柯春俊 馬志欽 楊 賢 周 丹

（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

基于頻域介電特征參量的電容性套管油紙絕緣老化評估初探

柯春俊 馬志欽 楊 賢 周 丹

（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

套管故障是引起變壓器停運的主要原因之一，已成為目前保證電網(wǎng)的安全運行需亟待解決的問題。由于絕緣紙吸水性遠大于絕緣油，研究水分對油紙電容式套管絕緣紙加速熱老化過程中相關特性的影響，為其老化狀態(tài)及受潮情況的評估提供理論依據(jù)，將具有重要的實際意義。實驗結果表明：老化時間與油浸紙介損在特征區(qū)間的積分值符合線性規(guī)律，水分同介損在特征區(qū)間的積分寬度符合線性規(guī)律，說明介損積分值的所體現(xiàn)的信息不僅包含老化程度，還包含固體絕緣水分含量大小的信息，由此計算受潮情況下加速老化因子，并通過絕緣老化狀態(tài)進行絕緣壽命損失率的計算tloss=（FEQM×tEQ）/（100Lp）。

電容性套管；老化；頻域介電特性；絕緣壽命損失率

目前工程上通常采用測量絕緣系統(tǒng)的理化參數(shù)和電氣參數(shù)，分析其變化規(guī)律對設備的老化狀態(tài)進行評估［1-3］。理化參數(shù)中的絕緣紙聚合度及拉伸強度是能直接反映油紙絕緣的老化程度，但參數(shù)的獲取必須對設備進行解體，從固體絕緣上有代表性的部分取樣，不僅實施難度大，并且對固體絕緣造成很大的損傷；在電氣參數(shù)方面，現(xiàn)場運行操作人員利用絕緣電阻、極化指數(shù)及介損因數(shù)等參數(shù)是否超標作為變壓器絕緣受潮的診斷依據(jù)，但套管評估絕緣受潮老化的參數(shù)相對匱乏，主要是介損、電容量這些常用評估參量［4-5］。然而這些特性參量在獲取和評估方面均存在一些缺陷，尋求能夠有效地反映套管油紙絕緣老化及受潮情況的新特征參量及評估方法逐漸受到廣泛的重視，將具有非常重要的學術研究價值和應用前景。

以介電響應理論為基礎的回復電壓法、極化去極化電流法和頻域介電譜法是無損的診斷方法，具有抗干擾能力強，攜帶信息豐富等優(yōu)點，近年來得到越來越多的學者的關注。目前對油紙?zhí)坠艿脑u估方法通常是在離線狀態(tài)下進行參數(shù)測量，不具有時效性，故將頻域介電譜法運用于套管在線故障診斷具有重要的實際意義。相關研究表明絕緣老化信息在介電響應圖譜具有明顯相關信息存在［6-9］，但依然局限于實驗室內的探索研究，并未用于現(xiàn)場的老化診斷，并且油紙絕緣的頻域譜容易受到水分、溫度等因素的影響，特別是如何區(qū)分水分和老化對油紙絕緣介電性能的影響，對絕緣紙的水分含量和老化狀態(tài)分別進行有效評估一直是國內外研究的難點。

本文通過對油紙?zhí)坠艿膬冉^緣進行結構與設計原理的研究，制備模擬套管油紙絕緣樣品，并開展實驗室內130℃加速熱老化試驗；對熱老化試品的理化參數(shù)、頻域介電特性參數(shù)進行研究，探尋水分對電容型套管內絕緣紙老化特性的影響，尋求可應用于現(xiàn)場評估并且能同時計及油紙絕緣水分含量和老化狀態(tài)的新方法和特征參量，為現(xiàn)場油紙?zhí)坠苓\行過程中受潮情況進行及時的診斷與反饋提供理論依據(jù)。

1 實驗設計

本文老化模型采用指定絕緣紙層數(shù)，且各電容屏極板長度一致的結構，該結構有利于研究紙、油以及鋁箔三者共同作用下的老化特性，雖然與實際套管電容芯子的結構特征有所差異，但相對于實驗室機理研究該結果具有更好的操作性，實驗性，并且滿足套管絕緣設計要求及油紙比。鋁箔極板尺寸見表1。

