基于寬頻介電響應的油紙絕緣套管受潮特征提取和狀態診斷

朱慶東，朱孟兆，顧朝亮，王建，崔其會，王浩哲，朱文兵

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

油紙絕緣具有穩定的絕緣性能、散熱性能以及低廉的成本，從20世紀初起就被廣泛地應用于各類電力設備，近年來隨著特高壓工程的實施，油紙絕緣作為一種成熟可靠的絕緣材料，進一步被用于換流變壓器的主絕緣及套管絕緣中[1]。據統計，在變壓器附件缺陷引發故障中，套管故障僅次于分接開關故障，占變壓器電氣故障的35%～45%，且這一比例隨電壓等級的升高而增大，而絕緣受潮則是引起套管故障的主要原因之一[2-3]。因此對油浸式套管中絕緣受潮情況的有效檢測和可靠性評估具有重要意義和價值。

近年來，基于介電響應原理的試驗方法，因具有無損評估等優點而被逐漸廣泛應用到油紙絕緣狀態評估中[4]。現有的介電響應方法主要有時域回復電壓（RVM）法、極化/去極化電流（PDC）法和頻域介電譜（FDS）法，其中RVM法只能對絕緣整體狀況進行評估，無法區分絕緣油和絕緣紙各自的狀況，且對試驗結果的解釋非常復雜，對系統誤差也比較敏感；PDC法雖可分別評估絕緣油和絕緣紙的狀況，但易受現場因素干擾，且初始極化去極化電流往往不易準確測量；相比傳統的工頻介損測量，FDS法將測量范圍由工頻擴展到10-3～103Hz甚至更寬的頻帶中，因此又稱為寬頻介電響應，FDS法因測量頻帶寬，攜帶信息豐富，抗干擾能力強，在油紙絕緣狀態檢測和評估方面更具優勢[5-6]。

國內外學者對FDS法的頻譜理論、檢測方法和現場應用方面展開了不少研究。S WOLNY等[7]對絕緣紙板的頻域介電響應曲線實測數據進行了擬合，并指出了溫度和水分含量與擬合模型系數的變化關系。D LINHJELL等[8]發現復相對介電常數的實部和虛部隨著水分含量的增加均呈現向高頻平移的特性，其中虛部的最小值隨著水分含量的增加而增大且在低頻區有損耗峰出現。馬志欽[9]研究了水分對油紙絕緣介損頻譜的影響，建議用10-1～101Hz范圍內的介質損耗來評估水分含量，并根據試驗結果給出了經驗公式。董明等[10]建立了油紙絕緣頻譜解釋模型，研究了水分對頻譜模型參數的影響，建立了直流電導率的擬合值與水分含量的定量關系。然而，目前大多數研究僅停留在對簡單單層油紙結構的狀態表征上，對于具有具體結構的油紙絕緣系統研究不多，且對于套管受潮類型的診斷研究存在不足。

本文主要開展油紙絕緣材料的受潮試驗，研究受潮程度與寬頻介電響應模型參數的相關性，提取對受潮程度敏感的特征參量，設計并制作油紙絕緣套管模型，開展不同受潮程度和受潮類型的模擬試驗并進行寬頻介電響應測試分析，探究頻譜參數與受潮類型的相關性。

1 試驗

1.1 寬頻介電響應測試平臺

在實驗室內搭建了FDS測試平臺，如圖1所示。測試平臺由試驗罐體和測量設備兩部分組成，其中試驗罐體為圓柱形全密封有機玻璃罐體，其內部裝設三電極測量裝置，進行測試時將油浸紙板試品放置于上電極和測量電極之間，并將測量電極外側的環形屏蔽電極接地，以屏蔽樣品的表面電流。試驗罐體裝設有壓力真空表和溫度傳感器，測量時將試驗罐體放置于烘箱中，監控并調節裝置內氣壓和溫度。溫度傳感器分辨率為0.1℃，將探頭貼在油浸紙板樣品表面以精確測量試樣溫度。在上蓋板和底座上分別設有氣閥和油閥，可相互配合實現紙板的真空浸油。本文的寬頻介電響應測試所選取的測量頻帶為10-3～104Hz，測量過程中遵循寬頻密集取點的原則，每10倍頻率等對數間距取20個頻率點，共計140個頻率點。為滿足頻帶范圍的要求，并縮短測試周期，選擇用測試頻帶較寬的寬帶介電響應測試儀（Novocontrol Concept 80型）測量101～104Hz頻帶內的樣品的介電譜，而采用IDAX300介電響應測試儀進行10-3～101Hz范圍內的頻譜測試，外施電壓均取200 V，由于兩種儀器的測試模塊一致，對于同一油紙樣品測量所產生的誤差可以忽略不計。此外，對于體積較大的電容芯子，所有測試均由IDAX300介電響應測試儀完成。

