王曉劍 ，吳廣寧 ，李先浪 ，高 波 ，彭 倩 ，趙 虎

（1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072）

0 引言

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)的核心設備，油紙復合絕緣作為變壓器的主絕緣系統(tǒng)，長期處于電磁場、高溫和氧氣等環(huán)境下，變壓器的絕緣系統(tǒng)會受到不同程度的破壞［1-4］。絕緣性故障是導致變壓器發(fā)生事故的主要原因［4］。因此，準確掌握變壓器的絕緣狀態(tài)具有十分重要的意義。酸值是評價油紙絕緣老化與氧化程度的綜合指標之一［5］。變壓器在出廠前，需要經(jīng)過多項試驗，其中包括變壓器油和絕緣紙的各項試驗［6］。GB/T7595—2008 規(guī)定，變壓器投運前，油中酸值不得超過0.03 mgKOH/g，運行中的變壓器不得超過0.1 mgKOH/g，且需要每年檢測一次。因此，絕緣油中酸值的測定非常重要。油中酸值的測定主要采用化學測試法，該方法雖然精度較高，但是操作比較復雜［5，7］。目前紙中酸值的測定仍然沒有統(tǒng)一的標準［5，8］。L.E.Lundgaard 等人通過研究指出，絕緣紙和絕緣油的老化都會產(chǎn)生酸。其中，絕緣紙主要由纖維素材料構(gòu)成，其老化主要產(chǎn)生低分子酸，絕緣油主要是由環(huán)烷基原油生產(chǎn)而得，其老化主要產(chǎn)生高分子酸。同時指出，絕緣紙比變壓器油吸收酸的能力更強。一般而言，紙中酸值可以達到油中酸值的十幾倍甚至上百倍［8-10］。酸與水分的性質(zhì)相似，紙中酸含量的增加會明顯縮短變壓器油紙絕緣的使用壽命［9-10］。因此，絕緣紙中酸值的測定就顯得尤為重要。

回復電壓法RVM（Recovery Voltage Measurement）是一種能夠有效診斷變壓器絕緣狀態(tài)的無損檢測方法［1，11］。目前，國內(nèi)外學者主要集中于溫度和微水含量對回復電壓參數(shù)的影響，并對此進行了大量的實驗研究。文獻［4］定性研究了水分對回復電壓參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在相同充放電的情況下，回復電壓的3個參數(shù)均與水分含量呈二次函數(shù)關系。文獻［12］定性研究了絕緣紙聚合度對回復電壓參數(shù)的影響，結(jié)果表明，回復電壓的3個參數(shù)均與絕緣紙聚合度呈線性函數(shù)關系。文獻［13］定性研究了溫度對回復電壓參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，回復電壓的3個參數(shù)隨溫度的變化呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關系。油紙絕緣系統(tǒng)中的酸值對回復電壓的參數(shù)影響規(guī)律的研究，卻鮮見報道。如果能夠建立起回復電壓參數(shù)與絕緣紙中酸值的映射關系，那么就可以利用回復電壓法去評估變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。

本文研究了變壓器油和絕緣紙在130℃時的老化特性，借鑒固體物中有機酸的提取方法和變壓器油中酸值的測試方法［7］，設計了絕緣紙中酸值測定的實驗步驟。測試并分析了絕緣紙和變壓器油中的酸值隨老化時間的變化規(guī)律、絕緣紙的聚合度和酸值的關系。重點研究了絕緣紙中酸值對回復電壓參數(shù)的影響規(guī)律。

