油纸绝缘变压器时域极化谱特性实验分析

邹 阳 蔡金锭

油纸绝缘变压器时域极化谱特性实验分析

邹 阳 蔡金锭

（福州大学电气工程与自动化学院 福州 350108）

本文旨在研究油纸绝缘介质老化机理与弛豫响应特征量之间的内在关系，将RVM（Return Voltage Measurement）技术应用于油纸变压器绝缘状态的无损诊断。通过RVM实验测量平台，测得恒温条件下不同微水含量、不同内部结构和不同老化状态的油纸绝缘样品对应的回复电压时域极化谱线，根据实验数据分析出不同绝缘状态下油纸绝缘时域极化谱特性参数的变化规律，并结合介质极化响应理论，阐明特征参数弛豫特性变化机理。实验结果表明：时域回复电压极化谱中回复电压最大值和主时间常数的位置改变，能有效反应油纸绝缘受潮和老化情况；初始斜率在充电时间10-2～101s、峰值时间在充电时间101～104s的量值大小，构成无损诊断的信息依据；初始斜率是老化程度的直接反馈参量，以区分水分对极化谱特性的影响；主时间常数可甄别绝缘结构不同的变压器绝缘状态，其与微水含量的指数函数关系，可用于延缓变压器受潮，提高运行可靠性。

老化 时域极化谱 油纸绝缘 弛豫响应 实验

1 引言

电力变压器作为电力系统重要的电力设备之一，但由于长期受到电、热、机械和环境等因素影响，变压器内部绝缘材料会发生一系列物理和化学变化，导致设备绝缘老化，变压器设计寿命缩短，降低系统稳定性等影响。因此，研究油纸变压器绝缘老化诊断理论和方法具有重要应用价值[1-4]。

目前，国内外学者多通过油中糠醛含量、溶解气体和绝缘纸聚合度分析的非电气特征量法研究油纸绝缘老化诊断问题，其理论体系较成熟[5]。但存在溶解气体归属不明，介质采样困难以及中途滤油等影响[6-7]。

以介质响应理论为基础的电气特征量诊断方法，是一种利用绝缘介质极化响应特性及其特征量，来获取变压器受潮和老化等信息的无损的现场诊断方法。其包括时域介质响应测量的回复电压法（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和频域介质响应测量的频域介电谱测量（FDS）[8-10]。其中FDS仅能用于低频段测试，且温度和热老化会影响测量结果[11-12]；PDC由于所测电流值太小，且测试时间长，现场温度变化及电磁干扰，易影响测量准确性[13-14]。

RVM研究始于Bognar A对绝缘纸水分含量和老化状态的监测[15]，目前受关注度高是因为其敏感度高、信息量大，抗干扰能力强，且便于现场测试。Osvath P等研究了回复电压特征量和变压器老化程度的关系[16]；Csepes G等分析了RVM用于变压器固体绝缘诊断的有效性[17]；文献[18]通过加速老化实验研究了特征量与不同老化程度的对应关系。然而由于油纸绝缘介质响应机理复杂，存在水分和老化对回复电压参数的影响未能有效区分，不同变压器结构引起极化谱差异误导绝缘状态的有效测量等问题；且变压器现场测试必须停运，机会少有，因此，目前较多研究围绕着建立变压器模型进行实验研究，探寻RVM诊断变压器绝缘状态的实效性。

本文通过变压器油纸绝缘RVM实验测量平台，测试不同微水含量、内部结构和老化状态的油纸绝缘样品对应的回复电压极化谱，总结出不同绝缘状态时回复电压特征参数的变化规律，为将RVM用于无损诊断变压器绝缘状态寻找依据和应用价值。

2 RVM测量依据与原理

回复电压法测量分为充电、放电、测量和松弛四步，其流程示意图如图1所示。首先对绝缘介质两端施加直流高压充电，即电介质极化；接着两电级短路，电介质去极化开始释放电荷。若将两电极开路，由于去极化持续，未释放完的电荷便在两电极间产生一个电势差，即需测量的回复电压。测量完后绝缘介质充分接地，释放残余电荷，即为松弛[19-20]。

图1 回复电压测量流程示意图Fig.1 Measurement process of return voltage

充电时间tc取值范围10-2～104s，由小及大逐步改变tc值，记录每个tc对应的回复电压的三个特征参数:回复电压最大值Urmax、初始斜率Sr(dUr/dt)和峰值时间tpeak。拟合每次测得的回复电压最大值Urmax与对应tc的关系曲线，即回复电压极化谱[21]。

