油纸绝缘水分平衡样品的制备及水分评估频域特征量提取

高 竣 廖瑞金 王有元 吕彦冬 杨丽君 刘捷丰 汪 可

（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044

2.阿尔斯通电网技术中心有限公司 上海 201114

3.中国电力科学研究院 北京 100192）

0 引言

大型油浸式电力变压器的绝缘结构在长期运行过程中会受到电场、水分和温度等多种因素的联合作用而逐渐老化。其中，水分被认为是除温度外，危害变压器绝缘的“头号敌人”[1,2]。相关研究成果表明：变压器油纸绝缘中的水分含量每增长一倍，绝缘寿命将减半[3-5]。因此，通过深入研究水分对变压器油纸绝缘特性的影响，提出更好地评估变压器油纸绝缘系统含水量的方法，对延长变压器使用寿命、保障供电可靠性等方面具有十分重要的实际意义[6-13]。

目前，评估油纸绝缘系统纸板水分含量的常规方法是，在变压器停运后采用卡尔费休滴定法测量绝缘油中的水分，然后根据油纸水分平衡曲线，由变压器油中微水含量推测绝缘纸板的受潮程度。然而，这种方法具有诸多不足：首先，在取样过程中大气中的水分不可避免地进入油样，给试验结果带来误差，特别是油样水分含量较低时，误差的影响将更明显；其次，为了更好地确定纸板的受潮程度，油纸的水分含量必须处于平衡状态，实际中可通过调节负荷、冷却器投入方式等方法，让变压器处于一个相对稳定的温度来减小误差[3]，但这种方法的误差也较大。总之，简单地依靠变压器油中的微水含量来评估绝缘纸板乃至整个变压器的受潮程度是不准确、不全面的[7-9,13]。

以介质响应理论为基础的回复电压法（Recovery Voltage Method，RVM）、极化去极化电流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）和频域介电谱法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）作为一种无损的电气诊断技术[14-22]，能够弥补现有传统理化参量诊断方法的不足，有效地诊断变压器的绝缘状态，成为目前国内外学者研究的热点之一。相比于前两种方法，FDS测量频带窄，受噪声干扰程度小，所需试验电源电压低，携带信息丰富，更适用于变压器绝缘状态的现场诊断[5,13]。为了推动介质响应技术应用于变压器油纸绝缘水分含量的定量评估，有必要对变压器油纸绝缘水分迁移的微观机理及水分不平衡分布下油纸绝缘的介质响应特性进行深入研究。截止到目前，关于变压器油纸绝缘水分FDS的研究，国内外专家和学者尚处于试验现象和FDS测试结果定性分析阶段；当油纸水分平衡后，如何量化频域介质响应图谱与绝缘纸板水分含量的关系尚未得到有效解决。然而这是将 FDS应用于现场诊断变压器绝缘状态亟待解决的一个关键性问题。再者，为了推动介质响应技术应用于现场电力变压器油纸绝缘水分含量的定量评估，对如何真实可靠地建立不同水分含量且油纸水分平衡的介质响应数据库，目前鲜见报道。

本文研究了一种不同含水量油纸绝缘样品的制备方法，并深入分析了油纸水分迁移暂态过程及稳态过程中的频域介质响应，量化了绝缘纸板水分含量与频域特征参量之间的关系，最后，通过卡尔费休滴定法对油纸水分迁移过程中以及平衡后的绝缘纸板样品进行水分含量测试。

1 油纸水分平衡样品的制备

1.1 试验材料预处理与测试设备简介

试验用的绝缘油为未老化的克拉玛依产25#环烷基矿物油。为了方便频域介质响应的测试，试验用的普通牛皮绝缘纸板加工成直径为85mm，厚度为2mm的圆形纸板。为了尽量使纸板均匀干燥，将其固定在卡槽上，卡槽上有锯齿状槽，用4根支撑夹紧绝缘纸板，并用铜丝缠绕固定，如图1所示。

图1 绝缘纸板与卡槽Fig.1 Pressboards and support bars

测试设备简介：测试系统采用实验室自制的三电极测试装置，该装置的内部结构与实物如图2所示。高压、低压及保护电极均采用黄铜制成，被测样品置于测量电极与高压电极之间。为了消除沿面泄漏电流对测试结果的影响，在测试电极外围增加保护电极。FDS的测试设备选用奥地利OMICRON公司生产的介质响应分析仪DIRANA，输出电压峰值±200V，测量电流±50mA，分辨率0.1pA。

