變壓器油紙絕緣頻域介電特征量與絕緣老化狀態的關系

廖瑞金 郝 建 楊麗君 袁 泉 唐 超

（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

電力設備的安全運行是保證電網安全的第一道防線，電力變壓器作為電能傳輸和配送過程中能量轉換的核心，是設備安全運行中最重要和最關鍵的設備。變壓器的嚴重事故不僅會導致自身的損壞，還會中斷電力供應，給社會造成巨大的經濟損失[1-3]。由內絕緣問題引發的故障占據變壓器故障的重要部分，歷年來受到電力運行部門和研究學者的關注[4]。變壓器內絕緣的主要組成部分是油紙絕緣，變壓器油和絕緣紙在長期運行過程中受到電、熱等因素的影響都會發生老化，引起變壓器絕緣性能下降，油紙絕緣老化過程是不可逆的，油紙絕緣性能的好壞直接決定變壓器的使用壽命[5-7]。因此對變壓器油紙絕緣的老化狀態進行準確診斷具有重要意義。

目前國際公認的傳統診斷變壓器絕緣老化狀態的判據有三種：油中溶解氣體分析[5-7]、油中糠醛含量[1,5-8]和絕緣紙聚合度[5-9]。由于變壓器中途濾油等各種因素的影響，導致油品化學參量測試結果無法可靠反映絕緣狀況。雖然聚合度最能真實地反映油紙絕緣的老化程度，但測量聚合度需要對變壓器進行放油吊罩，從繞組幾處有代表性的部位進行取樣，實施起來不但困難較大，而且還會對絕緣造成損傷。考慮到上述幾種方法在診斷變壓器絕緣老化狀態時存在不足，尋找能夠有效反映變壓器絕緣老化狀態的新特征量及評估技術日漸受到國內外學者和工程技術人員的重視。

以介電響應為基礎的回復電壓法（Recovery Voltage Method，RVM）[10]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[11]和頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）[12-15]能夠無損診斷變壓器絕緣狀態，是當今國內外學者研究的熱點之一。但 RVM 只能評估絕緣的整體狀況，無法將絕緣油和絕緣紙的狀況區別開來，且它對實驗結果的解釋非常復雜，對系統誤差也比較敏感[12,13]；PDC雖然可以分別評估絕緣油和絕緣紙的狀況，但易受現場噪聲干擾，且初始極化去極化電流不易測量[12,13]。相比于前兩種方法，FDS測量交流電場刺激下的極化響應，可以對不同的刺激頻率進行逐點或掃頻測量，其測量頻帶窄，受噪聲干擾程度小，所需實驗電源電壓低，攜帶信息豐富，更適用于變壓器絕緣狀態的現場診斷[12,13]。Yew J H、C. Ekanayake等人研究指出油浸絕緣紙的相對介電常數或介質損耗在低頻段會隨油紙試品水分含量或測試溫度的增加而增加[13-16]。Linhjell D等人研究指出，隨著油紙絕緣老化程度的逐漸加重，油浸絕緣紙的頻域介電特征量在低頻段會不斷增大[16-19]。對于油紙絕緣系統的FDS研究，目前國內外學者重點研究水分、溫度以及老化對絕緣油或絕緣紙FDS特性的影響，鮮見油紙絕緣系統頻域介電特征量與油紙絕緣老化狀態之間存在何種量化關系的報道。然而探究清楚油絕緣紙老化狀態和油紙絕緣系統介電特征量之間的量化關系，無疑為將FDS應用于無損診斷變壓器絕緣老化狀態奠定良好的基礎。

鑒于熱應力對油紙絕緣老化的影響最大[1,7]，本文首先模擬變壓器油紙絕緣的實際生產流程，制作了變壓器油紙絕緣試品，通過對其在 110℃進行加速熱老化得到不同老化程度的油紙絕緣試品。然后通過對不同老化程度油紙絕緣試品進行FDS測試，研究不同老化程度油紙絕緣試品的相對介電常數、介質損耗因數、電容、體積電導率與頻率和油紙絕緣老化狀態的關系；并研究了油紙絕緣系統溫度對其 FDS測試結果的影響規律，提出了通過 FDS極化參數求取絕緣紙活化能的方法，研究成果為將FDS應用于無損診斷油紙絕緣老化狀態提供了參考。

