黎剛，李喜桂，葉會生，劉赟，黃海波，劉興文

(1.湖南省電力公司，湖南長沙410007;2.湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙410007)

近年來，絕緣故障已成為變壓器損壞事故的主要原因，據(jù)不完全統(tǒng)計，1999—2003年國家電網(wǎng)公司110～500 kV變壓器故障中，絕緣故障占到了事故總量的85%。運行時間長的舊變壓器較易發(fā)生絕緣故障，如何科學評價變壓器的絕緣老化成為當今變壓器研究領域的一個熱點〔1-2〕。變壓器中的水主要存在于固體絕緣材料絕緣紙或紙板中，絕緣紙板含水量將會加速絕緣劣化過程，這是影響變壓器使用壽命的主要因素。采用科學有效的方式監(jiān)測變壓器絕緣紙或紙板中的水含量，并制定相應處理方案，是提高絕緣材料的電氣強度、消除變壓器隱患、延長變壓器使用壽命的有效措施。文中主要介紹一種綜合采用極化一去極化電流方法 (PDC)和頻域 (變頻)分析法 (FDS)的DIRANA測試儀器對變壓器含水量進行測試的方法，并列舉了3個現(xiàn)場應用實例。

1 含水量測試方法

傳統(tǒng)的測定油浸式絕緣水分的方法有萃取法(卡爾費休水分測定法)、利用油紙水分平衡特性曲線間接評估法和露點法等。這些方法均存在不足之處:萃取法需從變壓器中采取紙或紙板樣品，不便實現(xiàn);利用油紙水分平衡特性曲線間接評估，其弊端在于溫度的變化對測量誤差影響極大;露點法是DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規(guī)程》中推薦的測定變壓器絕緣紙或紙板中含水量的方法之一，該方法需要破除真空，使密封油箱內(nèi)充滿氣體，再測定密封油箱內(nèi)的氣體水分含量，從而推斷與該氣體接觸的絕緣紙或紙板含水量。

目前，對于變壓器含水量判斷的電氣方法主要有恢復電壓測試 (RVM)、極化一去極化電流方法(PDC)和頻域 (變頻)分析法 (FDS)。1991年后，恢復電壓方式開始應用于現(xiàn)場測試，通過比較模型曲線來獲得絕緣紙的水含量。但由于模型不準確使測試結(jié)果誤差較大，同時無法反映變壓器的幾何模型，影響到現(xiàn)場的應用。1999年以來，介質(zhì)響應的方式開始得到應用，此方式從絕緣的介質(zhì)特性中推導出絕緣紙或紙板的水含量。時域的極化電流/去極化電流方式和頻域的介損曲線方式均為介質(zhì)響應測試方式。

2 介質(zhì)響應測試原理

電力變壓器的多層絕緣由油和紙組成，體現(xiàn)出極化和傳導現(xiàn)象。介質(zhì)響應方式測試界面極化效應，該效應來自于纖維與油之間的分界面。在頻域的合成電流密度I(ω)可以表達為:

在頻域的介質(zhì)損耗因數(shù)可以表達為:

合成電流密度I(ω)的虛部代表它的容性部分，由高頻部分介電常數(shù)ε和低頻極化率x'所組成;實部代表它的阻性部分，包含一個由DC電導率σ0帶來的阻性電流和一個由介質(zhì)損耗x″帶來的阻性電流。在頻域分析中，只要知道介質(zhì)的阻抗Z，就可以計算出介質(zhì)的復介電常數(shù)。測量出變壓器各部分絕緣在頻域中的阻抗值，可以計算出絕緣紙板和絕緣油的復介電常數(shù)。結(jié)合絕緣油的狀況，即可了解變壓器的絕緣和老化狀況。絕緣診斷儀中絕緣紙和絕緣油的復介電常數(shù)通過MODS軟件分析得到，通過頻域譜測量曲線與由典型數(shù)據(jù)推導得到的模型曲線進行對比分析，獲得固體材料 (絕緣紙)中的水分含量。

3 DIRANA測試儀器介紹

DIRANA測試儀器從極化電流、復合電容和介質(zhì)損耗的特性中得出紙或紙板中的水含量，每一個特性都受水分影響很大。DIRANA將時域的極化電流測量方法和頻域的頻譜測量方法相結(jié)合，與現(xiàn)有技術(shù)相比節(jié)省了測試時間。本質(zhì)上，時域測量可以在短時間內(nèi)完成，但是局限于低頻范圍。而頻域測量適用于高頻段，但是在低頻段測量需要很長時間。DIRANA結(jié)合了2種理論的優(yōu)點，在5 kHz至0.1 Hz的頻率范圍內(nèi)進行頻譜頻域測量，在0.1 Hz至100 μHz進行極化電流時域測試，然后將時域電流變換至頻域用于隨后的評估。不同測試技術(shù)所需時間與獲得的頻率范圍見圖1。

