基于频域介电特征参量的电容性套管油纸绝缘老化评估初探

柯春俊 马志钦 杨 贤 周 丹

（广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

基于频域介电特征参量的电容性套管油纸绝缘老化评估初探

柯春俊 马志钦 杨 贤 周 丹

（广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

套管故障是引起变压器停运的主要原因之一，已成为目前保证电网的安全运行需亟待解决的问题。由于绝缘纸吸水性远大于绝缘油，研究水分对油纸电容式套管绝缘纸加速热老化过程中相关特性的影响，为其老化状态及受潮情况的评估提供理论依据，将具有重要的实际意义。实验结果表明：老化时间与油浸纸介损在特征区间的积分值符合线性规律，水分同介损在特征区间的积分宽度符合线性规律，说明介损积分值的所体现的信息不仅包含老化程度，还包含固体绝缘水分含量大小的信息，由此计算受潮情况下加速老化因子，并通过绝缘老化状态进行绝缘寿命损失率的计算tloss=（FEQM×tEQ）/（100Lp）。

电容性套管；老化；频域介电特性；绝缘寿命损失率

目前工程上通常采用测量绝缘系统的理化参数和电气参数，分析其变化规律对设备的老化状态进行评估［1-3］。理化参数中的绝缘纸聚合度及拉伸强度是能直接反映油纸绝缘的老化程度，但参数的获取必须对设备进行解体，从固体绝缘上有代表性的部分取样，不仅实施难度大，并且对固体绝缘造成很大的损伤；在电气参数方面，现场运行操作人员利用绝缘电阻、极化指数及介损因数等参数是否超标作为变压器绝缘受潮的诊断依据，但套管评估绝缘受潮老化的参数相对匮乏，主要是介损、电容量这些常用评估参量［4-5］。然而这些特性参量在获取和评估方面均存在一些缺陷，寻求能够有效地反映套管油纸绝缘老化及受潮情况的新特征参量及评估方法逐渐受到广泛的重视，将具有非常重要的学术研究价值和应用前景。

以介电响应理论为基础的回复电压法、极化去极化电流法和频域介电谱法是无损的诊断方法，具有抗干扰能力强，携带信息丰富等优点，近年来得到越来越多的学者的关注。目前对油纸套管的评估方法通常是在离线状态下进行参数测量，不具有时效性，故将频域介电谱法运用于套管在线故障诊断具有重要的实际意义。相关研究表明绝缘老化信息在介电响应图谱具有明显相关信息存在［6-9］，但依然局限于实验室内的探索研究，并未用于现场的老化诊断，并且油纸绝缘的频域谱容易受到水分、温度等因素的影响，特别是如何区分水分和老化对油纸绝缘介电性能的影响，对绝缘纸的水分含量和老化状态分别进行有效评估一直是国内外研究的难点。

本文通过对油纸套管的内绝缘进行结构与设计原理的研究，制备模拟套管油纸绝缘样品，并开展实验室内130℃加速热老化试验；对热老化试品的理化参数、频域介电特性参数进行研究，探寻水分对电容型套管内绝缘纸老化特性的影响，寻求可应用于现场评估并且能同时计及油纸绝缘水分含量和老化状态的新方法和特征参量，为现场油纸套管运行过程中受潮情况进行及时的诊断与反馈提供理论依据。

1 实验设计

本文老化模型采用指定绝缘纸层数，且各电容屏极板长度一致的结构，该结构有利于研究纸、油以及铝箔三者共同作用下的老化特性，虽然与实际套管电容芯子的结构特征有所差异，但相对于实验室机理研究该结果具有更好的操作性，实验性，并且满足套管绝缘设计要求及油纸比。铝箔极板尺寸见表1。

表1 试品中铝箔极板的尺寸

油浸纸电容式套管的电容芯子由电缆纸和多层铝箔极板卷制而成的圆柱形，如图1所示。电缆纸所用的密度0.7～0.9g/cm3，厚度0.08～0.15mm，常用0.12mm的纸带；铝箔极板一般厚约0.01mm。浸透变压器油后的电缆纸密度约为1.2g/cm3，εγ ≈ 3.5，工频常温下tanδ ≈ 0.3%，短时耐压强度达60MV/m。

图1 油纸电容式套管电容芯子示意图

试验温度为 130℃，既符合油纸绝缘老化耐热等级要求，同时也在老化机理不变前提下节省了试验周期。本文制备一组未干燥的电缆纸样品，水分梯度设置约为1%、3%、5%、7%四等。老化总时长为42天左右，取样间隔为7～8天，共取6次。

