介電響應測試的溫度均控制在30℃，而且測試前油紙樣品在恒溫恒濕箱中靜置6h，待電極系統(tǒng)內(nèi)外溫度達到平衡后再進行FDS測試。

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

2　實驗測試結(jié)果及分析

2.1水分含量對tanδ 頻域譜影響規(guī)律

不同水分含量下未老化油浸絕緣紙的tanδ 頻域譜如圖3所示。由圖3可看出，隨絕緣紙水分含量的增加，tanδ 在10-3～102Hz范圍內(nèi)顯著增大，而高頻部分變化不大。這是由于水分為高介電常數(shù)的強極性物質(zhì)，水分含量的增加將導致油浸絕緣紙中單位體積內(nèi)參與極化的分子數(shù)目增多，油紙樣品極化程度增加，同時絕緣紙受潮使油紙界面極化響應速度加快，界面極化得到加強。而高頻部分由于界面極化轉(zhuǎn)向速度跟不上電場變化，極化過程無法建立，在此頻段主要由轉(zhuǎn)向極化起主導作用，而相對于界面極化，水分對轉(zhuǎn)向極化影響的幅度很小。

圖3　不同含水量油浸絕緣紙的tanδ 頻域譜Fig.3　The tanδ spectroscopy of oil-impregnated pressboard with different water content

2.2老化狀態(tài)對tanδ 頻域譜影響規(guī)律

聚合度是目前表征絕緣紙老化程度最直接、最有效的判據(jù)[20]。絕緣紙的聚合度（Degree of Polymerization, DP）在120℃下加速熱老化過程中的變化如圖4所示，可看出絕緣紙聚合度隨老化時間增加而逐漸下降。

圖4　老化過程中絕緣紙DP變化Fig.4　DP of pressboard during aging

圖5為紙板老化過程中的水分含量變化規(guī)律?？砂l(fā)現(xiàn)，隨老化時間的增加，絕緣紙水分變化很小，基本保持在0.55%左右。因為在熱老化過程中，油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)部與油紙絕緣樣品上方空氣中的水分分布存在著動態(tài)平衡。絕緣紙纖維素在熱老化過程發(fā)生降解，導致不斷有水分產(chǎn)生，但是老化溫度較高，水分容易轉(zhuǎn)移到油中，而且當絕緣油的相對濕度大于油紙絕緣樣品上方空氣時，水分將從油中向空氣進行轉(zhuǎn)移，此動態(tài)過程的存在使得熱老化過程中紙板水分含量變化不大。

圖5　老化過程中絕緣紙水分含量的變化Fig.5　Moisture content of insulation pressboard during aging

圖6　不同老化程度油浸絕緣紙的tanδ 頻域譜Fig.6　The tanδ spectroscopy of oil-impregnated insulation pressboard with different aging status

在120℃下加速熱老化不同時間的油浸絕緣紙的tanδ 頻域譜如圖6所示。tanδ 在10-3～10-1Hz范圍內(nèi)隨老化時間增加而增大，而在10-1Hz以上則變化不明顯。在交變電場作用下，油紙介質(zhì)及其界面發(fā)生極化，不同類型極化完成所需時間不同。tanδ 在低頻區(qū)域隨老化時間的變化主要是由界面極化造成的，在高頻段則與轉(zhuǎn)向極化有關[21]。在油紙絕緣熱老化過程中，熱應力使纖維素結(jié)構(gòu)疏散、分子內(nèi)相互作用力減弱，絕緣油能更充分地和紙板接觸，形成更多油紙界面，從而導致油紙間界面極化加劇，使得tanδ 在低頻區(qū)增大。同時隨著纖維素鏈的斷鏈，水分、有機酸和糠醛等強極性物質(zhì)不斷生成，提高了絕緣紙的電導率，從而減小了界面極化的響應時間，使tanδ 整體向右平移。而在高頻段，偶極子轉(zhuǎn)向極化占主導，但有機酸、水分等強極性物質(zhì)的含量相對油紙絕緣自身而言并不是十分顯著，對絕緣整體的偶極子極化程度改變很小，因此對tanδ 大小的影響也可忽略不計[15]。這也與文獻[10]中指出的“變壓器中油浸絕緣紙發(fā)生老化后只會導致其機械性能的下降，而其工頻介質(zhì)損耗不會發(fā)生太大的變化”觀點一致。

2.3紙板水分含量與老化狀態(tài)特征參量

由圖3與圖6對比分析可知，油紙絕緣的tanδ 圖譜對水分和老化的敏感頻段不同，因此可采用不同頻段的tanδ 來分別表征油紙絕緣水分和老化狀態(tài)。為探究油紙絕緣的tanδ 與紙板含水量以及老化狀態(tài)之間的關系，本文定義了一個特征參量——介質(zhì)損耗正切積分因數(shù)Stanδ，將其定義為tanδ 對測試頻率f的定積分，如式（1）所示，因為積分本質(zhì)上表示了tanδ 頻譜與頻率軸圍成的面積，相比文獻[22]中采用頻譜上某一點的值與DP和水分含量的函數(shù)關系只能表示某個特定頻率點的信息而言（取點具有隨機性），此方法不僅可包含所有敏感頻段內(nèi)的信息，而且還可消除由于干擾可能造成的某個頻率點畸變，導致無法評估的缺陷。