2 變壓器油紙絕緣老化試驗及FDS測試

實驗材料為25# 變壓器油和變壓器用纖維素絕緣紙（每個絕緣紙樣品厚 0.3 mm，直徑 32 mm），油紙絕緣試品加速熱老化流程如圖1所示。

圖1 油紙絕緣加速熱老化流程Fig.1 Accelerated thermal aging flowchart of oil-paper insulation

絕緣紙聚合度是最能表征絕緣紙老化程度的指標，是非常準確、可靠、有效的判據[20]。油紙絕緣試品熱老化過程中，定期取樣并依照ASTMD 4243對絕緣紙聚合度得進行測試。采用Concept 80寬帶介電譜測試系統（Novocontrol GMBH-Germany）測試油紙絕緣試品的相對介電常數εr、介質損耗因數tanδ、電容C、體積電導率σv4個頻域介電特征量，選擇直徑 30mm的鍍金電極。測試頻率范圍為10-3～106Hz，測試溫度 28℃。采用溫度控制系統QUATRO研究溫度對油紙絕緣試品頻域介電特征量的影響，該系統的溫度可控范圍為-150～500℃，精度0.01℃。油紙絕緣試品FDS測試原理如圖2所示。

圖2 油紙絕緣試品FDS測試原理圖Fig.2 FDS measuring principle of oil-paper insulation

3 油-紙絕緣試品FDS測試結果及分析

3.1 不同老化程度油紙絕緣試品的εr和 tanδ

變壓器在運行過程中，其內部油-紙絕緣會逐漸老化。絕緣紙老化會引起纖維素中的大分子鏈斷裂為更多的小分子鏈，導致絕緣紙聚合度降低并產生水分。絕緣油老化會生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，還有 CO、CO2、 H2和低分子烴類氣體等油中溶解氣體[5-7]。由于液體和固體電介質的相對介電常數滿足Kiusius-Mosotti（K-M）方程[21]：

式中，N為單位體積電介質內的粒子數；α為極化率(F·m2)，是與電介質組成粒子的性質有關的系數。油紙絕緣試品老化越嚴重，油紙絕緣試品單位體積內所含極性粒子數越多，油紙絕緣體系產生的極化現象也就越明顯，由式（1）可知其相對介電常數也就越大。圖 3a為不同老化程度油紙絕緣試品的εr與頻率的關系。任一老化程度的油紙絕緣試品在頻率較低時（10-3～100Hz），油紙絕緣試品內部偶極子松弛極化完成得比較充分，εr較大；隨著頻率的升高，偶極子轉向滯后于電場方向的變化，偶極子不能充分完成極化，εr隨頻率升高而減小，在101～106Hz范圍內，εr幾乎趨于定值。圖3a還表明，油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的εr隨著油紙絕緣試品老化時間的增長明顯增大，可見油紙絕緣試品在10-3～100Hz的εr能間接反映其老化狀態。

另外，油紙絕緣系統老化越嚴重，其極化損耗和電導損耗也會越大。圖3b給出了不同老化程度油紙絕緣試品的 tanδ 與頻率的關系。在頻率較低時（10-3～100Hz），油紙絕緣試品的極化損耗和電導損耗共同存在，油紙絕緣試品的tanδ 較大；隨著頻率的升高，開始出現極化滯后電場變化的情況，極化損耗減小，使得油紙絕緣試品的tanδ 值將隨頻率增大而減小，以致在 101Hz～106Hz范圍內，不同老化程度油紙絕緣試品的 tanδ 值差別不明顯。圖3b也明確表明，油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的 tanδ會隨著油紙絕緣試品老化時間的增長而增大，可見油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的 tanδ 對油紙絕緣試品老化狀態的反映非常敏感。

圖3 不同老化程度油紙絕緣試品的相對介電常數和介質損耗因數Fig.3 Relative permittivity and dielectric loss factor of oil-paper insulation sample with different aging level

