廖瑞金 劉捷豐 呂彥冬 楊麗君 高 竣

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044 2.阿爾斯通電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司 上海 201114）

1 引言

工程上評(píng)估變壓器油紙絕緣含水量的方法通常是測(cè)量油中的微水含量，然后根據(jù)油紙水分平衡曲線來確定絕緣紙板中的含水量[7]。然而此方法具有諸多不足[8]：首先，在取樣過程中大氣中的水分不可避免地進(jìn)入油樣，給試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。特別是油樣含水量較低時(shí)，誤差的影響將更明顯。其次，為了更好地確定絕緣紙板的受潮程度，油紙之間的水分必須處于平衡狀態(tài)，實(shí)際中很困難。

近年來，研究有效反映變壓器油紙絕緣含水量的新特征參量及新技術(shù)備受國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。以電介質(zhì)物理理論為基礎(chǔ)的回復(fù)電壓法（Recovery Voltage Measurement，RVM）[9]、極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）[10,11]及頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）[12,13]作為一種新型的無損絕緣診斷技術(shù)，具有操作簡便、攜帶絕緣信息豐富、無需取樣等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大科研工作者的關(guān)注。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)該技術(shù)開展了大量研究工作，老化和溫度等因素對(duì)變壓器油紙絕緣FDS 頻域介電特性的影響規(guī)律已取得了一些有價(jià)值的研究成果[14-17]。國外學(xué)者常利用介質(zhì)損耗因數(shù)頻域譜tanδ 評(píng)估絕緣紙板中的水分。最常見的方法是利用介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 的最小值與絕緣紙板水分含量的關(guān)系進(jìn)行診斷[18]，通常情況下介質(zhì)損耗因數(shù)最小值tanδmin常存在于高頻部分，特別是在絕緣紙板水分含量較高時(shí)。由于測(cè)量電纜以及導(dǎo)線接觸處的感性效應(yīng)會(huì)影響此頻段的介質(zhì)損耗因數(shù)；而且受到實(shí)驗(yàn)人員和測(cè)量環(huán)境差異的影響，tanδmin與絕緣紙板水分含量的關(guān)系式一直未得到統(tǒng)一[19]。另外，文獻(xiàn)[18]應(yīng)用tanδmin評(píng)估絕緣紙板含水量并沒有考慮測(cè)試溫度帶來的影響，由于我國地域遼闊，各地氣候差異較大，且一年四季的氣溫也不一樣[16]。同時(shí)還由于變壓器負(fù)荷變化等原因，造成變壓器內(nèi)絕緣系統(tǒng)溫度不同：如過負(fù)荷的變壓器內(nèi)絕緣油溫度較高，而欠負(fù)荷的變壓器內(nèi)絕緣油溫度相對(duì)較低。這些因素均會(huì)對(duì)變壓器油紙絕緣頻域介電譜的測(cè)量結(jié)果帶來影響。因此，對(duì)于同一水分含量下的變壓器油紙絕緣，根據(jù)不同測(cè)量溫度下的tanδmin測(cè)試結(jié)果評(píng)估出的絕緣紙板水分含量與其真實(shí)值并不吻合；截止到目前，國外雖然已有一些商用介電響應(yīng)測(cè)試儀器用于評(píng)估變壓器絕緣紙板中的水分含量，如DIRANA 等[20]，但其評(píng)估方法及原理涉及企業(yè)的商業(yè)機(jī)密，其評(píng)估方法及原理尚不得而知；而且國內(nèi)在此方面的研究尚處于起步階段。因此，有效提取FDS 中所攜帶的水分信息，并消除測(cè)試溫度對(duì)FDS 的影響已經(jīng)成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到了廣大國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

本文通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)30℃及50℃下不同水分含量的油紙絕緣樣品進(jìn)行復(fù)相對(duì)介電常數(shù)ε*r頻域譜測(cè)量，在此基礎(chǔ)上，研究了水分及測(cè)量溫度對(duì)油紙絕緣ε*r頻域譜的影響規(guī)律，提取了用于油浸漬絕緣紙板水分含量定量評(píng)估的頻域介電特征參量；最后，通過引入了“FDS 曲線頻率平移法”以消除測(cè)量溫度對(duì)ε*r頻域譜的影響，從而提高絕緣紙板水分定量評(píng)估的可靠性。