2 水分对电容式套管绝缘纸老化的影响分析

2.1 初始水分含量对绝缘纸老化速度的影响

本文采用零阶动力学模型［6-7］对电容型套管的油浸纸进行研究，如式（1）所示。

式中，t为试品老化时间；dDPt为老化时间为t时的绝缘纸聚合度；dDP0为绝缘纸聚合度初始值，k为老化速率。

四组样品油浸纸试品的绝缘纸聚合度随老化时间的变化趋势转换为动力学模型进行拟合，如图 2所示。

图2 绝缘纸聚合度的零阶动力学模拟

对目前关于油纸绝缘的绝缘纸聚合度零阶动力学模型进行研究，统计得基于此模型的绝缘老化速率见表2。

表2 不同水分含量油浸纸平均老化速率k及拟合优度R2

油纸套管的制作过程中水分控制十分严格，本文1#对比组试品的制作流程与实际套管的制作工艺一致，故设置以水分含量为1.116%的油浸纸的老化速率为基准热老化速率，并通过加入加速老化修正因数来反应初始水分含量对绝缘老化加速的程度，见表3。

表3 水分含量对老化的加速修正因数

在本文设置的基准老化速率下，得到不同水分含量对老化的加速程度的拟合函数f（θm），如图3所示。

图3 不同水分含量对老化速率的修正因子函数

式中，f（θm）为初始水分对老化的修正因数；m为初始水分含量，a、b、c、d为拟合方程的系数，本文的拟合系数分别为a=0.66013，b=0.40718，c=-0.10685，d=0.01196，拟合优度R2=0.99974。

2.2 老化与水分对油浸纸试品tanδ 的影响

介质损耗是指电介质在外加电场作用下，由介质电导、介质极化作用引起的内部能量损耗。tanδ反映了流经电介质的有功电流密度与无功电流密度之比，与绝缘材料的几何结构（尺寸）无关［10］。

由图4可知：随着外施电压频率的降低，不同老化程度与水分含量的绝缘纸介损整体呈增大趋势，介损增大的速率出现两个明显的“减速区”，分别在100～102Hz和10-1～10-3Hz，初始水分含量越高的试品在中频“减速区”的介损随老化时间波动幅度越大。

图4 不同初始水分含量与老化时间试品的tanδ

2.3 老化和水分对绝缘纸频域介电特性的影响分析

1）基于介损特征参量的老化特性研究

介损在中频区减速带对老化及水分有特征反应，但在低频区的减速带特征不明显，故重点分析中频区的特征。根据介损在中频“减速区”的特征，用曲线在特征区间所围相对面积作为研究对象。

本文对0.76828～234.26Hz频段绝缘纸tanδ 的积分值所包含的特征信息进行重点研究，特征参量的积分区域如图5所示，计算式如式（5）所示。

图5 试品介损分析的特征区间示意图

不同初始水分含量的试品在不同老化阶段下，特征区间介损的积分值见表 4。拟合曲线的相关参数见表5。

表4 不同老化时间的试品在特征区间的积分值

表5 介损积分值与老化时间函数的拟合参数

式中，A、B为待定拟合参数。

由图6和表5可以看出，不同组试品的油浸纸介损特征区间积分值与老化时间拟合关系的斜率（绝缘状态老化速率）随着纸中初始水分的增加而增大，说明介损在特征区间的积分值既体现老化特性信息，又涵盖了水分含量的信息。

图6 介损在特征区间积分值与老化时间的线性拟合关系

2）初始水分对油浸纸介损特征量的影响

选取0.76828～234.26Hz频段为tanδ 曲线集宽度的积分，即老化7天与老化43天tanδ 在该频段围成的面积，记为见表6。积分面积与初始水分拟合关系如图7所示，初始水分同符合明显线性规律，说明油纸电容套管固体绝缘中的水分能引起介损在特征区间曲线集所围成面积的变化，即通过介损积分区间面积可计算绝缘受潮情况，如式（7）所示。

表6 不同试品介损在特征区间的S

老化状态方程中斜率B的物理意义是通过介损特征值表征的绝缘老化速率，从表8可以看出，不同初始水分含量对介损积分值与老化时间关系中的斜率B有明显的规律性。因此对绝缘老化速率B随水分的增加程度 kB（高水分含量的绝缘老化速率B3%、B5%、B7%与基准绝缘老化速率B1%的比值）进行拟合，结果如图7所示，说明水分对油纸套管的绝缘老化加速作用符合一定的规律，并证明了介损在特征区间的积分值包含老化程度与固体绝缘水分含量的信息，可为研究成果用于油纸套管受潮情况及绝缘老化加速情况的在线评估提供依据。

