温度改变方式对应用频域介电谱法评估油纸绝缘状态的影响

高　竣　 王有元　齐超亮　 刘捷丰　伍飞飞　汪　可

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）　重庆　400044

2. 中国电力科学研究院　北京　100192）

温度改变方式对应用频域介电谱法评估油纸绝缘状态的影响

高竣1王有元1齐超亮1刘捷丰1伍飞飞1汪可2

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆400044

2. 中国电力科学研究院北京100192）

为研究温度改变方式对建立评估变压器油纸绝缘状态数据库的影响，以更好地应用频域介电谱法（FDS）评估变压器油纸绝缘状态，采用三电极测试系统分别在降温与升温实验中测试不同温度下油纸绝缘的频域介电谱；在分析不同测试温度及不同温度改变方式下油纸绝缘频域介电谱特性的基础上，引入应用频域介电谱法评估变压器油纸绝缘水分含量及油浸绝缘纸电导率的量化关系式，定量研究了测试温度及温度改变方式对变压器油纸绝缘状态评估的影响。结果表明：测试温度及温度改变方式对油纸绝缘频域介电谱特性影响较大；在同一测试温度下，温度改变方式主要影响油纸绝缘频域介电谱的低频段；在应用频域介电谱法建立评估变压器油纸绝缘状态数据库时，必须选择恰当且一致的测试温度及合适的温度改变方式，否则将导致评估数据库失效；研究成果也可为实验室进行变温实验时选择正确的温度改变方式提供参考。

电力变压器油纸绝缘温度改变方式测试温度频域介电谱状态评估

0　引言

电力变压器作为电能传输和配送过程中能量转换的核心，是保证电网安全运行的关键设备［1］，变压器运行失效会造成巨大的直接或间接的经济损失，严重影响人民生活及社会生产。资料表明，由内绝缘失效引发的变压器故障占据其运行故障的重要部分［2］。油纸绝缘是变压器内绝缘的主要组成部分，其在长期运行过程中受到电、热、机械和化学等因素的影响逐渐老化，引起变压器绝缘性能下降［3］。油纸绝缘性能的优劣直接决定变压器的使用寿命，如何准确评估现役变压器的绝缘状态及剩余寿命具有重要的理论意义与应用价值。

传统用于评估变压器油纸绝缘状态的理化、电气特征参量包括油中酸值、糠醛含量、溶解气体、绝缘纸拉伸强度、聚合度和工频介质损耗角正切值等。这些参量在应用过程中受到滤油、外界干扰或取样困难等多种因素的限制，影响评估的可靠性和可行性［4］。近年来，探寻反映变压器绝缘状态的新特征量及新技术备受国内外学者的重视。以介质极化理论为基础的时域回复电压（Return Voltage Method，RVM）［5］、极化去极化电流（Polarization and Depolarization Current，PDC）法［6］和频域介电谱（Frequency-domain Dielectric Spectroscopy，FDS）法［7，8］作为新型的无损诊断技术，具有操作简便、携带信息丰富、不需吊芯、不用取样和不破坏绝缘材料等优点，得到广泛的研究。尤其是FDS法具有抗干扰能力强的特点，更适于现场测量。

国内外学者开展了大量研究工作，探索水分、老化和温度等因素对油纸绝缘FDS特性的影响规律，得到了很多有价值的研究成果［7-10］；目前国外已实现采用FDS法将现场测试结果与实验室建立的变压器油纸绝缘水分评估数据库对比分析实现绝缘纸水分含量的现场评估，并已有商业仪器和软件投入使用［11］。但是实际应用表明，FDS测试结果受测试温度的影响很大，而且现场变压器油纸绝缘系统温度随着时间早晚、天气、季节及负荷的变化而改变［12］，并引起绝缘系统中水分及低分子酸、呋喃化合物等油纸老化产物等处于动态平衡过程中，这都将影响绝缘状态的准确评估。因此在应用FDS法建立实验室评估变压器油纸绝缘状态数据库及现场测试时，必须正确认识不同测试温度对其评估结果的影响，尤其是在实验室建立不同测试温度下油纸状态评估数据库时还必须考虑温度改变方式的差异对评估结果的影响。但是，目前在温度改变方式对油纸绝缘FDS特性特别是对在应用FDS法定量评估油纸绝缘状态方面的深入研究鲜见报道。