表1 試品中鋁箔極板的尺寸

油浸紙電容式套管的電容芯子由電纜紙和多層鋁箔極板卷制而成的圓柱形，如圖1所示。電纜紙所用的密度0.7～0.9g/cm3，厚度0.08～0.15mm，常用0.12mm的紙帶；鋁箔極板一般厚約0.01mm。浸透變壓器油后的電纜紙密度約為1.2g/cm3，εγ ≈ 3.5，工頻常溫下tanδ ≈ 0.3%，短時耐壓強度達60MV/m。

圖1 油紙電容式套管電容芯子示意圖

試驗溫度為 130℃，既符合油紙絕緣老化耐熱等級要求，同時也在老化機理不變前提下節(jié)省了試驗周期。本文制備一組未干燥的電纜紙樣品，水分梯度設置約為1%、3%、5%、7%四等。老化總時長為42天左右，取樣間隔為7～8天，共取6次。

2 水分對電容式套管絕緣紙老化的影響分析

2.1 初始水分含量對絕緣紙老化速度的影響

本文采用零階動力學模型［6-7］對電容型套管的油浸紙進行研究，如式（1）所示。

式中，t為試品老化時間；dDPt為老化時間為t時的絕緣紙聚合度；dDP0為絕緣紙聚合度初始值，k為老化速率。

四組樣品油浸紙試品的絕緣紙聚合度隨老化時間的變化趨勢轉換為動力學模型進行擬合，如圖 2所示。

圖2 絕緣紙聚合度的零階動力學模擬

對目前關于油紙絕緣的絕緣紙聚合度零階動力學模型進行研究，統(tǒng)計得基于此模型的絕緣老化速率見表2。

表2 不同水分含量油浸紙平均老化速率k及擬合優(yōu)度R2

油紙?zhí)坠艿闹谱鬟^程中水分控制十分嚴格，本文1#對比組試品的制作流程與實際套管的制作工藝一致，故設置以水分含量為1.116%的油浸紙的老化速率為基準熱老化速率，并通過加入加速老化修正因數(shù)來反應初始水分含量對絕緣老化加速的程度，見表3。

表3 水分含量對老化的加速修正因數(shù)

在本文設置的基準老化速率下，得到不同水分含量對老化的加速程度的擬合函數(shù)f（θm），如圖3所示。

圖3 不同水分含量對老化速率的修正因子函數(shù)

式中，f（θm）為初始水分對老化的修正因數(shù)；m為初始水分含量，a、b、c、d為擬合方程的系數(shù)，本文的擬合系數(shù)分別為a=0.66013，b=0.40718，c=-0.10685，d=0.01196，擬合優(yōu)度R2=0.99974。

2.2 老化與水分對油浸紙試品tanδ 的影響

介質損耗是指電介質在外加電場作用下，由介質電導、介質極化作用引起的內部能量損耗。tanδ反映了流經(jīng)電介質的有功電流密度與無功電流密度之比，與絕緣材料的幾何結構（尺寸）無關［10］。

由圖4可知：隨著外施電壓頻率的降低，不同老化程度與水分含量的絕緣紙介損整體呈增大趨勢，介損增大的速率出現(xiàn)兩個明顯的“減速區(qū)”，分別在100～102Hz和10-1～10-3Hz，初始水分含量越高的試品在中頻“減速區(qū)”的介損隨老化時間波動幅度越大。

圖4 不同初始水分含量與老化時間試品的tanδ

2.3 老化和水分對絕緣紙頻域介電特性的影響分析

1）基于介損特征參量的老化特性研究

介損在中頻區(qū)減速帶對老化及水分有特征反應，但在低頻區(qū)的減速帶特征不明顯，故重點分析中頻區(qū)的特征。根據(jù)介損在中頻“減速區(qū)”的特征，用曲線在特征區(qū)間所圍相對面積作為研究對象。

本文對0.76828～234.26Hz頻段絕緣紙tanδ 的積分值所包含的特征信息進行重點研究，特征參量的積分區(qū)域如圖5所示，計算式如式（5）所示。

圖5 試品介損分析的特征區(qū)間示意圖

不同初始水分含量的試品在不同老化階段下，特征區(qū)間介損的積分值見表 4。擬合曲線的相關參數(shù)見表5。

表4 不同老化時間的試品在特征區(qū)間的積分值

表5 介損積分值與老化時間函數(shù)的擬合參數(shù)

