黎成林，曹保江，孫健翔，雷 帆，吳廣寧，高 波

（西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)電壓等級不斷提升，裝機容量逐年擴大，電網(wǎng)安全運行變得尤為重要。電力變壓器在電力系統(tǒng)輸變電過程中扮演核心角色，一旦發(fā)生故障將對國民經(jīng)濟造成不可估量的損失［1-3］。油紙絕緣作為大型電力變壓器的主絕緣系統(tǒng)，在運行過程中長期受到溫度、水分、氧氣、酸、電場、機械力等應力的作用而逐漸老化，導致其機械性能和絕緣性能下降［4-7］。其中水分被認為是導致油紙絕緣老化的“第二大殺手”（熱應力被認為是頭號殺手）［8］，對絕緣紙的機械強度和電氣強度造成嚴重破壞。研究表明，絕緣紙的機械壽命會隨著水分含量的增加迅速減小，熱老化速度也將成倍增加［9-10］。水分還是油、紙纖維素等高分子材料化學降解反應的催化劑，對材料降解老化產(chǎn)生不可逆的加速作用［11］。

由此可見，油紙絕緣系統(tǒng)水分含量評估是變壓器故障診斷的一個重要環(huán)節(jié)。絕緣油老化后可以進行濾油操作或者直接更換新油以改善其絕緣性能，而老化后的絕緣紙不能更換，一臺變壓器的運行壽命基本取決于其內部絕緣紙的壽命，因此絕緣紙老化狀態(tài)的評估顯得尤為重要。目前，通常采用卡爾費休滴定法評估油浸紙的水分質量分數(shù)，即在處于平衡狀態(tài)的油紙體系中測量絕緣油中的水分質量分數(shù)，然后根據(jù)油紙水分平衡曲線，得到紙中水分質量分數(shù)［12-14］。這種方法在進行過程中將會吸收來自外界的水分，對實驗結果造成誤差，當絕緣油中水分較小時，誤差更為明顯。另外，如今適用的幾大水分平衡曲線都是在實驗室條件下以全新絕緣油和絕緣紙為實驗材料得出，只適用于剛投入運行的油紙絕緣系統(tǒng)。油紙絕緣老化后其材料的化學特性和物理結構將會發(fā)生變化，原有的水分平衡曲線不再適用。近年來，隨著測控技術的快速發(fā)展，介電響應技術逐漸應用到變壓器油紙絕緣的無損狀態(tài)評估。如今用于變壓器故障診斷的介電響應法主要有回復電壓法（RVM）、極化去極化電流（PDC）法和頻域介電譜（FDS）法。其中FDS法因具有攜帶信息豐富、測量頻帶窄、抗干擾能力強等優(yōu)點，更適用于現(xiàn)場測量［15-17］。大量研究證明，F(xiàn)DS中的特征量（復介電常數(shù)、介質損耗因素等）曲線可以反映油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。文獻［18］測量了不同含水量油浸紙板的頻域介電特性，發(fā)現(xiàn)水分含量的變化在整個測試頻域范圍內都對FDS特性產(chǎn)生影響，且介質損耗隨著油浸紙板水分含量的增大而明顯增大。文獻［19］測量發(fā)現(xiàn)水分含量的增加使復介電常數(shù)的實部和虛部曲線都向高頻移動，且虛部最小值隨水分含量增加而增大。此外，水分含量增加到一定程度時，曲線在低頻區(qū)出現(xiàn)損耗峰。文獻［20］研究了復介電常數(shù)和介質損耗因素隨水分含量及測試溫度的變化情況，擬合出水分含量與不同頻率處頻域介電特征參量的關系式，運用時溫疊加理論提出了適用于不同運行溫度下的油紙絕緣水分含量評估方法。上述研究都是以新變壓器油與新絕緣紙為實驗基礎，并不適用于老化變壓器水分含量的評估。如何辨別老化和水分各自對油紙絕緣FDS特性的影響，進而提出適用于不同老化狀態(tài)的油浸紙水分含量評估方法更具有實際意義。

