一种新型油浸式变压器绝缘纸板含水量检测方法

2012-07-13黎刚李喜桂叶会生刘赟黄海波刘兴文

湖南电力 2012年2期

黎刚，李喜桂，叶会生，刘赟，黄海波，刘兴文

(1.湖南省电力公司，湖南长沙410007;2.湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)

近年来，绝缘故障已成为变压器损坏事故的主要原因，据不完全统计，1999—2003年国家电网公司110～500 kV变压器故障中，绝缘故障占到了事故总量的85%。运行时间长的旧变压器较易发生绝缘故障，如何科学评价变压器的绝缘老化成为当今变压器研究领域的一个热点〔1-2〕。变压器中的水主要存在于固体绝缘材料绝缘纸或纸板中，绝缘纸板含水量将会加速绝缘劣化过程，这是影响变压器使用寿命的主要因素。采用科学有效的方式监测变压器绝缘纸或纸板中的水含量，并制定相应处理方案，是提高绝缘材料的电气强度、消除变压器隐患、延长变压器使用寿命的有效措施。文中主要介绍一种综合采用极化一去极化电流方法 (PDC)和频域 (变频)分析法 (FDS)的DIRANA测试仪器对变压器含水量进行测试的方法，并列举了3个现场应用实例。

1 含水量测试方法

传统的测定油浸式绝缘水分的方法有萃取法(卡尔费休水分测定法)、利用油纸水分平衡特性曲线间接评估法和露点法等。这些方法均存在不足之处:萃取法需从变压器中采取纸或纸板样品，不便实现;利用油纸水分平衡特性曲线间接评估，其弊端在于温度的变化对测量误差影响极大;露点法是DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》中推荐的测定变压器绝缘纸或纸板中含水量的方法之一，该方法需要破除真空，使密封油箱内充满气体，再测定密封油箱内的气体水分含量，从而推断与该气体接触的绝缘纸或纸板含水量。

目前，对于变压器含水量判断的电气方法主要有恢复电压测试 (RVM)、极化一去极化电流方法(PDC)和频域 (变频)分析法 (FDS)。1991年后，恢复电压方式开始应用于现场测试，通过比较模型曲线来获得绝缘纸的水含量。但由于模型不准确使测试结果误差较大，同时无法反映变压器的几何模型，影响到现场的应用。1999年以来，介质响应的方式开始得到应用，此方式从绝缘的介质特性中推导出绝缘纸或纸板的水含量。时域的极化电流/去极化电流方式和频域的介损曲线方式均为介质响应测试方式。

2 介质响应测试原理

电力变压器的多层绝缘由油和纸组成，体现出极化和传导现象。介质响应方式测试界面极化效应，该效应来自于纤维与油之间的分界面。在频域的合成电流密度I(ω)可以表达为:

在频域的介质损耗因数可以表达为:

合成电流密度I(ω)的虚部代表它的容性部分，由高频部分介电常数ε和低频极化率x'所组成;实部代表它的阻性部分，包含一个由DC电导率σ0带来的阻性电流和一个由介质损耗x″带来的阻性电流。在频域分析中，只要知道介质的阻抗Z，就可以计算出介质的复介电常数。测量出变压器各部分绝缘在频域中的阻抗值，可以计算出绝缘纸板和绝缘油的复介电常数。结合绝缘油的状况，即可了解变压器的绝缘和老化状况。绝缘诊断仪中绝缘纸和绝缘油的复介电常数通过MODS软件分析得到，通过频域谱测量曲线与由典型数据推导得到的模型曲线进行对比分析，获得固体材料 (绝缘纸)中的水分含量。

3 DIRANA测试仪器介绍

DIRANA测试仪器从极化电流、复合电容和介质损耗的特性中得出纸或纸板中的水含量，每一个特性都受水分影响很大。DIRANA将时域的极化电流测量方法和频域的频谱测量方法相结合，与现有技术相比节省了测试时间。本质上，时域测量可以在短时间内完成，但是局限于低频范围。而频域测量适用于高频段，但是在低频段测量需要很长时间。DIRANA结合了2种理论的优点，在5 kHz至0.1 Hz的频率范围内进行频谱频域测量，在0.1 Hz至100 μHz进行极化电流时域测试，然后将时域电流变换至频域用于随后的评估。不同测试技术所需时间与获得的频率范围见图1。