式中，A、B為待定擬合參數(shù)。

由圖6和表5可以看出，不同組試品的油浸紙介損特征區(qū)間積分值與老化時間擬合關系的斜率（絕緣狀態(tài)老化速率）隨著紙中初始水分的增加而增大，說明介損在特征區(qū)間的積分值既體現(xiàn)老化特性信息，又涵蓋了水分含量的信息。

圖6 介損在特征區(qū)間積分值與老化時間的線性擬合關系

2）初始水分對油浸紙介損特征量的影響

選取0.76828～234.26Hz頻段為tanδ 曲線集寬度的積分，即老化7天與老化43天tanδ 在該頻段圍成的面積，記為見表6。積分面積與初始水分擬合關系如圖7所示，初始水分同符合明顯線性規(guī)律，說明油紙電容套管固體絕緣中的水分能引起介損在特征區(qū)間曲線集所圍成面積的變化，即通過介損積分區(qū)間面積可計算絕緣受潮情況，如式（7）所示。

表6 不同試品介損在特征區(qū)間的S

老化狀態(tài)方程中斜率B的物理意義是通過介損特征值表征的絕緣老化速率，從表8可以看出，不同初始水分含量對介損積分值與老化時間關系中的斜率B有明顯的規(guī)律性。因此對絕緣老化速率B隨水分的增加程度 kB（高水分含量的絕緣老化速率B3%、B5%、B7%與基準絕緣老化速率B1%的比值）進行擬合，結果如圖7所示，說明水分對油紙?zhí)坠艿慕^緣老化加速作用符合一定的規(guī)律，并證明了介損在特征區(qū)間的積分值包含老化程度與固體絕緣水分含量的信息，可為研究成果用于油紙?zhí)坠苁艹鼻闆r及絕緣老化加速情況的在線評估提供依據(jù)。

圖7 加速老化倍率與初始水分的擬合關系

3 基于頻域介電特征參量的評估應用初探

3.1 油浸紙與套管主絕緣系統(tǒng)之間的聯(lián)系——XY模型

國內外學者研究已經(jīng)證實，簡化油紙絕緣結構XY模型將變壓器實際主絕緣系統(tǒng)的總頻域介電響應特性與實驗室中油浸絕緣紙的頻域介電響應關聯(lián)起來，并考慮幾何結構、溫度的影響，使研究變壓器油紙絕緣系統(tǒng)介電響應特性的復雜性明顯降低［7］。

圖8 變壓器主絕緣的簡化XY模型

油浸式變壓器的主絕緣結構由隔板、撐條、油道等組成，為了便于分析，將主絕緣系統(tǒng)簡化為如圖8所示的XY模型，其中X值表示隔板占變壓器主絕緣厚度的比例，Y值為撐條及墊塊總寬度與兩繞組間主絕緣的平均周長之比［11］。一般來講，變壓器油紙絕緣中X取值在0.2～0.5之間，Y在0.15～0.25之間。油浸式套管絕緣結構相對簡單，對其油-油紙絕緣進行簡化分析時，根據(jù)XY模型理論基礎及套管內絕緣結構特點［12］，X可取0.8～0.9，Y可取0.2～0.4［13］。X、Y的值確定后，油紙?zhí)坠茉跍囟?T下的油紙絕緣系統(tǒng)頻域介電譜可按照式（6）及式（7），由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得到。

XY模型聯(lián)絡實驗室數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場評估的流程如圖9所示。

圖9 基于XY模型的油紙?zhí)坠芙^緣狀態(tài)評估流程圖

由于實驗室開展的是加速熱老化，與現(xiàn)場測試時環(huán)境溫度有很大差異，具體的轉化修正系數(shù)需要結合實際進行修正，XY模型為實驗室與現(xiàn)場實測信息之間的轉化關系提供思路和理論基礎。