本文制備了不同水分含量、不同老化程度的油浸紙樣品并對其進行FDS測試，分析了絕緣紙老化程度和水分含量對其頻域介電特性的影響，并從絕緣紙的極化特性和老化機理分析了產(chǎn)生這種影響的原因，最后提出一種適用于不同老化程度油浸紙的水分含量評估方法。

1 FDS測試原理

電介質的介電常數(shù)也稱為電容率，是描述電介質極化的宏觀常數(shù)，定義為：

其中，εr為電介質的介電常數(shù)；D為電介質中電通量密度；E為宏觀電場強度；ε0為真空介電常數(shù)。

當電介質處于E*=Emejωt的交變電場中時，若電介質中存在松弛極化，則D*將滯后于E*并產(chǎn)生相角差 δ，即 D*=Dmej（ωt-δ），此時的復電介質常數(shù)定義為：

其中為復介電常數(shù)的模；ε′為復介電常數(shù)的實部，與相對介電常數(shù)具有相同的意義，代表電介質的極化強度；ε″為復介電常數(shù)的虛部，代表電介質在電場中的損耗。電介質的介質損耗因數(shù)定義為相角差δ的正切值，可以直接用tanδ表示，其與復介電常數(shù)的關系為：

FDS法就是通過給電介質外加正弦電壓，得到介電常數(shù)、介質損耗因數(shù)一系列與頻率有關的參數(shù)的變化情況。若在油紙絕緣系統(tǒng)中應用FDS法，就可以運用上述參數(shù)的變化情況來反映油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。

2 實驗設計

2.1 實驗材料

本文采用厚度為0.3 mm的普通牛皮變壓器絕緣紙和25號克拉瑪依變壓器礦物絕緣油作為實驗材料進行老化試驗和FDS測試，實驗材料具體信息如表1所示。

表1 實驗材料詳細信息Table1 Detailed information of experimental materials

2.2 實驗流程

為提高測試結果精確度，先對試驗材料進行以下處理：將絕緣紙剪裁成半徑約為11 cm的圓形紙板，然后將若干張剪裁好的單層絕緣紙壓制為厚度約為1 mm的圓形絕緣紙試樣；將壓制好的絕緣紙試樣在90℃/50 Pa的環(huán)境下干燥60 h直至其水分含量小于0.1%；礦物油經(jīng)真空脫氣后在40℃/50 Pa的條件下干燥至水分含量約為 10 μg/g。

絕緣紙的聚合度（DP）是表征其機械特性的物理量，代表構成紙纖維的葡萄糖單體的個數(shù)，是絕緣紙老化程度最重要且最直接的表征量。全新絕緣紙的聚合度為1200～1500，如果聚合度低于200就認為變壓器的壽命結束［21-22］。為了得到不同聚合度的絕緣紙樣品，將壓制好的絕緣紙置于老化箱中進行不同溫度和時間的等效熱老化，具體流程如表2所示。絕緣紙聚合度的測量參照文獻［24］執(zhí)行，為提高測量精度，取3份經(jīng)同類等效老化的絕緣紙進行聚合度測量，取其平均值作為該類等效老化的最終聚合度值。每種等效老化處理流程完成后將絕緣紙在礦物油中靜置48 h，讓絕緣紙老化后的大部分產(chǎn)物存在于絕緣油中，以減小老化產(chǎn)物（主要是酸）對試驗結果的影響。

表2 不同聚合度絕緣紙試樣處理流程Table2 Pre-processing of insulating paper samples with different polymerization degrees

將經(jīng)過等效老化得到的每種聚合度絕緣紙充分干燥后，使其自然吸潮獲得水分含量分別為1%、2%、3%和4%的絕緣紙樣品，將樣品與干燥好的絕緣油置入實驗裝置中，在60℃的環(huán)境下靜置48 h，待水分在油紙間達到穩(wěn)態(tài)后測量絕緣紙中的水分含量并進行FDS測試。

本文進行FDS測試所用儀器為美國Megger公司生產(chǎn)的絕緣診斷分析儀IDAX300，其測量頻率范圍為0.1 mHz～10 kHz。未消除環(huán)境溫濕度會對實驗結果造成影響，所以將油紙絕緣系統(tǒng)置于老化箱中，老化箱中為真空環(huán)境，溫度設置為60℃。