1 回復電壓法測試原理

回復電壓法是利用絕緣材料在直流電場下的極化特性，測量得到回復電壓曲線和參數(shù)，并通過所測的參數(shù)對油紙絕緣老化的總體狀態(tài)做出診斷。目前公認的回復電壓參數(shù)包括回復電壓最大值（Urmax）、中心時間常數(shù)（tcdom）和初始斜率（Si）。變壓器絕緣狀態(tài)不同，所測參數(shù)的差別很大［1，12］?；貜碗妷悍z測技術具有抗干擾能力強、靈敏度高和非破壞性等優(yōu)點［12］?；貜碗妷簻y試系統(tǒng)的電路如圖1所示。一個測量周期可分為如下4個階段。

a.充電階段（極化階段）。S1接通，S2和S3斷開，使待測變壓器充電tc時間。

b.放電階段（快速去極化階段）。S2接通，S1和S3斷開，撤去外加的直流高電壓，同時將低壓側(cè)短路，使絕緣系統(tǒng)放電td時間，一般取td=tc/2。

c.測量階段（慢速去極化階段）。在放電td時間后，S1和S2斷開，S3閉合，采集變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的電壓，直到回復電壓達到最大值Urmax后再衰減一段時間，由此得到Ur=f（t）關系曲線，即為回復電壓曲線（如圖2所示）。

d.松弛階段。S2接通，S1和S3斷開，將低壓側(cè)接地，消除絕緣系統(tǒng)的全部極化現(xiàn)象，然后開始下一個測量周期。

圖1 回復電壓測試系統(tǒng)的原理圖Fig.1 Schematic diagram of recovery voltage test system

圖2 回復電壓曲線Fig.2 Curve of recovery voltage

根據(jù)廣泛應用的油紙絕緣系統(tǒng)的擴展Debye等效電路模型（如圖3所示），分析了回復電壓的產(chǎn)生機理。圖中Cg表征油紙絕緣系統(tǒng)的真空幾何電容，Rg表征油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣電阻，RC串聯(lián)支路表征油紙絕緣的松弛極化過程，各支路的時間常數(shù)τi（τi=RiCi）隨i的增大而迅速減小。油紙的老化會導致串聯(lián)支路電阻Ri的減小和電容Ci的增加，而時間常數(shù)基本不變，絕緣電阻Rg卻會明顯減小［14］。在絕緣充電階段，電容Cg兩端的電壓瞬時達到電源電壓U0，支路電容Ci積累電荷能力是由該支路的時間常數(shù)τi決定的。在放電階段，電容Cg的電荷瞬間完全釋放，放電完成后，電容Ci的剩余電荷量是由該支路的時間常數(shù)τi決定的。在回復電壓采集階段，高阻抗電壓采集器兩端的初始電壓為0（由于Cg內(nèi)的電荷完全釋放），然后電壓逐漸上升（由于支路電容Ci釋放電荷），達到最大值后，又開始逐漸下降（由于絕緣電阻Rg和Ri不斷消耗電荷）。

圖3 油紙絕緣的擴展Debye等效電路Fig.3 Extended Debye equivalent circuit of oil-paper insulation

根據(jù)擴展Debye等效電路模型（圖3所示）推導回復電壓的一般表達式。設充電時間為tc，放電時間為 td，且 tc=2td，充電電壓為 U0。

充電tc時間后，串聯(lián)支路電容Ci兩端的電壓為：

放電td時間后，串聯(lián)支路電容Ci兩端的電壓為：

由于在時域內(nèi)，對高階動態(tài)電路的求解比較繁瑣，因此，利用拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)求得頻域解，再利用拉普拉斯逆變換求得時域解。

為了便于理解，先假設Debye等效電路中只有1條串聯(lián)電路，則在回復電壓采集階段，由KVL和KCL可得：

其中，Ur（s）、UC1（s）、I（s）分別是回復電壓、電容 C1剩余電壓和電流的拉普拉斯頻域表示。

由式（3）和（4）得：

進一步，式（5）可表示為如下形式：

根據(jù)式（6），由拉普拉斯逆變換可得：

由式（8）可知，回復電壓最大值Urmax與充電電壓U0、油紙絕緣的絕緣狀態(tài)（可用 Rg、R1和 C1表征）和絕緣結(jié)構(gòu)（可用Cg表征）、充電時間tc和放電時間td有關。