圖1 寬頻介電響應測試平臺Fig.1 Test platform of broadband dielectric response

1.2 樣品制備

在進行油紙絕緣樣品的受潮處理時，根據IEC 60641-2-2004，首先將絕緣紙板和絕緣油在（105±2）℃溫度下分別真空干燥24 h和48 h，得到干燥的絕緣紙板（水分含量小于0.5%）和絕緣油（水分含量小于20×10-6），將干燥的絕緣紙板放置在電子天平上并暴露在空氣中自然吸潮，根據天平讀數大致估計水分含量的變化，當其到達預期值附近時，從絕緣紙板上取樣并利用卡爾費休滴定儀精確測定其水分含量，將測量值作為絕緣紙板的含水量，同時迅速將絕緣紙板放入圖1所示的試驗腔體，并在室溫環境下真空浸油，待樣品充分浸油后進行寬頻介電響應測量。在以上步驟中，只需要控制樣品自然吸潮的時間，即可得到不同水分含量的樣品并完成寬頻介電響應測試。通過以上方法得到水分含量分別為1.48%、3.06%、4.21%、5.67%、6.71%的樣品。

2 寬頻介電響應測試及特征提取

2.1 寬頻介電響應測試結果

對制備的不同水分含量樣品進行寬頻介電響應測試，得到的實測介電常數實部及虛部曲線如圖2所示。

圖2 不同水分含量樣品的頻域介電響應Fig.2 Frequency domain dielectric response of samples with different moisture contents

從圖2可以看出，隨著水分含量的增大，復介電常數實部和虛部均整體增大，但低頻區域的增幅遠大于高頻區域，說明水分含量對電導過程以及低頻弛豫極化強度的影響更加顯著，而對高頻區域的極化過程的影響相對不明顯。此外，當水分含量大于4.21%時，介電常數實部頻譜曲線的低頻區域顯著增長，且在100～102Hz出現了新的“臺階”狀區域，推測該區域可能存在新的極化過程[11]。

2.2 頻譜分析及特征提取

試驗得到的復介電常數實部ε′(ω)表示電介質材料在電場下的極化強度，虛部ε″(ω)表示電介質在交變電場下的損耗，包括電導損耗和極化損耗兩部分，如式（1）所示。

式（1）中：εσ″(ω)表示電導損耗；εp″(ω)表示極化損耗。

為了分離復介電常數虛部頻譜中的電導損耗和極化損耗部分，本文在Debye模型的基礎上對實部進行求導，得到復介電常數實部和虛部極化損耗部分的關系如式（2）所示[11]。

式（2）中，K=-2ln10/(εs-ε∞)。因此，可以從實部直接求得虛部中的極化損耗部分，如式（3）所示。

根據式（3）可以將虛部中的極化損耗部分提取出來，得到弛豫極化損耗的頻譜曲線如圖3所示。

圖3 不同水分含量樣品的弛豫極化損耗頻譜Fig.3 Relaxation polarization loss spectra of samples with different moisture contents

由圖3可知，隨著水分含量增加，弛豫極化損耗總體呈增加趨勢。在弛豫極化損耗曲線上出現了兩個損耗峰：一個在較低頻率區域，約10-3～10-1Hz，另一個在中頻區域，約100～101Hz。在這里將10-3～10-1Hz的極化過程稱為極化過程1，100～101Hz的弛豫過程稱為極化過程2。極化過程1始終存在于頻譜曲線上，其出現與否與水分含量無關，且極化過程1的頻率范圍與文獻[11]中低頻弛豫過程的頻率范圍相同，兩者為同一極化過程，即由陷阱電子和空穴引起的空間電荷極化過程，該過程是油紙復合絕緣材料固有的極化過程。隨著水分含量增加，其損耗峰值逐漸增加，并且損耗峰出現的位置逐漸左移，這說明水分的存在增強了其極化強度，并增加了空間電荷極化的馳豫時間。