圖1 不同測試技術(shù)所需時間與獲得的頻率范圍

圖2 DIRANA測試原理

DIRANA測試原理見圖2。由測試數(shù)據(jù)得到的介質(zhì)損耗與頻率之間關(guān)系圖顯示出典型的S形曲線。隨著水分、溫度或老化程度的增加，曲線向高頻率方向移動。水分影響低頻區(qū)域和高頻區(qū)域。曲線的中間，斜率比較陡的部分體現(xiàn)了油的傳導性。絕緣材料的幾何形狀確定了斜率較陡的左側(cè)“突起”。DIRANA的水分確定是基于將變壓器介質(zhì)響應與模型介質(zhì)響應相比較而得到的。適配算法重新整理模型介質(zhì)響應，從而得出水分以及油傳導率。

圖3顯示了完整的變壓器油紙絕緣的介損曲線，其中包含了1%水含量的絕緣紙、油、絕緣幾何尺寸 (油與紙板比率)確定的界面極化影響。這些因素在介損曲線上所對應的頻率如下:頻率范圍在10～1 000 Hz受控于紙板;頻率范圍在1～0.01 Hz，反映油的電導率;頻率范圍在介損曲線隆起處，反映絕緣幾何尺寸;頻率范圍在低于0.5 mHz處，再次反映紙板特性。

圖3 紙板和油與界面極化影響一體的介損曲線

以上說明僅針對此例，因水含量的不同、油電導率的變化、溫度與絕緣幾何尺寸差異，相對應的頻率范圍將會有很大范圍的改變。圖4為DIRANA測試曲線判斷變壓器絕緣紙板含水量方法。

圖4 DIRANA測試曲線判斷方法

4 現(xiàn)場應用實例

(1)新安裝變壓器

2011年9月，對某110 kV變電站新安裝變壓器進行了含水量測試。該變壓器型號為SZ10-50000/110，2011年2月出廠。測試時的油溫為34℃，測試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz，測試結(jié)果為:絕緣紙板含水量1.0%，水飽合度1.5%，干燥。測試波形見圖5。測試結(jié)論:該主變?yōu)樾掳惭b變壓器，絕緣紙板為干燥狀態(tài)，可以投運。

DIRANA儀器與10 kV常規(guī)介損儀測試比較如表1所示，結(jié)果表明該儀器測試結(jié)果與10 kV常規(guī)介損儀一致，精度滿足現(xiàn)場要求。

圖5 某110 kV新安裝變壓器介質(zhì)響應現(xiàn)場測試波形

表1 與常規(guī)介損儀器測試數(shù)據(jù)的比較

(2)老舊變壓器

2011年5月，對某110 kV變電站#1主變進行了含水量測試。該變壓器型號為SZ10-50000/110，1984年2月出廠，一直處于冷備用狀態(tài)。測試時的油溫為38℃，測試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz。測試結(jié)果為:絕緣紙板含水量3.7%，水飽合度21.4%，潮濕。測試波形見圖6。測試結(jié)論:該變壓器運行中未出現(xiàn)受潮現(xiàn)象，絕緣紙板水分應為老化產(chǎn)生，考慮絕緣紙板含水量較高，應及時將該變壓器退出運行。

圖6 某110 kV老舊裝變壓器介質(zhì)響應現(xiàn)場測試波形

(3)受潮變壓器

2011年8月，對某110 kV變電站#1主變進行了含水量測試。該變壓器型號為SFS8-25000/110，1992年11月出廠，一直處于冷備用。在2011年6月份例行試驗時發(fā)現(xiàn)該臺主變?nèi)齻?cè)繞組介損、繞組絕緣電阻及油擊穿電壓均嚴重超標，懷疑該變壓器已嚴重受潮。為進一步掌握該變壓器受潮程度，采用變頻介質(zhì)損耗測試儀對該變壓器含水量進行測試。測試時的油溫為 38℃，測試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz，測試結(jié)果為:高對中壓繞組，絕緣紙板含水量4.6%，水飽合度30.1%，潮濕;中對低壓繞組，絕緣紙板含水量5.3%，水飽合度39.4%，極度潮濕。測試波形見圖7。含水量測試結(jié)果與其他電氣性能測試一致，因此可判斷該變壓器內(nèi)部已嚴重受潮，且低壓側(cè)繞組最為嚴重，應進行現(xiàn)場干燥處理。

圖7 某110 kV受潮變壓器介質(zhì)響應現(xiàn)場測試波形

5 結(jié)論

從現(xiàn)場應用情況來看，采用極化電流方式和頻域介損曲線方式可快速、準確地現(xiàn)場檢測變壓器內(nèi)部絕緣紙板含水量。通過檢測絕緣紙板含水量，可以較好地判斷變壓器老化狀況和受潮程度，具有較高的現(xiàn)場實際應用價值。同時，該項技術(shù)目前在國內(nèi)還尚處于初期使用階段，需進一步總結(jié)現(xiàn)場經(jīng)驗，探索變壓器運行年限與測試曲線的關(guān)系。

〔1〕谷小博，張一軍.基于變頻技術(shù)診斷變壓器絕緣老化的研究與應用〔J〕.浙江電力，2010(1):13-17.

〔2〕梁穎輝，歐樹華.診斷變壓器絕緣狀態(tài)及老化的PDC技術(shù)的研究〔J〕.變壓器，2006，44(6):35-39.