套管油纸绝缘受潮与老化的介电响应非线性特性和辨识方法

张大宁， 梁兆杰， 李璇， 田杰， 穆海宝， 张冠军

(1.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

随着我国电力工业的快速发展，大量高电压等级、大容量的变压器、电抗器等电力设备投入运行，对现场设备维护水平提出了更高的要求[1]。作为大型油纸绝缘变压器的重要组成部分，高电压油纸绝缘套管具备使用量大、绝缘性能优良等特点，其绝缘性能直接影响变压器的稳定运行[2]。因此，对其绝缘状态进行科学有效的诊断与评价决定了高压电网的安全稳定。

油浸纸电容型套管运行中不仅要承受高电压、大负荷，还要承受外界的雨、雪、凝露及大温差等环境因素带来的运行压力，其绝缘性能日益劣化。2015年CIGRE A2.37工作组关于变压器故障起因报告的统计显示[3]，随着电压等级增加，由套管导致的变压器故障比例逐渐增加，100～200 kV等级的246台变压器中套管故障变压器占比13.0%，而500～700 kV的18台变压器统计结果中套管故障变压器占比达到27.8%。电压等级越高，套管故障的带来的经济损失也相应的越大。CIGRE统计报告中还显示，2005年前制造的100 MVA以上的输电变压器中，故障主要发生在套管和线圈中。同时还指出盐的污染会引起套管法兰和管件的异常腐蚀，导致密封恶化，进而导致大气中的水分进入，使得套管的绝缘状况日益劣化[3]。

套管受潮是其绝缘故障出现的主要诱因之一，绝缘纸中水分的积聚使得局部放电明显增加，击穿场强大幅降低，进而引发电力事故[4-5]。近年来，由套管密封失效、结构件锈蚀及外力因素导致的绝缘失效事故日益突出。2019年南网超高压公司通过对某500 kV主变故障套管解体取样发现，套管顶部注油口密封圈劣化，芯子内部出现了锈蚀现象，内部绝缘纸含水量大于6%，同时芯子内部绝缘纸上出现明显的放电炭黑痕迹[6]。2018年云南电网发现某套管瓷套在法兰附近出现隐裂，进而导致水分入侵，解体发现内绝缘下端受潮，最终形成芯子表面爬电[7]。

现场套管事故案例还表明，套管的受潮和老化往往是伴随发生且相互促进的。2018年深圳供电局联合西安交通大学对某110 kV主变正常退役套管解体取样发现，随着运行年限的增加，老化的套管绝缘纸呈深褐色，纤维素的聚合度明显下降且含水量明显大于正常套管。套管芯子初始含水量高还会导致绝缘纸干燥过程中产生褶皱，进而出现小油隙，在电应力的作用下绝缘油劣化产生X蜡。如2018年南网超高压对某500 kV故障套管解体发现，内层绝缘纸出现粘稠的X蜡，且绝缘纸形成条纹状褶皱。

近年来，介电响应作为一类新型无损诊断方法，因具有内含绝缘信息丰富、不破坏绝缘等优点，有望发展成为一种套管绝缘的现场无损诊断评估手段，对传统的测试方法提供有效的补充。介电响应测试方法在油纸绝缘上的应用主要包括时域介电响应和频域介电响应两大类，时域法包括极化去极化电流(polarization and depolarization current, PDC)[8]和回复电压法(recovery voltage method,RVM)[9]，频域法主要为频域介电谱(frequency-domain dielectric spectroscopy,FDS)[10-11]。目前应用较多的主要为FDS法，但该方法在受潮与老化状态辨识上仍存在一定局限性。加拿大魁北克大学的I.Fofana[12]等人研究发现，随着热老化程度的加深及含水量的增加，tanδ-f曲线均会增加，并指出老化和水分对tanδ-f曲线的影响规律相似，难以区分两者之间的影响。同时I.Fofana[13]等人借助神经网络算法尝试对受潮与老化频域介电谱进行区分，但在受潮与老化的FDS曲线相近时评估受限。国内学者廖瑞金[14]等人研究表明，相同含水量的油纸样品在不同热老化程度下的tanδ-f曲线差异较小，而相同热老化程度不同含水量的tanδ-f曲线差异较大。国内重庆大学学者王有元[15]等人通过对0.001～0.1 Hz和0.1～10 Hz频段内tanδ-f曲线定积分，建立了热老化下聚合度和含水量的特征值拟合方程。现有的研究成果中受潮与老化区分研究较少，仍需继续开展受潮、老化与受潮老化共存状态下介电响应特性与机理研究，进一步形成可靠的且具有明确物理意义的特征参量和量化判据。

