基于頻域介電譜的油紙絕緣套管局部受潮診斷研究

陳曉琳， 符小桃， 吳乾東， 趙浩翔， 李元， 穆海寶

(1. 海南電網有限責任公司電力科學研究院，海南 海口 570311；2. 海南省電網理化分析重點實驗室，海南 海口 570311；3. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西 西安 710049)

0 引言

油紙絕緣套管是電力系統中的關鍵附屬設備。近年來由變壓器套管故障引發的電力事故頻發，影響惡劣[1—3]。水分入侵是套管故障的主要原因之一。套管外部密封不嚴會使得水分侵入，導致套管受潮，例如套管末屏接地外殼由于運維過程中的反復開合，水分入侵幾率大大增加[4]。此外，鹽的污染會引起套管法蘭和管件的異常腐蝕，導致密封惡化，進而導致大氣中的水分進入，使得套管的絕緣狀況日益劣化[5]。

油紙絕緣中絕大部分的水分子與絕緣紙纖維素鏈的羥基形成氫鍵，穩定吸附于絕緣紙中[6—7]，而絕緣油具有較強的疏水性，進一步阻隔了水分在絕緣紙層間的擴散[8—9]，因此套管受潮初期多為局部受潮狀態。套管是電力系統中唯一同時具備絕緣作用和支撐連接作用的電力設備，其承擔的電應力、熱應力和機械應力非常復雜[10—11]。受潮導致油紙絕緣電導率增加，因此，復雜應力下局部受潮可能進一步引發局部過熱、局部放電等故障，加速套管劣化過程。同時，水分入侵為不可逆過程，若無法在受潮初期作出有效的局部受潮診斷并及時解決密封缺陷問題，隨著受潮程度的不斷加深，最終有可能造成爆炸、火災等嚴重事故[12—13]。

局部受潮屬于受潮初期狀態，油紙絕緣整體含水量較低，缺陷特征不明顯，存在診斷難度。油色譜對油中微水的檢測結果準確度較高，但水分主要集中在絕緣紙中，油中微水無法有效反映絕緣紙中的含水量；介損、電容量等檢測參量影響因素較多，且僅能反映整體含水量的變化，對局部受潮等集中性缺陷靈敏度較差。綜上所述，常規檢測方法無法對局部受潮及時有效地作出診斷[14—15]。

頻域介電譜(frequency domain spectroscopy，FDS)是一種基于介電響應理論的頻譜測試方法，該方法包含信息豐富，可對介質絕緣狀態進行深入分析[16—19]，具備診斷油紙絕緣局部受潮狀況的潛力。文獻[20—21]從微觀層面深入探究了水分對介電過程的影響以及整體受潮狀態的評估。文獻[22]從相對宏觀的電路模型出發，實現了基于擴展德拜模型油紙絕緣整體受潮狀態的定量評估，建立了FDS與電路模型之間的聯系。受潮會導致油紙絕緣電導率、介電常數等參量發生變化[23]，而局部受潮會引起等效電路的對應變化，最終導致FDS曲線出現新的特性，這些特性可以作為油紙絕緣局部受潮診斷評估的重要依據，但相關研究鮮有報道。

文中以油紙絕緣套管局部受潮診斷為目標，探究了不同類型局部受潮的FDS特性，基于界面松弛極化模型對其進行深入分析，提出變壓器油紙絕緣套管徑向局部受潮診斷方法。利用變壓器套管仿真模型對該方法的有效性進行驗證，為變壓器套管受潮初期的及時有效預警與診斷提供解決方案。

1 實驗設計

在變壓器油紙絕緣套管實際運行中，局部受潮程度、類型不同，對損耗峰幅值、頻率造成重要影響。為實現套管局部受潮有效診斷，在實驗室制備不同的局部受潮等效試樣，以對局部受潮油紙絕緣FDS特性進行全面探究。

1.1 均勻含水量油紙絕緣樣品制備

文中在實驗室環境下制備梯度含水量的油紙絕緣樣品，其過程主要包括烘箱干燥、真空環境浸油、精確加濕等。

裁剪后的絕緣紙厚1.04 mm，長600 mm，寬100 mm，在溫度90 ℃，壓強100 Pa的烘箱中持續干燥48 h。以同樣的環境設置對25號克拉瑪依變壓器油持續干燥48 h。干燥后將絕緣紙取出并均勻暴露于空氣之中吸潮，利用高精度天平稱重法控制絕緣紙疊含水量，增加每次吸潮的絕緣紙數量以減小稱重時的測量誤差。將吸潮后的絕緣紙放入干燥好的油中靜置48 h，以達到每種含水量絕緣紙中水分分布的平衡。

對制備好的油紙絕緣樣品隨機取樣進行卡爾-費休滴定，實際含水量為：0.53%，1.08%，2.01%，3.09%，4.11%，5.12%，形成梯度含水量樣品，近似用MC0、MC1、MC2、MC3、MC4、MC5表示。