圖7和圖8給出了介質(zhì)損耗正切積分因數(shù)Stanδ與測量頻率的關系，可看出，不同老化狀態(tài)下的油紙絕緣樣品在10-3～10-1Hz的特征頻段內(nèi)，Stanδ顯著增大，類似地，不同水分含量下油紙絕緣樣品的Stanδ在10-1～10Hz的頻率范圍內(nèi)變化顯著。因此，可分別提取這兩個頻段內(nèi)任意測試頻率點處Stanδ來區(qū)分絕緣紙水分含量與老化狀態(tài)的影響。為包含盡可能多的頻域信息，本文選用最大測試頻率點處Stanδ作評估特征參量（即Stanδ最大值），其中以SDP(f )作為評估絕緣紙老化狀態(tài)的特征參量，SMC(f )作為評估絕緣紙水分含量的特征參量，具體定義為

圖7　介質(zhì)損耗正切積分因數(shù)Stanδ與紙板老化狀態(tài)的關系Fig.7　Relation between Stanδand aging status of oil-impregnated pressboards

圖8　介質(zhì)損耗正切積分因數(shù)Stanδ與紙板含水量的關系Fig.8　Relation between Stanδand the moisture content of oil-impregnated pressboards

表1給出了紙板DP與SDP(f )的擬合關系，可看出，在特征頻段10-3～10-1Hz范圍內(nèi)，DP與SDP(f )存在擬合優(yōu)度較高的函數(shù)關系；表2給出了紙板水分含量與SMC(f )的擬合關系，在特征頻段10-1～10Hz范圍內(nèi)，紙板的水分含量與SMC(f )也存在擬合優(yōu)度非常高的函數(shù)關系。

表1　紙板DP與SDP(f )的擬合函數(shù)關系Tab.1 Fitting relation between SDP(f) and DP of oil-impregnated pressboards

表2　紙板MC與SMC(f )的擬合函數(shù)關系Tab.2　Fitting relation between SMC(f ) and moisture content of oil-impregnated pressboards

圖9和圖10分別給出了紙板老化評估特征量SDP(f )和水分評估特征量SMC(f )與紙板DP以及水分含量的擬合曲線，可看出，SDP(f )和SMC(f )分別與絕緣紙的DP及水分含量存在擬合優(yōu)度較高的指數(shù)關系（擬合函數(shù)式及擬合優(yōu)度分別見表3和表4），因此SDP(f )和SMC(f )可分別作為評估絕緣紙老化狀態(tài)和水分含量的新特征參量。

圖9　紙板老化評估因數(shù)SDP(f )與DP的關系Fig.9　Relation between SDP(f ) and DP of oil-impregnated pressboards

圖10　紙板水分評估因數(shù)SMC(f )與MC的關系Fig.10　Relation between the SMC(f ) and MC of oil-impregnated pressboards

表3　紙板DP與SDP(f )的擬合關系Tab.3 Relation between SDP(f) and DP of pressboards

由以上分析可知，對于任意未知絕緣狀態(tài)的油浸絕緣紙，可首先測出其 tanδ 頻域譜，然后分別求出tanδ 譜在10-3～10-1Hz和10-1～10Hz頻段范圍內(nèi)的定積分，再將其積分結(jié)果分別代入表3和表4中的擬合公式，便可量化絕緣紙的DP和水分含量，實現(xiàn)對紙板狀態(tài)的無損評估。

3　結(jié)論

本文提出了利用介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 區(qū)分油紙絕緣水分和老化狀態(tài)影響的評估方法，并建立了特征參量與水分含量以及絕緣紙聚合度之間的量化關系。得到如下結(jié)論：

（1）tanδ 在10-3～10Hz頻域范圍內(nèi)隨油紙絕緣樣品水分含量的增加而顯著增大，而油紙絕緣樣品的老化狀態(tài)僅影響其處于10-3～10-1Hz的低頻段區(qū)域，借此可區(qū)分水分和老化對油紙絕緣頻域介電響應曲線的影響。

（2）分別提取了兩個不同頻段內(nèi)介質(zhì)損耗正切積分因數(shù)Stanδ的最大值作為評估油紙絕緣含水量和老化狀態(tài)的特征參量，并通過實驗室數(shù)據(jù)擬合得到特征參量與水分含量和聚合度之間的量化關系。

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王有元 男，1971年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術、電氣設備絕緣在線智能監(jiān)測和故障診斷技術等。

高 竣 男，1989年生，博士研究生，研究方向為電氣設備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷。

Aging and Moisture Evaluation Characteristic Parameters for Oil-Paper Insulation of Transformer Using Frequency Dielectric Spectroscopy

Wang Youyuan1Gao Jun1Liu Jiefeng1Zhang Yiyi1Hao Jian2Ma Zhiqin3
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Chongqing Electric Power Research Institute Chongqing 401123 China 3. Guangdong Electric Power Research Institute Guangzhou 510080 China）

In order to distinguish the influences of the two factors (moisture content and aging state) on the frequency domain dielectric response of oil-paper insulation samples and better apply frequency domain spectroscopy (FDS) to assess the insulation condition of on-site power transformer, oil-paper insulation samples with different moisture contents and aging states were first prepared in the laboratory, then on the basis of further study of the influences of the two factors, a new method which can distinguish the influences of moisture content and aging state by the dielectric loss factor tanδ is proposed. Moreover, new characteristic were extracted to respectively quantify these two factors. The research results show that the characteristic parameters are sensitive to the moisture content in 10-1～10Hz, while only affected significantly by aging states in 10-3～10-1Hz. Meanwhile, the maximum values of characteristic parameters in above two frequency ranges have the obvious exponentialrelationship with the degree of polymerization (DP) and moisture content, respectively, which are used to assess the conditions of oil-paper insulation. The characteristic parameters extracted in this paper can be applied to realize the non-destructive condition diagnosis of oil-paper insulation of transformer.

Power transformer, oil-paper insulation, aging state, moisture content, characteristic parameters, frequency domain spectroscopy, dielectric loss factor

TM835

國家自然科學基金資助項目（51277187）。

2013-10-18 改稿日期 2013-12-31