应用初始斜率特征量评估变压器中绝缘油微水含量状况

黄国泰 郭弟弟

（1.福建省电力物资有限公司，福州 350003；2.国家电网福建省福州供电公司，福州 350003）

应用初始斜率特征量评估变压器中绝缘油微水含量状况

黄国泰 郭弟弟

（1.福建省电力物资有限公司，福州 350003；2.国家电网福建省福州供电公司，福州 350003）

目前，应用回复电压法定量诊断油纸绝缘变压器内部绝缘油微水含量的研究甚少。针对这方面的不足，首先，本文基于时域介电谱理论，提取回复电压法中的初始斜率峰值时间这一重要特征量；其次，利用扩展德拜模型等效电路建立仿真模型，研究该特征量与变压器绝缘油受潮的内在联系；而后，通过分析多台电力变压器的绝缘油微水含量及其初始斜率峰值时间数据，划分出可定量评估绝缘系统受潮与否的分界线。最后，通过实例验证了该研究结果的有效性和准确性，为评估变压器绝缘油受潮状态提供新的思路与方法。

油纸绝缘；绝缘油；初始斜率；微水；峰值时间

为了维护油浸式电力变压器的安全运行，可靠准确地评估油纸绝缘设备的微水含量至关重要［1-2］。传统定量评估油纸绝缘系统中绝缘油受潮状况的方法是：采用卡尔-费休滴定法直接测量绝缘油中的微水。这种方法虽十分简便，但存在明显的不足：首先，因它需从变压器内部吊芯取样，有可能对油纸绝缘变压器造成进一步的绝缘污染或不可逆的损伤，增加二次老化受潮的危险；其次，在取样过程中大气中的水分不可避免地会进入油样，油中微水含量原本就较小，这样所造成的测试误差就更加显著了［3］。因此，这种传统检测方法虽然简便但其诊断过程的破坏性与诊断结果的准确性仍需进一步完善。

鉴于以上不足，本文选取了一种无损、非破坏性的电气诊断方法——回复电压法（RVM），通过该方法所获取的回复电压谱线因蕴含了丰富的电力变压器内部受潮状况信息，而被广泛运用［4-5］。然而，文献［6-7］等仅限于将 RVM应用于变压器微水含量的定性评估，或只研究了变压器绝缘纸微水含量与回复电压主时间常数函数关系，鲜有基于回复电压法对变压器绝缘油微水含量的定量研究。这显然对判断整个绝缘系统的微水含量是不全面的。因此，本文提取回复电压法中初始斜率峰值时间Ts这一新特征量来对变压器绝缘油的微水含量进行重点研究，进一步得到变压器绝缘油微水含量与Ts间的量化关系。

1 RVM理论基础及时间常数

RVM 是一种研究绝缘材料缓慢极化过程的时域方法。RVM的测量示意图如图1所示，测量原理与过程是：首先闭合 K至 1触点，将直流高压 U0施加在绝缘介质两端，此时，在电场作用下，介质产生极化现象，在表面出现束缚电荷，内部偶极子呈定向排列；然后，经过一定的充电时间 tc后，闭合K至2触点，即撤去外施电压并短接两极，这时表面束缚电荷立即被释放，介质内部发生去极化过程；最后，在td时间后，闭合K至3触点，即去除两极间的短接线，但去极化过程仍在继续，此时自由电荷在电极之间所呈现的一个电势差称为回复电压，可通过电压表测得［8-9］。

图1 回复电压测量示意图

回复电压极化谱是在单次测量的基础上，通过多个循环测量获得的。每个测量循环又由4个阶段组成，它包括充电、放电、测量、松弛4个阶段。RVM测量周期的一个测量循环如图2所示［9-10］。

图2 RVM的测量周期

为深入研究油纸绝缘复合介质的弛豫过程，目前，广泛采用扩展德拜等值电路模型来表征电力变压器绝缘系统，该等值电路包含几何等效电路与极化等效电路，如图 3所示［11-13］。其中，几何等值电路的绝缘电阻Rg、几何电容Cg表征了不同型号规格的电力变压器；而极化等值电路由若干个 Rpi、Cpi串联支路并联而成，每条支路都代表着不同的极化过程；n表示弛豫机构数。

图3 基于扩展德拜模型的介质响应等效电路

因油纸绝缘介质成分不同，其时间常数（τpi= RpiCpi）和弛豫过程也各异，既有快速弛豫过程，又有缓慢弛豫过程。因此，扩展德拜等效电路模型的各极化支路反映不同的弛豫过程。文献［14-15］提出，极化支路根据时间常数的大小分类可以分为三种情况：小时间常数极化支路（时间常数小于1s）弛豫过程快，反映绝缘油状态；大时间常数极化支路（时间常数大于100s）弛豫过程慢，反映固体绝缘状态，中等时间常数极化支路（时间常数介于 1～100s之间）则反映绝缘系统的界面极化过程。