图2即为一典型的油纸绝缘回复电压极化谱，其中出现最大Urmax时，所对应的tc时间，称为主时间常数tcdom。

图2 典型油纸绝缘变压器极化谱Fig.2 Typical polarization spectrum of oil-paper transformer

变压器绝缘介质主要为绝缘油和绝缘纸，极化后由于油是弱极性分子，恢复较快；但纸和水的缓慢极化使得电极间仍有一个电压。回复电压测量恰是利用缓慢极化中回复电压值、弛豫时间等特征参数与绝缘性能的密切关系[22]，研究不同绝缘状态特征参数的变化规律，从而无损诊断油纸绝缘状态。

3 变压器油纸绝缘RVM实验测量

3.1实验装置和条件

变压器油纸绝缘系统主要由绝缘油、绝缘纸、隔板和撑条等组成，绕组间的油和纸是介质主体，且隔板和撑条主要成分为纤维素，因此按变压器油纸绝缘系统的结构单元，设计实验模型如图3所示。

图3 油纸绝缘系统模型示意图Fig.3 Model of oil-paper insulation system

实验用25#新疆环烷基变压器油和0.1mm厚的变压器专用纤维素绝缘纸。回复电压测试仪RVM5461，可在tc为10-2～104s范围内测得回复电压值、初始斜率和峰值时间等特征参数，并通过RS-232接口与计算机连接，通过计算机读取并分析数据拟合得到回复电压极化谱。盛样装置为硼硅酸盐玻璃器皿（耐高温、腐蚀），具有良好的密封性，其与RVM5461的接线如图4所示。考虑环境因素影响，本实验在独立空调小室进行，以保证空气湿度小，环境噪声小和温度稳定（设定30℃），避免影响实验结果。

图4 实验装置示意图Fig.4 The experimental device

3.2RVM实验结果分析

3.2.1 微水含量不同的回复电压极化谱特性

水分是变压器绝缘受潮和老化后的极性分子产物，其含量增加会影响变压器寿命和供电可靠性，因此有必要研究微水含量变化对应的回复电压特征值变化规律。

将绝缘纸放入101型鼓风干燥箱干燥24h后，浸入干燥后的绝缘油中，摄入不同含量的水分后，密封并充分浸泡12h，得到微水含量不同的油纸绝缘样品。通过RVM5461测试获得各个样品的特征参数并绘出回复电压极化谱如图5所示。

由图5可知，微水含量越多的极化谱，Urmax最大值出现越早，即主时间常数tcdom越小，且Urmax最大值越大。其原因分析如下:水分子固有偶极矩μ较大，极性强，其含量增多会加剧界面极化，使极

图5 不同水分含量的回复电压极化谱Fig.5 The polarization spectrums of reply voltage with different Moisture content

化响应速度变快，所以tcdom变小；同时水分含量增多，会加速绝缘纸纤维素的水解，使杂质粒子变多，导致更多残余极化电荷聚集，极化更剧烈，造成绝缘介质耐电性能下降，电导率和介电常数变大，因此，Urmax最大值随着微水含量增多而变大，可见时域极化谱能有效反映绝缘系统中微水含量的不同。为了量化其关系，采用CA-100水分测定仪对不同主时间常数绝缘样品对应的微水含量进行测试，测试结果见表。经过对表中测试数据的拟合得到微水含量与tcdom的指数关系式为

式中，t为时间常数，s；h为微水含量，%。由式（1）可知，微水含量每减少0.35%，主时间常数tcdom约增长一倍，因此可利用主时间常数诊断油纸绝缘状态，进而为采取措施减少绝缘水分，提高变压器工作性能提供依据。

表 主时间常数与微水含量的关系Tab. The relationship between dominant time constant and water content

微水含量增加，界面极化加剧，Urmax最大值加速出现，因此初始斜率Sr值更大。tc在10-2～101s范围内，初始斜率对微水含量变化反应敏感；且同一tc下，微水含量越多，电导率和介电损耗变大，所以Sr值越大，如图6所示。

图6 水分对回复电压初始斜率的影响Fig.6 The initial slope of reply voltage with different Moisture content

由RVM原理，峰值时间Tpeak与初始斜率Sr成反比，因此微水含量越多，峰值时间Tpeak越小。在tc为100～104s范围内，峰值时间变化明显。因为水分极化缓慢，其反应在大时间弛豫环节，且水分主要附着在绝缘纸上，所以通过Tpeak值可诊断绝缘纸的状态，如图7所示。