现有介电响应方法中测试电压低且形式单一，难以激发套管油纸绝缘的电导与极化行为。油纸绝缘在不同幅值和极性的电压激励下表现出的介电响应非线性特性，有望给绝缘状态评估带来新的挑战和机遇。瑞典查尔姆斯理工大学Gubanski等人[16]首次在油纸绝缘FDS结果中发现了由Garton效应引起的非线性频域介电响应现象。对于油纸绝缘样品，随着测试电压的增加，tanδ-f曲线在低频区域逐渐减小。然而该研究并没有针对不同绝缘状态的油纸绝缘样品展开对比试验和机理分析。此外，清华大学周远翔[17]等人研究发现，在低场强(E<0.44 kV/mm)下绝缘油的响应电流和激励电压之间的关系近似符合欧姆定律。电压与电流的曲线并不是线性关系，而是随着场强的增加，电导率呈上升趋势。澳洲昆士兰科技大学Nielsen[18]等人通对10 kV油浸变压器进行FDS测试发现，不同激励电压下低频段响应电流的3、5次谐波含量比例不同。由此可推断，随着电压的改变，FDS响应电流的波形不再是标准正弦波形。澳洲昆士兰大学学者Saha[19]等人实验发现，随着电压增加，油纸绝缘极化与去极化电流成非线性增加，并建立了非线性电路模型拟合不同激励电压下PDC曲线。但是该研究并没有建立非线性参数与绝缘状态之间的内在联系。

场强对介电响应的影响主要体现在电导过程。美国耶鲁大学学者Onsager[20]基于布朗运动方程及动力学方法计算了外加电场对弱电解质解离系数增加程度的影响。并通过对弱电解质水溶液中电导率的定量测量证实了欧姆定律的偏差。随后法国学者Denat[21]等人在Onsager理论的基础上给出了低介电常数液体中弱电解质解离复合松弛时间与场强之间的关系式。Denat[22]等人在后续研究中给出了分子解离平衡弛豫时间与液体介电常数的关系。英国学者Garton[23]提出关于纤维素对离子运动限制的理论，依据该理论解释了工频tanδ随场强变化的原因。Garton指出随着场强的增加，正负离子定向移动导致正负离子复合减少，进而提升了离子浓度，离子来源为油纸绝缘中弱电解质，如水分及有机酸等的解离。

由上述可得，尽管不同激励电压下油纸绝缘介电响应表现出非线性特性，但该非线性现象的内在机制与绝缘劣化状态紧密相连。因此，本文着重针对变电压激励下变压器套管的介电响应非线性特性与受潮、老化状态区分开展相关研究。

1 实验样品与模型制备

本文依照文献[4,24]中的制备方法获取了不同含水量、老化程度的单元叠层油纸试品。将干燥好的油浸纸样品取出立即置于高精度电子天平称重，通过控制自然吸潮中重量的变化来实现不同含水量样品的制备，其中含水量大于6%的样品采用喷雾机加湿获得。制备好的油浸纸样品置于含油的密封瓶中静置48 h，使绝缘纸中气泡溢出。制备好的同批次油浸纸样品送至西安热工院通过卡尔费休水分测定计KFT831进行水分标定。随后依据标定结果筛选出含水量依次为0.5%～7%的待测样品，并保存至密封瓶中。上述油浸纸样品制备流程如图1所示。