若擴展Debye等效電路中含有2條串聯(lián)電路，則可得：

其中，UCi（s）是第i條串聯(lián)支路電容Ci剩余電壓的拉普拉斯頻域表示。

由式（9）可得回復電壓的表達式為：

進一步，回復電壓的最大值為：

若擴展Debye等效電路中含有n條串聯(lián)電路，則可得：

由式（13）可得回復電壓的表達式為：

進一步，得到回復電壓的最大值為：

其中，j，k=1，…，n+1；i，l=1，…，n。

由以上推導過程可知，式（14）即為回復電壓的一般解析表達式。

2 實驗

2.1 樣品準備

絕緣紙：0.3 mm普通纖維素絕緣紙。

變壓器油：25#環(huán)烷基變壓器油。

2.2 老化實驗

老化實驗的步驟如下。

a.制作若干大小為180 mm×10 mm的絕緣紙片，質(zhì)量為50 g，將紙片卷成圓柱形后，置于真空干燥箱中，在溫度為40℃、真空度為50Pa的條件下干燥72 h，去除紙中的水分。

b.干燥完畢后，保持真空度不變，將真空箱中的溫度設置為25℃，將干燥后的紙片卷浸入變壓器油中，然后置于真空箱中，浸漬48 h。

c.準備2個500 ml的圓底燒瓶（編號分別為1號、2號），每個燒瓶中裝有300 ml變壓器油和10個卷成卷的絕緣紙片，不完全密封，放入鼓風干燥箱中（型號101-1A），在130℃條件下進行加速老化試驗。

d.在 0 h、96 h、960 h、2400 h 和 4800 h 共 5 個時間點測量1號油紙絕緣樣品的絕緣紙聚合度、絕緣紙和變壓器油中的酸值；與此同時，對2號油紙絕緣樣品進行回復電壓測試。

2.3 酸值的測量方法

（1）變壓器油中酸值的測量方法。

本實驗嚴格按照GB/T264規(guī)定的測量方法，對不同老化程度的變壓器油酸值進行測定。對每一油樣，均進行3次酸值測量，取3次測試結(jié)果的平均值作為油樣的最終酸值。

（2）絕緣紙中酸值的測量方法。

目前，國內(nèi)外尚無制定統(tǒng)一的標準用于測定絕緣紙中的酸值。本文借鑒GB/T264和L.E.Lundgaard等人的研究成果，設計了絕緣紙中酸值測試方法。具體測試步驟如下。

a.分別取一塊（50g）不同老化時期的絕緣紙樣品，用尖鑷子和刀片把它撕裂成細小的條狀物。

b.采用索氏提取器（抽取原理及其操作步驟見文獻［14］），用30 ml丙二醇作為有機溶劑抽提絕緣紙試樣。抽提完畢后，將丙二醇-有機酸混合液配制成50 ml。丙二醇可以與甲酸等多種有機酸混溶。

c.配制0.05 mol/L的KOH無水乙醇溶液。用高精度電子天平（型號ESJ210-4A）稱取3 g KOH固體試劑（理論值2.8 g，考慮到KOH具有較強的吸濕性，實際稱取值稍大于理論值），加適量無水乙醇，使其溶解，而后裝入1000 ml容量瓶中，并用無水乙醇稀釋至刻度線，搖勻即可。

d.用濃度為0.1 mol/L鄰苯二甲酸標定配制好的KOH無水乙醇溶液。經(jīng)過標定，本次實驗所配制的KOH無水乙醇溶液的濃度為0.051 mol/L。

e.配制溴百里香草酚藍（BTB）指示劑。取0.5 g溴百里香草酚藍（標準至0.01 g）放入燒杯中，加入100 ml無水乙醇，然后用0.1 mol/L KOH的溶液中和至pH為5.0。該指示劑的變色范圍pH為8.6～9.6，其顏色由黃變?yōu)樗{綠。

f.測試絕緣紙樣品的酸值。用錐形燒瓶稱取50 ml步驟b中得到的丙二醇-有機酸混合液，于水浴上加熱5 min，取下錐形燒瓶加入0.2 ml BTB指示劑，趁熱以0.051mol/L的KOH乙醇溶液滴定，至溶液由黃色變成藍綠色為止，記下消耗的KOH乙醇溶液的體積。試紙酸值的計算公式如下：