1.2 局部受潮等效試樣制備

變壓器套管內部絕緣紙芯子結構相對簡單，為絕緣紙以同心圓柱的形式層層包裹構成。因此當水分從不同位置侵入套管后，水分在內芯子的擴散方向包括軸向和徑向2個方向，從而形成不同的局部受潮情況。為還原局部受潮時產生的不同含水量油紙絕緣界面，在實驗室制作了局部受潮等效試樣。

當受潮方向為徑向時，實驗室等效試樣如圖1所示。根據油紙絕緣層數分為局部受潮雙層界面和局部受潮三層界面。進行不同含水量組合，以模擬套管不同程度的局部受潮情況。組合中水分含量差值越大，則局部受潮程度越大。

圖1 徑向局部受潮等效試樣

當受潮方向為軸向時，為凸顯軸向局部受潮特性，制備軸向局部受潮等效試樣如圖2所示，同樣包含局部受潮雙層界面和局部受潮三層界面。對不同位置絕緣紙進行不同含水量組合，以模擬油紙絕緣套管不同程度的局部受潮情況。組合中MC差異越大，則局部受潮程度越大。

圖2 軸向局部受潮等效試樣

定義等效含水量為樣品總含水量的平均值。例如，其雙層界面等效試樣，含水量為MC0和MC2的試樣組合，其等效含水量近似為MC1。

2 試驗結果及分析

2.1 徑向局部受潮FDS特性

不同程度、不同類型徑向局部受潮等效試樣的FDS曲線分別如圖3和圖4所示。圖中實線為局部受潮FDS曲線，虛線為整體均勻受潮FDS曲線。當整體受潮時，FDS曲線隨水分含量升高在全頻段內均勻上移。

當局部受潮方向為徑向時，FDS曲線出現了明顯的界面松弛極化損耗峰。圖3為雙層界面局部受潮試樣FDS特性。當等效含水量為3%時，不同局部受潮程度組合較多且特征較為顯著，因此以圖3(c)為例進行分析：局部受潮時，曲線低頻段和高頻段相對于整體受潮曲線的偏移方向不同，低頻區域向下凹，高頻區域向上凸，從而形成損耗峰；隨著等效試樣組合中水分含量差別變大，局部受潮程度增大，低頻段和高頻段的偏移愈加明顯，導致形成的損耗峰向右移動。

圖3 徑向局部受潮雙層試樣FDS特性

徑向局部受潮時，FDS曲線出現了明顯的區別于整體受潮時的特征。局部受潮結果在高頻段向高水分整體受潮FDS曲線靠近，在低頻段向低水分整體受潮曲線靠近。而整體受潮FDS曲線隨含水量的增大在全頻段均勻上移，因此徑向局部受潮程度越大，FDS曲線高頻段與低頻段差異越大，損耗峰越明顯。

圖4為三層界面局部受潮試樣FDS特性，特征與雙層試樣基本一致。在三層界面試樣中，中間層含水量更好地模擬了局部受潮的實際情況，表示更弱的局部受潮程度。但局部受潮所導致的曲線特征仍然存在，曲線凸起仍隨局部受潮程度的增大而增大。同時局部受潮FDS曲線特性更多地取決于組合中的最低含水量與最高含水量，而與組合里的中等含水量關系較小。

圖4 徑向局部受潮三層試樣FDS特性

2.2 軸向局部受潮FDS特性

當局部受潮界面為軸向時，FDS曲線特性如圖5所示，組合中的低水分部分對FDS曲線影響較小，整體曲線特征偏向于高水分部分。軸向局部受潮時曲線特征與低水分組分關系較弱的原因可從阻抗的串、并聯結構的差異理解，軸向組合時對應電介質并聯模型，組合的總損耗電流為高水分與低水分油紙絕緣試樣的和，因此軸向局部受潮時其FDS曲線特征受組合內較高水分介質的影響更大。軸向局部受潮三層試樣與雙層試樣具有相似的FDS曲線特性，因篇幅限制不再展示。

圖5 軸向局部受潮雙層試樣FDS特性

對比軸向局部受潮與徑向局部受潮結果，區別較為顯著。軸向局部受潮結果與整體受潮時相似，曲線未出現顯著的凸起。但觀察可知，徑向局部受潮時，曲線仍在高頻段保持向高水分整體受潮曲線靠近的趨勢，同時在低頻段保持向低水分整體受潮曲線靠近的趨勢。

2.3 徑向局部受潮界面松弛極化特性分析

由于水分子與纖維素鏈羥基之間的氫鍵作用[6—7]，以及絕緣油的疏水作用[8—9]，水分很難在不同層間的絕緣紙之間擴散，導致套管受潮后沿徑向形成不同水分含量絕緣紙界面。

套管徑向局部受潮時，在電場作用下，電介質內部電荷移動方向垂直于界面，界面松弛極化效應較強，對應的FDS曲線中出現極化損耗峰。因此套管徑向局部受潮時FDS曲線特性較為顯著。

不同含水量樣品形成的界面如圖6所示。不同含水量油紙絕緣具有不同的介電常數ε和電導率γ，在等效電路中體現為不同的電容C1，C2和不同的電阻R1，R2。

圖6 不同含水量油紙絕緣界面

根據電路原理，界面松弛極化電流為：

(1)