本文采用三电极测试系统分别在降温与升温实验中测试不同温度下的油纸绝FDS，在不同测试温度及不同温度改变方式下对油纸绝缘FDS特性进行了深入分析，然后以基于FDS法评估变压器油纸绝缘水分含量及油浸绝缘纸电导率的量化关系式为例，定量研究了测试温度及温度改变方式对油纸绝缘状态评估结果的影响，并从微观角度分析了影响的机理。

1　实验样品制备及FDS测试

本文用于实验的油纸绝缘为普通硫酸盐木浆牛皮绝缘纸（厚度为2 mm）和25号克拉玛依精炼矿物油。为控制样品的初始状态，对其作以下预处理：首先，将绝缘纸板置于90℃/50Pa真空箱中干燥48h；其次，将脱气后的矿物油加热至40℃并注入绝缘纸所在真空箱中，绝缘纸板在40℃/50Pa环境中浸渍48h；最后将样品置于90℃热老化箱中静置72h，以保证绝缘油与绝缘纸板之间温度平衡，再进行变温试验。

FDS测试采用自制的三电极测试系统，其设计满足标准IEC 60093，具体结构如图1所示。高压、测量及屏蔽电极均采用黄铜制成，被测试品置于测量电极与高压电极之间，并利用弹簧压紧；然后将测试系统置入如图2所示带有温控系统（由Pt100及XMTG—3002温控仪组成）的密封罐中。测试仪器采用OMICRON公司生产的介质响应分析仪DIRANA，其输出电压峰值±200V，测量电流±50mA，分辨率1pA，测试频段范围为2×10-4～103Hz。

变温实验时，将样品从90℃热老化箱中取出置于90℃恒温、恒湿箱中静置12h。先进行降温实验，测试温度选择90～30℃，每降低10℃测量一次；然后进行升温实验，测试温度选择30～90℃，每增加10℃测量一次，升、降温速率由恒温系统自动控制，每次测试之前均将样品在目标温度下静置3h，以保证样品充分稳定于测试温度下。

图1　三电极测量系统结构模型示意图Fig.1　The schematic structure of the three-electrode measuring system

图2　三电极测量系统实物Fig.2　The physical map of the three-electrode measuring system

2　实验结果及分析

2.1不同测试温度下油纸绝缘FDS

不同测试温度下油纸绝缘复介电常数ε*频域谱如图3及图4所示。可以看出，在测试频段内，不论降温实验还是升温实验，复介电常数ε*频域谱均受测试温度影响较大，且具有相似变化规律；测试温度在30～90℃范围变化时，复介电常数实部低频段明显增大，当测试温度达到70℃时，低频区出现“转折”，且温度愈高，转折愈明显；复介电常数虚部高频段随测试温度升高呈向右、上平移现象，低频段出现与实部类似的现象。文献［13］探讨了基于特征频率点处（10-3Hz、10-2Hz和10-1Hz）复相对介电常数值的油纸绝缘老化状态评估方法，并指出采用该方法评估时需保持测试温度的一致性。本文实验数据也进一步证实了这一点。

图3　不同测试温度下油纸绝缘ε*频域谱（降温实验）Fig.3　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （cooling experiment）

不同测试温度下油纸绝缘tanδ频域谱如图5及图6所示。可以看出，不论降温实验还是升温实验，tanδ频域谱均受测试温度影响较大，且同样具有相似变化规律；测试温度在30～90℃范围变化时，tanδ频域谱在高频段呈向右、上平移现象；当测试温度达到50℃时，低频段出现“凸起”，且温度愈高，凸起愈明显，凸起峰值基本不变，但随测试温度升高向高频移动。文献［13］同时探讨了基于油纸绝缘tanδ频域谱特征频率点（10-3Hz、10-2Hz和10-1Hz）的老化状态评估方法，其准确应用也应建立在恰当并一致测试温度的基础上；文献［14，15］中提出了应用油纸绝缘tanδ频域谱测试频段内最小值评估其水分含量的方法，从本文实验数据可知，其评估结果受测试温度影响较大，下文将定量研究测试温度对该评估方法结果的影响。

图4　不同测试温度下油纸绝缘ε*频域谱（升温实验）Fig.4　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （heating experiment）

