变压器油纸绝缘老化与水分含量评估频域介电特征量

王有元　高　竣　刘捷丰　张镱议　郝　建　马志钦

变压器油纸绝缘老化与水分含量评估频域介电特征量

王有元1高竣1刘捷丰1张镱议1郝建2马志钦3

（1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 重庆 400044 2. 重庆市电力公司电力科学研究院 重庆 401123 3. 广东省电网公司电力科学研究院 广州 510080）

为区分水分以及老化状态对油纸绝缘频域介电响应的影响，更好地推动频域介电谱技术（FDS）应用于现场电力变压器绝缘状态的无损评估，首先在实验室制备了不同含水量、不同热老化状态的油纸绝缘样品，然后在深入分析老化和水分对频域介电响应影响规律的基础上，提出一种利用介质损耗因数tanδ 区分油纸绝缘水分和老化状态对频域介电响应影响的方法，并提取了能够量化绝缘纸水分含量及聚合度的频域介电特征量。研究结果表明：提取的油纸绝缘样品的频域介电特征量在10-1～10Hz的频域范围内对水分反映灵敏，而老化仅仅在10-3～10-1Hz的测试频段内对该特征量的影响较大，该特征量在两频段范围内的最大值分别与绝缘纸水分含量、聚合度均存在拟合优度较高的指数函数关系。提取的特征量可进一步应用于变压器油纸绝缘状态的无损评估。

电力变压器 油纸绝缘 老化状态 水分含量 特征参量 FDS 介质损耗因数

0　引言

电力变压器是电力系统中能量转换与传输的核心，是电力系统最重要和最昂贵的设备之一，其运行状态的好坏直接影响整个电力系统能否安全、可靠运行[1,2]。变压器的绝缘系统是由绝缘油与绝缘纸两部分组成，二者在长期运行过程中受电、热、机械振动、水分和氧气等多种因素的影响而逐渐老化，导致变压器的电气及机械绝缘性能逐渐劣化，而油纸绝缘性能的优劣将直接决定变压器的使用寿命，所以准确把握变压器的绝缘状态具有重要的现实意义[3,4]。

传统的变压器绝缘状态诊断方法采用由绝缘系统老化引起的理化参数和电气性能参数的变化进行评估，主要有油中溶解气体分析（Dissolved Gas-in-oil Analysis，DGA）、局部放电（Partial Discharge，PD）检测、油中微水和糠醛含量分析以及绝缘纸聚合度分析等[4,5]。传统的老化诊断方法由于测试过程繁杂，或者测量结果误差大，难以准确建立绝缘状态与实验结果的对应关系[6,7]。近几年来，以介质极化理论为基础的介电响应测试法，由于具有不吊芯、无损、抗干扰能力强和适于现场评估等优点，而被逐渐应用到变压器油纸绝缘状态评估中，主要包括回复电压法（Recovery Voltage Method，RVM）[8]、极化去极化电流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[9]以及频域介电谱法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）[10-15]。相比前两种方法，FDS因其中能够描述正弦交变电场下电介质的复介电常数、介质损耗因数等随电场频率的变化规律，携带信息丰富，测量频带窄，抗干扰能力强，更适于现场测量和诊断，可对变压器油和绝缘纸的状况分别进行评估，具有更加广阔的应用前景[10,11]。

对于绝缘状况的诊断研究，已证实绝缘纸老化以及含水量与介电响应图谱具有较强的相关关系，但目前依然局限于探索各种单一因素对油纸绝缘系统频域介电谱特性变化规律的影响[16-19]，特别是如何区分水分和老化对油纸绝缘介电响应的影响，对绝缘纸的水分含量和老化状态分别进行有效评估一直是国内外学者研究的热点与难点。为解决上述问题，在实验室内制备了不同含水量、不同老化状态的油纸绝缘样品并测试了其频域介电响应特性，然后提出了一种利用介质损耗正切值tanδ 区分油纸绝缘水分和老化状态影响的评估方法，并提取了能够量化绝缘纸水分含量及聚合度的频域介电特征量，初步建立了特征参量与绝缘纸含水量和聚合度之间的量化关系。

1　样品制备及FDS测试

实验用油纸绝缘样品为普通牛皮绝缘纸（厚度为1mm）和25#环烷基矿物绝缘油。为控制样品的初始状态，对其作以下预处理：①将绝缘油和纸板分别在90℃、50Pa环境下放置48h进行干燥、脱气；②将除水、脱气的绝缘油和纸板一起放入40℃、50Pa的真空箱中浸渍48h；③将样品分为两部分，一部分样品置于老化箱中进行加速热老化实验，另一部分通过自然吸潮的方式获得不同水分含量的样品。

1.1不同老化状态的油纸绝缘样品的制备

将一部分经过预处理后的样品取出，在充氮气环境下将油纸按质量比为10∶1放置于图1所示玻璃瓶中，并向玻璃瓶中放入适当比例的铜条，然后依次将玻璃瓶抽真空、充氮气至标准大气压后置于120℃的老化箱中进行加速热老化，并定期取样测试其聚合度变化规律。