2 油紙絕緣樣品制備及FDS 測(cè)試

本次試驗(yàn)所采用的材料為普通牛皮絕緣紙板和25#環(huán)烷基變壓器礦物絕緣油。為控制油浸漬絕緣紙板樣品的初始水分含量，便于不同水分含量油浸漬絕緣紙板的制備，對(duì)絕緣紙板作如下預(yù)處理：首先，將絕緣紙板置于90 /50Pa℃ 真空浸油箱中干燥72h；其次，將干燥脫氣后的礦物絕緣油加熱至40℃并注入絕緣紙板所在真空浸油箱，絕緣紙板在40 /50Pa℃環(huán)境中浸漬48h；最后，采用DL32 卡爾費(fèi)休水分儀對(duì)預(yù)處理后隨機(jī)取出的絕緣紙板分別測(cè)量其不同部位的水分含量，本次試驗(yàn)選取了三個(gè)部位：絕緣紙板圓心、絕緣紙板圓心和邊緣之間的中部、絕緣紙板的邊緣，為了消除人為因素對(duì)絕緣紙板水分含量測(cè)試結(jié)果的影響，每個(gè)絕緣紙板樣品的水分重復(fù)測(cè)量三次。最終確定被測(cè)試絕緣紙板樣品的初始水分含量為 0.57%，最后，將其他樣品放置于空氣中自然吸潮的方式獲得不同水分含量的實(shí)驗(yàn)樣品。經(jīng)過上述流程制備出的油浸漬絕緣紙板樣品的水分含量分別為0.57%、0.91%、1.87%、2.64%和3.58%。

本次試驗(yàn)中復(fù)相對(duì)介電常數(shù)ε*r頻域譜的測(cè)量采用如圖1 所示的三電極測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)的高壓電極、測(cè)量電極以及保護(hù)電極均采用黃銅制成，被測(cè)絕緣紙板樣品放置于高壓電極與測(cè)量電極之間，并利用彈簧壓緊，將整個(gè)電極浸入經(jīng)干燥脫氣的絕緣油中進(jìn)行測(cè)試；本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量前，將三電極測(cè)試系統(tǒng)放置于恒溫恒濕箱中靜置6h，以保證絕緣油與絕緣紙板之間溫度平衡并充分穩(wěn)定于測(cè)量溫度下。測(cè)量所用儀器選用奧地利OMICRON 公司生產(chǎn)的介電響應(yīng)分析儀DIRANA，被測(cè)油紙絕緣樣品的測(cè)試頻率設(shè)置為2×10-4Hz～5kHz，測(cè)試電壓的峰值設(shè)置為100V。

圖1 三電極測(cè)量系統(tǒng) Fig.1 Measurement system with three electrodes

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

文中對(duì)五種水分含量的15 個(gè)絕緣紙板在30℃及50℃下進(jìn)行ε*r測(cè)試（每種水分含量下的絕緣紙板個(gè)數(shù)為3），由于在相同環(huán)境下制備的同一含水量的樣品的水分含量存在差異，為了消除該差異對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的誤差，文中分別對(duì)同一種水分含量下的3 個(gè)樣品進(jìn)行ε*r測(cè)試并取平均值作為該水分含量下ε*r的測(cè)試結(jié)果。

3.1 ε*r 頻域譜測(cè)試結(jié)果

對(duì)比圖2、圖3 中相同測(cè)試溫度下不同水分含量的油紙絕緣樣品的測(cè)試結(jié)果，可以看出，在相同的測(cè)試溫度下，絕緣紙板含水量的增加導(dǎo)致了油紙絕緣樣品單位體積內(nèi)參與極化的分子數(shù)目增多，樣品的極化程度增加，界面極化得到加強(qiáng)。因此，ε'r在2×10-4～100Hz 范圍內(nèi)逐漸增大。由圖2、圖3 中還可看出，隨絕緣紙板水分含量的增加，ε'r'在2×10-4～102Hz 范圍內(nèi)逐漸增大。這主要是因?yàn)橛徒n絕緣紙板中水分含量的增加不僅導(dǎo)致了油紙界面極化損耗的增大，而且增大了油紙絕緣的電導(dǎo)率，從而加大了其電導(dǎo)損耗，因此，ε'r' 在2×10-4～102Hz 范圍內(nèi)逐漸增大。

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在財(cái)務(wù)工作及管理中的應(yīng)用，一方面提高了財(cái)務(wù)工作效率、改進(jìn)了財(cái)務(wù)服務(wù)效能，但另一方面也帶來了財(cái)務(wù)信息安全風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。尤其是在當(dāng)前“大數(shù)據(jù)”背景下，高校財(cái)務(wù)信息系統(tǒng)將不可避免地與外部網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)產(chǎn)生更多互動(dòng)與更深交融，系統(tǒng)開放程度也逐漸提高，信息安全風(fēng)險(xiǎn)也不斷提高。通過制定財(cái)務(wù)信息內(nèi)部控制制度，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)追蹤和稽核工作，對(duì)財(cái)務(wù)軟件的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)控，保證財(cái)務(wù)信息化系統(tǒng)始終按內(nèi)控制度要求運(yùn)行。