進一步可以發現，水分含量較低時，低頻區域僅存在極化過程1，而當水含量超過4.21%時，在100～101Hz出現了極化過程2，且其損耗峰幅值隨水分含量增加而增大，這意味著隨油浸紙板中水分含量的持續增加，當水分含量達到某一閾值后，產生了新的極化機制，并出現了新的極化過程。油紙絕緣中的水分一般具有吸附態、溶解態和游離態3種存在形式，其中游離態水分只有當總水分含量大于一定值時才會存在，因此極化過程2可能是由于絕緣油中水分含量達到飽和后產生的游離水分引起的。

極化過程1和2的損耗峰峰值和特征頻率的關系如圖4所示。

圖4 不同水分含量樣品的損耗峰峰值及特征頻率Fig.4 Peak values and characteristic frequencies of loss peaks for samples with different moisture contents

從圖4可以看出，極化過程1的損耗峰峰值隨水分含量的增大而呈指數增大，其特征頻率隨水分含量的增大略有減小，因此將用極化過程1，即陷阱電子和空穴極化過程的損耗峰峰值ε″peak1作為特征參量之一，來表征油浸紙板總體的水分含量。極化過程2，即油中游離水分引起的極化過程的損耗峰峰值ε''peak2和特征頻率均隨水分含量增加而增大，但由于數據有限，可用作油中存在游離水分的定性判據。

進一步對極化過程1的峰值ε''peak1與水分含量m的關系按指數規律進行擬合，擬合公式如式（4）所示，參數的擬合結果為a=0.0053，b=0.97，R2=0.99。

式（4）中，m為絕緣紙板的水分含量質量分數。

3 油紙絕緣套管受潮診斷分析

3.1 套管模型設計及受潮處理

為了進一步研究水分含量在實際套管中的影響，依據“等電容，等臺階”的設計原則，設計并制作了油紙絕緣套管電容芯子的簡化縮比模型，其尺寸參數見表1，實物如圖5所示。

表1 電容芯子簡化縮比模型尺寸參數Tab.1 Dimensional parameters of simplified scaled-down model

圖5 電容芯子簡化縮比模型Fig.5 Simplified scaled-down model of capacitor core

考慮到套管在實際運行過程中受潮的原因和部位，本文設計了整體受潮、零屏局部受潮、末屏局部受潮3種受潮類型的模擬方案。具體的水分含量設置情況見表2，其中編號為A1的電容芯子為未受潮的干燥芯子，A2和A3為整體受潮，B1和B2為零屏受潮，C1和C2為末屏受潮。

3.2 套管縮比模型的介電響應測試分析

對表2中電容芯子進行介電響應測試，以A1為參照組，分別得到整體受潮、零屏局部受潮和末屏局部受潮的復電容實部及虛部頻譜曲線如圖6所示。由圖6(a)和(b)可知，整體受潮的電容芯子的復電容實部及虛部均隨水分含量的增加而增大，低頻部分增大的幅度較為顯著，而高頻部分的變化相對較小，說明油紙絕緣低頻下的電導及極化過程對水分的敏感性較高，這與單層絕緣紙板的試驗規律一致。此外，由圖6(a)可知，隨頻率的增大，復電容實部在10-2～100Hz范圍內迅速下降，證明該頻域范圍內存在弛豫極化過程，而圖6(b)中復電容虛部在該范圍內并未出現損耗峰，僅在高頻區域出現了損耗峰，這說明低頻區域的電導損耗分量掩蓋了弛豫極化的損耗峰。

表2 不同受潮程度及類型模型的絕緣層水分含量控制Tab.2 Moisture content control of insulation layers with different levels and types of moisture

圖6 不同受潮類型電容芯子的頻域介電響應Fig.6 Frequency domain dielectric response of capacitor cores with different moisture types

