王世強(qiáng) 魏建林 張冠軍 楊雙鎖 董 明 劉孝為 霍大渭

（1. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2. 陜西電力科學(xué)研究院 西安 710054）

1 引言

變壓器尤其是大型油浸式電力變壓器的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，據(jù)統(tǒng)計(jì)，變壓器的運(yùn)行事故主要由其絕緣系統(tǒng)故障造成。在變壓器運(yùn)行過程中，油紙絕緣長(zhǎng)期承受熱、電、機(jī)械、化學(xué)等多種外部應(yīng)力作用，導(dǎo)致自身絕緣系統(tǒng)不斷老化，電氣和機(jī)械性能逐漸下降并可能造成變壓器故障[1,2]。因此，準(zhǔn)確診斷油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)，對(duì)預(yù)測(cè)變壓器的壽命至關(guān)重要，也是實(shí)現(xiàn)變壓器狀態(tài)維護(hù)的前提和基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)診斷變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的試驗(yàn)方法主要有油中溶解氣體分析（DGA）、局部放電檢測(cè)（PD）、油中糠醛含量分析以及絕緣紙聚合度（DP）分析等[3-5]。近十年來，基于介質(zhì)響應(yīng)原理的介電響應(yīng)法作為評(píng)估變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的新型試驗(yàn)方法，主要分為時(shí)域（Time Domain, TD）和頻域（Frequency Domain, FD）兩種測(cè)量方式，其中時(shí)域分為兩種，包括回復(fù)電壓（Return Voltage, RV）法和極化去極化電流（Polarization and Depolarization Current, PDC）法，頻域測(cè)量方法是指頻域譜（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）法[6,7]。由于其可以在不用吊芯，不破壞絕緣材料，不用取樣的前提下分析絕緣紙中微水含量，診斷油紙絕緣老化狀態(tài)，為準(zhǔn)確評(píng)估變壓器絕緣性能和預(yù)測(cè)剩余壽命提供可靠依據(jù)，引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，并逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)。然而實(shí)際應(yīng)用表明，介電響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果受測(cè)量時(shí)試品溫度的影響很大，而且現(xiàn)場(chǎng)變壓器油紙絕緣溫度一直隨著早晚、天氣、季節(jié)及負(fù)荷的變化而改變[7-10]。因此要根據(jù)油紙絕緣的介電響應(yīng)準(zhǔn)確地計(jì)算紙板微水含量以評(píng)估絕緣老化狀態(tài)，必須正確認(rèn)識(shí)溫度對(duì)介電響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

本文通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)不同溫度下的油浸絕緣紙板試品進(jìn)行RV和FDS兩種介電響應(yīng)試驗(yàn)，研究溫度改變引起測(cè)量結(jié)果和特征參數(shù)的變化，以及溫度變化對(duì)根據(jù)介電響應(yīng)結(jié)果評(píng)估絕緣紙板微水含量和老化狀態(tài)的影響，以模擬溫度對(duì)判斷現(xiàn)場(chǎng)變壓器老化程度的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。試品介電響應(yīng)測(cè)量采用三電極結(jié)構(gòu)以減小電極邊緣效應(yīng)和試品表面泄漏電流的影響。試驗(yàn)材料為1.5mm厚的變壓器絕緣紙板和昆侖牌 25#變壓器油。首先將直徑為136mm的紙板在110°C下真空干燥48h，然后將干燥紙板取出，放在空氣中吸潮，同時(shí)通過精密天平觀察紙板重量變化，當(dāng)達(dá)到預(yù)定 0.5%的微水含量后，將紙板放在高壓電極與保護(hù)和測(cè)量電極之間，為使電極和紙板表面良好接觸，在高壓電極和測(cè)量電極上設(shè)計(jì)壓緊彈簧將試品壓緊，然后置入實(shí)驗(yàn)裝置中并密封。使用真空泵通過抽氣口抽至約 50Pa粗真空，然后通過進(jìn)油口注入新變壓器油使紙板充分浸油。實(shí)驗(yàn)裝置上部配有油枕，用于溫度升高時(shí)為油膨脹提供空間。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the test cell