图7 水分对回复电压峰值时间的影响Fig.7 The peak time of reply voltage with different moisture content

由上可知，油纸绝缘微水含量越大，极化谱回复电压最大值越大且主时间常数越小，主时间常数与微水含量成指数关系。初始斜率在tc为10-2～101s变化明显，可用于判断绝缘受潮情况；峰值时间在tc为100～104s范围内可诊断绝缘纸的状态，其变化情况与初始斜率相反。

3.2.2 内部结构不同的回复电压极化谱特性

利用RVM技术诊断不同内部绝缘结构的变压器是目前研究的一个热点。考虑到变压器内部均为多层油道与绝缘纸结合的结构，实验用绝缘纸层数变化来等效其内部结构不同，研究其对极化谱的影响。实验采用干燥24h后的绝缘纸制成层数不同的绝缘样品，在绝缘油中密封浸泡12h后用于实验测试。

由图8可知，随着层数减少，回复电压极化谱主时间常数呈减小趋势，回复电压最大值略增大。随着tc增加，初始斜率Sr总体呈减小趋势，且同一tc时间下，绝缘层数越多，初始斜率Sr值越小，如图9所示。峰值时间Tpeak随着tc增加而变大，同一tc时间下，层数越多，Tpeak值也越大，如图10所示。其原因分析如下:绝缘介质极化，介质表面出现束缚电荷，极板电荷面密度变为σ=σ0+σ′，由静电场Gauss定理[22]，若外加电压U不变，则场强E（E=U/d）不变，绝缘样品等效电容为

式中，σ0为真空时电荷面密度；σ′为束缚电荷面密度；S为极板面积；d为介质厚度。

图8 不同绝缘结构与回复电压极化谱的关系Fig.8 The polarization spectrums of reply voltage with different insulation structure

图9 绝缘层数与回复电压初始斜率的关系Fig.9 The initial slope of reply voltage with different insulation structure

图10 绝缘层数与回复电压峰值时间的关系Fig.10 The peak time of reply voltage with different insulation structure

当绝缘纸层数减少时，可表征为绝缘状态变差，此时绝缘电阻值变小，等效电容值增大，与变压器绝缘受潮老化后，绝缘介质极化特性改变，相对介电常数εr变大，介质厚度d变小引起等效电容C增大（见式（2））的逻辑关系一致。由于绝缘状态变差，极化建立时间更短，则主时间常数变小，初始斜率Sr变大，Tpeak值变小。

由于内部结构不影响绝缘介质弛豫特性，因此可用tcdom来甄别不同结构变压器的绝缘状态。同一台变压器通常内部结构变化不大，即等效电容C稳定，在RVM测量时，若Sr变大，对应Tpeak值变小，则去极化电流变大，表征变压器绝缘状态变差。

由上可知，主时间常数的大小可区分出不同内部结构变压器的绝缘状态；初始斜率Sr变大，Tpeak值变小，可表征变压器绝缘状态劣化。

3.2.3 不同老化程度回复电压极化谱特性

变压器长期运行，绝缘老化程度会加深，导致单位体积内极性粒子数量增多。这样不仅会使绝缘纸聚合度降低，绝缘性能下降，而且会使绝缘介质电导率和介质损耗变大，更易极化。由于绝缘介质极化特性和微观极化率α的关系满足Clausius方程[22]，即

式中，N为电介质单位体积内粒子数。若介质有效场强Ei与介质宏观平均场强E等效，即Ei=E，则介电常数εr与微观极化率α成正比。因此不同老化状态下，介质极化率改变引起介电常数变化，成为分析绝缘状态的手段。在RVM测量中，回复电压值、弛豫时间等特征参数是绝缘极化的结果，以此研究老化与回复电压特征参数的关系。

图11中，老化前后回复电压最大值都是先增大再减小，其原因是充电初期时间短，松弛极化未完全建立，只有弱极性分子迅速去极化，而其他分子电偶极矩有序化未完全形成；随着tc增大，时间常数τ增大，强极性分子的界面极化、转向极化充分完成，则介质极化强度趋于稳定；若tc再增大，则td也在增大，此时极化过程已临上限，而去极化过程持续加剧，去极化电流变大，所以回复电压最大值会随着tc增大而减小。其次，由于老化越严重，松弛极化反应越强，所以Urmax峰值出现更早，即主时间常数tcdom小；残余极化电荷增多，Urmax峰值变大。