3.2 不同老化程度油紙絕緣試品的C

由于 C=ε0εrS/d，其中， ε0=8.85×10-12F/m; S 為極板面積（m2），d為電介質厚度（m），則不同老化程度油紙絕緣試品的C與εr具有相同的變化規律。圖4表明，油紙絕緣試品在10-3～10-1Hz的C對油紙絕緣老化狀態的反映亦特別敏感。Amir Abbas Shayegani等人通過研究指出[22]，通過油紙絕緣試品在較低頻率和較高頻率的 C，可以區分老化和水分對油紙絕緣試品介電特性的影響。但油紙絕緣系統的老化程度和油紙絕緣系統的C存在何種量化關系，尚未見研究報道。鑒于C與εr變化規律的相似性，本文將老化不同程度油紙絕緣試品的C(DPt)和εr(DPt)分別在10-3Hz、10-2Hz、10-1Hz的值與絕緣紙聚合度進行擬合分析，得到下表所示不同老化程度油紙絕緣的 C(DPt)和εr(DPt)與聚合度差值（DP0-DPt）的關系。其中，DP0為絕緣紙未老化時的聚合度1 180，DPt為油紙絕緣試品老化 t時的聚合度，C(DPt)和εr(DPt)分別指絕緣紙聚合度為 DPt時油紙絕緣試品的電容和相對介電常數。表中的擬合優度很高，表明在已知油紙絕緣試品初始聚合度的前提下，通過對油紙絕緣試品進行較低頻率處的FDS測試，得到油紙絕緣試品老化 t時刻的 C(DPt)或εr(DPt)，即可根據表中公式計算出油紙絕緣試品老化t時刻的聚合度DPt，從而達到了應用FDS對油紙絕緣老化狀態進行無損診斷的目標。

圖4 不同老化程度油紙絕緣試品的電容Fig.4 Capacitance of oil-paper insulation sample with different aging levels

表 不同老化程度油紙絕緣試品的電容C(DPt)和相對介電常數εr(DPt)與 (DP0-DPt)的擬合方程Tab. Fitted equation between C(DPt), εr(DPt)and(DP0 -DPt)of oil-paper insulation sample with different aging levels

本文是在 110℃下對油紙絕緣試品進行加速熱老化，得到不同老化程度的油紙絕緣試品。然后將油紙絕緣試品在室溫下自然靜置48h后進行FDS測試。對于在不同老化溫度下老化的油紙絕緣試品，即使絕緣紙聚合度相同且測試條件完全相同的情況下，其FDS測試結果是否一致，仍需嚴謹驗證。

3.3 不同老化程度油紙絕緣試品的σv

高聚物的體積電導率σv可對其導電性能進行表征，圖5為不同老化程度油紙絕緣試品的σv與頻率的關系。圖5表明，任一老化程度油紙絕緣試品的σv隨頻率的升高而增大；在 10-3～100Hz范圍內，油紙絕緣試品的σv隨絕緣老化程度的加重而增大；在100～106Hz范圍內，不同老化程度油紙絕緣試品的σv幾乎相等。從圖3和圖5可見，變壓器油紙絕緣系統在工頻時的介質損耗因數和體積電導率在老化過程中變化并不明顯，這與Farahani M等人研究所得結果一致[12]。因此本文建議通過比較變壓器油紙絕緣系統在較低頻率處的頻域介電特征量來反映油紙絕緣的狀態。

圖5 不同老化程度油紙絕緣試品的體積電導率Fig.5 Volume conductivity of oil-paper insulation sample with different aging levels

3.4 溫度對油紙絕緣試品FDS特征參量的影響

由于變壓器在不同季節停運進行 FDS測試時所處環境溫度可能不同，為將FDS更好地用于工程實際，需研究溫度對FDS測試結果的影響。通過對油紙絕緣試品在不同測試溫度下的εr、tanδ、C和σv與頻率關系的分析（見圖6），可知溫度不改變各個介電特征參量隨頻率的變化趨勢，僅改變各個參量在某一頻率下的大小。圖6表明，隨著溫度的升高，油紙絕緣試品的εr、tanδ、C 和σv在 10-3～100Hz范圍內逐漸增大；而在100～106Hz范圍內，溫度對油紙絕緣試品介電特征量的影響很弱。另外，油紙絕緣試品的εr、tanδ、C和σv趨于近乎穩定值的頻率會隨溫度的升高而增大。