其中，X為試紙的酸值（mgKOH/g）；V1為滴定丙二醇-有機酸混合液所消耗KOH無水乙醇溶液的體積（ml）；V0為滴定空白所消耗KOH無水乙醇溶液的體積（ml）；c 為 KOH 無水乙醇溶液的濃度（mol/L）；56為KOH的分子量；m為試紙的質(zhì)量（g）。

2.4 回復電壓的測量

在測試酸值的同時，從2號圓底燒瓶中取出30 ml變壓器油和一塊絕緣紙片（50 g），將其放入直徑為200 mm、高度為150 mm的圓柱形容器，外殼采用硬樹脂材料進行密封?；貜碗妷旱臏y量采用西南交通大學和國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院聯(lián)合研制的RVM變壓器絕緣測試系統(tǒng)進行測量。由于充電電壓和充放電時間之比都會影響到回復電壓參數(shù)的測量結(jié)果。根據(jù)以往的研究成果，本次實驗選取充電電壓為100 V，充放電時間之比tc/td=2。

3 油紙絕緣老化實驗結(jié)果分析

3.1 酸值與老化時間的關系

電介質(zhì)材料在長期處于高溫、高電壓和有氧的環(huán)境條件中，內(nèi)部的分子鏈斷裂，被氧化成酸。幾種主要酸的類型及其性質(zhì)見表1。電離常數(shù)越小，說明該酸電離H+的能力越強。從分子量來看，可把甲酸、乙酸和乙酰丙酸歸為低分子酸，環(huán)烷酸和硬脂酸歸為高分子酸［9］。通過實驗測量，得到油紙絕緣系統(tǒng)加速熱老化形成酸值隨老化時間的變化曲線如圖4和圖5所示。酸值與老化時間的擬合方程及擬合優(yōu)度見表2。

表1 酸的類型及其性質(zhì)Tab.1 Type and properties of acid

圖4 絕緣油中酸值和老化時間的關系曲線Fig.4 Relationship between acid value of insulating oil and aging time

圖5 絕緣紙中酸值和老化時間的關系曲線Fig.5 Relationship between acid value of insulating paper and aging time

表2 酸值與老化時間的擬合方程與優(yōu)度Tab.2 Fitting equation of acid value and aging time，and fitting superiority

從圖4可以看出，變壓器油在老化過程中，有一個增速變化的拐點。在加速老化初期（0～2000 h），變壓器油中的酸值隨著老化時間緩慢增加，并且含量較低，但是在老化中后期（2000 h之后），變壓器油中的酸值隨老化時間呈指數(shù)規(guī)律增加。這可能是因為：環(huán)烷基變壓器油的主要成分是鏈烴（C12H26）和環(huán)烷烴，質(zhì)量分數(shù)約為88.6%，其中，鏈烴與環(huán)烷烴分別占11.6%與77.0%［16］。環(huán)烷烴中又以二環(huán)烷烴和三環(huán)烷烴的質(zhì)量分數(shù)最多，約為70%［17］。在老化初期，鏈烴分子裂解出一些小分子基團，但是含量較少。環(huán)烷烴的環(huán)張力較小，結(jié)構(gòu)較鏈式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其次，環(huán)烷烴分子需要先斷裂成長鏈式結(jié)構(gòu)，再裂解成小分子基團，才可能被氧化成酸，這個過程需要較長時間。因此，在老化初期，油中的酸值較小。在老化中后期，即時間約為2000 h（拐點處）時，在高溫環(huán)境下，老化前期積累的大量長鏈式分子和小分子基團的化學鍵斷裂，被氧化成酸，導致油中酸值迅速增加。因此，在老化中后期，油中酸值隨老化時間呈指數(shù)函數(shù)增加。

