吳文宣，施廣宇，張孔林，王 凱

（1.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350001；2.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；3.福州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，福建 福州 350108）

油浸式變壓器的絕緣系統(tǒng)工作狀況和性能好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，通過及時檢測變壓器油紙絕緣狀況，可以及早發(fā)現(xiàn)并排除設(shè)備存在的隱患，這對確保電力系統(tǒng)正常運行至關(guān)重要?；貜?fù)電壓測量法（Return Voltage Measurement，RVM）是近些年對變壓器絕緣狀態(tài)診斷的一種新興方法，其基于介質(zhì)響應(yīng)理論研究油紙絕緣系統(tǒng)的極化過程，有效追蹤介質(zhì)極化特性的變化情況，當絕緣老化或受潮時，回復(fù)電壓響應(yīng)特征量也將發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，通過監(jiān)測其變化可反向有效地對絕緣狀態(tài)進行評估［1］。RVM現(xiàn)場接線簡單，具有較好的抗干擾能力，可實現(xiàn)離線無損對變壓器進行絕緣檢測［2-3］。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者都對基于回復(fù)電壓的變壓器絕緣系統(tǒng)狀態(tài)診斷法作了大量研究，如文獻［4］研究了溫度對絕緣系統(tǒng)回復(fù)電壓特征量的影響，并指出絕緣系統(tǒng)的溫度與中心時間常數(shù)呈指數(shù)關(guān)系；文獻［5］則通過實驗室加速老化實驗，研究了不同老化程度與回復(fù)電壓特征量之間的規(guī)律，研究表明回復(fù)電壓各特征參數(shù)和老化存在線性關(guān)系，同時指出水分對該線性關(guān)系的影響；文獻［6］對水分與回復(fù)電壓特征量之間的影響規(guī)律作了定性研究，并得出其存在二次函數(shù)的關(guān)系；T，K，Saha等人對大量的回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)進行分析和研究，結(jié)果表明絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)與中心時間常數(shù)有很好的相關(guān)性［7］。據(jù)此可知，回復(fù)電壓特征量確與油紙絕緣系統(tǒng)狀態(tài)存在內(nèi)在聯(lián)系，然而以上研究一般是以特定絕緣模型實驗為基礎(chǔ)，經(jīng)由幾次充電時間條件下定性分析某一外在因素對回復(fù)電壓特征量的影響，現(xiàn)場所獲得的變壓器回復(fù)電壓數(shù)據(jù)并不充分，且實際中該模擬系統(tǒng)與變壓器的絕緣系統(tǒng)還是有著不可忽視的區(qū)別。因此，筆者通過搭建的實驗室模擬絕緣系統(tǒng)定性探討系統(tǒng)中絕緣層數(shù)對回復(fù)電壓特性的影響，其可體現(xiàn)出變壓器容量上差異時的宏觀測試結(jié)果，隨后結(jié)合現(xiàn)場測試的大量回復(fù)電壓數(shù)據(jù)，對二者的測試情況進行綜合分析，為同一容量下油浸式變壓器的回復(fù)電壓絕緣診斷判據(jù)建立奠定基礎(chǔ)。

1 回復(fù)電壓測量原理

在絕緣介質(zhì)兩端施加一直流高壓時，介質(zhì)將呈現(xiàn)極化反應(yīng)，在介質(zhì)兩端束縛大量電荷，當去除外施電壓并短接介質(zhì)后，介質(zhì)則又將處于去極化過程，原兩極束縛電荷被釋放為自由電荷，停止短接后，若去極化過程還在繼續(xù)，剩余的自由電荷將在兩極形成回復(fù)電壓［8］。

回復(fù)電壓法的一次測試流程包括充電、放電、測量和松弛4個階段，其測量電路如圖1所示。具體測試步驟：

1）首先斷開開關(guān)S2，S3，閉合開關(guān)S1，直流電源U對變壓器進行充電，絕緣介質(zhì)呈現(xiàn)極化反應(yīng)，在介質(zhì)兩端束縛大量電荷；

2）經(jīng)過充電時間tc后，斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2，開關(guān)S3仍保持斷開狀態(tài)，對變壓器進行放電，則其處于去極化過程，原兩極束縛電荷被釋放為自由電荷，產(chǎn)生去極化電流；

