黃國(guó)泰 郭弟弟

（1.福建省電力物資有限公司，福州 350003；2.國(guó)家電網(wǎng)福建省福州供電公司，福州 350003）

應(yīng)用初始斜率特征量評(píng)估變壓器中絕緣油微水含量狀況

黃國(guó)泰 郭弟弟

（1.福建省電力物資有限公司，福州 350003；2.國(guó)家電網(wǎng)福建省福州供電公司，福州 350003）

目前，應(yīng)用回復(fù)電壓法定量診斷油紙絕緣變壓器內(nèi)部絕緣油微水含量的研究甚少。針對(duì)這方面的不足，首先，本文基于時(shí)域介電譜理論，提取回復(fù)電壓法中的初始斜率峰值時(shí)間這一重要特征量；其次，利用擴(kuò)展德拜模型等效電路建立仿真模型，研究該特征量與變壓器絕緣油受潮的內(nèi)在聯(lián)系；而后，通過(guò)分析多臺(tái)電力變壓器的絕緣油微水含量及其初始斜率峰值時(shí)間數(shù)據(jù)，劃分出可定量評(píng)估絕緣系統(tǒng)受潮與否的分界線。最后，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該研究結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，為評(píng)估變壓器絕緣油受潮狀態(tài)提供新的思路與方法。

油紙絕緣；絕緣油；初始斜率；微水；峰值時(shí)間

為了維護(hù)油浸式電力變壓器的安全運(yùn)行，可靠準(zhǔn)確地評(píng)估油紙絕緣設(shè)備的微水含量至關(guān)重要［1-2］。傳統(tǒng)定量評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣油受潮狀況的方法是：采用卡爾-費(fèi)休滴定法直接測(cè)量絕緣油中的微水。這種方法雖十分簡(jiǎn)便，但存在明顯的不足：首先，因它需從變壓器內(nèi)部吊芯取樣，有可能對(duì)油紙絕緣變壓器造成進(jìn)一步的絕緣污染或不可逆的損傷，增加二次老化受潮的危險(xiǎn)；其次，在取樣過(guò)程中大氣中的水分不可避免地會(huì)進(jìn)入油樣，油中微水含量原本就較小，這樣所造成的測(cè)試誤差就更加顯著了［3］。因此，這種傳統(tǒng)檢測(cè)方法雖然簡(jiǎn)便但其診斷過(guò)程的破壞性與診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步完善。

鑒于以上不足，本文選取了一種無(wú)損、非破壞性的電氣診斷方法——回復(fù)電壓法（RVM），通過(guò)該方法所獲取的回復(fù)電壓譜線因蘊(yùn)含了豐富的電力變壓器內(nèi)部受潮狀況信息，而被廣泛運(yùn)用［4-5］。然而，文獻(xiàn)［6-7］等僅限于將 RVM應(yīng)用于變壓器微水含量的定性評(píng)估，或只研究了變壓器絕緣紙微水含量與回復(fù)電壓主時(shí)間常數(shù)函數(shù)關(guān)系，鮮有基于回復(fù)電壓法對(duì)變壓器絕緣油微水含量的定量研究。這顯然對(duì)判斷整個(gè)絕緣系統(tǒng)的微水含量是不全面的。因此，本文提取回復(fù)電壓法中初始斜率峰值時(shí)間Ts這一新特征量來(lái)對(duì)變壓器絕緣油的微水含量進(jìn)行重點(diǎn)研究，進(jìn)一步得到變壓器絕緣油微水含量與Ts間的量化關(guān)系。

1 RVM理論基礎(chǔ)及時(shí)間常數(shù)

RVM 是一種研究絕緣材料緩慢極化過(guò)程的時(shí)域方法。RVM的測(cè)量示意圖如圖1所示，測(cè)量原理與過(guò)程是：首先閉合 K至 1觸點(diǎn)，將直流高壓 U0施加在絕緣介質(zhì)兩端，此時(shí)，在電場(chǎng)作用下，介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在表面出現(xiàn)束縛電荷，內(nèi)部偶極子呈定向排列；然后，經(jīng)過(guò)一定的充電時(shí)間 tc后，閉合K至2觸點(diǎn)，即撤去外施電壓并短接兩極，這時(shí)表面束縛電荷立即被釋放，介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生去極化過(guò)程；最后，在td時(shí)間后，閉合K至3觸點(diǎn)，即去除兩極間的短接線，但去極化過(guò)程仍在繼續(xù)，此時(shí)自由電荷在電極之間所呈現(xiàn)的一個(gè)電勢(shì)差稱(chēng)為回復(fù)電壓，可通過(guò)電壓表測(cè)得［8-9］。

