楊寅明

(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司,河北 承德 067000)

0 引言

油浸式變壓器在居民和工業(yè)生產(chǎn)中的作用極為重要，一旦出現(xiàn)問題會對區(qū)域甚至整個電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的影響。內(nèi)絕緣系統(tǒng)的好壞是決定變壓器工作年限長短的重要因素。其中的絕緣紙由于不能更換，且老化過程不可恢復(fù)，將對變壓器的使用壽命產(chǎn)生重大影響[1]。國內(nèi)對不同測試電壓以及不同測試溫度下的頻域介電譜曲線的變化特性進(jìn)行了深入分析，并對頻域介電譜的獲取方法開展了大量研究，但是對絕緣紙不均勻受熱情況下的絕緣紙頻域變化特性的研究仍較少。

頻域介電譜是在頻域范疇里分析電介質(zhì)的極化過程重要手段，其參數(shù)信息豐富、抗干擾能力強、測試方法準(zhǔn)確性高，能較為全面地反映現(xiàn)場變壓器絕緣狀態(tài)[2]。

為研究絕緣紙熱老化不均勻?qū)︻l域參數(shù)產(chǎn)生的作用，制備所需樣品，就不同疊放順序樣品開展頻域試驗，對比分析得出紙樣品熱老化不均勻?qū)?fù)介電常數(shù)實部、虛部的影響，同時研究熱老化不均勻?qū)垬觾?nèi)水分含量影響，從而就紙樣品絕緣水平展開綜合分析[3]，為判斷絕緣紙絕緣性能的優(yōu)劣提供參考。

1 FDS法測試原理

頻域譜(frequency domain spectrum，F(xiàn)DS)法是通過給油紙樣品兩端加上頻率呈現(xiàn)正弦變化的交流電壓激勵，在介質(zhì)內(nèi)部就會產(chǎn)生相對應(yīng)的電流信號，從而測得其幅值和相位；結(jié)合交流電壓激勵的相關(guān)信息,可得出樣品中的介質(zhì)損耗、復(fù)介電常數(shù)等信息[4]。通過研究這些信息與變壓器之間的關(guān)系，可得出水分和復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣程度，為評估系統(tǒng)絕緣水平提供條件。

FDS法測量原理如圖1所示。

圖1 FDS法測量原理圖Fig.1 FDS method measurement principle

2 頻域試驗準(zhǔn)備及步驟

2.1 試驗材料及流程

試驗材料包括絕緣油和絕緣紙。其中，油樣選擇克拉瑪依產(chǎn)25#絕緣油；紙樣選用新出廠的魏德曼絕緣紙(厚度為 0.25 mm)，并把紙樣裁剪為半徑為3 cm的圓形。試驗儀器選用DIRANA(FDS-PDC介質(zhì)響應(yīng)分析儀)，可實現(xiàn)頻域和時域老化參數(shù)測量。

為避免空氣中水汽對紙樣品的影響、進(jìn)一步提高試驗準(zhǔn)確性，需減少紙樣在空氣中暴露時間，控制紙樣品中的水分含量。

紙樣品試驗邏輯框圖如圖2所示。油樣品試驗流程如圖3所示。

圖2 紙樣品試驗邏輯框圖Fig.2 Logic block diagram of paper sample experiment

圖3 油樣品試驗流程圖Fig.3 Flowchart of oil sample experiment

2.2 試驗樣品設(shè)計

樣品制備完成后，把樣品處理后放置于恒溫恒濕老化箱內(nèi)，設(shè)定測試天數(shù)為0天、20天、40天。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，在這幾個特征時間內(nèi)，樣品的對應(yīng)的頻域參數(shù)變化較為明顯，且能更好地反映絕緣紙在不均勻老化情況下的頻域參數(shù)變化情況。通過將相同測試天數(shù)的樣品重疊放置，可得老化均勻試驗樣品，將它們標(biāo)記為A1、A2、A3；將不同老化時間的樣品重疊放置，得到老化不均勻試驗樣品，標(biāo)記為B1、B2、B3。不同疊放次序樣品如表1所示。

表1 不同疊放次序樣品

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 絕緣紙DP值

絕緣紙主要是由大分子化合物纖維素構(gòu)成的。纖維素在水分、溫度等外界條件相互作用下逐漸老化，發(fā)生裂解，導(dǎo)致聚合度(degree of polymerization，DP)值逐漸下降，表征絕緣紙內(nèi)部產(chǎn)生的老化反應(yīng)在加劇[5]。本文對樣品DP值開展測試。樣品DP值如表2所示。