3）當放電時間達到放電時間td時，斷開開關(guān)S1和S2，接通S3，若去極化過程還在繼續(xù)，剩余的自由電荷將在兩極形成回復(fù)電壓，并對其回復(fù)電壓參數(shù)進行記錄；

4）將變壓器殘余電荷徹底放電，為下次測試做準備［9］。

此過程產(chǎn)生的回復(fù)電壓曲線如圖2所示。一個測試周期中可獲取回復(fù)電壓的3個主要參數(shù)（回復(fù)電壓最大值Urmax、初始斜率Sr以及回復(fù)電壓峰值時間Tpeak），通過調(diào)控充電時間tc，循環(huán)記錄相應(yīng)充電時間tc下的各參數(shù)，并生成各次的回復(fù)電壓最大值Urmax與充電時間tc之間的變化關(guān)系曲線，即回復(fù)電壓極化譜。

圖1 回復(fù)電壓測量電路Figure 1 Circuit diagram of return voltage measurement

圖2 回復(fù)電壓曲線Figure 2 Return voltage curve

2 回復(fù)電壓模擬實驗

2.1 油紙絕緣系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ?/h3>

油紙絕緣變壓器的絕緣系統(tǒng)主要由油隙、隔板和撐條等組成，油紙絕緣系統(tǒng)主要位于高、低壓繞組之間，由于撐條的加固作用，油隙與隔板交替排列。通過觀察其剖面結(jié)構(gòu)，選取其中的結(jié)構(gòu)單元作為該油紙絕緣系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｐ?，如圖3所示，而隔板和撐條的成分都為纖維素，所以在實驗中將二者簡化為相同材料的變壓器絕緣紙。

圖3 油紙絕緣系統(tǒng)模型（單位：mm）Figure 3 Schematic diagram of oil-paper insulation system model（Unit：mm）

2.2 實驗裝置及步驟

實驗裝置主要有RVM 5461回復(fù)電壓測試儀和盛樣裝置，如圖4所示；實驗材料為0.1mm變壓器絕緣紙（單層）和25號變壓器油；實驗具體步驟：①清洗盛樣裝置與實驗用電極，并進行徹底干燥；②將新變壓器絕緣油加入到盛樣裝置；③將所需實驗項目的絕緣紙平坦放在油中的負電極上，為了降低裝置對試品極化效果的影響，將電極與絕緣紙放于裝置中心位置；④待絕緣紙都被絕緣油浸透均勻時，正電極覆蓋于絕緣紙上面；⑤關(guān)上盛樣裝置的密封蓋；⑥分別將正、負電極的外接引線連接到RVM 5461儀器的兩極探測線；⑦檢查接線并確認開始實驗，打開RVM 5461電源開關(guān)，設(shè)置極化電壓（該文選取為400V）、充放電時間比（該文選取為2）、充電時間范圍等量；⑧依次進行各充電時間下的回復(fù)電

圖4 實驗裝置及接線方式Figure 4 Test device and wiring diagram

y壓測試，并保存其間獲取的回復(fù)電壓參數(shù)；⑨實驗結(jié)束，記錄數(shù)據(jù)以及自動生成的回復(fù)電壓極化譜；⑩重新調(diào)整絕緣紙量，進行下一個實驗項目。

3 油紙系統(tǒng)絕緣層數(shù)實驗

目前，對于回復(fù)電壓法的研究主要還是基于特定絕緣結(jié)構(gòu)下展開的，而實際中油紙絕緣變壓器由于電壓等級、容量和結(jié)構(gòu)等方面的不同，其油紙比例上也存在不同，所以為了以后能夠應(yīng)用回復(fù)電壓法準確診斷各種不同變壓器絕緣狀態(tài)，將研究成果與實際變壓器絕緣系統(tǒng)情況相結(jié)合，對絕緣系統(tǒng)的油紙比例進行實驗研究，而當盛樣裝置內(nèi)的絕緣油量一定時，油紙比例問題又可轉(zhuǎn)為對絕緣層數(shù)上的討論。