图1 不同测试技术所需时间与获得的频率范围

图2 DIRANA测试原理

DIRANA测试原理见图2。由测试数据得到的介质损耗与频率之间关系图显示出典型的S形曲线。随着水分、温度或老化程度的增加，曲线向高频率方向移动。水分影响低频区域和高频区域。曲线的中间，斜率比较陡的部分体现了油的传导性。绝缘材料的几何形状确定了斜率较陡的左侧“突起”。DIRANA的水分确定是基于将变压器介质响应与模型介质响应相比较而得到的。适配算法重新整理模型介质响应，从而得出水分以及油传导率。

图3显示了完整的变压器油纸绝缘的介损曲线，其中包含了1%水含量的绝缘纸、油、绝缘几何尺寸 (油与纸板比率)确定的界面极化影响。这些因素在介损曲线上所对应的频率如下:频率范围在10～1 000 Hz受控于纸板;频率范围在1～0.01 Hz，反映油的电导率;频率范围在介损曲线隆起处，反映绝缘几何尺寸;频率范围在低于0.5 mHz处，再次反映纸板特性。

图3 纸板和油与界面极化影响一体的介损曲线

以上说明仅针对此例，因水含量的不同、油电导率的变化、温度与绝缘几何尺寸差异，相对应的频率范围将会有很大范围的改变。图4为DIRANA测试曲线判断变压器绝缘纸板含水量方法。

图4 DIRANA测试曲线判断方法

4 现场应用实例

(1)新安装变压器

2011年9月，对某110 kV变电站新安装变压器进行了含水量测试。该变压器型号为SZ10-50000/110，2011年2月出厂。测试时的油温为34℃，测试频率范围为0.000 1～1 000 kHz，测试结果为:绝缘纸板含水量1.0%，水饱合度1.5%，干燥。测试波形见图5。测试结论:该主变为新安装变压器，绝缘纸板为干燥状态，可以投运。

DIRANA仪器与10 kV常规介损仪测试比较如表1所示，结果表明该仪器测试结果与10 kV常规介损仪一致，精度满足现场要求。

图5 某110 kV新安装变压器介质响应现场测试波形

表1 与常规介损仪器测试数据的比较

(2)老旧变压器

2011年5月，对某110 kV变电站#1主变进行了含水量测试。该变压器型号为SZ10-50000/110，1984年2月出厂，一直处于冷备用状态。测试时的油温为38℃，测试频率范围为0.000 1～1 000 kHz。测试结果为:绝缘纸板含水量3.7%，水饱合度21.4%，潮湿。测试波形见图6。测试结论:该变压器运行中未出现受潮现象，绝缘纸板水分应为老化产生，考虑绝缘纸板含水量较高，应及时将该变压器退出运行。

图6 某110 kV老旧装变压器介质响应现场测试波形

(3)受潮变压器

2011年8月，对某110 kV变电站#1主变进行了含水量测试。该变压器型号为SFS8-25000/110，1992年11月出厂，一直处于冷备用。在2011年6月份例行试验时发现该台主变三侧绕组介损、绕组绝缘电阻及油击穿电压均严重超标，怀疑该变压器已严重受潮。为进一步掌握该变压器受潮程度，采用变频介质损耗测试仪对该变压器含水量进行测试。测试时的油温为 38℃，测试频率范围为0.000 1～1 000 kHz，测试结果为:高对中压绕组，绝缘纸板含水量4.6%，水饱合度30.1%，潮湿;中对低压绕组，绝缘纸板含水量5.3%，水饱合度39.4%，极度潮湿。测试波形见图7。含水量测试结果与其他电气性能测试一致，因此可判断该变压器内部已严重受潮，且低压侧绕组最为严重，应进行现场干燥处理。