圖2 30℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的ε*r 頻域譜 Fig.2 The ε*r spectroscopy of oil-paper insulation with different moisture contents at 30℃

圖3 50℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的ε*r 頻域譜 Fig.3 The ε*r spectroscopy of oil-paper insulation with different moisture contents at 50℃

對(duì)比圖2、圖3 中相同水分含量下不同測(cè)試溫度的油紙絕緣樣品的測(cè)試結(jié)果，可以看出，隨著測(cè)試溫度升高，ε'r與ε'r'急劇變大的頻率區(qū)域均向高頻方向移動(dòng)。根據(jù) Jonscher 的低頻彌散（Low Frequency Dispersion，LFD）理論[21]，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：測(cè)試溫度升高導(dǎo)致了導(dǎo)電粒子的平均動(dòng)能增加，弛豫時(shí)間減小，彌散區(qū)域頻率升高。從圖2、圖3 還可看出，溫度升高導(dǎo)致電導(dǎo)損耗變大，由于電導(dǎo)損耗在較低頻率下對(duì)ε'r'貢獻(xiàn)較大，所以ε'r'在低頻區(qū)隨著測(cè)試溫度的升高而增大[16]。

圖2、圖3 的ε*r頻域譜測(cè)試結(jié)果表明，在相同的測(cè)試溫度下，絕緣紙板含水量的改變對(duì)不同特征頻段的ε'r及ε'r'有顯著的影響。因此，本文以ε'r與ε'r'作為研究對(duì)象，研究用于評(píng)估變壓器油紙絕緣含水量的特征參量提取方法。

3.2 絕緣紙板水分評(píng)估的特征參量提取

本文以圖2、圖3 的ε*r測(cè)試結(jié)果為例，介紹用于絕緣紙板水分評(píng)估的特征參量提取方法，由 3.1節(jié)的內(nèi)容可知，在相同的測(cè)試溫度下，水分對(duì)ε'r及ε'r'的影響頻段不同，因此，可選取10-3～10-1Hz 的頻率范圍作為ε'r評(píng)估絕緣紙板水分含量的特征頻段；而ε'r'可選取10-1～101Hz 的頻率范圍作為評(píng)估絕緣紙板水分含量的特征頻段。為了在有限的測(cè)量頻段內(nèi)盡可能獲得ε'r及ε'r'所攜帶的水分信息，本文提出對(duì)ε'r及ε'r'在各自特征頻段內(nèi)的積分面積——SRP（對(duì)實(shí)部ε'r進(jìn)行積分）以及SIP（對(duì)虛部ε'r'進(jìn)行積分）作為油浸漬絕緣紙板水分評(píng)估的特征參量函數(shù)，其含義如下表所示。

表 油浸漬絕緣紙板水分評(píng)估特征參量 Tab. Characteristic parameters for assessing moisture content of oil-immersed pressboard

圖4、圖5 給出了SRP及SIP分別與測(cè)試頻率的擬合關(guān)系，可以看出，在這兩種測(cè)試溫度下，不同水分含量下絕緣紙板的SRP及SIP與測(cè)試頻率存在擬合優(yōu)度非常高的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其擬合優(yōu)度均達(dá)到了0.9 以上，特別是SRP，其在10-3～10-1Hz 的特征頻段內(nèi)的擬合優(yōu)度達(dá)到了0.99，上述用于油浸漬絕緣紙板水分含量評(píng)估的頻域介電特征量SRP及SIP與測(cè)試頻率的擬合關(guān)系表明：SRP及SIP在各自的特征頻段內(nèi)對(duì)紙板含水量的變化比較敏感，因此，可以提取這兩個(gè)參量中所攜帶的水分信息來評(píng)估絕緣紙板的水分含量。

圖4 30℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的SRP 與SIP Fig.4 The SRP and SIP of oil-paper insulation sample with different moisture contents at 30℃

圖5 50℃下不同水分含量油紙絕緣樣品的SRP 與SIP Fig.5 The SRP and SIP of oil-paper insulation sample with different moisture contents at 50℃