图2 三电极测量系统Fig.2 Measure system with three electrodes

1.2 不同含水量油纸绝缘水分平衡样品的制备

本次试验制备了水分含量期望值分别为 1%、2%、3%、4%且水分平衡的油纸样品。具体的试验步骤如图3所示。首先，将未老化的绝缘油与绝缘纸板放在真空干燥箱中进行干燥、脱气，然后将经上述处理后的绝缘纸板放于干燥后的绝缘油中真空浸油 48h，浸完油后用卡尔费休水分仪测量纸板中的初始水分含量并计算出纸板达到水分含量期望值时的重量；接着，在常温下将浸油后的绝缘纸板分别放入高精度电子天平上吸潮，当纸板的重量达到期望值后，将纸板与干燥好的绝缘油一起置于三电极装置中，并用密封胶密封；最后，将三电极装置置于温湿度分别为60°C/50%RH的恒温恒湿箱中进行油纸水分平衡并定期（测试时间为0天、4天、8天、12天）测量纸板的水分含量及频域介质响应。

图3 不同水分含量的样品制备流程Fig.3 Flowchart of sample preparation with different moisture contents

为了提高测试结果的可靠性，绝缘油与纸板水分含量分别进行了3次测试，取平均值作为最终测试结果。绝缘油和绝缘纸板的水分含量均采用Karl Fischer滴定法进行，参照标准IEC 60814和ASTM D1533。其中绝缘油的初始水分含量为8.5×10-4%，用于制备四种水分含量纸板（1%、2%、3%、4%）的初始水分含量分别为0.74%、0.78%、0.82%和0.84%。

2 测试结果及分析

2.1 暂稳态频域介质响应及特征参量提取

本文以水分含量期望值为2%的绝缘纸板为例，研究了油纸水分迁移过程中 tanδ频域谱的暂态响应特性，如图4所示。可以看出，随着平衡时间的增加，绝缘纸板中的水分逐渐向绝缘油中迁移，而tanδ在 10-3～100Hz的低频段内有略微减小的趋势。水分在油纸绝缘之间迁移对频域介质响应的影响主要体现在以下两个方面：一方面，由于纸板中水分子的减少，与水分子结合形成附着带电离子的亲水性离子或基团会减少，造成离子式极化减弱；另一方面，水分子的减少会降低自身在电场作用下形成诱导偶极矩的概率，进一步削弱了油浸绝缘纸板的偶极子极化。

图4 油纸水分迁移时的tanδ频域谱Fig.4 tanδ of oil-paper insulation in the migration process of moisture

图5给出了不同水分含量油纸绝缘水分平衡后的tanδ测试曲线。由图5可以看出，随着绝缘纸板水分含量的增加，tanδ整体向高频方向移动的趋势较为明显。绝缘纸板中水分含量的增加，不仅导致油纸夹层界面极化损耗增大，而且增大了油纸二相复合绝缘的电导率，从而增大了油纸绝缘的电导损耗，因此，tanδ随着绝缘纸板水分含量增加有整体上移的趋势。

图5 油纸水分平衡后的tanδ 频域谱Fig.5 tanδ of oil-paper insulation after moisture equilibrium

经过上述分析，油纸绝缘水分平衡后，水分含量的增加导致纸板的 tanδ在 10-3～101Hz显著增加，本文将不同特征频率下的 tanδf测量值与绝缘纸板的水分含量进行拟合发现，tanδf与绝缘纸板水分含量有拟合优度非常高的指数关系，如图6所示。式中，mc为绝缘纸板水分含量；tanδf为特征频率处的介质损耗因数（所选特征频率为f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz）；A、B、C为与绝缘纸板水分含量相关的拟合常数，各参数值及拟合优度见表1。

图6 绝缘纸板tanδf与水分含量的关系Fig.6 Quantitative relationship between tanδf and moisture content in pressboard

表1 绝缘纸板tanδf与水分含量的拟合方程Tab.1 Fitting equations between tanδf and moisture content of pressboard

图7为水分含量期望值为 2%的纸板在水分迁移过程中复电容实部C′ 的测试结果。可以看出，纸板中的水分向绝缘油迁移的暂态过程中，油纸样品在10-3～100Hz低频区，C′ 随纸板水分含量的减少而略微减小，而在101～103Hz范围内C′ 基本不变。因为水是强极性分子，水分含量的减小将导致油浸绝缘纸中单位体积内参与极化的分子数目减少，油纸绝缘样品极化程度减弱，故其复电容实部在低频区随水分含量减少而减小。

图7 油纸水分迁移时复电容实部Fig.7 Real part of complex capacitance of oil-paper insulation in the migration process of moisture

图8 油纸水分平衡后的复电容实部Fig.8 Real part of complex capacitance of oil-paper insulation after moisture equilibrium