表2 樣品DP值

由表2可知，隨著纖維素不斷發(fā)生裂解反應(yīng)，紙樣品內(nèi)部的DP值不斷降低，絕緣水平不斷降低。

3.2 試驗結(jié)果及分析

在試驗溫度為30 ℃時，對第一組均勻老化試樣(A1、A2、A3)與不均勻老化試樣(B1、B2、B3)開展FDS參數(shù)測試，并就頻域內(nèi)參數(shù)復(fù)介電常數(shù)實部ε′、虛部ε″展開分析。第一組試驗曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，第一組樣品均勻老化和不均勻老化樣品的相對復(fù)介電常數(shù)實部和虛部在測試頻段內(nèi)的變化趨勢近似一致，幅值也基本相同。

圖4 第一組試驗曲線Fig.4 Experimental curves of the first group

第二組試驗是對樣品在老化均勻和不均勻狀態(tài)下的復(fù)介電常數(shù)開展測試。第二組試驗曲線如圖5所示。圖5中：實部ε′和虛部ε″曲線隨著頻率的不斷增大，幅值均逐漸下降，在0.5 Hz之前和8 Hz之后均表現(xiàn)出下降較快的趨勢，而在0.5～8 Hz之間則變化相對緩慢；在頻率10 Hz之后，曲線則基本重合在一起[6]。此外，均勻老化曲線和不均勻老化曲線各自的幅值基本一致，但是兩種類型之間則表現(xiàn)出一定的差異。

圖5 第二組試驗曲線Fig.5 Experimental curves of the second group

老化情況是樣品受到水分、酸、溫度等因素的綜合作用而出現(xiàn)的絕緣下降情況。第三組試驗樣品開展自然吸潮后，不同老化樣品浸油前后含水量對比如表3所示。

表3中:浸油前后樣品含水量隨著試驗天數(shù)的增加均不斷增大；相同測試天數(shù)下，浸油后樣品含水量普遍比浸油前略低[7]。這主要是因為樣品浸油后，內(nèi)部水分會發(fā)生極化運動轉(zhuǎn)移至絕緣油中。

表3 不同老化樣品浸油前后含水量對比(第三組)

由于水分運動是一個動態(tài)平衡過程，加之浸油時間較短，樣品中水分有一部分?jǐn)U散至絕緣油中導(dǎo)致浸油后樣品含水量值降低。據(jù)此，也可認(rèn)為第三組試驗中，浸油后的樣品含水量即為試驗時樣品水分含量值。

在測試溫度相同時，測試第三組樣品的頻域參數(shù)。第三組試驗曲線如圖6所示。

圖6 第三組試驗曲線Fig.6 Experimental curves of the third group

圖6中:不同老化狀態(tài)樣品頻域變化情況均伴隨頻率上升而緩慢降低，變化情況較為一致。在頻率為10 Hz之前，老化狀態(tài)不同的樣品曲線幅值也不盡相同，尤其是老化均勻樣品的曲線幅值較老化不均勻樣品高[8]。但隨著測試頻率的加大，頻率大于10 Hz后，兩者大小變化情況大致相同。

對第四組試樣在浸油后含水量開展試驗，可得如表4所示的不同老化樣品油浸前后含水量對比。由表4可以看出，紙樣品含水量較少(即老化狀態(tài)較輕)時，將樣品放入自然吸潮的絕緣油里，油樣品里面的水分會不斷運動至紙樣品，導(dǎo)致紙樣品的含水量升高[9]；而老化狀態(tài)較為嚴(yán)重的樣品由于其自身含有一定的水分，在與油接觸后，其內(nèi)部水分會有一部分?jǐn)U散至油中，達(dá)到水-油水分含量平衡。

表4 不同老化樣品浸油前后含水量對比(第四組)

對第四組樣品進(jìn)行頻域測試。第四組試驗曲線如圖7所示。

圖7 第四組試驗曲線Fig.7 Experimental curves of the fourth group

圖7中，不同試驗狀態(tài)樣品的頻域測試曲線也同樣表現(xiàn)出隨著頻率的升高而逐漸降低的趨勢。第四組樣品受內(nèi)部水分的影響，老化均勻樣品的頻域曲線隨含水量的增大向高頻方向移動，且在測試頻率大小相同的時候，ε′和ε″幅值伴隨紙樣品中含水率升高而變大[10]；老化不均勻樣品的測試結(jié)果整體變化較為統(tǒng)一，幅值也差別較小。

3.3 FDS參數(shù)受水分不均勻分布的影響

FDS試驗時，紙樣品內(nèi)部的水分子會擴(kuò)散至大分子纖維素中，破壞其結(jié)構(gòu)，降低分子之間的束縛力，增強偶極子之間產(chǎn)生的位移極化。水分子屬于強極性分子，其含量加大的同時會導(dǎo)致電離出來的離子總數(shù)量增大，從而加劇偶極子位移極化，導(dǎo)致極化作用加強[11]。