2 RVM特征量提取

初始斜率Si是回复电压法用于诊断油纸绝缘状态的一个重要特征量。它表征了在介质两端撤去外电场作用后，内部分子为恢复自然平衡状态的转向速度。结合这一物理特性，并通过对油纸绝缘介质受潮机理可知，回复电压斜率将受到绝缘受潮的影响，它与油纸绝缘状态相对应。

可见，若能寻求到与初始斜率相关的特征量来间接评估电力变压器受潮情况，具有极高的实用价值。因此，根据文献［16］给出的某台220kV、240MVA的油纸绝缘变压器等效极化电路模型（6条支路，其中支路1、2、3为小时间常数支路；支路4为中时间常数支路；支路5、6为大时间常数）。下面以该模型为基础，仿真初始斜率与变压器受潮状况的关系，寻找相关特征量［17］。

2.1 变压器设计规格对Ts的影响

因扩展德拜等效电路特性，在保持 Rpi、Cpi不变的情况下，改变绝缘电阻 Rg与几何电容 Cg可仿真不同变压器型号下，Si的变化规律，如图4所示。其中，图中小图的横坐标为所变化支路时间常数τ值的倍数。

图4 变压器设计规格对Ts的影响

随着绝缘系统受潮的加重，绝缘电阻Rg不断减小，图4（a）仿真了Si随绝缘电阻的变化情况。从图中看出，任意充电时间下的初始斜率都不受绝缘电阻的影响。这是由于绝缘电阻反映的是绝缘介质的电导特性，而Si表征绝缘介质内部分子恢复自然平衡状态的整体响应速度，与介质极化特性密切相关，因此，绝缘电阻和初始斜率这两者之间没有直接的关系。

在油纸绝缘设备运行过程中，受潮对几何电容Cg不会产生太大影响。但绝缘结构随设备的型号、容量、制造厂家的不同而有所差别。通过改变几何电容的值模拟设备的不同设计构造，从而分析其对Si的影响。从图4（b）看出，随几何电容增大，初始斜率减小，反之，初始斜率增大。但是几何电容的变化并不影响初始斜率曲线整体的走势，即初始斜率的峰值时间Ts不发生改变。

2.2 绝缘油受潮对Ts的影响

绝缘系统受潮加重，引起绝缘介质弛豫响应等效电路中的弛豫机构数增加，弛豫机构对应的极化电阻减小，极化电容增大。反之，弛豫机构数减少，弛豫机构对应的极化电阻增大，极化电容减小。因此，将分别改变等效电路中绝缘油对应的弛豫支路数和弛豫支路元件参数来实现绝缘油不同受潮状态的模拟，由此分析绝缘油受潮对初始斜率曲线的影响。

实际中，当绝缘介质的受潮状态发生改变，极化电阻的变化幅度一般稍大于极化电容的变化幅度，引起各弛豫机构的时间常数略微发生改变。因此，图 5（a）、（b）分别通过改变与绝缘油中界面极化过程对应的弛豫机构数，绝缘油对应弛豫支路的极化电阻Rp1、Rp2、Rp3与极化电容Cp1、Cp2、Cp3的值，来仿真绝缘油受潮引起的Si变化曲线与Ts变化值。

图5 绝缘油受潮对Ts的影响

在图5（a）中，改变与绝缘油中界面极化过程对应的弛豫机构数，主要影响初始斜率曲线的前半部分（0.1s＜tc＜10s）。绝缘油本身回复自然平衡状态的响应速度最快，因此初始斜率峰值时间与绝缘油本身的极化特性密切相关。而增加和减少的弛豫机构时间常数范围离初始斜率峰值时间有一定距离，导致峰值时间受弛豫机构数变化的影响不大。

从图5（b）曲线变化可见，绝缘油对应支路的参数变化，同样也是引起初始斜率曲线的前半部分（0.01＜tc＜10s）变化。随着绝缘油受潮加重，对应弛豫支路的极化电阻减小，极化电容增大，导致初始斜率增大，并且初始斜率的峰值时间位置向左移动。这是由于受潮导致介质中强极性分子增多，加快了绝缘油部分的弛豫响应速度。因此，初始斜率的峰值位置可以作为判断绝缘油劣化程度的新特征量。

2.3 绝缘纸受潮对初始斜率的影响

与绝缘油不同，绝缘纸的受潮老化过程是不可逆转的。因此，对绝缘纸的相关分析只考虑性能不断下降的情况。其余讨论均与绝缘油受潮分析过程相似。

图6 绝缘纸受潮对Ts的影响

从仿真图6（a）可以看到，改变与绝缘纸相关的界面极化过程对应的弛豫机构数，主要影响初始斜率的后半部分（10s＜tc＜1000s），且初始斜率峰值位置不受影响。当绝缘纸中界面极化过程增加，初始斜率相应增大，但初始斜率峰值时间保持不变。