根据Montsinger提出的6 ℃老化原则，140 ℃下加热老化时间为800 h时，相当于实际套管98 ℃下运行12年[25]。将上小节中制备的干燥油浸纸叠层放在老化腔体中，并置于真空烘箱中，控制热老化温度为140℃。老化的油浸纸样品制备流程如图1所示。

图1 油纸样品制备流程

本文中的26 kV套管实验模型为电容型高压变压器套管缩比例模型，其主绝缘是一系列内置铝箔电极与油纸绝缘组成的同轴串联电容器。本文设计的26 kV套管模型外壳采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)材质的透明护套，如图2所示。电容芯子绝缘结构包括四个均匀铝箔极板。模型零屏的半径R0为16.5 mm，长度L0为260 mm。为了使模型的等效电场强度达到500 kV套管的实际电场强度，调整套管各层之间的厚度和台阶长度以满足要求，如表1所示。套管模型的最大径向场强度为4.5 kV/mm。上端的最大轴向电场强度为0.1 kV/mm，下端的最大轴向电场强度为0.43 kV/mm。套管模型场强偏差小于5%。

图2 油纸绝缘套管模型

表1 26 kV套管模型参数

选取的测试接线方式为基于三电极的UST-g模式，如图3所示。试品表面的泄露电流及样品边缘处杂散电容流过的电流经保护极流入介电响应测试仪的屏蔽端，从而确保了介电响应测试过程中响应电流的准确性。图4为变压器套管及模型的介电响应测试接线图，其中输出端连接至套管导电杆，末屏引线连接至输入端，测量线的屏蔽线接地。为满足介电响应测试及油纸绝缘加速热老化需求，对真空烘箱进行改造，在烘箱背部加装屏蔽电极，以便于接线引出进行介电响应测试。通过加装进油阀可以实现腔体内的待测样品真空注油，避免外界水分的影响。加装进气阀，对老化箱内充入氮气，避免残留空气中的氧气对绝缘纸造成加速热老化。改造后的烘箱温控范围为环境温度+5 ℃～200 ℃，温度波动±1 ℃以内，真空度<100 Pa，有效容积50 L。

图3 油纸绝缘样品测试接线图

图4 变压器套管测试接线图

2 受潮油浸纸的FDS非线性特性与评估方法

2.1 变电压激励下受潮油浸纸的FDS特性

1)低含水量时的非线性FDS。

不同激励电压下含水量为0.5%油浸纸样品FDS测试结果如图5所示。

从图5(a)可以得到，在高频部分(1 Hz～5 kHz)，tanδ-f的曲线不会随场强的变化而变化。而在低频部分(1 mHz～1 Hz)，随着场强的增大tanδ呈现减小的趋势。图5(a)中，复电容的虚部的变化规律与tanδ一致。低水分含量时，复电容的实部在整个频段内基本不变。复合电容C*的虚部主要表征电介质的电导损耗和极化损耗过程。由于水分的存在，电导损耗和极化损耗的增加导致复合电容器C*的虚部在整个频带中的增加。但在低频段，由于测试频率足够低，极化过程有足够的时间来完成，低频段主要贡献来自电导过程。当频率较低时，tanδ-f的曲线在低频段的斜率取决于电导率。

图5 不同场强下含水量0.50%的FDS结果

2)高含水量时的非线性FDS。

含水量为6.2%油浸纸样品FDS测试结果如图6所示。从图6(a)可以得到，在高频部分(1 Hz～5 kHz)，tanδ-f的曲线不会随场强的变化而变化。而在低频部分(1 mHz～1 Hz)，tanδ随着场强的增大呈现增大的趋势。图6(a)中，复电容的虚部的变化规律与tanδ一致。高水分含量时，复电容的实部在高频段内基本不变，而在低频段出现随场强增大明显减小。这主要是由于电导率改变，从而使得油纸之间的界面极化过程随电压改变。

