油纸绝缘层数对回复电压特征量测试的影响

吴文宣，施广宇，张孔林，王 凯

（1.国家电网福建省电力有限公司，福建 福州 350001；2.国家电网福建省电力有限公司 电力科学研究院，福建 福州 350007；3.福州大学 电气工程学院，福建 福州 350108）

油浸式变压器的绝缘系统工作状况和性能好坏直接关系到电网的安全与稳定，通过及时检测变压器油纸绝缘状况，可以及早发现并排除设备存在的隐患，这对确保电力系统正常运行至关重要。回复电压测量法（Return Voltage Measurement，RVM）是近些年对变压器绝缘状态诊断的一种新兴方法，其基于介质响应理论研究油纸绝缘系统的极化过程，有效追踪介质极化特性的变化情况，当绝缘老化或受潮时，回复电压响应特征量也将发生相应的变化，因此，通过监测其变化可反向有效地对绝缘状态进行评估［1］。RVM现场接线简单，具有较好的抗干扰能力，可实现离线无损对变压器进行绝缘检测［2-3］。

目前，国内外很多学者都对基于回复电压的变压器绝缘系统状态诊断法作了大量研究，如文献［4］研究了温度对绝缘系统回复电压特征量的影响，并指出绝缘系统的温度与中心时间常数呈指数关系；文献［5］则通过实验室加速老化实验，研究了不同老化程度与回复电压特征量之间的规律，研究表明回复电压各特征参数和老化存在线性关系，同时指出水分对该线性关系的影响；文献［6］对水分与回复电压特征量之间的影响规律作了定性研究，并得出其存在二次函数的关系；T，K，Saha等人对大量的回复电压测试数据进行分析和研究，结果表明绝缘系统的老化状态与中心时间常数有很好的相关性［7］。据此可知，回复电压特征量确与油纸绝缘系统状态存在内在联系，然而以上研究一般是以特定绝缘模型实验为基础，经由几次充电时间条件下定性分析某一外在因素对回复电压特征量的影响，现场所获得的变压器回复电压数据并不充分，且实际中该模拟系统与变压器的绝缘系统还是有着不可忽视的区别。因此，笔者通过搭建的实验室模拟绝缘系统定性探讨系统中绝缘层数对回复电压特性的影响，其可体现出变压器容量上差异时的宏观测试结果，随后结合现场测试的大量回复电压数据，对二者的测试情况进行综合分析，为同一容量下油浸式变压器的回复电压绝缘诊断判据建立奠定基础。

1 回复电压测量原理

在绝缘介质两端施加一直流高压时，介质将呈现极化反应，在介质两端束缚大量电荷，当去除外施电压并短接介质后，介质则又将处于去极化过程，原两极束缚电荷被释放为自由电荷，停止短接后，若去极化过程还在继续，剩余的自由电荷将在两极形成回复电压［8］。

回复电压法的一次测试流程包括充电、放电、测量和松弛4个阶段，其测量电路如图1所示。具体测试步骤：

1）首先断开开关S2，S3，闭合开关S1，直流电源U对变压器进行充电，绝缘介质呈现极化反应，在介质两端束缚大量电荷；

2）经过充电时间tc后，断开开关S1，闭合开关S2，开关S3仍保持断开状态，对变压器进行放电，则其处于去极化过程，原两极束缚电荷被释放为自由电荷，产生去极化电流；

3）当放电时间达到放电时间td时，断开开关S1和S2，接通S3，若去极化过程还在继续，剩余的自由电荷将在两极形成回复电压，并对其回复电压参数进行记录；

4）将变压器残余电荷彻底放电，为下次测试做准备［9］。

此过程产生的回复电压曲线如图2所示。一个测试周期中可获取回复电压的3个主要参数（回复电压最大值Urmax、初始斜率Sr以及回复电压峰值时间Tpeak），通过调控充电时间tc，循环记录相应充电时间tc下的各参数，并生成各次的回复电压最大值Urmax与充电时间tc之间的变化关系曲线，即回复电压极化谱。

图1 回复电压测量电路Figure 1 Circuit diagram of return voltage measurement

图2 回复电压曲线Figure 2 Return voltage curve

2 回复电压模拟实验

2.1 油纸绝缘系统实验模型

油纸绝缘变压器的绝缘系统主要由油隙、隔板和撑条等组成，油纸绝缘系统主要位于高、低压绕组之间，由于撑条的加固作用，油隙与隔板交替排列。通过观察其剖面结构，选取其中的结构单元作为该油纸绝缘系统的实验模型，如图3所示，而隔板和撑条的成分都为纤维素，所以在实验中将二者简化为相同材料的变压器绝缘纸。