從圖5可以看出，絕緣紙中的酸值隨著老化時間的增加呈線性增加。這主要是因為溫度在纖維素分子的裂解過程中起著關鍵性的作用［16，19］。纖維素是由β-D-吡喃葡萄糖通過1，4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)成的線性高分子化合物［20］。溫度越高，纖維素體系的分子總能量（包括動能和勢能）越大，分子內(nèi)部的波動越大，分子鏈就越容易斷裂［19-21］。分子的化學鍵斷裂，形成一些小分子基團，在130℃時，主要生成含有羥基的小分子產(chǎn)物［19］。羥基在高溫和有氧的環(huán)境中，易被氧化成羧基，進而形成幾種主要類型的酸。因此，隨著時間的增加，絕緣紙中酸值呈線性函數(shù)增加。

3.2 絕緣紙中酸值與聚合度的關系

聚合度是目前公認的可以反映絕緣紙老化程度的重要指標。絕緣紙的老化會產(chǎn)生水分和酸，同時水分和酸的產(chǎn)生又會加速絕緣紙的老化［15］。絕緣紙中酸值和聚合度的關系如圖6所示，擬合方程為y=925.3x-0.2661，擬合優(yōu)度為R2=0.950 9。從圖中可以看出，絕緣紙的聚合度隨著紙中酸值的增加呈冪函數(shù)規(guī)律降低。

圖6 絕緣紙中酸值和聚合度的關系曲線Fig.6 Relationship between acid value and DP of insulating paper

4 回復電壓參數(shù)與紙中酸值測試結(jié)果分析

4.1 絕緣紙酸值與回復電壓最大值Urmax的關系

不同充電時間下，絕緣紙中酸值與回復電壓最大值Urmax的關系如圖7所示，兩者的擬合方程見表3。從圖中可以看出，充電時間相同時，Urmax隨紙中酸值的增加而增大，不同充電時間下，酸對Urmax的影響關系相似。這主要是因為酸分子是極性分子，油紙絕緣系統(tǒng)老化越嚴重，紙中有機酸分子越多，單位體積內(nèi)所含的極性粒子數(shù)越多，油紙絕緣系統(tǒng)的極化能力越強，宏觀表征為介電常數(shù)εr增大，如圖8所示。εr越大，擴展Debye等效電路中支路電容Ci呈增大趨勢，絕緣系統(tǒng)積累電荷的能力也就越強，同等測試條件下，產(chǎn)生的回復電壓也就越大。

圖7 絕緣紙中酸值和回復電壓最大值的關系Fig.7 Relationship between acid value of insulating paper and maximum recovery voltage

表3 酸值與回復電壓最大值的擬合方程Tab.3 Fitting equation of acid value and maximum recovery voltage

圖8 絕緣紙中酸值和介電常數(shù)的關系Fig.8 Relationship between acid value of insulating paper and dielectric constant

4.2 絕緣紙酸值與中心時間常數(shù)tcdom的關系

不同充電時間下，絕緣紙中酸值與中心時間常數(shù)tcdom的關系如圖9所示，兩者的擬合方程見表4。從圖中可以看出，充電時間相同時，tcdom隨紙中酸值的增加呈指數(shù)規(guī)律減小。油紙絕緣中酸分子數(shù)越多，導電離子數(shù)越多，尤其是H+明顯增加，絕緣電導率增加，導致絕緣電阻Rg減小，如圖10所示。由于串聯(lián)支路的時間常數(shù)基本不變，因此在回復電壓采集階段，Rg的減小加快了電荷的消失，tcdom就越小。

圖9 絕緣紙中酸值和中心時間常數(shù)的關系Fig.9 Relationship between acid value of insulating paper and center time constant