3 實驗結果分析

水分在油紙絕緣系統(tǒng)中達到平衡后，不同聚合度絕緣紙中的水分含量如表3所示。

表3 不同聚合度絕緣紙達到穩(wěn)態(tài)后的水分含量Table3 Moisture content of insulating papers with different steady-state polymerization degrees

由表3可以看出，水分在油紙間達到穩(wěn)態(tài)后，絕緣紙的水分含量都比相應的水分含量期望值稍小，即在水分平衡過程中，少量水分從絕緣紙轉移到絕緣油中。水分含量期望值相同時，絕緣紙聚合度越低，達到平衡后其水分質量分數(shù)越小。這是因為絕緣紙纖維素分為結晶區(qū)和無定形區(qū)，結晶區(qū)纖維素分子排列緊密，水分子與油分子很難進入，無定形區(qū)纖維素分子排列松散，水分與油分子容易進入該區(qū)域。絕緣紙老化會使纖維素的部分結晶區(qū)向無定形區(qū)轉化，其內部空隙增大，因絕緣油濃度遠大于水分濃度，絕緣油將首先進入這些空隙而使水分無法進入，因此聚合度越低其水分含量相對越低。因絕緣紙中實際水分含量與期望值差異不大，實驗中可以近似認為不同聚合度的絕緣紙中水分含量與期望值相等。

3.1 絕緣紙聚合度對FDS特性的影響

圖1和圖2分別為水分含量為1%和3%的情況下不同聚合度絕緣紙的復介電常數(shù)測試曲線。水分含量為2%和4%時的測試曲線具有相似規(guī)律，這里不再贅述。

圖1 水分含量為1%時，不同聚合度絕緣紙的復介電常數(shù)Fig.1 Complex permittivity of insulating papers with different polymerization degrees when moisture content is 1%

圖2 水分含量3%時，不同聚合度絕緣紙的復介電常數(shù)Fig.2 Complex permittivity of insulating papers with different polymerization degrees when moisture content is 3%

油紙絕緣系統(tǒng)極化體系在低頻段由界面極化主導，在高頻段由轉向極化決定。從圖1和圖2可以看出，相同條件下，復介電常數(shù)的實部和虛部均隨著頻率的升高而減小，且在高頻區(qū)域基本保持不變。這是因為在較低的頻域下，油紙絕緣系統(tǒng)可以完成更多的極化過程，隨著頻率的升高，一些所需時間較長的極化過程（如夾層界面極化和空間電荷極化）逐漸跟不上電場的變化速度，從而使復介電常數(shù)的實部、虛部減小。

從圖1、2中可以看出，當絕緣紙中水分含量相同時，復介電常數(shù)的實部與虛部在低頻段隨聚合度的減小而增大，在高頻段略微增加，增加幅度可以忽略，且聚合度越小，復介電常數(shù)的實部和虛部虛線在低頻段隨著頻率升高而下降的趨勢越陡峭。這與文獻［18］所得結論吻合。這是因為低頻段油紙絕緣的極化體系由界面極化主導。聚合度隨著絕緣紙熱老化不斷降低，熱應力不僅使纖維素結晶區(qū)轉化為無定形區(qū)，還使非結晶區(qū)結構更加疏散。纖維素分子間的相互作用力減弱，更多絕緣油分子侵入絕緣紙與纖維素分子接觸，形成更多的油紙界面，油紙界面極化程度增強，油紙界面極化損耗也隨之增大，因此復介電常數(shù)的實部和虛部在低頻段隨聚合度的減小而增大。

圖3為通過絕緣紙老化掃描電鏡SEM（Scannning Electron Microscope）將絕緣紙放大800倍后的圖像，圖3（a）為全新絕緣紙試樣，圖 3（b）為130℃ 下老化132 d的絕緣紙試樣。從圖中可以看出，未老化的絕緣紙纖維素排列有序且緊密，纖維素平均寬度較老化后的纖維素寬；老化后絕緣紙的纖維素排列松散無序，平均直徑減小，這將使絕緣油更容易進入絕緣紙并為其提供更多的容納空間。