3.2 基于介損積分值的絕緣壽命損失計算

根據(jù) Arrhenius定律對溫度加速老化作用進行評估的理念，計算受潮對絕緣老化加速引起的壽命損失。同時考慮老化程度及水分的影響，首先根據(jù)介損在特征區(qū)間的積分值計算出絕緣狀態(tài)所處的等效老化階段，注意到此時計算出來的是一個通用的老化時間，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)大部分是正常運行設備的自然老化過程中的數(shù)據(jù)，并未考慮水分加速老化的影響；然后根據(jù)式（5）進行油紙?zhí)坠苁艹鼻闆r的評估，根據(jù)式（9）計算受潮情況對絕緣老化的加速程度；再根據(jù)式（8）計算所得的實際絕緣老化狀態(tài)，以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)所得的絕緣平均壽命，可得到待評估設備的絕緣壽命損失程度式（8）中的A、B的取值應根據(jù)式（4），并由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)通過XY模型得到的老化狀態(tài)相關參數(shù)。式（9）中的FEQM是根據(jù) 7計算的等效加速老化因子。根據(jù)不同的水分含量對老化速率的加倍情況，可計算得到絕緣壽命的損失率，如式（10）所示。

式中，kBi是在ti時刻水分對老化的加速因子；Δti是絕緣受潮的時間段；FEQM是在實際時間t中由于絕緣受潮引起的等效加速老化因子；tloss是絕緣壽命損失率，單位是%；tEQ是指的等效絕緣老化狀態(tài)，由式（4）得到；Lp是在正常運行溫度且環(huán)境干燥良好下油紙?zhí)坠艿恼＿\行壽命統(tǒng)計值，量綱應與 t保持一致。

根據(jù)上述絕緣壽命損失率的計算，可判斷油紙?zhí)坠苤凶铌P鍵的固體絕緣老化狀態(tài)，為現(xiàn)場基于介損特征參量在線評估油紙?zhí)坠芙^緣、受潮情況下套管老化狀態(tài)以及絕緣壽命剩余率提供研究思路。

4 結論

1）隨著頻率降低，油浸紙介損增大的速率分別在100～102Hz和10-1～10-3Hz頻段出現(xiàn)明顯的“減速區(qū)”；其中在中頻段的介損隨老化時間具有較強的規(guī)律性；初始水分含量越高的試品在中頻“減速區(qū)”的介損曲線的分布寬度越大。

2）老化時間與油浸紙介損在特征區(qū)間的積分值符合線性規(guī)律，水分同介損在特征區(qū)間的積分寬度符合線性規(guī)律，說明介損積分值的所體現(xiàn)的信息不僅包含老化程度，還包含固體絕緣水分含量大小的信息；不同水分含量對絕緣紙加速老化程度也符合三次多項式模型，由此可計算受潮情況下加速老化因子，并通過絕緣老化狀態(tài)進行絕緣壽命損失率的計算tloss=（FEQM×tEQ）/（100Lp），為現(xiàn)場基于介損評估受潮下油紙?zhí)坠芾匣癄顟B(tài)及受潮對絕緣老化加速情況提供研究思路。

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Oil-Paper in Condenser Bushing Aging Evaluation based on Frequency Domain Dielectric Property

Ke Chunjun Ma Zhiqin Yang Xian Zhou Dan
（Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080）

Bushing faults is one of the prime reasons causing transformer faults.It has been one of the problems demanding prompt solution for safe operation of the power grid at present.The hygroscopic property of insulation paper is much larger than dielectric oil，so study the moisture influence on the correlated characteristic of condenser bushing oil-paper insulation system during the thermal aging process.This will provide the theoretical basis of evaluating aging and humidified condition，and will be of great importance and necessity.The results are shown as follow：the integral values of ageing time and dielectric loss at feature region agree with linear rule，and the integral breadth of moisture and dielectric loss at feature region still agree with linear rule，which means that the integral value of dielectric loss is not only containing the information of aging degree，but also moisture content information of solid insulation.And the paper caculates accelerated aging factor and the loss rate of insulation life caused by the aging state based on the equation tloss=（FEQM×tEQ）/（100Lp）.

condenser bushing； aging； dielectric property； insulation life loss rate

柯春?。?985-），男，安微人。工程師，工學碩士，主要從事電力變壓器高壓試驗及故障診斷技術研究工作。

南方電網(wǎng)重大科技專項（KJ-2014-170-3）