實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采用若干張直徑為170mm的紙板，經(jīng)過同樣的干燥處理后放置于實(shí)驗(yàn)裝置底部（圖中未標(biāo)注），用于調(diào)整油紙比例。實(shí)測(cè)干燥紙板總重為645g，所用變壓器油總重約為6 000g，油紙比例約為9.3∶1，符合實(shí)際變壓器的油紙比例范圍（約為6～10∶1）[5]。

試驗(yàn)開始前首先在室溫下靜置48h以使絕緣紙板充分浸油，然后將整個(gè)試驗(yàn)裝置放入溫控精度為±0.5°C的高溫恒溫試驗(yàn)箱。本文選擇室溫（12℃）、30℃、40℃、50℃和60℃五組溫度測(cè)量試品的RV和FDS。除室溫外，為確保試品溫度穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)裝置在達(dá)到預(yù)定溫度值并保持24h后進(jìn)行RV和FDS測(cè)量。

RV測(cè)量使用HAEFELY公司生產(chǎn)的RVM5461，其輸出直流電壓范圍為 200～2 000V，充電時(shí)間 tc為 0.01～10 000s，本文 RV測(cè)量所用充電電壓 Uc均為500V，充電時(shí)間tc為 0.02s～1 000或2 000s，充放電時(shí)間比tc/td=2，測(cè)量電路如圖2所示。

FDS測(cè)量使用瑞典保加瑪公司的絕緣診斷測(cè)試儀IDA200，輸出波形為0.1mHz～1kHz、峰值為0～200V的可調(diào)正弦電壓施加于試品上，同時(shí)測(cè)量通過試品的電流信號(hào)，從而得到不同頻率下試品復(fù)電容和介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ，基于此分析其微水含量及老化程度。本文中所有FDS測(cè)量都是在1mHz～1kHz頻率范圍，施加的正弦電壓有效值為140V，測(cè)量電路如圖3所示。

圖2 RV基本測(cè)量電路圖Fig.2 Basic RV measurement circuit

圖3 FDS基本測(cè)量電路圖[11]Fig.3 Basic FDS measurement circuit[11]

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 RV測(cè)量結(jié)果

如前所述，將變壓器紙板真空干燥處理后，放在空氣中吸潮，以模擬變壓器受潮和不同老化狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定0.5%的微水含量后，放入實(shí)驗(yàn)裝置中在不同溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖4給出了一次充電RV測(cè)量典型曲線，首先將直流充電電壓Uc施加到被測(cè)試品上，經(jīng)充電時(shí)間tc后，進(jìn)行 td時(shí)間的短路放電，然后開路，試品被極化的電荷會(huì)逐漸返回其自由狀態(tài)，引起試品兩端電壓先升高，達(dá)到最大值，然后下降，直至零值，這種電壓被稱為回復(fù)電壓。在波形上，可以看到RV最大值Urmax，RV初始斜率Sr，最大值時(shí)間trmax等參數(shù)。

圖4 RV測(cè)量示意圖Fig.4 Sketch map of RV measurement

圖5所示為各溫度下試品RV極化譜曲線。由圖可以看出同一老化狀態(tài)下（本文為新絕緣紙板和變壓器油），溫度對(duì)RV極化譜各參數(shù)影響很大。隨著測(cè)量溫度升高，其峰值時(shí)間tpeak向較短充電時(shí)間方向偏移，峰值電壓Upeak逐漸變小。

圖5 不同溫度下試品RV極化譜Fig.5 RV spectra of sample at different temperatures

圖6 微水含量對(duì)試品RV極化譜的影響（25°C）[12]Fig.6 Moisture contents impact on RV spectra （25°C）[12]

圖7 老化程度對(duì)RV極化譜影響[12]Fig.7 RV spectra of transformers at different aging conditions[12]

Osvath等研究表明變壓器固體絕緣微水含量和老化程度對(duì)RV極化譜影響顯著，如圖6和圖7所示。試品微水含量越大，RV極化譜向較短充電時(shí)間方向偏移，峰值電壓Upeak變大，峰值時(shí)間tpeak變小[12]。老化程度越嚴(yán)重，油紙絕緣系統(tǒng) RV極化譜向較短充電時(shí)間方向偏移，Upeak和tpeak變小。因此RV測(cè)量法可以根據(jù)變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的 RV極化譜及其特征參數(shù)變化分析其微水含量及老化狀態(tài)。