3.4 老化不均勻?qū)悠泛康挠绊?/h3>

由紙樣品頻域測試結(jié)果可知，復(fù)介電常數(shù)的虛部logε″曲線在頻率在0.001～0.01 Hz范圍內(nèi)斜率k趨于恒定，則在該頻段內(nèi)logε″與頻率的對數(shù)logω之間的關(guān)系可表示為：

logε″=klogω+b

(1)

式中：b為曲線在logε″的截距。

式(1)中的klogω進(jìn)行l(wèi)og換算后，可得ω-k。由式(1)可知，樣品相同時，ε″與ω-k的乘積在頻率位0.001～0.01 Hz范圍內(nèi)是定值。以第二組、第三組試驗所得的試驗結(jié)果為例[12]，分析ε″和ω-k乘積和含水率之間的作用情況。均勻老化樣品頻域參數(shù)乘積如表5所示。

表5 均勻老化樣品頻域參數(shù)乘積

結(jié)合表5，以ε″與ω-k的乘積為橫坐標(biāo)、以紙樣品中的含水量為縱坐標(biāo)，繪制出兩者之間的擬合關(guān)系曲線。擬合關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 擬合關(guān)系曲線Fig.8 Fitting relation curve

擬合圖8中兩個參數(shù)之間的變化作用情況，得出ε″與ω-k的乘積值與水分含量的關(guān)系式：

W=2.372×(ε″ω-k+1.418)0.769

(2)

式中：W為水分含量。

關(guān)系式的擬合優(yōu)度達(dá)到0.999 7。這說明該關(guān)系式可以較為準(zhǔn)確地反映出ε″和ω-k的乘積與水分含量之間的關(guān)系。

為進(jìn)一步驗證老化不均勻?qū)τ图埥^緣水分含量評估的影響，結(jié)合式(2)，對每一組試驗樣品中的均勻受熱老化樣品的水分含量進(jìn)行估算。均勻老化樣品水分含量對比如表6所示。表6中：誤差值=測量值-計算值。

表6 均勻老化樣品水分含量對比

由表6可知，每一組試驗中的均勻老化受熱樣品的測試結(jié)果和計算結(jié)果差距較小，反映出試樣受熱均勻?qū)ζ渌趾吭u估誤差較小[13]。

利用式(2)分析每一組試樣中不均勻受熱時含水量和試驗結(jié)果對比關(guān)系。不均勻老化樣品水分含量對比如表7所示。表7中：誤差值=平均值-計算值。

表7 不均勻老化樣品水分含量對比

由表7可知，在樣品受熱不均勻時，樣品含水量測試結(jié)果和計算結(jié)果之間誤差較大，不能準(zhǔn)確反映樣品內(nèi)部的水分含量情況。

4 結(jié)論

本文首先通過制備樣品，設(shè)計試驗步驟，設(shè)定測試天數(shù)為0天、20天、40天。然后，將相同測試天數(shù)的樣品重疊放置得到老化均勻試驗樣品，將它們標(biāo)記為A1、A2、A3，將不同老化時間的樣品重疊放置來得到老化不均勻試驗樣品(B1、B2、B3)。最后，開展頻域介電參數(shù)分析，對比分析樣品老化不均勻與老化均勻?qū)悠稦DS參數(shù)的作用情況以及對樣品中水分含量的診斷帶來的影響，得到以下結(jié)論。

①測試溫度相同時，均勻老化和不均勻老化樣品的頻域參數(shù)在測試頻段內(nèi)變化趨勢相同，幅值也基本相同。

②隨著頻率增大，ε′和ε″逐漸下降，在0.5～8 Hz之間變化緩慢；在頻率10 Hz之后，曲線則基本重合在一起。

③不同老化狀態(tài)樣品的頻域變化曲線變化趨勢一致。在頻率10 Hz之前，老化均勻樣品的曲線幅值較老化不均勻樣品高；10 Hz之后，兩者變化幅值大致相同。

④受內(nèi)部水分的影響，老化均勻樣品的頻域曲線隨含水量的增大向高頻方向移動，ε′和ε″的大小隨紙樣品中水分含量的升高而變大；老化不均勻的試樣頻域測試結(jié)果一致，幅值差別較小。

⑤絕緣紙受熱均勻時，可以較為準(zhǔn)確評估內(nèi)部水分含量；受熱不均勻時，樣品含水量測試結(jié)果和計算結(jié)果之間誤差較大。

開展油紙在不均勻受熱老化的情況下，變壓器頻域譜參數(shù)的影響研究，可對變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)的老化情況和老化影響因素進(jìn)行深入探討。通過研究水分、受熱不均勻等因素對頻域參數(shù)所帶來的影響，可精準(zhǔn)判斷出變壓器內(nèi)絕緣能力的下降情況，對延長油浸式電力變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)的使用壽命意義重大。同時，加大對該方面的投入和研究，可更全面掌握油浸式電力變壓器內(nèi)絕緣影響因素的作用情況，進(jìn)而采取更有效的防護(hù)措施。