為簡化表達式，設：

(2)

進一步地，得到交流電場中的介電損耗角正切表達式：

(3)

(4)

式中：IP，IQ分別為復電流的實部和虛部；ω為角頻率；τ為界面松弛極化的時間常數。

因此，徑向局部受潮時界面馳豫極化導致曲線中出現最大值凸起。局部受潮程度越嚴重，R1，C1和R2，C2差異越大，暫態響應越強烈，曲線凸起越顯著。同時，損耗峰向右移動。

套管徑向局部受潮與套管末屏受潮的實際受潮情況相符，且徑向局部受潮時其FDS曲線中出現的損耗峰特性與局部受潮程度密切相關，基于此可對油紙絕緣套管局部受潮進行診斷。

3 套管局部受潮診斷分析與驗證

3.1 局部受潮套管仿真模型搭建

徑向局部受潮等效試樣的FDS曲線局部受潮特征明顯，但是實驗室所制備的試樣為簡化模型，尺寸遠小于實際套管，由于實驗條件限制，借助仿真方法建立110 kV變壓器套管仿真模型，對其局部受潮特性進行研究，進一步驗證基于界面松弛極化的套管局部受潮診斷方法的有效性。

參照某套管廠110 kV變壓器套管結構，利用COMSOL仿真軟件建立油紙絕緣套管仿真模型[24—25]。模型網格剖分如圖7所示，完整網格包含3 689 108個域單元和388 432個邊界元。

圖7 110 kV套管仿真模型剖分

通過實驗獲得不同含水量油紙絕緣相對介電常數和電導率，對套管仿真模型不同部位進行不同的材料參數設置，以模擬套管不同局部受潮狀況。圖8為套管外側局部受潮示意，設置了與實驗等效試樣一致的不同水分含量油紙絕緣界面，如圖中2處紅色虛線所框部位所示。

圖8 套管外側局部受潮

對中心導桿施加不同頻率的交流電壓激勵，記錄中心導桿流過的電流，計算得到套管模型在不同頻率下的復阻抗，進一步轉化即可得到套管模型局部受潮時的FDS曲線。三層界面局部受潮仿真與雙層界面局部受潮仿真結果相似，因篇幅限制不再展示。

3.2 局部受潮套管FDS特性驗證

改變套管軸向局部受潮含水量，以探究套管軸向局部受潮FDS特性，結果如圖9所示。與整體受潮套管相比，軸向局部受潮時曲線并未出現損耗峰，僅在約10-2Hz處出現輕微增大。

圖9 套管外側軸向局部受潮FDS曲線

實驗室等效試樣中局部受潮部位所占比例較大，因此局部受潮導致FDS曲線在整個測試頻段均有增加，而套管模型中局部受潮部位所占比例較小，因此局部受潮導致的FDS曲線變化較小。但徑向局部受潮不會導致FDS曲線出現損耗峰的特性是一致的。

改變套管徑向局部受潮含水量，以探究套管徑向局部受潮FDS特性，如圖10所示。與整體受潮套管相比，盡管徑向局部受潮部位僅為套管徑向最外側絕緣紙，但損耗峰仍為徑向局部受潮套管FDS曲線中極為重要的特征，根據損耗峰出現與否可對套管是否發生局部受潮進行判斷。隨著徑向局部受潮程度增加，損耗峰幅值增加，同時向高頻方向移動。徑向局部受潮時，低頻段接近未受潮曲線，而高頻段接近高含水量曲線。根據局部受潮低頻段、高頻段FDS曲線與均勻含水量FDS曲線的擬合對比，可得到油紙絕緣套管局部受潮程度信息。

圖10 套管外側徑向局部受潮FDS曲線

對于110 kV套管模型，徑向最外層局部受潮后界面松弛極化損耗仍然非常顯著，并對套管整體FDS產生重要影響，進一步驗證了基于界面松弛極化的油紙絕緣套管徑向局部受潮診斷方法的有效性。

4 結論

文中探究了不同類型局部受潮的FDS特性，利用界面松弛極化模型對徑向局部受潮FDS特性進行深入分析，提出變壓器油紙絕緣套管徑向局部受潮診斷方法，彌補了套管受潮初期診斷方法的缺失，通過仿真研究驗證了該方法的有效性，并得出以下結論：

(1) 徑向局部受潮時，FDS曲線出現明顯凸起。徑向局部受潮程度越嚴重，界面馳豫極化損耗越大，損耗峰越顯著，并向高頻方向移動；

(2) 不同水分含量油紙絕緣界面在交變電場下產生界面松弛極化損耗，其損耗峰的理論特性與實驗特性相一致，因此可作為套管受潮初期的局部受潮狀態診斷依據；

(3) 通過建立110 kV油紙絕緣變壓器套管數值仿真模型，設置不同的局部受潮狀況，進一步驗證了文中局部受潮診斷方法在實際套管上應用的有效性，為變壓器套管受潮初期的及時診斷提供了解決方案。

本文得到海南電網有限責任公司科技項目(073000KK52190005)資助，謹此致謝！