图1　样品密闭装置Fig.1　Sample sealing device

1.2不同水分含量的油纸绝缘样品制备

在变压器的制造过程中，虽然油纸绝缘会经过干燥、真空注油和热油循环等一系列脱水、除水工艺，但在油和固体绝缘中仍会残留一定量的水分。根据电压等级的不同，变压器刚投入运行时绝缘纸中残余水分一般小于0.5%，而在长期运行过程，由外部入侵的水分以及油纸绝缘老化自身产生的水分，到寿命末期时绝缘纸中的水分可达4%以上。因此，本实验处理的样品的水分含量（Moisture Content, MC）为0.5%～4%，其中不同水分含量的纸板样品是通过将预处理后的纸板暴露在空气中自然吸潮不同时间来获得的。绝缘纸中水分含量采用梅特勒-托利多DO308干燥炉和DL32卡尔菲休库仑滴定仪进行测试，参照标准IEC 60814和ASTM D1533，每次取3次测量的平均值作为测试结果。最终制备的纸板样品的水分含量分别为0.76%、1.20%、2.35%和3.38%。

1.3FDS测试系统简介

油纸绝缘样品的FDS测试采用实验室自制的三电极测试系统完成，其设计满足标准IEC 60093：1980，具体结构如图2所示。高压、低压及保护电极均采用黄铜制成，被测样品置于测量电极与高压电极之间，并用弹簧压紧，将整个电极浸入绝缘油中进行测试，为消除沿面泄漏电流对测试结果的影响，在测试电极外围增加保护电极。FDS测试所用的仪器为奥地利OMICRON公司生产的介电响应分析仪DIRANA。所有介电响应测试的温度均控制在30℃，而且测试前油纸样品在恒温恒湿箱中静置6h，待电极系统内外温度达到平衡后再进行FDS测试。

图2　三电极测量系统Fig.2 Measure system with three electrodes

2　实验测试结果及分析

2.1水分含量对tanδ 频域谱影响规律

不同水分含量下未老化油浸绝缘纸的tanδ 频域谱如图3所示。由图3可看出，随绝缘纸水分含量的增加，tanδ 在10-3～102Hz范围内显著增大，而高频部分变化不大。这是由于水分为高介电常数的强极性物质，水分含量的增加将导致油浸绝缘纸中单位体积内参与极化的分子数目增多，油纸样品极化程度增加，同时绝缘纸受潮使油纸界面极化响应速度加快，界面极化得到加强。而高频部分由于界面极化转向速度跟不上电场变化，极化过程无法建立，在此频段主要由转向极化起主导作用，而相对于界面极化，水分对转向极化影响的幅度很小。

图3　不同含水量油浸绝缘纸的tanδ 频域谱Fig.3　The tanδ spectroscopy of oil-impregnated pressboard with different water content

2.2老化状态对tanδ 频域谱影响规律

聚合度是目前表征绝缘纸老化程度最直接、最有效的判据[20]。绝缘纸的聚合度（Degree of Polymerization, DP）在120℃下加速热老化过程中的变化如图4所示，可看出绝缘纸聚合度随老化时间增加而逐渐下降。

图4　老化过程中绝缘纸DP变化Fig.4　DP of pressboard during aging

图5为纸板老化过程中的水分含量变化规律。可发现，随老化时间的增加，绝缘纸水分变化很小，基本保持在0.55%左右。因为在热老化过程中，油纸绝缘系统内部与油纸绝缘样品上方空气中的水分分布存在着动态平衡。绝缘纸纤维素在热老化过程发生降解，导致不断有水分产生，但是老化温度较高，水分容易转移到油中，而且当绝缘油的相对湿度大于油纸绝缘样品上方空气时，水分将从油中向空气进行转移，此动态过程的存在使得热老化过程中纸板水分含量变化不大。

图5　老化过程中绝缘纸水分含量的变化Fig.5　Moisture content of insulation pressboard during aging

图6　不同老化程度油浸绝缘纸的tanδ 频域谱Fig.6　The tanδ spectroscopy of oil-impregnated insulation pressboard with different aging status

在120℃下加速热老化不同时间的油浸绝缘纸的tanδ 频域谱如图6所示。tanδ 在10-3～10-1Hz范围内随老化时间增加而增大，而在10-1Hz以上则变化不明显。在交变电场作用下，油纸介质及其界面发生极化，不同类型极化完成所需时间不同。tanδ 在低频区域随老化时间的变化主要是由界面极化造成的，在高频段则与转向极化有关[21]。在油纸绝缘热老化过程中，热应力使纤维素结构疏散、分子内相互作用力减弱，绝缘油能更充分地和纸板接触，形成更多油纸界面，从而导致油纸间界面极化加剧，使得tanδ 在低频区增大。同时随着纤维素链的断链，水分、有机酸和糠醛等强极性物质不断生成，提高了绝缘纸的电导率，从而减小了界面极化的响应时间，使tanδ 整体向右平移。而在高频段，偶极子转向极化占主导，但有机酸、水分等强极性物质的含量相对油纸绝缘自身而言并不是十分显著，对绝缘整体的偶极子极化程度改变很小，因此对tanδ 大小的影响也可忽略不计[15]。这也与文献[10]中指出的“变压器中油浸绝缘纸发生老化后只会导致其机械性能的下降，而其工频介质损耗不会发生太大的变化”观点一致。