图5　不同测试温度下油纸绝缘tanδ频域谱（降温实验）Fig.5　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （cooling experiment）

图6　不同测试温度下油纸绝缘tanδ频域谱（升温实验）Fig.6　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation with different test temperature （heating experiment）

2.2不同温度改变方式下的油纸绝缘FDS

温度是影响变压器油纸绝缘、老化的重要因素之一，同时也是影响油纸绝缘FDS测试的重要因素，特别是在油纸绝缘、老化程度不断加深，以纤维素为主要成分的绝缘纸发生包含一系列的复杂化学反应的降解过程，伴随纤维素长链断裂，生成气体、水分、低分子酸和呋喃化合物等，而绝缘油老化也将生成酸等弱极性或强极性物质，导致油纸绝缘单位体积内带电粒子数目增多的情况。现有研究结果表明，温度对油纸绝缘频域介电特性的影响主要有两方面：一是通过影响油纸绝缘系统的电导率和极化时间常数实现［16］，二是变压器油与绝缘纸中的水分分布、迁移与平衡取决于油纸绝缘系统的温度［17］。因此，本文对比了降温与升温过程中油纸绝缘FDS特性，对比结果如图7及图8所示（为便于观察，本文仅绘出四种温度，其他测试温度下具有类似规律）。可以看出，复介电常数ε*及tanδ频域谱受温度改变方式的影响，特别是低频段影响较为明显；复介电常数ε*的实部与虚部在降温与升温过程中变化趋势一致，整体上降温过程的曲线高于升温过程的；降温与升温过程的tanδ频域谱高频段受测试方式影响较小，低频段对温度变化较为敏感。因此，在实验室建立基于FDS法的变压器油纸绝缘状态评估数据库以及在应用文献［13］中方法评估变压器油纸绝缘老化状态及水分含量时，不仅需要选择恰当且一致的测试温度，同时还需要选择合适的温度改变方式。

图7　降温与升温实验中油纸绝缘ε*频域谱Fig.7　The ε* spectroscopy of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

图8　降温与升温实验中油纸绝缘tanδ频域谱Fig.8　The tanδ spectroscopy of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

3　温度改变方式对油纸绝缘状态评估结果的影响

3.1对油纸绝缘水分含量评估结果的影响

文献［14，15］提出，油纸绝缘FDS测试频段内介质损耗最小值tanδmin与其水分含量m.c.满足

根据式（1）计算得到降温与升温实验中不同测试温度下油纸绝缘水分含量见表1。

从表1中可以看出，不论何种温度改变方式随着测试温度的升高，油纸绝缘水分评估结果均增大，评估结果极差（同一温度改变方式下，不同测试温度间评估结果最大值超最小值的比例分数），分别为85.1%及78.7%；相同测试温度下，降温实验评估结果均大于升温实验的，评估结果偏差（同一测试温度下，不同温度改变方式间评估结果最大值超最小值的比例分数，不包含30℃），最小为0.7%（40℃）、最大为4.3%（80℃）。

表1　降温与升温实验中油纸绝缘水分含量评估结果Tab.1　The results of moisture content assessment of oil-paper insulation in the cooling and heating experiment

当被测油纸绝缘样品温度升高时，样品中带电粒子运动速度增大，平均动能增加，粒子的迁移速率增大［12，18，19］；带电粒子及极性微粒热运动加快，促使单位时间内通过油纸夹层界面的带电粒子增多，使得夹层界面极化发生的机率及强度增大，同时温度升高使得松弛过程加快，松弛时间变小，进一步增大界面极化的强度，使得高频区介质损耗值tanδ增大，导致运用式（1）评估水分含量结果偏大；此外，测试温度的变化影响水分在绝缘油与绝缘纸之间的平衡状态，根据如图9所示的T.V. Oommen曲线［20］可知，随着测试温度的升高，水分由绝缘纸中经油纸夹层界面向绝缘油中扩散，进一步增大了油纸夹层界面极化的强度，使得tanδ频域谱增大，同时使得水分评估结果增大。而降温与升温实验中水分等极性及弱极性微粒通过油纸夹层界面的动态平衡过程，亦是造成降温与升温实验中评估结果差异的原因之一。