3.1 絕緣紙層數(shù)與回復(fù)電壓最大值的關(guān)系

將不同充電時間下的Urmax繪制成極化譜，如圖5所示，可以看出，隨著絕緣層數(shù)的增加，極化譜的主時間常數(shù)呈增大趨勢，這與文獻［10］中的結(jié)果相吻合，而8層絕緣紙情況下，極化譜起始的局部峰值可能是由于上次測試時的殘余電荷未完全釋放，隨著充電時間的增加，其影響可忽略。已有研究表明，變壓器油對應(yīng)著快速極化過程，絕緣紙與緩慢極化過程相對應(yīng)，當絕緣層數(shù)增加時，可認為絕緣系統(tǒng)的油紙比例降低，快速極化作用相對減弱，絕緣電阻有所增大，絕緣系統(tǒng)兩端的等效電容降低，電容上存儲的電荷也將減少，此時的回復(fù)電壓最大值Urmax下降（實驗中下降趨勢不是很顯著），極化譜主時間常數(shù)增大，與文獻［11］中的仿真結(jié)論相吻合。

圖5 絕緣層數(shù)與回復(fù)電壓最大值的關(guān)系Figure 5 Relationship between numbers of insulating layer and maximum recovery voltage

3.2 絕緣紙層數(shù)與峰值時間的關(guān)系

絕緣紙層數(shù)對不同充電時間下的回復(fù)電壓峰值時間Tpeak的影響如圖6所示，可以看出，當絕緣層數(shù)一定時，峰值時間Tpeak隨著充電時間的增加而增加，當充電時間較小時，增加絕緣層數(shù)，Tpeak值的變化情況不明顯，隨著充電時間增大，不同絕緣層數(shù)下的Tpeak值則出現(xiàn)分叉。但固體絕緣強度增強，緩慢極化過程則占據(jù)主要地位，峰值時間應(yīng)相對增大，因此，圖6中的峰值時間曲線后段的實驗結(jié)果還有待深入研討，目前可證實Tpeak隨絕緣層數(shù)變化而變化。

圖6 絕緣層數(shù)與回復(fù)電壓峰值時間的關(guān)系Figure 6 Relationship between numbers of insulating layer and peak time

3.3 絕緣紙層數(shù)與初始斜率的關(guān)系

各次充電時間下，回復(fù)電壓初始斜率Sr總體隨著絕緣層數(shù)的增加而下降，如圖7所示，可以看出，絕緣系統(tǒng)的絕緣紙層數(shù)較少時，Sr值較大，并隨著層數(shù)增加而快速降低，最后變化緩慢。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，初始斜率越大則系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)越差，所以一般層數(shù)少的絕緣狀態(tài)不如層數(shù)多的好，適當增加絕緣紙層數(shù)有利于提高絕緣性能。

圖7 絕緣層數(shù)與回復(fù)電壓初始斜率的關(guān)系Figure 7 Relationship between numbers of insulating layer andinitial slope

綜上可得，絕緣紙層數(shù)可對回復(fù)電壓最大值、峰值時間和初始斜率分別產(chǎn)生影響。另外，絕緣紙層數(shù)與系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)好壞直接相關(guān)，絕緣紙層數(shù)越多，系統(tǒng)絕緣狀態(tài)相對越好，所以利用回復(fù)電壓特征量亦可對因結(jié)構(gòu)和大小導(dǎo)致油紙比例不同的實際變壓器進行絕緣狀態(tài)分析。

4 不同容量變壓器回復(fù)電壓測試分析

根據(jù)實際需求和用途的不同，變壓器的型號多種多樣，而一臺變壓器的結(jié)構(gòu)體積主要與其額定容量大小相關(guān)，筆者將對相同電壓等級不同容量的油紙絕緣變壓器做回復(fù)電壓測試，獲取各次的回復(fù)電壓最大值、峰值時間和初始斜率（從第1次到第15次的試驗充電時間分別為0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，50，100，200，500和1 000s），通過對比分析，得出容量不同的變壓器對回復(fù)電壓測試有何影響。進行測試變壓器的基本信息如表1所示。

表1 不同容量測試變壓器的基本信息Table 1 Basic information of four transformers

1）回復(fù)電壓最大值Urmax。

電壓等級分別為110和220kV時，不同容量在n種不同充電時間情況下的回復(fù)電壓最大值變化如圖8，9所示，從而可知，一臺變壓器的實測Urmax與其容量相關(guān)，且測試結(jié)果表明二者呈遞增關(guān)系，即在其他因素相近的情況下，變壓器的容量越小，其Urmax也越小，反之越大。而其原因可結(jié)合模擬實驗分析，一般來說變壓器容量越大，其體積也有所增大，可認為其絕緣紙層數(shù)也相對增加，所以使得Urmax隨變壓器的絕緣電阻增大而相應(yīng)增大，從而現(xiàn)場測試與實驗結(jié)果相一致，則變壓器容量越大，其Urmax將越大。