从图6（b）中看出，绝缘纸的绝缘程度降低，初始斜率曲线后半部分有所变化，但是对初始斜率的峰值位置不构成影响。

因此，综合以上分析得到结论：①绝缘电阻不改变初始斜率的大小，但几何电容影响初始斜率峰值的高度，因此，无法通过初始斜率的大小对不同容量、设计结构的油纸绝缘设备绝缘状态进行诊断；②初始斜率的峰值时间与介质的弛豫响应速度密切相关，均不受Rg、Cg的影响，即初始斜率峰值时间不受变压器设计型号的影响；③初始斜率峰值时间对绝缘油受潮状态反应灵敏，当绝缘油的绝缘状态变差时，其弛豫特性发生变化，将使初始斜率峰值时间位置向左偏移。但绝缘纸的受潮情况对初始斜率峰值时间无影响。

因此，初始斜率峰值时间Ts是判断绝缘油受潮程度的重要指标。可以作为绝缘油受潮诊断的新特征量。

3 Ts定量评估绝缘系统微水含量

通过分析可知，初始斜率峰值时间与变压器绝缘油的微水含量密切相关。因此，为了深入探究它们之间的内在联系，本文对多台变压器进行了回复电压测试，测试温度均在36℃～38℃间。得到相应的扩展德拜等效电路模型，以获取相应的初始斜率峰值时间，同时对变压器进行绝缘油中微水含量的检测。本文所选取的10变压器基本信息和试验获得的绝缘油微水含量见表1。

表1 十台电力变压器基本信息

为了能够更加清晰明了地看出电力变压器油中微水含量与初始斜率峰值时间的关系，在表1的基础上，按初始斜率峰值时间由大到小进行重新排列得到表 2。对照表 2可知，初始斜率峰值时间都较小，同时，随着电力变压器微水含量的增加，初始斜率峰值时间不断减少。由此验证了本文提出的利用初始斜率峰值时间来评估变压器绝缘油状态的可行性与正确性。此外，根据表2和《电力设备预防性试验规程》的规定，T6、T7、T8、T9和T10的绝缘油受潮，其中T8、T9和T10受潮严重，T6和T7受潮适中，需跟踪监测。绝缘油受潮对应的初始斜率峰值时间在 0.03s以内；T1、T2、T3、T4和T5的绝缘油状态优良，无需检修可长期正常运行，对应的初始斜率峰值时间在0.03s以上。

表2 10台变压器的Ts顺序排列表

4 结论

本文基于时域介质响应理论，通过分析多台变压器的受潮情况与初始斜率峰值时间之间的关系，提出提出利用初始斜率峰值时间定量评估变压器绝缘油的微水含量状态的判据。研究表明：

1）初始斜率峰值时间不受变压器设计型号、尺寸的影响，但对绝缘油受潮状态反应灵敏。

2）初始斜率峰值时间越小，电力变压器绝缘油的微水含量越高，且以 0.03s为界限，当初始斜率峰值时间高于 0.03s时，绝缘油绝缘状况良好，当低于 0.03s时，需对绝缘油进行进一步追踪监测，并及时对其进行检修。

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图6 零序阻抗测量仿真

图7 正常运行时Z变中性点电流

图8 单相接地且配置消弧线圈时Z变中性点电流

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作者简介

王德明（1989-），男，甘肃永昌人，本科，工程师，主要从事企业高低压变配电系统运维管理工作。

Apply Initial Slope Feature Amount for Evaluating the Micro-water Content of Transformer Insulation Oil

Huang Guotai Guo Didi
（1.Fujian Electric Power supplies Limited，Fuzhou 350003；2.Sate Grid Fujian Provincial Fuzhou Electric Power Company，Fuzhou 350003）

Recently，the research of using the return voltage method Respond to diagnosis the micro-water content of transformer insulation oil quantitatively is very rare.Aiming at the deficiency，this paper extracts an important characteristic of initial slope peak time of return voltage method Based on the theory of time domain dielectric spectroscopy.Secondly，studies the inner link between the characteristic and the micro-water content of transformer insulation oil by simulating the Extended Debye model equivalent circuit.Then，obtains the divide line of transformer insulation oil damp or not，though mouths of data of transformer insulation oil micro-water content and the initial slope peak time.Finally，the analysis results show that the method in this paper provides a new idea to diagnose micro-water content of transformer insulation oil.

oil-paper insulation； insulation oil； initial slope； micro-water； peak time

黄国泰（1987-），男，福建安溪人，汉族，工程师，主要研究方向为电力设备可靠性研究。