图6 不同场强下含水量6.2%的FDS结果

2.2 受潮油纸样品非线性介电响应的机理与模型

绝缘纸与绝缘油混合时，油浸纸的电导机理与绝缘油有很大的差别。微观上，杂质离子的运动会受到绝缘纸中的纤维素的阻碍作用。这种阻碍效应降低了离子电导电流的有效值。绝缘油作为一种填充剂浸渍于多孔状绝缘纸中。如图7所示，由纤维素形成的多孔边界限制了绝缘油中离子和载流子的运动，tanδ和电场强度不再是完全独立的。对于不同含水量的油纸绝缘样品，其杂质离子电导的主要来源为水分与杂质。因而，通过对不同含水量不同场强下的频域介电响应电导损耗过程建模，可获取含水量的间接评估参量。

1)低含水量时的电导损耗。

依据非线性电导损耗特性可推论，当施加在电介质上的交流电场频率较低时，多数极化过程有足够的时间来完成。在低粘度液体中，油纸绝缘的电导损耗占介质损耗的主导地位。当含水量较低时，纤维素的非晶区内尚未形成离子运动的贯穿性通道。尽管杂质分子的解离势垒随场强增加而减小，但离子浓度的提升而导致的电导损耗并不占据主导作用。相反，随着浓度的提升，纤维素阻碍效应增强并占据主导作用。在实际套管芯子中，初始水分集中在绝缘纸纤维素表面。绝缘纸是多孔材料，绝缘油浸渍于绝缘纸纤维素的孔隙内。孔隙的大小与离子在不同交流电场下的周期性运动轨迹不匹配。如图7所示，孔隙的边界限制了油中离子和其他载流子的运动轨迹。故电导损耗与离子的运动轨迹及离子浓度相关。由此可见在上述条件下，交流电场下的tanδ和电场强度不再是相互独立的。

图7 交流电场下纤维素孔隙与离子运动轨迹

无外加电场时正负离子分布符合玻尔兹曼分布。当外加电场时，正负离子在电场力的作用下往电极方向移动。当含水量较小时，水解离子及其他杂质离子在纤维素构成的孔隙内做往复运动。然而，在纤维素构成的小孔中，离子的宏观运动轨迹变化不可忽略。不同电场强度下离子运动轨迹可能存在以下几种情况，如图8所示。

图8 离子运动轨迹与电场强度的关系

图8中，当电场强度较低时，由于离子运动轨迹幅度小，外加电场对离子运动的影响不显著。随着外加电场的增加，离子运动轨迹的振幅增大。当离子层的轨迹超过孔隙的边界时，其运动受到纤维素的阻碍。由上述可得，外加电场的影响分为三种情况：ⓐE

(1)

式中：F为电场力；v为离子运动的速度；q为离子电荷；d为孔隙中一侧到另一侧的距离；N为离子数量；U为孔隙中施加电压的峰值；ω为交流电场的角速度；m为常数，取决于离子的质量。微孔之间的无功功率由Wc=πU2CP给出，其中CP是孔隙的电容。因此，介电损耗角的正切可以表示为：

(2)

当U小于Ecd时，孔隙边界的限制作用可以忽略不计，tanδ和场强无关。当电压超过Ecd，tanδ和U之间的关系可以由式(2)得到，如图9所示。

图9 tanδ与场强的关系(低含水量)

2)高含水量时的电导损耗。

现有研究表明[26]，纤维素中的水分主要分为初级结合水、次级结合水及自由水。随着含水量的增加，在纤维素的非晶区内，次级结合水及自由水所占比重增大，在纤维素内形成离子通道，导致纤维素对离子运动的阻碍作用大幅减小。大量自由水的存在为自由移动的离子提供了更多的途径。此时，离子受纤维素阻碍效应影响较小，tanδ和场强之间的关系符合图9中饱和区规律。