图7 加速老化倍率与初始水分的拟合关系

3 基于频域介电特征参量的评估应用初探

3.1 油浸纸与套管主绝缘系统之间的联系——XY模型

国内外学者研究已经证实，简化油纸绝缘结构XY模型将变压器实际主绝缘系统的总频域介电响应特性与实验室中油浸绝缘纸的频域介电响应关联起来，并考虑几何结构、温度的影响，使研究变压器油纸绝缘系统介电响应特性的复杂性明显降低［7］。

图8 变压器主绝缘的简化XY模型

油浸式变压器的主绝缘结构由隔板、撑条、油道等组成，为了便于分析，将主绝缘系统简化为如图8所示的XY模型，其中X值表示隔板占变压器主绝缘厚度的比例，Y值为撑条及垫块总宽度与两绕组间主绝缘的平均周长之比［11］。一般来讲，变压器油纸绝缘中X取值在0.2～0.5之间，Y在0.15～0.25之间。油浸式套管绝缘结构相对简单，对其油-油纸绝缘进行简化分析时，根据XY模型理论基础及套管内绝缘结构特点［12］，X可取0.8～0.9，Y可取0.2～0.4［13］。X、Y的值确定后，油纸套管在温度 T下的油纸绝缘系统频域介电谱可按照式（6）及式（7），由现场实测数据得到。

XY模型联络实验室数据分析与现场评估的流程如图9所示。

图9 基于XY模型的油纸套管绝缘状态评估流程图

由于实验室开展的是加速热老化，与现场测试时环境温度有很大差异，具体的转化修正系数需要结合实际进行修正，XY模型为实验室与现场实测信息之间的转化关系提供思路和理论基础。

3.2 基于介损积分值的绝缘寿命损失计算

根据 Arrhenius定律对温度加速老化作用进行评估的理念，计算受潮对绝缘老化加速引起的寿命损失。同时考虑老化程度及水分的影响，首先根据介损在特征区间的积分值计算出绝缘状态所处的等效老化阶段，注意到此时计算出来的是一个通用的老化时间，现场实测数据大部分是正常运行设备的自然老化过程中的数据，并未考虑水分加速老化的影响；然后根据式（5）进行油纸套管受潮情况的评估，根据式（9）计算受潮情况对绝缘老化的加速程度；再根据式（8）计算所得的实际绝缘老化状态，以及统计数据所得的绝缘平均寿命，可得到待评估设备的绝缘寿命损失程度式（8）中的A、B的取值应根据式（4），并由现场实测数据通过XY模型得到的老化状态相关参数。式（9）中的FEQM是根据 7计算的等效加速老化因子。根据不同的水分含量对老化速率的加倍情况，可计算得到绝缘寿命的损失率，如式（10）所示。

式中，kBi是在ti时刻水分对老化的加速因子；Δti是绝缘受潮的时间段；FEQM是在实际时间t中由于绝缘受潮引起的等效加速老化因子；tloss是绝缘寿命损失率，单位是%；tEQ是指的等效绝缘老化状态，由式（4）得到；Lp是在正常运行温度且环境干燥良好下油纸套管的正常运行寿命统计值，量纲应与 t保持一致。

根据上述绝缘寿命损失率的计算，可判断油纸套管中最关键的固体绝缘老化状态，为现场基于介损特征参量在线评估油纸套管绝缘、受潮情况下套管老化状态以及绝缘寿命剩余率提供研究思路。

4 结论

1）随着频率降低，油浸纸介损增大的速率分别在100～102Hz和10-1～10-3Hz频段出现明显的“减速区”；其中在中频段的介损随老化时间具有较强的规律性；初始水分含量越高的试品在中频“减速区”的介损曲线的分布宽度越大。

2）老化时间与油浸纸介损在特征区间的积分值符合线性规律，水分同介损在特征区间的积分宽度符合线性规律，说明介损积分值的所体现的信息不仅包含老化程度，还包含固体绝缘水分含量大小的信息；不同水分含量对绝缘纸加速老化程度也符合三次多项式模型，由此可计算受潮情况下加速老化因子，并通过绝缘老化状态进行绝缘寿命损失率的计算tloss=（FEQM×tEQ）/（100Lp），为现场基于介损评估受潮下油纸套管老化状态及受潮对绝缘老化加速情况提供研究思路。

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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

柯春俊（1985-），男，安微人。工程师，工学硕士，主要从事电力变压器高压试验及故障诊断技术研究工作。

南方电网重大科技专项（KJ-2014-170-3）