圖6 老化油紙絕緣試品（DP=880）的相對介電常數、介質損耗因數、體積電導率、電容與溫度的關系Fig.6 Relative permittivity, dielectric loss factor, volume conductivity and capacitance of oil-paper insulation sample versus test temperature

本文借鑒時溫疊加原理的基本思想[23,24]，提出利用油紙絕緣試品 tanδ 曲線求解絕緣紙的活化能的新方法，并通過求解出的活化能值，驗證上述得到的溫度對油紙絕緣試品介電特征參量影響規律的正確性，從而為更好地應用FDS準確診斷變壓器老化狀態提供參考。在同一坐標中不同測試溫度下油紙絕緣試品 tanδ 變化曲線如圖 6b所示。本文選取30℃下的 tanδ 曲線作為主曲線 S1，將 50℃和 70℃下的 tanδ 曲線延頻率軸水平移動到 30℃下的 tanδ曲線，使30℃、50℃、70℃下的tanδ 最終形成一條新的主曲線S2。將某個溫度T下tanδ 曲線上的點，在通過平移形成最終主曲線 S2前后該點對應的頻率比，定義為“頻溫平移因子”αT，即

式中，fT為溫度T下tanδ 曲線上某點平移前對應的頻率；fref為平移的該點在主曲線S2上對應的頻率。將參考溫度 T30(30℃)對應的“頻溫平移因子”定義為α30=1，則根據圖6b數據，計算得到50℃和70℃對應的頻溫平移因子分別為α50=12，α70=84。頻溫平移因子是與溫度 T有關的函數，滿足 Arrhenius方程

式中，Ea為 Arrhenius活化能，J/mol；R為氣體常數，R=8.314J/mol/K；T為溫度，K。lnαT與 1/T30-1/T呈直線關系，直線的斜率為Ea/R，用直線的斜率乘以R即得活化能Ea。

絕緣紙的活化能求解如圖7和圖8所示，求解出的油浸絕緣紙（DP=880）的活化能為95.83KJ/mol，該活化能結果與Stamm等人所得結果相吻合[25]，可見本文得到的溫度對油紙絕緣試品介電特征參量影響規律是正確的。若利用式（2）～式（4）求解出不同老化程度油紙絕緣試品在不同測試溫度下的“頻溫平移因子”αT，將上文表中不同老化狀態油紙絕緣系統在測試溫度T28（28℃）下的頻域介電特征量推廣到不同的測試溫度，建立起不同老化狀態油紙絕緣系統的頻域介電特征量在不同測試溫度下T的數據庫，則在現場FDS測試時，將已知溫度T下的FDS結果與建立起的溫度T下的數據庫數據進行對比分析，這樣不僅能解決由于環境溫度不同對FDS測試結果帶來的影響，而且還可對油紙絕緣系統老化狀態做出評估。

圖7 主曲線S2Fig.7 Master curve of S2

圖8 lnαT 與（1/T30-1/T）的關系Fig.8 Relatioship between lnαT and (1/T30-1/T)

4 結論

通過對變壓器油-紙絕緣試品頻域介電特征量與頻率和絕緣紙老化狀態的關系研究，得出以下結論：

（1）油紙絕緣試品在 10-3～100Hz的εr、tanδ、C和σv隨著油紙絕緣試品老化程度的加重而增大，提出油紙絕緣系統在較低頻率處（10-3～100Hz）的頻域介電特征量能反映其老化狀態。

（2）得到不同老化程度油紙絕緣的C(DPt)和εr(DPt)分別在 10-3Hz、10-2Hz、10-1Hz的值與聚合度差值（DP0-DPt）均存在二次多項式函數關系，在已知油紙絕緣試品初始聚合度的情況下，通過FDS得到油紙絕緣系統在10-3～100Hz的C(DPt)或εr(DPt)，即可對油絕緣系統老化狀態做出診斷。

（3）提出“頻溫平移因子”求解絕緣紙活化能的新方法，利用油紙絕緣試品在不同溫度下的tanδ 曲線求解出的絕緣紙（DP=880）活化能為96.65kJ/mol；利用頻溫平移因子可將不同測試溫度下的頻域介電特征量進行歸算，解決了測試溫度不同對FDS結果帶來的影響。

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