图11 绝缘系统老化对回复电压极化谱的影响Fig.11 The polarization spectrums of reply voltage with different aging level

由于高温是绝缘老化的直接原因，受绝缘热老化影响，初始斜率Sr与极化电导率σβ关系为[23]

式中，E为外加直流电场；ε0为真空介电常数。当外加电压恒定时，Sr与σβ成正比，结合绝缘老化机理，Sr可作为绝缘老化的判断依据，以此区分老化和受潮对变压器极化谱的影响。老化严重后，则极性分子增多，使得绝缘介电常数增大，电导率变大，因此Sr较之老化前，数值更大，如图12所示。

充电时间10-2～101s范围内，绝缘介质偶极子极化不充分，回复电压峰值时间Tpeak在老化前后，区别不明显。随着充电时间增加，极化过程越加剧烈，Tpeak值开始增大，且同一tc下，Tpeak值老化后比老化前小，如图13所示。

图12 绝缘系统老化对回复电压初始斜率的影响Fig.12 The initial slope of reply voltage with different aging level

图13 绝缘系统老化对回复电压峰值时间的影响Fig.13 The peak time of reply voltage with different aging level

由上可知，老化程度加深后，绝缘介质中杂质增多，使绝缘性能下降，引起绝缘介质特性变化，电导率和介质损耗变大，因此极化更快速，使得主时间常数减小，且杂物粒子增多，充分极化后，极化谱回复电压最大值变大。由于极化强度加强，使得极化电导率变大，引起初始斜率变大，以区分受潮对极化谱的影响；结合tc＞101s区间，Tpeak值反应敏感，老化后Tpeak值小于老化前，诊断绝缘老化程度。

4 结论

本文研究了不同绝缘状态油纸绝缘介质回复电压极化谱特性，结合实验对相关谱线进行分析，得到如下结论:

（1）微水含量增多，回复电压最大值增大，主时间常数减小，对应的初始斜率值增大，峰值时间减小，且微水含量与主时间常数存在量化关系。由于绝缘系统中，99%的水分都附着在固体绝缘中，因此可以利用回复电压极化谱和特征参数的变化规律，诊断变压器固体绝缘的性能，避免变压器吊罩、取样造成物理损伤。

（2）回复电压极化谱能有效反映变压器绝缘系统内部结构差异和绝缘状态的变化，其中主时间常数可鉴别不同内部结构变压器的绝缘性能，从而奠定了无损诊断基础。

（3）绝缘老化程度加深，极化谱回复电压峰值会变大，且主时间常数会减小；在充电时间大于101s后，Tpeak值变化显著，可作为诊断参量。并且老化加剧，老化产物增多，极化更充分，通过极化电导率与初始斜率的关系，可诊断绝缘老化程度，以区分老化和受潮对绝缘的影响。

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Experimental Analysis on Time-Domain Polarization Spectrum of Oil-Paper Insulation Transformer

Zou Yang Cai Jinding
（College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350108 China）

Return voltage measurement(RVM) is being investigated for condition assessment of transformer insulation, in order to study inherent laws between the mechanism of oil-paper insulation aging and the characteristics of relaxation response. A measurement platform is established for RVM experiments at a constant temperature in the paper, and time-domain polarization spectrums of return voltage are tested with different water content, geometric conditions and aging conditions. The variation of oil-paper insulation transformer’s return voltage is analyzed by the experimental data and dielectric polarization response theory. The results of experiments show that polarization spectrums of return voltage can be used to diagnostic the water content of oil-paper insulation transformer and aging conditions; not only the initial slope of the charging time between 0.01s and 10s but also the peak time of the charging time between 10s and 10 000s are important basis for non-destructive diagnosis; the initial slope can directly reflect the aging degree, which is used to distinguish the effects of moisture on the polarization spectrums; dominant time constant which is exponential relationship with moisture content can identify the condition of different transformer, it’s significant to delay the transformer moisture and improve its operational reliability.

Aging, time-domain polarization spectrums, oil-paper insulation, relaxation response, experiments

TM835

邹 阳 男，1980年生，博士研究生，研究方向为电气绝缘老化设备诊断。

国家自然科学基金资助项目（61174117），福建省中青年教师教育科研项目（科技A类）（JA13053），福州大学科技育苗专项基金（2013-XY-5）资助项目。

2014-11-03 改稿日期 2015-01-16

蔡金锭 男，1954年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统故障诊断的研究。