图3 油纸绝缘系统模型（单位：mm）Figure 3 Schematic diagram of oil-paper insulation system model（Unit：mm）

2.2 实验装置及步骤

实验装置主要有RVM 5461回复电压测试仪和盛样装置，如图4所示；实验材料为0.1mm变压器绝缘纸（单层）和25号变压器油；实验具体步骤：①清洗盛样装置与实验用电极，并进行彻底干燥；②将新变压器绝缘油加入到盛样装置；③将所需实验项目的绝缘纸平坦放在油中的负电极上，为了降低装置对试品极化效果的影响，将电极与绝缘纸放于装置中心位置；④待绝缘纸都被绝缘油浸透均匀时，正电极覆盖于绝缘纸上面；⑤关上盛样装置的密封盖；⑥分别将正、负电极的外接引线连接到RVM 5461仪器的两极探测线；⑦检查接线并确认开始实验，打开RVM 5461电源开关，设置极化电压（该文选取为400V）、充放电时间比（该文选取为2）、充电时间范围等量；⑧依次进行各充电时间下的回复电

图4 实验装置及接线方式Figure 4 Test device and wiring diagram

y压测试，并保存其间获取的回复电压参数；⑨实验结束，记录数据以及自动生成的回复电压极化谱；⑩重新调整绝缘纸量，进行下一个实验项目。

3 油纸系统绝缘层数实验

目前，对于回复电压法的研究主要还是基于特定绝缘结构下展开的，而实际中油纸绝缘变压器由于电压等级、容量和结构等方面的不同，其油纸比例上也存在不同，所以为了以后能够应用回复电压法准确诊断各种不同变压器绝缘状态，将研究成果与实际变压器绝缘系统情况相结合，对绝缘系统的油纸比例进行实验研究，而当盛样装置内的绝缘油量一定时，油纸比例问题又可转为对绝缘层数上的讨论。

3.1 绝缘纸层数与回复电压最大值的关系

将不同充电时间下的Urmax绘制成极化谱，如图5所示，可以看出，随着绝缘层数的增加，极化谱的主时间常数呈增大趋势，这与文献［10］中的结果相吻合，而8层绝缘纸情况下，极化谱起始的局部峰值可能是由于上次测试时的残余电荷未完全释放，随着充电时间的增加，其影响可忽略。已有研究表明，变压器油对应着快速极化过程，绝缘纸与缓慢极化过程相对应，当绝缘层数增加时，可认为绝缘系统的油纸比例降低，快速极化作用相对减弱，绝缘电阻有所增大，绝缘系统两端的等效电容降低，电容上存储的电荷也将减少，此时的回复电压最大值Urmax下降（实验中下降趋势不是很显著），极化谱主时间常数增大，与文献［11］中的仿真结论相吻合。

图5 绝缘层数与回复电压最大值的关系Figure 5 Relationship between numbers of insulating layer and maximum recovery voltage

3.2 绝缘纸层数与峰值时间的关系

绝缘纸层数对不同充电时间下的回复电压峰值时间Tpeak的影响如图6所示，可以看出，当绝缘层数一定时，峰值时间Tpeak随着充电时间的增加而增加，当充电时间较小时，增加绝缘层数，Tpeak值的变化情况不明显，随着充电时间增大，不同绝缘层数下的Tpeak值则出现分叉。但固体绝缘强度增强，缓慢极化过程则占据主要地位，峰值时间应相对增大，因此，图6中的峰值时间曲线后段的实验结果还有待深入研讨，目前可证实Tpeak随绝缘层数变化而变化。

图6 绝缘层数与回复电压峰值时间的关系Figure 6 Relationship between numbers of insulating layer and peak time

3.3 绝缘纸层数与初始斜率的关系

各次充电时间下，回复电压初始斜率Sr总体随着绝缘层数的增加而下降，如图7所示，可以看出，绝缘系统的绝缘纸层数较少时，Sr值较大，并随着层数增加而快速降低，最后变化缓慢。通过前期研究发现，初始斜率越大则系统的绝缘状态越差，所以一般层数少的绝缘状态不如层数多的好，适当增加绝缘纸层数有利于提高绝缘性能。

图7 绝缘层数与回复电压初始斜率的关系Figure 7 Relationship between numbers of insulating layer andinitial slope

综上可得，绝缘纸层数可对回复电压最大值、峰值时间和初始斜率分别产生影响。另外，绝缘纸层数与系统的绝缘状态好坏直接相关，绝缘纸层数越多，系统绝缘状态相对越好，所以利用回复电压特征量亦可对因结构和大小导致油纸比例不同的实际变压器进行绝缘状态分析。