2.3纸板水分含量与老化状态特征参量

由图3与图6对比分析可知，油纸绝缘的tanδ 图谱对水分和老化的敏感频段不同，因此可采用不同频段的tanδ 来分别表征油纸绝缘水分和老化状态。为探究油纸绝缘的tanδ 与纸板含水量以及老化状态之间的关系，本文定义了一个特征参量——介质损耗正切积分因数Stanδ，将其定义为tanδ 对测试频率f的定积分，如式（1）所示，因为积分本质上表示了tanδ 频谱与频率轴围成的面积，相比文献[22]中采用频谱上某一点的值与DP和水分含量的函数关系只能表示某个特定频率点的信息而言（取点具有随机性），此方法不仅可包含所有敏感频段内的信息，而且还可消除由于干扰可能造成的某个频率点畸变，导致无法评估的缺陷。

图7和图8给出了介质损耗正切积分因数Stanδ与测量频率的关系，可看出，不同老化状态下的油纸绝缘样品在10-3～10-1Hz的特征频段内，Stanδ显著增大，类似地，不同水分含量下油纸绝缘样品的Stanδ在10-1～10Hz的频率范围内变化显著。因此，可分别提取这两个频段内任意测试频率点处Stanδ来区分绝缘纸水分含量与老化状态的影响。为包含尽可能多的频域信息，本文选用最大测试频率点处Stanδ作评估特征参量（即Stanδ最大值），其中以SDP(f )作为评估绝缘纸老化状态的特征参量，SMC(f )作为评估绝缘纸水分含量的特征参量，具体定义为

图7　介质损耗正切积分因数Stanδ与纸板老化状态的关系Fig.7　Relation between Stanδand aging status of oil-impregnated pressboards

图8　介质损耗正切积分因数Stanδ与纸板含水量的关系Fig.8　Relation between Stanδand the moisture content of oil-impregnated pressboards

表1给出了纸板DP与SDP(f )的拟合关系，可看出，在特征频段10-3～10-1Hz范围内，DP与SDP(f )存在拟合优度较高的函数关系；表2给出了纸板水分含量与SMC(f )的拟合关系，在特征频段10-1～10Hz范围内，纸板的水分含量与SMC(f )也存在拟合优度非常高的函数关系。

表1　纸板DP与SDP(f )的拟合函数关系Tab.1 Fitting relation between SDP(f) and DP of oil-impregnated pressboards

表2　纸板MC与SMC(f )的拟合函数关系Tab.2　Fitting relation between SMC(f ) and moisture content of oil-impregnated pressboards

图9和图10分别给出了纸板老化评估特征量SDP(f )和水分评估特征量SMC(f )与纸板DP以及水分含量的拟合曲线，可看出，SDP(f )和SMC(f )分别与绝缘纸的DP及水分含量存在拟合优度较高的指数关系（拟合函数式及拟合优度分别见表3和表4），因此SDP(f )和SMC(f )可分别作为评估绝缘纸老化状态和水分含量的新特征参量。

图9　纸板老化评估因数SDP(f )与DP的关系Fig.9　Relation between SDP(f ) and DP of oil-impregnated pressboards

图10　纸板水分评估因数SMC(f )与MC的关系Fig.10　Relation between the SMC(f ) and MC of oil-impregnated pressboards

表3　纸板DP与SDP(f )的拟合关系Tab.3 Relation between SDP(f) and DP of pressboards

由以上分析可知，对于任意未知绝缘状态的油浸绝缘纸，可首先测出其 tanδ 频域谱，然后分别求出tanδ 谱在10-3～10-1Hz和10-1～10Hz频段范围内的定积分，再将其积分结果分别代入表3和表4中的拟合公式，便可量化绝缘纸的DP和水分含量，实现对纸板状态的无损评估。

3　结论

本文提出了利用介质损耗因数tanδ 区分油纸绝缘水分和老化状态影响的评估方法，并建立了特征参量与水分含量以及绝缘纸聚合度之间的量化关系。得到如下结论：

（1）tanδ 在10-3～10Hz频域范围内随油纸绝缘样品水分含量的增加而显著增大，而油纸绝缘样品的老化状态仅影响其处于10-3～10-1Hz的低频段区域，借此可区分水分和老化对油纸绝缘频域介电响应曲线的影响。

（2）分别提取了两个不同频段内介质损耗正切积分因数Stanδ的最大值作为评估油纸绝缘含水量和老化状态的特征参量，并通过实验室数据拟合得到特征参量与水分含量和聚合度之间的量化关系。

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王有元 男，1971年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、电气设备绝缘在线智能监测和故障诊断技术等。

高 竣 男，1989年生，博士研究生，研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断。

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

国家自然科学基金资助项目（51277187）。

2013-10-18 改稿日期 2013-12-31