Osvath、Gafvert等學(xué)者認(rèn)為，溫度引起RV極化譜的變化反映了溫度變化引起的油紙之間水分遷移以及溫度對(duì)油紙絕緣試品極化過程的影響[12,13]。對(duì)比圖6和圖7，由圖5試驗(yàn)結(jié)果看出，溫度可以引起試品 RV極化譜明顯變化，同一老化狀態(tài)、同樣微水含量的絕緣系統(tǒng)在不同溫度下進(jìn)行 RV測(cè)量所得結(jié)果變化很大，因此根據(jù) RV測(cè)量結(jié)果評(píng)估其微水含量及老化狀態(tài)時(shí)，必須考慮溫度帶來的影響，否則，評(píng)估結(jié)果將產(chǎn)生較大偏差，造成判斷失實(shí)。例如，如果 RV測(cè)量在較高的溫度下進(jìn)行，就會(huì)得到老化偏嚴(yán)重、微水含量偏高的評(píng)估結(jié)果，可能偏離油紙絕緣的真實(shí)狀態(tài)。

圖8為溫度對(duì)各充電時(shí)間下 Urmax對(duì)應(yīng)的時(shí)間trmax的影響。可以看出，在同一溫度下，保持充放電時(shí)間比 tc/td=2，隨著充電時(shí)間增大，trmax也逐漸變大，兩者近乎呈線性關(guān)系；在同一充電時(shí)間tc情況下，隨著溫度的升高，trmax逐漸變小，Kozlovskis等學(xué)者認(rèn)為溫度升高引起試品極化粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過程速度加快，并使油紙絕緣試品內(nèi)部導(dǎo)電粒子運(yùn)動(dòng)加快，試品電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致trmax逐漸變小[14]。

圖8 不同溫度下試品trmax譜圖Fig.8 trmax spectra of sample at different temperatures

圖9為不同溫度下試品RV初始斜率Sr譜圖?？梢钥闯觯粶囟认?，保持 tc/td=2，隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，Sr逐漸變小，兩者同樣近乎呈線性關(guān)系；在 tc相同時(shí)，Sr隨著溫度的升高而變大，主要是由試品在溫度較高時(shí)松弛過程速度加快導(dǎo)致。

圖9 不同溫度下試品Sr譜圖Fig.9 Initial slope spectra of sample at different temperatures

3.2 FDS測(cè)量結(jié)果

在實(shí)際電介質(zhì)中，由于存在電導(dǎo)，電介質(zhì)的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 可表示為[15-17]

式中，ε′(ω)和ε″(ω)為復(fù)介電常數(shù)ε*(ω)的實(shí)部和虛部；σ0為電介質(zhì)電導(dǎo)率。

在電介質(zhì)材料狀態(tài)診斷中，經(jīng)常用復(fù)電容模型表示電介質(zhì)材料，此時(shí)復(fù)電容C*(ω)可定義為

其中Z(ω)為電介質(zhì)阻抗；復(fù)電容實(shí)部 C′(ω)代表電介質(zhì)材料在施加電壓作用下無損耗的容性部分；而虛部C″(ω)表示電介質(zhì)材料的損耗部分，則此時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 也可以表示為[5,16]

圖10 不同測(cè)量溫度下試品介損tanδ FDSFig.10 FDS of tanδ at different measurement temperatures

圖10所示為在不同溫度下試品tanδ 的FDS曲線。隨著溫度升高，在低頻段tanδ 的增加明顯，同時(shí) tanδ 最小值 tanδmin向高頻方向偏移。Gubanski等人認(rèn)為此現(xiàn)象主要是由于隨著溫度升高，試品中導(dǎo)電粒子平均動(dòng)能增加，運(yùn)動(dòng)速度加快，粒子遷移率增大，試品電導(dǎo)率變大導(dǎo)致[8,16,17]。

進(jìn)一步，圖 11給出了不同溫度下 tanδmin的變化?？梢钥闯鰐anδmin整體呈現(xiàn)隨溫度升高而略微變大的趨勢(shì)。

圖11 不同溫度下的tanδminFig.11 tanδmin at different temperatures

國外有些學(xué)者根據(jù)大量 FDS測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，tanδmin和紙板中微水含量mc有很密切的關(guān)系，可用公式表達(dá)為[18]