圖3 放大800倍的不同老化程度絕緣紙試品SEM圖Fig.3 Insulating paper samples with different aging degrees，magnified 800 times by SEM

3.2 不同聚合度絕緣紙的水分含量評估

圖4和圖5分別為聚合度為1292和420時不同水分含量絕緣紙的復介電常數(shù)測試曲線（聚合度為735和215時具有相似規(guī)律，本文不再贅述）。從圖中可以看出，當絕緣紙聚合度相同時，復介電常數(shù)實部在102Hz以下的頻率范圍內隨水分含量的增大而增大。這是因為水分分子是極性分子，它將參與油紙絕緣的極化過程，絕緣紙中水分含量越大，參與極化的極性分子越多，極化強度越強。另外，隨著水分含量的升高，復介電常數(shù)虛部在整個測試頻域范圍內增大，ε″曲線呈現(xiàn)向右平移趨勢。這是因為絕緣紙中的水分含量的增加不僅增加了油紙界面損耗，同時油紙絕緣電導率也隨水分含量的增加而增大，其電導損耗也隨之增大。

圖4 聚合度為1292時，不同水分含量絕緣紙的復介電常數(shù)Fig.4 Complex permittivity of insulating papers with different moisture contents when DP is 1292

圖5 聚合度為420時，不同水分含量絕緣紙的復介電常數(shù)Fig.5 Complex permittivity of insulating papers with different moisture contents when DP is 420

為探究適用于不同老化程度絕緣紙水分含量的頻域介電特征量評估方法，需從復介電常數(shù)曲線中尋求可以表征絕緣紙聚合度的特征量。由圖1和圖2可以看出，絕緣紙水分含量相同時，隨著絕緣紙聚合度的降低，復介電常數(shù)的實部和虛部曲線在低頻段的下降趨勢變陡。從圖4和圖5可以看出，絕緣紙聚合度相同時，復介電常數(shù)虛部曲線隨水分含量的增加呈向右平移趨勢，且通過觀察可知4種水分含量下的虛部曲線基本平行，可以推測若在均勻坐標系中復介電常數(shù)虛部將具有相同的下降幅度。因此本文提出利用復介電常數(shù)虛部曲線在102Hz以下頻率范圍內的等效下降幅度作為絕緣紙聚合度的映射特征量。以聚合度為1292的絕緣紙式樣為例，將圖4（b）變換為如圖6所示的均勻坐標圖：圖4（b）中Y軸最小值10-3與最大值105分別對應均勻坐標系中Y軸最小值0與最大值80；X軸最小值10-4與最大值103分別對應均勻坐標系中X軸的最小值0與最大值70，復介電常數(shù)虛部曲線在均勻坐標系中的下降幅度即為等效下降幅度值。圖4（b）中每條曲線在10-4Hz和102Hz處的值在均勻坐標系中的對應值相減后作為該水分含量條件下的下降幅度。取4種水分含量虛部曲線下降幅度的平均值作為該聚合度對應的等效下降幅度。按照此方法求得不同聚合度下，水分含量不同的油浸紙?zhí)摬壳€在均勻坐標系中的下降幅度值及等效下降幅度值，如表4所示。從表4可以看出，同一聚合度條件下不同水分含量的油浸紙的虛部曲線在均勻坐標系中的下降幅度基本相同，且每種聚合度的等效下降幅度隨聚合度的減小而增大，這與前文推測的結果吻合。

圖6 均勻坐標圖Fig.6 Complex permittivity curves in homogeneous coordinates

表4 虛部曲線的下降幅度與等效下降幅度Table4 Decline extent and equivalent decline extent of imaginary part curve

圖7為等效下降幅度與絕緣紙聚合度的擬合關系圖，擬合關系式為：

其中，y為等效下降幅度值；x為相應的聚合度值。擬合優(yōu)度較高，為0.99788，因此可以利用該式對絕緣紙的老化狀態(tài)進行評估。

圖7 等效下降幅度與聚合度的關系Fig.7 Relationship between DP and equivalent decline extent

圖8 水分含量與特征參數(shù)的關系Fig.8 Relationship between moisture content and characteristic parameter