另一方面，水分含量是制约离子数量的主要因素。随着水分的增加，其他杂质分子在水溶液状态下解离，使得可以在介质内自由移动的离子的数量增加。此外，场强的增加使得杂质分子解离势垒下降，弱电解质解离的离子浓度增加。因此，在高水分含量为tanδ变化的原因主要是由离子浓度的增加引起的电导损耗。

随着外加电场的增加，离子迁移克服的平均势垒降低。同时，随着外加电场的增加，弱电解质分子的解离势垒将会下降，进而导致离子浓度增加，电导率上升。离子浓度变化满足下式[27]：

(3)

式中：ξ为离子的复合系数；N0为分子的浓度；υ为相对热振动频率；ua为分子解离平均势垒。随着外加电场的增加，分子解离势垒将会下降Δua，这也被称为离子的Poole-Frenkel效应[27]。

由上述分析可得，在电导损耗与场强的关系近似为

(4)

式中：n0为离子浓度；m为离子浓度相关系数；n为温度相关系数。由式(4)可得介质损耗的变化量与场强的关系，如图10所示。

图10 tanδ与场强的关系(高含水量)

2.3 受潮油纸样品非线性介电响应的特征参数

为了便于描述，提取了不同含水量下tanδ在1 mHz时的测试结果与场强之间的关系，tanδ和E之间的关系如图11所示。由图11可得，0.001 Hz时tanδ-E的曲线随着场强的增加逐渐减小，并随着场强的进一步增大而进入饱和区，tanδ-E曲线变化幅度开始减小。低含水量的样品在场强大于50 V/mm时开始进入饱和区，而随着含水量的增大，tanδ-E的曲线进入饱和区的场强开始增大。这说明随着含水量的增加，次级结合水增多，水解离的离子数量增加，受纤维素阻碍作用的离子数目增多。在含水量低于5%时，纤维素的阻碍作用起主导作用，而Poole-Frenkel效应并不明显。

图11 不同场强下油浸纸的tanδ(1 mHz)

图11所示规律符合纤维素阻碍模型变化趋势，因此基于式(2)及式(3)建立如下拟合公式：

(5)

依据式(5)对图11所示结果进行拟合，获得拟合参量随含水量的变化规律，如表2所示。在表2中，随着含水量的变化，参数β和n基本不变，而参数α与m明显变化。根据理论分析，参数β表示临界场强Ec。参数α表示参与纤维素限制作用的离子数目，与含水量密切相关。参数m表示因场强提升而新增的解离离子数量。由上分析得，参数α与样品的含水量具有直接关联，两者之间的拟合图如图12所示。如图12可得，参数α与含水量具有较好的线性关系。

表2 不同含水量tanδ-E拟合结果

图12 参数α与含水量拟合结果

本节提取了不同含水量下的tanδ在1 mHz时的测试结果与场强之间的关系，tanδ和场强之间的关系如式(6)所示。由图(15)可得，0.001 Hz时的tanδ随着场强E的增加逐渐增加。说明随着含水量的增加，次级结合水及自由水增多，水解离的离子数量增加，自由水形成的离子通道使得纤维素阻碍作用大幅减少。在含水量高于5%时，离子的Poole-Frenkel效应占主导作用。因此基于式(4)建立如下拟合公式：

(6)

图13 不同场强下油浸纸的tanδ(1 mHz)

图14 参数m与含水量拟合结果

依据式(5)、式(6)对所示结果进行拟合，获得拟合参量随含水量的变化规律，如表3所示。在表3中，随着水分含量的变化，参数m变化范围较大，但参数n基本保持不变。根据前文分析，参数m表示取决于水分及弱电解质的分子数，参数n表示与场强相关的分子解离势垒。对参数m与水分含量的拟合结果如图16所示，拟合结果显示参数m与水分含量的相关性较好，其对应关系如下：