圖1 回復(fù)電壓測(cè)量示意圖

回復(fù)電壓極化譜是在單次測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)循環(huán)測(cè)量獲得的。每個(gè)測(cè)量循環(huán)又由4個(gè)階段組成，它包括充電、放電、測(cè)量、松弛4個(gè)階段。RVM測(cè)量周期的一個(gè)測(cè)量循環(huán)如圖2所示［9-10］。

圖2 RVM的測(cè)量周期

為深入研究油紙絕緣復(fù)合介質(zhì)的弛豫過(guò)程，目前，廣泛采用擴(kuò)展德拜等值電路模型來(lái)表征電力變壓器絕緣系統(tǒng)，該等值電路包含幾何等效電路與極化等效電路，如圖 3所示［11-13］。其中，幾何等值電路的絕緣電阻Rg、幾何電容Cg表征了不同型號(hào)規(guī)格的電力變壓器；而極化等值電路由若干個(gè) Rpi、Cpi串聯(lián)支路并聯(lián)而成，每條支路都代表著不同的極化過(guò)程；n表示弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)。

圖3 基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等效電路

因油紙絕緣介質(zhì)成分不同，其時(shí)間常數(shù)（τpi= RpiCpi）和弛豫過(guò)程也各異，既有快速弛豫過(guò)程，又有緩慢弛豫過(guò)程。因此，擴(kuò)展德拜等效電路模型的各極化支路反映不同的弛豫過(guò)程。文獻(xiàn)［14-15］提出，極化支路根據(jù)時(shí)間常數(shù)的大小分類(lèi)可以分為三種情況：小時(shí)間常數(shù)極化支路（時(shí)間常數(shù)小于1s）弛豫過(guò)程快，反映絕緣油狀態(tài)；大時(shí)間常數(shù)極化支路（時(shí)間常數(shù)大于100s）弛豫過(guò)程慢，反映固體絕緣狀態(tài)，中等時(shí)間常數(shù)極化支路（時(shí)間常數(shù)介于 1～100s之間）則反映絕緣系統(tǒng)的界面極化過(guò)程。

2 RVM特征量提取

初始斜率Si是回復(fù)電壓法用于診斷油紙絕緣狀態(tài)的一個(gè)重要特征量。它表征了在介質(zhì)兩端撤去外電場(chǎng)作用后，內(nèi)部分子為恢復(fù)自然平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)向速度。結(jié)合這一物理特性，并通過(guò)對(duì)油紙絕緣介質(zhì)受潮機(jī)理可知，回復(fù)電壓斜率將受到絕緣受潮的影響，它與油紙絕緣狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。

可見(jiàn)，若能尋求到與初始斜率相關(guān)的特征量來(lái)間接評(píng)估電力變壓器受潮情況，具有極高的實(shí)用價(jià)值。因此，根據(jù)文獻(xiàn)［16］給出的某臺(tái)220kV、240MVA的油紙絕緣變壓器等效極化電路模型（6條支路，其中支路1、2、3為小時(shí)間常數(shù)支路；支路4為中時(shí)間常數(shù)支路；支路5、6為大時(shí)間常數(shù)）。下面以該模型為基礎(chǔ)，仿真初始斜率與變壓器受潮狀況的關(guān)系，尋找相關(guān)特征量［17］。

2.1 變壓器設(shè)計(jì)規(guī)格對(duì)Ts的影響

因擴(kuò)展德拜等效電路特性，在保持 Rpi、Cpi不變的情況下，改變絕緣電阻 Rg與幾何電容 Cg可仿真不同變壓器型號(hào)下，Si的變化規(guī)律，如圖4所示。其中，圖中小圖的橫坐標(biāo)為所變化支路時(shí)間常數(shù)τ值的倍數(shù)。

圖4 變壓器設(shè)計(jì)規(guī)格對(duì)Ts的影響

隨著絕緣系統(tǒng)受潮的加重，絕緣電阻Rg不斷減小，圖4（a）仿真了Si隨絕緣電阻的變化情況。從圖中看出，任意充電時(shí)間下的初始斜率都不受絕緣電阻的影響。這是由于絕緣電阻反映的是絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)特性，而Si表征絕緣介質(zhì)內(nèi)部分子恢復(fù)自然平衡狀態(tài)的整體響應(yīng)速度，與介質(zhì)極化特性密切相關(guān)，因此，絕緣電阻和初始斜率這兩者之間沒(méi)有直接的關(guān)系。