图8给出了油纸水分平衡后不同水分含量纸板C′的测试曲线，由图8可以看出，油浸绝缘纸板的复电容实部在 10-3～100Hz范围内随水分含量的增加而迅速增大，而在101～103Hz范围内复电容实部差别很小。因此根据C′在不同的频段下对水分的敏感程度不同，本文将其敏感频率下的C′f测量值与绝缘纸板含水量进行拟合，发现C′f与纸板水分含量有拟合优度较高的线性关系，如图9所示。

图9 绝缘纸板C′f与水分含量的关系Fig.9 Quantitative relationship between C′f and moisture content of pressboards

式中，mc为绝缘纸板水分含量；C′f为特征频率处的介质损耗因数（所选特征频率为f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz）；A、B为与绝缘纸板水分含量相关的拟合常数，各参数值及拟合优度见表2。由表2可看出，除了频率为10-1Hz下的tanδf和水分含量指数关系的拟合优度稍低外，其余特征频率处tanδf拟合优度达到了0.9以上。

表2 绝缘纸板C′f与水分含量的拟合方程Tab.2 Fitting equations between C′f and moisture content of pressboards

值得一提的是，本文所获得的实验数据是基于2mm厚的普通牛皮绝缘纸板，通过测量 tanδf值或C′f值估算被测试品的水分含量，而且目前能准确评估的水分含量区间有限，因此下阶段需要对其他厚度及含水量的纸板进行相关试验和公式修正。

图10为水分含量期望值为2%的纸板在水分向绝缘油中迁移时的复电容虚部C″的变化规律。可以看出，纸板中的水分向绝缘油迁移的暂态过程中，油纸样品在10-3～101Hz频率区间内，C″随纸板水分含量的减少而略微减小，而在102～103Hz范围内C″基本不变。图11给出了油纸水分平衡后的复电容虚部，可以看出，其随频率的变化规律和图5中的tanδ很相似，随绝缘纸板水分含量的增加，复电容虚部C″向高频方向移动。纸板水分含量的增加不仅导致界面极化损耗增大，同时会增大油纸的电导率，进而提高电导损耗，因此，C″随水分含量增加而增大。同时发现，C″在10-3～101Hz频率区间，C″f和水分含量依然存在明显的指数函数关系，其规律和tanδ类似，由于篇幅有限，这里就不再赘述。

图10 油纸水分迁移时复电容虚部Fig.10 Imaginary part of complex capacitance of oil-paper insulation in the migration process of moisture

图11 油纸绝缘水分平衡后的复电容虚部Fig.11 Imaginary part of complex capacitance of oil-paper insulation after moisture equilibrium

2.2 卡尔费休测试结果及分析

表3给出了不同水分含量纸板的卡尔费休测试结果。可以看出，油纸水分平衡过程中，纸板样品的温度升高到 60℃导致了纸板中的水分向绝缘油中迁移，图4、图7和图10也能说明此问题。

由表3的实测结果可知，当油纸水分平衡后，纸板中的水分实测值与期望值相差很小，这主要是油纸水分平衡后，绝大部分水分存在于纸板中，绝缘油中的水分在整个油纸绝缘系统中占得比例非常小，因此水分在油纸系统中达到平衡的所需的时间也相对较短。因此，本文所提出的不同水分含量油纸样品制备方法可以较为准确的制备出不同水分含量且油纸水分平衡的样品。

表3 不同水分含量的绝缘纸板水分测试结果Tab.3 Measured results of pressboards under different moisture contents（%）

3 结论

本文研究了一种油纸绝缘水分平衡样品的制备方法，并深入分析了油纸水分迁移暂态与稳态过程的频域介质响应，最后利用卡尔费休水分仪测试了纸板样品在油纸水分平衡前与平衡后的水分含量，得出的结论如下：

（1）绝缘纸板中的水分向绝缘油迁移的暂态过程中，介质损耗因数tanδ、复电容实部C′、复电容虚部C″在低频段内（10-3～100Hz）均有略微减小的趋势。

（2）油纸绝缘水分平衡后，介质损耗因数tanδ与复电容虚部C″在10-3～102Hz的范围内随水分含量的增加而增大，且曲线均向高频方向移动。

（3）油纸绝缘水分平衡后，在所提取的特征频率处（f=10-3Hz、f=10-2Hz、f=10-1Hz、f=100Hz），介质损耗因数tanδ、复电容实部C′和虚部C″均与绝缘纸板的水分含量存在特定的函数关系。

（4）本文所提出的制备方法可以较为准确地制备出不同水分含量且水分平衡的油纸绝缘样品。

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