表4 酸值與中心時間常數(shù)的擬合方程Tab.4 Fitting equation of acid value and center time constant

圖10 絕緣紙中酸值和絕緣電阻的關系Fig.10 Relationship between acid value of insulating paper and insulation resistance

4.3 絕緣紙酸值與初始斜率Si的關系

絕緣紙中酸值與初始斜率的關系如圖11所示，兩者的擬合方程見表5。從圖中可以看出，充電時間相同時，初始斜率隨著絕緣紙中酸值的增加呈指數(shù)規(guī)律增加，尤其是充電時間較小時（10s、50s），這種增長速率更明顯。主要是由于酸分子越多，油紙絕緣系統(tǒng)的初始內(nèi)場強越強，時間常數(shù)較小的支路迅速放電（去極化過程），導致初始斜率Si越大。因此，進行回復電壓測量時，充電時間不宜太小，以防止去極化過程不完全，時間常數(shù)較小的支路反復快速放電和充電，可能導致回復電壓出現(xiàn)無序跳變，影響測試結(jié)果。

圖11 絕緣紙中酸值和初始斜率的關系Fig.11 Relationship between acid value of insulating paper and initial slope

表5 酸值與初始斜率的擬合方程Tab.5 Fitting equation of acid value and initial slope

5 現(xiàn)場應用

課題組用回復電壓測試裝置對2臺不同運行年限的變壓器進行絕緣測試。2臺油浸式變壓器的基本信息如表6所示。測試裝置的參數(shù)設置為：充電電壓500 V DC，充電時間200 s，放電時間100 s。2臺變壓器的回復電壓曲線如圖12所示。測試所得回復電壓的3個參數(shù)值如表7所示。從變壓器中取得變壓器油和絕緣紙試樣，在實驗室對試樣中酸值進行測量。測量所得1號試品油紙試樣的變壓器油中酸值為0.16mgKOH/g，絕緣紙中酸值達 22.47mgKOH/g，2號試品油紙試樣的變壓器油中酸值為0.08 mgKOH/g，絕緣紙中酸值為10.36 mgKOH/g。因此，通過橫向比較，回復電壓法的特征參數(shù)基本可以反映出變壓器的絕緣狀態(tài)。如果能夠利用回復電壓法在不同時期對每臺變壓器進行測試，建立絕緣老化狀態(tài)參數(shù)與回復電壓特征參數(shù)的映射關系，就可以更準確地獲取變壓器的絕緣狀態(tài)。

表6 2臺電力變壓器的詳細信息Tab.6 Detailed information of two transformers

圖12 2臺變壓器的回復電壓曲線Fig.12 Recovery voltage curves of two transformers

表7 現(xiàn)場測試結(jié)果Tab.7 Results of field test

6 結(jié)論

a.絕緣油中酸值隨老化時間的增加呈指數(shù)增加，絕緣紙中酸值隨老化時間的增加呈線性函數(shù)增加。

b.高溫極易引起絕緣紙（纖維素分子）裂解成含羥基的分子基團，在有氧的環(huán)境中，易被氧化成有機酸。在酸的作用下，又加劇了絕緣紙的老化，進而降低了變壓器的絕緣性能。

c.回復電壓最大值Urmax隨著絕緣紙中酸值的增加呈線性規(guī)律增大；中心時間常數(shù)tcdom隨著絕緣紙中酸值的增加呈指數(shù)規(guī)律減??；初始斜率Si隨著絕緣紙中酸值的增加呈指數(shù)規(guī)律增大。

由于現(xiàn)場變壓器的生產(chǎn)廠家不一，所用油紙絕緣材料的性能也各不相同。因此，最好能夠建立起每臺變壓器不同運行年限測試結(jié)果的數(shù)據(jù)庫，這樣就可以更有效地獲取變壓器絕緣狀態(tài)的評估結(jié)果。