表3 不同含水量tanδ-E拟合结果

m=A1+exp(-(m.c.)/t1)+y0。

(7)

3 热老化油纸绝缘的非线性介电响应与评估方法

3.1 不同电压对热老化样品FDS的影响规律

对不同老化阶段油纸样品在40 ℃时进行了不同电压的FDS测量，部分结果如图15、图16与图17所示。对比各图发现，不同激励电压下各试品的tanδ-f曲线高频段基本重合，低频段随测试电压升高而降低。tanδ-f曲线尾部(0.001 Hz)呈现“收缩”状，老化程度越深收缩越明显。并且不同电压下的结果中出现明显的老化导致的极化峰，并且随老化程度加深，极化峰往高频移动。

图15 不同电压下老化100 h的油浸纸FDS特性(40 ℃)

图16 不同电压下老化400 h的油浸纸FDS特性(40 ℃)

图17 不同电压下老化800 h的油浸纸FDS特性(40 ℃)

与图5中水分与电压协同作用下的C′-f曲线不同，变电压激励时不同含水量下的复电容实部几乎没有任何变化。而老化与电压协同作用下C′-f曲线实部变化明显，C′-f曲线在低频段随测试电压增加均降低。由于老化使纤维素晶区和非晶区变得疏松且出现了更多的短链纤维素，从而增加了大量的油纸界面。受潮与老化的本质区别为纤维素微观结构变化。因此在绝缘纸中，纤维素微观结构变化导致的不同特征时间常数的非线性界面极化损耗峰，其松弛时间随着老化的加剧而减小。

3.2 特征频率提取

以200 V激励电压下tanδ-f曲线为基线，对不同电压下不同老化状态的tanδ-f曲线进行重构，得到不同激励电压作用下界面极化损耗峰的变化规律，如图18所示。由图中可以看出，老化时间为0 h的tanδ-f差值曲线在低频段呈“开口”形状，随着老化程度的加深，tanδ-f差值曲线呈现出收口的损耗峰。随着老化程度的加深非线性损耗峰的主峰频率往高频段移动，并且tanδ-f差值曲线随电压增加而减小，呈现“闭口”形状。

以图18中不同电压下老化的油浸纸tanδ-f差值曲线损耗峰的最大值对应的频率点为特征参量，建立特征频率与老化时间的关系，拟合图如图19所示。由图19可以看出，随着老化时间的增加，特征参量对应的损耗峰最大值频率呈指数上升。该损耗峰代表油纸之间微观结构变化导致的界面极化变化，且该界面极化的变化取决于纤维素聚合度的变化。聚合度降低，则油纸之间的微观界面增加。由上述可得，界面极化损耗的特征松弛时间与纤维素聚合度、老化时间之间具有间接关系，如图19所示。

图18 不同电压下热老化的油浸纸tanδ-f差值曲线(40 ℃)

不同老化状态油浸纸tanδ-f曲线满足平移规律，依据Arrhenius模型对测试温度40 ℃时老化特征频率进行特征值扩展，得到不同测试温度、140 ℃下不同老化时间的特征频率曲线[28]。依据不同材料相对热老化速率公式，可获取不同热老化温度下的特征曲线。根据热老化时间与聚合度之间的变化规律，可由特征频率得到绝缘纸聚合度，如图20所示。

3.3 诊断案例

为验证上小节中获取非线性介电响应特征参量的有效性，针对不同老化时间的变压器套管缩比例模型进行试验验证，套管的老化温度为140 ℃，老化时间分别为100 h和400 h。为了便于与上文对比，FDS测试温度为40 ℃，测试结果如图21所示。