分析圖4 與圖5 中不同水分含量、不同測(cè)試溫度下SRP及SIP與測(cè)試頻率的擬合曲線可知，在相同的測(cè)試溫度與積分頻段內(nèi)，隨著絕緣紙板含水量的增加，SRP及SIP顯著增大。因此，為了能有效提取SRP及SIP所攜帶的水分信息，筆者將SRP︱f=10-1及SIP︱f=101作為最終評(píng)估絕緣紙板水分含量的特征參量，將其分別簡寫為SRP(10-1)與SIP(10)。

圖6 30℃及50℃下SRP(10-1)與含水量的關(guān)系 Fig.6 Relationship between moisture content and SRP(10-1) at 30 and 50℃ ℃

圖7 30℃及50℃下SIP(10)與含水量的關(guān)系 Fig.7 Relationship between moisture content and SIP(10) at 30 ℃ and 50℃

圖6 與圖7 分別給出了30℃及50℃下的SRP(10-1)及SIP(10)分別與絕緣紙板水分含量Km.c.之間的擬 合關(guān)系及擬合優(yōu)度?？梢钥闯觯粶y(cè)絕緣紙板的水分含量Km.c.與特征頻段的SRP(10-1)及SIP(10)均存在擬合優(yōu)度較高的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，可以將SRP(10-1)、SIP(10)用于絕緣紙板水分含量的定量評(píng)估，對(duì)于水分含量未知的絕緣紙板樣品，可以先測(cè)量得到ε*r的頻域譜，然后利用表1 中的計(jì)算公式提取用于絕緣紙板水分含量定量評(píng)估的頻域特征參量—SRP(10-1)及SIP(10)，并將SRP(10-1)及SIP(10)通過代入圖6、圖7 中的擬合公式計(jì)算出水分含量，而且SRP(10-1)與SIP(10)可以相互對(duì)比驗(yàn)證。

需要指出的是：根據(jù)圖2、圖3 中的ε*r頻域譜的測(cè)試結(jié)果可知，在評(píng)估水分含量未知的絕緣紙板樣品時(shí)，SRP與SIP的特征頻段選取與紙板含水量及測(cè)量溫度密切相關(guān)，（特別是SRP的特征頻段選?。?，對(duì)于水分含量及測(cè)量溫度較低的樣品，SRP與SIP的特征頻段應(yīng)向低頻方向選取。

3.3 測(cè)試溫度對(duì)油紙絕緣ε*r 的影響規(guī)律及消除方法

測(cè)試溫度是影響介電響應(yīng)方法現(xiàn)場測(cè)量結(jié)果的重要因素。在現(xiàn)場測(cè)量中，由于一年四季的巨大溫差和晝夜溫度的變化，介電響應(yīng)測(cè)量結(jié)果有很大差異，且由于變壓器維修時(shí)間的緊迫性，介電響應(yīng)測(cè)試多在變壓器退出運(yùn)行后不久展開，在此過程中變壓器內(nèi)部溫度劇烈變化且油紙中的水分受到溫度的影響而重新分布[16,22]。在此情況下，采用圖6、圖7中的擬合公式將會(huì)造成較大的誤差，這將造成固體絕緣水評(píng)估結(jié)果失實(shí)，由于現(xiàn)場對(duì)變壓器進(jìn)行介電響應(yīng)測(cè)量時(shí)，往往不能精確地控制其測(cè)試溫度。為此，需要進(jìn)一步研究測(cè)試溫度對(duì)ε*r頻域譜的影響規(guī)律從而更好的將SRP與SIP應(yīng)用于現(xiàn)場評(píng)估。

圖8 給出了水分含量為1.87%的油浸漬絕緣紙板在不同測(cè)試溫度下（30℃、50℃、70℃、90℃）的ε'r頻域譜測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯瑴y(cè)試溫度對(duì)油紙樣品頻域介電特性的影響非常顯著。

圖8 含水量為1.87%的油紙絕緣樣品在不同溫度下 的ε'r 頻域譜 Fig.8 The ε'r spectroscopy of oil-paper insulation sample with 1.87% moisture content at different testing temperatures

為了消除測(cè)試溫度對(duì)頻域介電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的影響，筆者借鑒“時(shí)溫疊加”[23]與“頻溫疊加”[24-25]的基本思想，將不同測(cè)試溫度下被測(cè)油紙絕緣樣品的ε'r與ε'r'頻域譜通過“FDS 曲線頻率平移法”分別平移至某一個(gè)參考溫度下，以構(gòu)建不同測(cè)試溫度下的ε'r與ε'r'頻域譜主曲線。限于篇幅，文中僅給出了構(gòu)造ε'r頻域譜主曲線的方法。本文以30℃作為參考溫度，介紹ε'r頻域譜主曲線的構(gòu)造方法，并引入了“頻溫平移因子”αT[24-25]的概念，即