在油紙絕緣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，受潮對(duì)幾何電容Cg不會(huì)產(chǎn)生太大影響。但絕緣結(jié)構(gòu)隨設(shè)備的型號(hào)、容量、制造廠家的不同而有所差別。通過(guò)改變幾何電容的值模擬設(shè)備的不同設(shè)計(jì)構(gòu)造，從而分析其對(duì)Si的影響。從圖4（b）看出，隨幾何電容增大，初始斜率減小，反之，初始斜率增大。但是幾何電容的變化并不影響初始斜率曲線整體的走勢(shì)，即初始斜率的峰值時(shí)間Ts不發(fā)生改變。

2.2 絕緣油受潮對(duì)Ts的影響

絕緣系統(tǒng)受潮加重，引起絕緣介質(zhì)弛豫響應(yīng)等效電路中的弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)增加，弛豫機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的極化電阻減小，極化電容增大。反之，弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)減少，弛豫機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的極化電阻增大，極化電容減小。因此，將分別改變等效電路中絕緣油對(duì)應(yīng)的弛豫支路數(shù)和弛豫支路元件參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣油不同受潮狀態(tài)的模擬，由此分析絕緣油受潮對(duì)初始斜率曲線的影響。

實(shí)際中，當(dāng)絕緣介質(zhì)的受潮狀態(tài)發(fā)生改變，極化電阻的變化幅度一般稍大于極化電容的變化幅度，引起各弛豫機(jī)構(gòu)的時(shí)間常數(shù)略微發(fā)生改變。因此，圖 5（a）、（b）分別通過(guò)改變與絕緣油中界面極化過(guò)程對(duì)應(yīng)的弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)，絕緣油對(duì)應(yīng)弛豫支路的極化電阻Rp1、Rp2、Rp3與極化電容Cp1、Cp2、Cp3的值，來(lái)仿真絕緣油受潮引起的Si變化曲線與Ts變化值。

圖5 絕緣油受潮對(duì)Ts的影響

在圖5（a）中，改變與絕緣油中界面極化過(guò)程對(duì)應(yīng)的弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)，主要影響初始斜率曲線的前半部分（0.1s＜tc＜10s）。絕緣油本身回復(fù)自然平衡狀態(tài)的響應(yīng)速度最快，因此初始斜率峰值時(shí)間與絕緣油本身的極化特性密切相關(guān)。而增加和減少的弛豫機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)范圍離初始斜率峰值時(shí)間有一定距離，導(dǎo)致峰值時(shí)間受弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)變化的影響不大。

從圖5（b）曲線變化可見(jiàn)，絕緣油對(duì)應(yīng)支路的參數(shù)變化，同樣也是引起初始斜率曲線的前半部分（0.01＜tc＜10s）變化。隨著絕緣油受潮加重，對(duì)應(yīng)弛豫支路的極化電阻減小，極化電容增大，導(dǎo)致初始斜率增大，并且初始斜率的峰值時(shí)間位置向左移動(dòng)。這是由于受潮導(dǎo)致介質(zhì)中強(qiáng)極性分子增多，加快了絕緣油部分的弛豫響應(yīng)速度。因此，初始斜率的峰值位置可以作為判斷絕緣油劣化程度的新特征量。

2.3 絕緣紙受潮對(duì)初始斜率的影響

與絕緣油不同，絕緣紙的受潮老化過(guò)程是不可逆轉(zhuǎn)的。因此，對(duì)絕緣紙的相關(guān)分析只考慮性能不斷下降的情況。其余討論均與絕緣油受潮分析過(guò)程相似。

圖6 絕緣紙受潮對(duì)Ts的影響

從仿真圖6（a）可以看到，改變與絕緣紙相關(guān)的界面極化過(guò)程對(duì)應(yīng)的弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)，主要影響初始斜率的后半部分（10s＜tc＜1000s），且初始斜率峰值位置不受影響。當(dāng)絕緣紙中界面極化過(guò)程增加，初始斜率相應(yīng)增大，但初始斜率峰值時(shí)間保持不變。