对图21所示结果以200 V为基准线做差值图，结果如图22所示。由图可得，不同老化时间的两支套管tanδ-f差值曲线出现明显的损耗峰。对老化时间为100 h和400 h的差值曲线进行峰值频率提取，并代入特征频率与老化时间的关系的拟合方程中得到老化时间的计算值，分别为100 h和400 h。由于tanδ-f差值曲线测试取点较少，曲线损耗峰的取点频率依据测试频率点选取，故与实际老化时间误差极小，实际评估中，可以通过提高测试频率点数量或数据插值处理提高聚合度计算精度。

图21 不同电压下热老化套管tanδ-f曲线(40 ℃)

图22 不同电压下老化套管tanδ-f差值曲线(40 ℃)

4 油纸受潮与热老化并存时FDS特性

对于上节中老化400 h的样品，将老化后样品取出置于洁净的玻璃器皿中进行人工加湿，以研究老化与水分共同作用下的FDS特性。通过改变测试电压，分析老化导致的油纸之间损耗峰与低频段非线性电导损耗的演变规律。

将老化400 h的单元绝缘纸叠层拆开，利用水分雾化器进行人工加湿，将再次加湿的样品置于40 ℃密闭烘箱中静置5天使水分分布均匀，随后进行FDS测试。通过上述流程获取了中度热老化且含水量高的测试样品。

将老化且受潮的样品置于真空烘箱中进行干燥，干燥温度为70 ℃。在不同的干燥时间(0、12、60、96、156及204 h)将样品取出，并进行不同电压下的FDS测试，测试结果如图23所示。

由图23(a)可以看出，老化400 h的样品再次受潮后，老化导致的非线性损耗峰被低频段电导损耗替代，由于水分的引入使得油纸之间老化产生的微观界面极化过程发生改变。图23(a)可见低频段曲线变化特征符合高含水量时的tanδ-f曲线变化规律。随着干燥的进行，图23(b)中干燥时间为96 h的样品曲线在中频段(0.01～0.1 Hz)出现了非线性的损耗峰。以上两图中的现象说明，大量水分的出现使得纤维素对离子的阻碍作用削弱，电压对离子电导的提升作用占据主导，从而使得原有的非线性界面极化损耗峰消失。图23(c)及(d)中，随着干燥时间的增加，水分逸散出来，界面极化程度增强，在中低频段(0.01～1 Hz)出现了非线性界面极化损耗峰。当干燥时间达到156 h以上时，tanδ-f曲线中低频段变化规律与含水量小于5%时的规律一致，说明此时含水量小于5%。并且中低频段出现了与老化400 h干燥样品相似的非线性损耗峰，图23(c)及(d)中损耗峰的特征频率均为0.01 Hz，这与前文中结果一致。在小于0.002 15 Hz时，图23(c)中低频段存在由残留水分导致的电导过程。由上述可得，当含水量低于5%时，老化的特征频率仍可作为典型特征量。图23(d)中的测试结果与未受潮时图16(a)中的结果较为一致，但仍存在较小的差距，这主要由于初级结合水不容易与纤维素分离，限制了绝缘干燥的程度。

图23 不同电压下老化400 h且受潮样品干燥过程中tanδ-f曲线(40 ℃)

5 结 论

本文针对套管受潮程度与老化程度辨识问题，提出了以变电压激励下的介电响应非线性参量为判据的评估方法。主要包括：

1)针对受潮油纸绝缘，揭示了纤维素对离子运动存在阻碍效应与电压对分子解离势垒存在减小效应，构建了离子动能损失模型及离子浓度提升模型，建立了含水量、离子浓度与变电压tanδ-f曲线之间的关系式；

2)针对老化油纸绝缘，明确了受潮与老化的本质区别为纤维素微观结构变化导致的非线性界面极化损耗峰，根据差异温度介电响应曲线归一化校正方法，得到了不同测试温度下油纸绝缘非线性损耗峰特征频率、老化程度之间的关系式，实现了套管受潮与老化的状态辨识。

通过受潮与老化共存实验，发现上述两种现象为受潮和老化独有的现象，因此可用于对受潮和老化的区分，以及用于受潮程度和老化程度的判定。