2）回復(fù)電壓峰值時間Tpeak。

同一電壓等級下不同容量變壓器回復(fù)電壓峰值時間Tpeak的對比如圖10，11所示，從圖中可見，電壓為220kV時的變化規(guī)律比電壓為110kV時的更明顯，圖10中只有10，100，200和500s這4個充電時間下變壓器T2的Tpeak比T1的小，總體上而言，容量大的變壓器峰值時間Tpeak相對容量小的峰值時間稍大。同時可知，有時實驗結(jié)果與現(xiàn)場實際變壓器的測試結(jié)論相左，所以必須通過大量回復(fù)電壓測試情況來驗證實驗結(jié)論的可行性。

3）初始斜率Sr。

如圖12，13所示，從不同容量變壓器的回復(fù)電壓初始斜率Sr對比情況可以看出，電壓等級110kV的變壓器容量越大，初始斜率值也越大，而容量較小變壓器的初始斜率則相對較??；而220kV變壓器進行對比時，只有在充電時間較小時才和110kV測試結(jié)果相同，當充電時間較大時，變壓器T3的初始斜率更大，通過數(shù)據(jù)觀察，T4的初始斜率變化并不是正常衰減，后期出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，分析原因應(yīng)該是充電時間越大時，引入外界干擾的可能性有所增加。

圖8 不同容量110kV電壓等級變壓器的回復(fù)電壓最大值Figure 8 The maximum recovery voltage of transformers on different capacity and 110kV voltage level

圖9 不同容量220kV電壓等級變壓器的回復(fù)電壓最大值Figure 9 The maximum recovery voltage of transformers on different capacity and 220kV voltage level

圖10 不同容量110kV電壓等級變壓器回復(fù)電壓峰值時間Figure 10 The peak time of transformers on different capacity and 110kV voltage level

圖11 不同容量220kV電壓等級變壓器回復(fù)電壓峰值時間Figure 11 The peak time of transformers on different capacity and 220kV voltage level

圖12 不同容量110kV電壓等級變壓器回復(fù)電壓初始斜率Figure 12 The initial slope of transformers on different capacity and 110kV voltage level

圖13 不同容量220kV電壓等級變壓器回復(fù)電壓初始斜率Figure 13 The initial slope of transformers on different capacity and 220kV voltage level

綜上可知，各回復(fù)電壓參數(shù)結(jié)果均受到實際油紙絕緣變壓器容量的影響，從而當利用回復(fù)電壓法對不同容量變壓器進行絕緣狀態(tài)對比研究時，必須考慮到變壓器容量上的差異，即變壓器電壓等級和容量接近時，回復(fù)電壓測試結(jié)果才有可比性。所以在今后研究中，需不斷擴充各容量電壓等級實際變壓器的回復(fù)電壓數(shù)據(jù)庫，同時已研究建立基于回復(fù)電壓的絕緣狀態(tài)評估準則要與實際變壓器的容量等相對應(yīng)。

5 結(jié)語

筆者通過實驗室模擬回復(fù)電壓測試，定性研究分析了絕緣紙層數(shù)對絕緣系統(tǒng)回復(fù)電壓特性的影響。從多次實驗結(jié)果可知，絕緣層數(shù)與回復(fù)電壓特征量之間有較好的相關(guān)性。另外結(jié)合油紙絕緣變壓器現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，回復(fù)電壓最大值Urmax隨著變壓器的容量或絕緣層數(shù)增大而增大，而初始斜率Sr隨著變壓器容量或絕緣層數(shù)增大而減小。實驗部分可輔助研究老化與回復(fù)電壓特征量的內(nèi)在聯(lián)系，但對于該法老化判據(jù)的確立還得回歸到實際變壓器中的測量上，有效地獲取變壓器絕緣狀態(tài)的評估結(jié)果，從理論與實驗步入到實際回復(fù)電壓測試具體應(yīng)用的重要一步。

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