式中，fT為測(cè)試溫度T 時(shí)ε'r頻域譜平移前某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率；f30為平移至參考溫度時(shí)該點(diǎn)在主曲線上對(duì)應(yīng)的頻率。

定義α30=1，由圖8 中的ε'r頻域譜測(cè)試數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到50℃、70℃和90℃下對(duì)應(yīng)的αT分別為α50=4.07、α70=28.52、α90=185.41，構(gòu)造的ε'r頻域譜主曲線如圖9 所示。

圖9 ε'r 頻域譜主曲線 Fig.9 Master curve of ε'r spectroscopy

從圖9 中可以看出，ε'r頻域譜主曲線的頻率范圍由2×10-4Hz～5kHz 擴(kuò)展到10-6Hz～5kHz，因此，通過“FDS 曲線頻率平移法”可以獲得ε'r頻域譜更為低頻的信息。將αT和測(cè)試溫度T 進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)二者具有很好的指數(shù)關(guān)系，如圖10 所示。

圖10 αT 與測(cè)試溫度T 間的關(guān)系 Fig.10 Relationship between αT and T

由圖10 中的αT與測(cè)試溫度T 間的擬合公式可得到任意測(cè)試溫度下的αT，即可以將任意測(cè)試溫度下的ε*r測(cè)試曲線歸算到同一參考溫度下（如本文選取30℃為參考溫度）。因此，結(jié)合圖10 中的擬合公式和參考溫度下的ε*r頻域譜就可以估算出同一個(gè)被測(cè)樣品在任意測(cè)試溫度下的ε*r頻域譜，從而消除測(cè)試溫度對(duì)ε*r頻域譜的影響；進(jìn)而提高了油浸漬紙板水分評(píng)估結(jié)果的可靠性。

值得一提的是：由于不同測(cè)試溫度、不同水分含量的油紙絕緣樣品的介電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果受絕緣紙材料類型等因素的影響也較大，對(duì)于改性的絕緣紙（如熱穩(wěn)定紙）即使浸油環(huán)境、FDS 測(cè)試流程、絕緣紙水分測(cè)量結(jié)果及聚合度（DP）均相同的情況下，其FDS 頻域譜的測(cè)量結(jié)果是否與普通牛皮絕緣紙板完全一致，仍需要嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備了不同水分含量的油紙絕緣樣品并測(cè)試了其ε*r頻域譜，提出了將ε'r和ε'r'在各自特征頻段內(nèi)的積分面積作為絕緣紙板水分含量定量評(píng)估的特征參量，并建立了特征參量與絕緣紙板含水量的量化關(guān)系，借鑒“時(shí)溫疊加”與“頻溫疊加”的基本思想，通過“FDS 曲線頻率平移”方法消除了測(cè)試溫度對(duì)油紙絕緣頻域介電特性的影響，所得主要結(jié)論如下：

（1）油紙絕緣樣品的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部ε'r及虛部ε'r'對(duì)絕緣紙板水分含量及測(cè)試溫度的變化較為靈敏，在30℃及50℃的測(cè)試溫度下，隨著油紙絕緣水分含量的增大，ε'r在2×10-4～100Hz 頻域范圍內(nèi)顯著增大，而ε'r'在2×10-4～102Hz 頻域范圍內(nèi)也顯著增大。

（2）將ε'r和ε'r' 在各自特征頻段內(nèi)的積分面積最大值SRP（10-1）及SIP（10）作為絕緣紙板水分含量定量評(píng)估的頻域介電特征參量，并建立了頻域介電特征參量與絕緣紙板水分含量的量化關(guān)系。

（3）隨著測(cè)試溫度升高，油紙絕緣樣品的ε'r和ε'r'頻域譜呈現(xiàn)向右平移的現(xiàn)象。通過“FDS 曲線頻率平移”方法，可以將不同測(cè)量溫度下的ε*r頻域譜平移到參考主曲線下，這樣可以消除測(cè)試溫度對(duì)油紙絕緣ε*r頻域譜的影響。

（4）鑒于變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的頻域介電譜易受到水分、老化、溫度等多種因素的影響，且水分與老化對(duì)油紙絕緣的介電響應(yīng)特性的影響規(guī)律類似，為了進(jìn)一步提高絕緣紙板水分評(píng)估結(jié)果的可靠性，下一步需研究紙板老化對(duì)水分評(píng)估結(jié)果的影響并量化老化對(duì)水分評(píng)估結(jié)果的影響。

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