為評估不同老化程度絕緣紙的水分含量，本文選取10-4Hz處的ε′作為水分含量評估的頻域介電特征量。圖8為4種老化程度的絕緣紙水分含量與特征頻率處ε′之間的關系。由圖8可見，不同老化程度絕緣紙的水分含量與10-4Hz處的ε′存在如式（5）所示的函數(shù)關系：

其中，ymc為絕緣紙中的水分含量；x為特征頻率10-4Hz處的ε′值，其擬合參數(shù)如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著聚合度的降低，絕緣紙水分含量與頻域介電特征量間函數(shù)的擬合優(yōu)度R2呈現(xiàn)下降趨勢，說明油浸紙老化越嚴重，其極化特征機理越復雜，影響其頻域介電特性的因素更多；當絕緣紙聚合度下降到215時，擬合優(yōu)度小于0.9，其他老化狀態(tài)下擬合優(yōu)度都較高，實際運行中變壓器絕緣紙聚合度不會低于500，因此可用該系列擬合函數(shù)對不同老化程度絕緣紙的水分含量進行評估。

表5 不同老化程度絕緣紙的水分含量的擬合參數(shù)Table5 Fitting parameters for moisture content of insulting papers with different aging degrees

綜上所述，評估不同老化程度油浸紙水分含量時，可先通過絕緣紙聚合度與等效下降幅度的擬合關系求出油浸紙的聚合度，再根據(jù)不同聚合度油浸紙水分含量與頻域介電特征量的擬合關系式對水分含量進行評估。

4 結論

本文在實驗室中制備了不同聚合度、不同水分含量的油浸紙樣品并測量其頻域介電特性，通過對測試結果的分析，區(qū)分了老化程度與水分含量對油浸紙FDS特性的影響。本文初步探索出一種適用于不同老化程度油浸紙水分含量的評估方法，為實際運行中的電力變壓器油紙絕緣水分含量評估提供了參考。本文的主要結論如下。

（1）聚合度的變化主要在低頻段對油浸紙的頻域介電特性產(chǎn)生影響。聚合度不同但水分含量相同時，隨著絕緣紙聚合度的降低，其復介電常數(shù)的實部與虛部在低頻段均增大，在高頻段基本保持不變；且聚合度越低，復介電常數(shù)實部與虛部在低頻段隨頻率升高而下降的趨勢越陡峭。

（2）水分含量相同而聚合度不同時，復介電常數(shù)實部ε′在102Hz以下的頻率范圍內隨絕緣紙水分含量的升高而增大，復介電常數(shù)虛部ε″在整個測試頻域范圍內隨絕緣紙水分含量的升高而增大，且ε″曲線呈現(xiàn)向右平移趨勢。

（3）提出將等效下降幅度作為絕緣紙老化程度的映射特征量，得到了其與絕緣紙聚合度的關系式，可以利用該關系式對油浸紙的老化程度進行評估。同時擬合出不同聚合度絕緣紙在特征頻率點10-4Hz處ε′值與水分含量的關系式，進而探索出適用于不同老化程度油浸紙水分含量的評估方法。

需要指出的是，本試驗材料為全新絕緣油與不同老化程度的絕緣紙，這種情況與經(jīng)過濾油或更換新油的變壓器運行情況相符。實際中為考慮電網(wǎng)運行經(jīng)濟性，不可能經(jīng)常進行濾油與更換新油操作，絕緣紙與絕緣油的老化產(chǎn)物如酸、糠醛、油中溶解氣體等存在于油紙絕緣系統(tǒng)中，加之變壓器實際運行環(huán)境錯綜復雜，油紙絕緣系統(tǒng)水分含量及老化狀態(tài)還受到溫度、壓力等因素的影響，因此要更好地實現(xiàn)實際運行變壓器油紙絕緣水分含量與老化狀態(tài)的評估，還需要建立精度更高的多因素融合的映射方法及映射數(shù)據(jù)庫。

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