图9　不同温度下油纸绝缘微水的稳态分布曲线Fig.9　Equilibrium moisture distribution curves of oil-paper insulation at different temperatures

3.2对油浸绝缘纸电导率评估结果的影响

文献［21］指出，油纸绝缘FDS可根据式（2）评估油浸绝缘纸电导率

根据式（2）评估本文降温与升温实验中σpaper评估结果见表2。

表2　降温与升温实验中油浸绝缘纸σpaper评估结果Tab.2　The results of σpaperassessment of oil impregnated insulation paper in the cooling and heating experiment

从表2中可知，随着测试温度升高，油浸绝缘纸电导率σpaper呈增大趋势；同一测试温度下，升温实验评估结果一般大于降温实验的，最大偏差（同一测试温度下，不同温度改变方式间评估结果最大值超最小值的比例分数）76.0%（70℃）。造成上述变化的原因主要是温度影响油纸绝缘系统中的带电或极性微粒的运动特性及水分在绝缘油纸之间的动态平衡过程，与3.1节中对水分评估的影响机理基本相同，此处不再赘述。而从3.1及3.2节定量研究温度及温度改变方式对应用FDS法评估油纸绝缘水分含量及油浸绝缘纸电导率的评估结果可知，在实验室建立基于FDS法的变压器油纸绝缘状态评估数据库及在现场诊断变压器油纸绝缘状态时，必须保证恰当且一致的测试温度及合适的温度改变方式，否则将导致评估结果失实。

4　结论

本文在采用三电极测试系统测试降温及升温实验中油纸绝缘FDS的基础上，对比分析了不同测试温度及不同温度改变方式下的油纸绝缘FDS特性，引入应用FDS法定量评估油纸绝缘水分含量及油浸绝缘纸电导率的量化关系式，定量研究了温度及温度改变方式对油纸绝缘状态评估的影响，得到如下结论：

（1）油纸绝缘FDS受测试温度及温度改变方式影响较大；在同一测试温度下温度改变方式主要影响油纸绝缘FDS的低频段；温度改变方式不同还会对油纸绝缘状态评估结果产生很大影响。

（2）应用FDS法现场诊断变压器油纸绝缘状态时，必须保证恰当且一致的测试温度；而在实验室建立不同温度下基于FDS法的变压器油纸绝缘状态评估数据库时，还需选择合适的温度改变方式，否则将导致评估数据库失实。

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Effect of Temperature Change Mode on Condition Assessment of Oil-Paper Insulation Based on Frequency-Domain Dielectric Spectroscopy Method

Gao Jun1Wang Youyuan1Qi Chaoliang1Liu Jiefeng1Wu Feifei1Wang Ke2
（1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China
2. China Electric Power Research InstituteBeijing100192China）

In order to better apply frequency-domain dielectric spectroscopy （FDS） in nondestructive diagnosis of oil-paper insulation condition of transformer，the influence of temperature change mode on establishing assessment database of oil-paper insulation condition of transformer was investigated. FDS of oil-paper insulation at various temperatures was measured by a three-electrode measuring system in the cooling and heating experiments. Based on the FDS properties of oil-paper insulation at different testing temperatures and different temperature change modes，the relationships of quantitative assessment moisture content and conductivity of oil impregnated paper were introduced，and then the influences of testing temperature and temperature change mode on quantitative assessment results of oil-paper insulation condition were studied. It demonstrates that testing temperature and temperature change mode have great impacts on the FDS properties of oil-paper insulation. Low frequency range of FDS of oil-paper insulation depends heavily on temperature change mode. If frequency-domain dielectric spectroscopy method is used to establish the assessment database ofoil-paper insulation condition of transformer，both appropriate testing temperature and suitable temperature change mode should be taken into account. This study is also a reference to select proper temperature change mode in the temperature-varying experiment at laboratory.

Power transformer，oil-paper insulation，temperature change mode，testing temperature，frequency-domain dielectric spectroscopy，condition assessment

TM835

高竣男，1989年生，博士研究生，主研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断。

王有元男，1971年生，教授，博士生导师，主要从事高电压与绝缘技术、电气设备绝缘在线智能监测和故障诊断技术等方面的研究。

国家自然科学基金资助项目（51277187）。

2013-10-20改稿日期 2013-12-10