由于此公式并未考慮溫度給測(cè)量結(jié)果帶來的影響，所以即使是在紙板具有同樣微水含量的情況下，根據(jù)不同溫度下的 FDS測(cè)量結(jié)果利用式（5）得出的微水含量也不相同，因此為了更準(zhǔn)確合理地應(yīng)用FDS測(cè)量結(jié)果評(píng)估紙板微水含量，需要考慮測(cè)量時(shí)刻溫度帶來的影響。

圖12所示為試品復(fù)電容實(shí)部C′在不同溫度下的FDS曲線。

圖12 不同測(cè)量溫度下試品復(fù)電容實(shí)部C′Fig.12 Real capacitance of sample at different temperatures

從圖可以看出，在1mHz～1Hz的較低頻率內(nèi)，溫度對(duì) C′影響十分顯著，隨著溫度升高，C′急劇變大的頻率區(qū)域向高頻方向移動(dòng)。根據(jù)Jonscher的低頻彌散（Low Frequency Dispersion, LDF）理論[15]，介質(zhì)的ε′(ω)在彌散區(qū)域急劇變化，而溫度對(duì)介質(zhì)彌散區(qū)域有很大影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，彌散區(qū)域向高頻方向移動(dòng)，ε′(ω)快速變小的頻率區(qū)域也相應(yīng)移向高頻，反之當(dāng)溫度降低時(shí)，彌散區(qū)域向低頻方向移動(dòng)。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，弛豫時(shí)間減小，彌散區(qū)域頻率升高。

而在1Hz～1kHz的較高頻率范圍，C′受溫度影響較弱，但隨著溫度升高也在緩慢變大。這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)極化粒子的熱運(yùn)動(dòng)能量增大，弛豫時(shí)間減小，極化過程加強(qiáng)，C′相應(yīng)增大[16]。

圖13所示為試品復(fù)電容虛部C″在不同溫度下的FDS曲線。由圖可以看出，溫度對(duì)試品損耗部分C″的影響與對(duì)介損tanδ 的影響相似，C″的FDS曲線隨著溫度升高向高頻方向偏移，而且在較低頻率范圍受溫度影響較大。主要原因是溫度升高，使導(dǎo)電粒子平均動(dòng)能增加，導(dǎo)電粒子運(yùn)動(dòng)速度變快，遷移率增大使試品的電導(dǎo)率變大，由于電導(dǎo)損耗在較低頻率下對(duì)試品 C″貢獻(xiàn)較大，隨頻率升高影響逐漸減弱，導(dǎo)致試品 C″在較低頻率下隨著溫度的升高而明顯增大；另外溫度升高也將使極化粒子熱運(yùn)動(dòng)增加，松弛時(shí)間減小，弛豫極化過程加強(qiáng)，由極化作用產(chǎn)生的損耗增加，也將導(dǎo)致試品C″升高[16,17]。

圖13 不同測(cè)量溫度下試品復(fù)電容虛部C″Fig.13 Imaginary capacitance of sample at different temperatures

4 結(jié)論

本文在不同溫度下對(duì)油浸紙板試品進(jìn)行介電響應(yīng)時(shí)域RV和頻域FDS測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示RV和FDS試驗(yàn)受溫度影響顯著，隨著溫度升高，試品極化粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過程速度加快，試品 RV極化譜向較短充電時(shí)間方向偏移，峰值電壓 Upeak和峰值時(shí)間tpeak減?。辉谕怀潆姇r(shí)間下，RV最大值時(shí)間trmax變小，初始斜率Sr變大；試品介電損耗因數(shù)和復(fù)電容虛部頻域譜向較高頻率方向偏移，而它們的最小值呈現(xiàn)總體增大趨勢(shì)；復(fù)電容實(shí)部隨溫度升高而變大，在較低頻率的彌散區(qū)域尤其明顯。因此根據(jù)RV和FDS測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估油紙絕緣微水含量和老化狀態(tài)時(shí)，必須考慮溫度帶來的影響，否則，評(píng)估結(jié)果將產(chǎn)生較大偏差，可能偏離油紙絕緣的真實(shí)狀態(tài)，造成判斷失實(shí)。

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