從圖6（b）中看出，絕緣紙的絕緣程度降低，初始斜率曲線后半部分有所變化，但是對(duì)初始斜率的峰值位置不構(gòu)成影響。

因此，綜合以上分析得到結(jié)論：①絕緣電阻不改變初始斜率的大小，但幾何電容影響初始斜率峰值的高度，因此，無(wú)法通過(guò)初始斜率的大小對(duì)不同容量、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的油紙絕緣設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷；②初始斜率的峰值時(shí)間與介質(zhì)的弛豫響應(yīng)速度密切相關(guān)，均不受Rg、Cg的影響，即初始斜率峰值時(shí)間不受變壓器設(shè)計(jì)型號(hào)的影響；③初始斜率峰值時(shí)間對(duì)絕緣油受潮狀態(tài)反應(yīng)靈敏，當(dāng)絕緣油的絕緣狀態(tài)變差時(shí)，其弛豫特性發(fā)生變化，將使初始斜率峰值時(shí)間位置向左偏移。但絕緣紙的受潮情況對(duì)初始斜率峰值時(shí)間無(wú)影響。

因此，初始斜率峰值時(shí)間Ts是判斷絕緣油受潮程度的重要指標(biāo)?？梢宰鳛榻^緣油受潮診斷的新特征量。

3 Ts定量評(píng)估絕緣系統(tǒng)微水含量

通過(guò)分析可知，初始斜率峰值時(shí)間與變壓器絕緣油的微水含量密切相關(guān)。因此，為了深入探究它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，本文對(duì)多臺(tái)變壓器進(jìn)行了回復(fù)電壓測(cè)試，測(cè)試溫度均在36℃～38℃間。得到相應(yīng)的擴(kuò)展德拜等效電路模型，以獲取相應(yīng)的初始斜率峰值時(shí)間，同時(shí)對(duì)變壓器進(jìn)行絕緣油中微水含量的檢測(cè)。本文所選取的10變壓器基本信息和試驗(yàn)獲得的絕緣油微水含量見(jiàn)表1。

表1 十臺(tái)電力變壓器基本信息

為了能夠更加清晰明了地看出電力變壓器油中微水含量與初始斜率峰值時(shí)間的關(guān)系，在表1的基礎(chǔ)上，按初始斜率峰值時(shí)間由大到小進(jìn)行重新排列得到表 2。對(duì)照表 2可知，初始斜率峰值時(shí)間都較小，同時(shí)，隨著電力變壓器微水含量的增加，初始斜率峰值時(shí)間不斷減少。由此驗(yàn)證了本文提出的利用初始斜率峰值時(shí)間來(lái)評(píng)估變壓器絕緣油狀態(tài)的可行性與正確性。此外，根據(jù)表2和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，T6、T7、T8、T9和T10的絕緣油受潮，其中T8、T9和T10受潮嚴(yán)重，T6和T7受潮適中，需跟蹤監(jiān)測(cè)。絕緣油受潮對(duì)應(yīng)的初始斜率峰值時(shí)間在 0.03s以內(nèi)；T1、T2、T3、T4和T5的絕緣油狀態(tài)優(yōu)良，無(wú)需檢修可長(zhǎng)期正常運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的初始斜率峰值時(shí)間在0.03s以上。

表2 10臺(tái)變壓器的Ts順序排列表

4 結(jié)論

本文基于時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)理論，通過(guò)分析多臺(tái)變壓器的受潮情況與初始斜率峰值時(shí)間之間的關(guān)系，提出提出利用初始斜率峰值時(shí)間定量評(píng)估變壓器絕緣油的微水含量狀態(tài)的判據(jù)。研究表明：

1）初始斜率峰值時(shí)間不受變壓器設(shè)計(jì)型號(hào)、尺寸的影響，但對(duì)絕緣油受潮狀態(tài)反應(yīng)靈敏。

2）初始斜率峰值時(shí)間越小，電力變壓器絕緣油的微水含量越高，且以 0.03s為界限，當(dāng)初始斜率峰值時(shí)間高于 0.03s時(shí)，絕緣油絕緣狀況良好，當(dāng)?shù)陀?0.03s時(shí)，需對(duì)絕緣油進(jìn)行進(jìn)一步追蹤監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢修。

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圖6 零序阻抗測(cè)量仿真

圖7 正常運(yùn)行時(shí)Z變中性點(diǎn)電流

圖8 單相接地且配置消弧線圈時(shí)Z變中性點(diǎn)電流

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作者簡(jiǎn)介

王德明（1989-），男，甘肅永昌人，本科，工程師，主要從事企業(yè)高低壓變配電系統(tǒng)運(yùn)維管理工作。

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，F(xiàn)uzhou 350003；2.Sate Grid Fujian Provincial Fuzhou Electric Power Company，F(xiàn)uzhou 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

黃國(guó)泰（1987-），男，福建安溪人，漢族，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備可靠性研究。