4 不同容量变压器回复电压测试分析

根据实际需求和用途的不同，变压器的型号多种多样，而一台变压器的结构体积主要与其额定容量大小相关，笔者将对相同电压等级不同容量的油纸绝缘变压器做回复电压测试，获取各次的回复电压最大值、峰值时间和初始斜率（从第1次到第15次的试验充电时间分别为0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，50，100，200，500和1 000s），通过对比分析，得出容量不同的变压器对回复电压测试有何影响。进行测试变压器的基本信息如表1所示。

表1 不同容量测试变压器的基本信息Table 1 Basic information of four transformers

1）回复电压最大值Urmax。

电压等级分别为110和220kV时，不同容量在n种不同充电时间情况下的回复电压最大值变化如图8，9所示，从而可知，一台变压器的实测Urmax与其容量相关，且测试结果表明二者呈递增关系，即在其他因素相近的情况下，变压器的容量越小，其Urmax也越小，反之越大。而其原因可结合模拟实验分析，一般来说变压器容量越大，其体积也有所增大，可认为其绝缘纸层数也相对增加，所以使得Urmax随变压器的绝缘电阻增大而相应增大，从而现场测试与实验结果相一致，则变压器容量越大，其Urmax将越大。

2）回复电压峰值时间Tpeak。

同一电压等级下不同容量变压器回复电压峰值时间Tpeak的对比如图10，11所示，从图中可见，电压为220kV时的变化规律比电压为110kV时的更明显，图10中只有10，100，200和500s这4个充电时间下变压器T2的Tpeak比T1的小，总体上而言，容量大的变压器峰值时间Tpeak相对容量小的峰值时间稍大。同时可知，有时实验结果与现场实际变压器的测试结论相左，所以必须通过大量回复电压测试情况来验证实验结论的可行性。

3）初始斜率Sr。

如图12，13所示，从不同容量变压器的回复电压初始斜率Sr对比情况可以看出，电压等级110kV的变压器容量越大，初始斜率值也越大，而容量较小变压器的初始斜率则相对较小；而220kV变压器进行对比时，只有在充电时间较小时才和110kV测试结果相同，当充电时间较大时，变压器T3的初始斜率更大，通过数据观察，T4的初始斜率变化并不是正常衰减，后期出现凸起现象，分析原因应该是充电时间越大时，引入外界干扰的可能性有所增加。

图8 不同容量110kV电压等级变压器的回复电压最大值Figure 8 The maximum recovery voltage of transformers on different capacity and 110kV voltage level

图9 不同容量220kV电压等级变压器的回复电压最大值Figure 9 The maximum recovery voltage of transformers on different capacity and 220kV voltage level

图10 不同容量110kV电压等级变压器回复电压峰值时间Figure 10 The peak time of transformers on different capacity and 110kV voltage level

图11 不同容量220kV电压等级变压器回复电压峰值时间Figure 11 The peak time of transformers on different capacity and 220kV voltage level

图12 不同容量110kV电压等级变压器回复电压初始斜率Figure 12 The initial slope of transformers on different capacity and 110kV voltage level

图13 不同容量220kV电压等级变压器回复电压初始斜率Figure 13 The initial slope of transformers on different capacity and 220kV voltage level

综上可知，各回复电压参数结果均受到实际油纸绝缘变压器容量的影响，从而当利用回复电压法对不同容量变压器进行绝缘状态对比研究时，必须考虑到变压器容量上的差异，即变压器电压等级和容量接近时，回复电压测试结果才有可比性。所以在今后研究中，需不断扩充各容量电压等级实际变压器的回复电压数据库，同时已研究建立基于回复电压的绝缘状态评估准则要与实际变压器的容量等相对应。

5 结语

笔者通过实验室模拟回复电压测试，定性研究分析了绝缘纸层数对绝缘系统回复电压特性的影响。从多次实验结果可知，绝缘层数与回复电压特征量之间有较好的相关性。另外结合油纸绝缘变压器现场实测数据分析，回复电压最大值Urmax随着变压器的容量或绝缘层数增大而增大，而初始斜率Sr随着变压器容量或绝缘层数增大而减小。实验部分可辅助研究老化与回复电压特征量的内在联系，但对于该法老化判据的确立还得回归到实际变压器中的测量上，有效地获取变压器绝缘状态的评估结果，从理论与实验步入到实际回复电压测试具体应用的重要一步。

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