由圖6(c)和(d)可知，零屏受潮的電容芯子的復電容實部及虛部整體的變化相對較小，其復電容實部頻譜曲線呈現出向右平移的特征，幅值的變化不大，復電容虛部頻譜的中、低頻部分隨水分含量的增加而有所增大，高頻部分的損耗峰則幾乎沒有變化。相對整體受潮而言，零屏受潮對油紙絕緣頻譜曲線，尤其是高頻范圍的影響較小。

由圖6(e)和(f)可知，電容芯子末屏受潮對復電容實部及虛部頻譜曲線具有顯著的影響。隨末屏受潮程度的增加，復電容實部曲線的幅值顯著增大，其“臺階狀”下降區域向高頻方向移動，虛部曲線的整體幅值增大，低頻部分的變化比高頻部分更為顯著。綜合對比可知，相比零屏受潮，末屏受潮對電容芯子的頻譜曲線的影響更大。

3.3 特征參量提取及其變化規律

根據表1中參數，采用數值模擬的方法可求得該套管電容芯子的真空幾何電容值C0為1.27×10-11F，根據復電容與幾何電容的關系可求得相應的復介電常數實部及虛部值，然后采用2.2小節中相同的頻譜解析方法進行解譜，可得到復介電常數虛部中的弛豫極化損耗頻譜ε″p(ω)，如圖7所示。觀察圖7可知，整體及局部受潮的弛豫極化損耗頻譜上均出現了兩個極化過程，其頻譜范圍分別與文獻[10]中寬頻等效模型中的低頻極化過程和高頻極化過程相吻合。

對圖7中不同受潮類型電容芯子的低頻和高頻極化過程的損耗峰值εpeak和特征頻率fC進行統計，結果如表3所示。根據表3中參數發現，電容芯子整體受潮時，其弛豫極化頻譜中的兩個極化過程的損耗峰值εpeak1和εpeak2均顯著增大，而相應的損耗峰特征頻率fC1和fC2則基本不變，電容芯子均勻受潮時，低頻極化過程1的變化規律與單層紙板的基本一致，說明了試驗分析的可靠性；電容芯子零屏受潮時，其弛豫極化頻譜的損耗峰值εpeak1和εpeak2略有增加，特征頻率fC1明顯增大，而特征頻率fC2基本不變；電容芯子末屏受潮時，其弛豫極化頻譜的損耗峰值εpeak1和εpeak2均顯著增大，且特征頻率fC1也明顯增大，而特征頻率fC2基本不變。當電容芯子整體均勻受潮時，介電響應的規律與單層紙板基本一致，當電容芯子局部受潮時，其極化過程1的特征頻率隨著不均勻程度的增大逐漸增大。這主要因為不均勻程度的增加，減小了界面極化的時間常數，導致了損耗峰的右移，同時，由于電容芯子受潮位置的不同，受到結構影響零屏受潮和末屏受潮時損耗峰幅值的變化規律也不同，可以作為判斷套管電容芯子不同受潮類型的參考。

表3 不同電容芯子的低頻和高頻極化參數統計Tab.3 Statistics of low and high frequency polarization parameters of different capacitor cores

圖7 不同受潮類型電容芯子的弛豫極化損耗頻譜Fig.7 Relaxation polarization loss spectra of capacitor cores with different moisture types

4 結論

（1）油紙絕緣寬頻介電響應中的低頻弛豫極化過程對水分含量具有較高的敏感性，其損耗峰峰值隨水分含量的增加而指數增大，可作為表征油紙絕緣材料水分含量的特征參數，而損耗峰特征頻率與水分含量的相關性較低；油紙絕緣系統中游離狀態的水分會導致新的弛豫極化過程。

（2）電容芯子整體受潮時，損耗峰值εpeak1和εpeak2均顯著增大，特征頻率fC1和fC2則基本不變；電容芯子零屏受潮時，εpeak1和εpeak2略有增加，fC1明顯增大，而fC2基本不變；電容芯子末屏受潮時，εpeak1和εpeak2均顯著增大，且fC1也明顯增大，而fC2基本不變，以上規律可用于定性區分套管的受潮類型。