油纸不均匀热老化对变压器频域谱的影响研究

杨寅明

(国网冀北电力有限公司承德供电公司,河北 承德 067000)

0 引言

油浸式变压器在居民和工业生产中的作用极为重要，一旦出现问题会对区域甚至整个电网系统产生不可逆的影响。内绝缘系统的好坏是决定变压器工作年限长短的重要因素。其中的绝缘纸由于不能更换，且老化过程不可恢复，将对变压器的使用寿命产生重大影响[1]。国内对不同测试电压以及不同测试温度下的频域介电谱曲线的变化特性进行了深入分析，并对频域介电谱的获取方法开展了大量研究，但是对绝缘纸不均匀受热情况下的绝缘纸频域变化特性的研究仍较少。

频域介电谱是在频域范畴里分析电介质的极化过程重要手段，其参数信息丰富、抗干扰能力强、测试方法准确性高，能较为全面地反映现场变压器绝缘状态[2]。

为研究绝缘纸热老化不均匀对频域参数产生的作用，制备所需样品，就不同叠放顺序样品开展频域试验，对比分析得出纸样品热老化不均匀对复介电常数实部、虚部的影响，同时研究热老化不均匀对纸样内水分含量影响，从而就纸样品绝缘水平展开综合分析[3]，为判断绝缘纸绝缘性能的优劣提供参考。

1 FDS法测试原理

频域谱(frequency domain spectrum，FDS)法是通过给油纸样品两端加上频率呈现正弦变化的交流电压激励，在介质内部就会产生相对应的电流信号，从而测得其幅值和相位；结合交流电压激励的相关信息,可得出样品中的介质损耗、复介电常数等信息[4]。通过研究这些信息与变压器之间的关系，可得出水分和复合绝缘结构的绝缘程度，为评估系统绝缘水平提供条件。

FDS法测量原理如图1所示。

图1 FDS法测量原理图Fig.1 FDS method measurement principle

2 频域试验准备及步骤

2.1 试验材料及流程

试验材料包括绝缘油和绝缘纸。其中，油样选择克拉玛依产25#绝缘油；纸样选用新出厂的魏德曼绝缘纸(厚度为 0.25 mm)，并把纸样裁剪为半径为3 cm的圆形。试验仪器选用DIRANA(FDS-PDC介质响应分析仪)，可实现频域和时域老化参数测量。

为避免空气中水汽对纸样品的影响、进一步提高试验准确性，需减少纸样在空气中暴露时间，控制纸样品中的水分含量。

纸样品试验逻辑框图如图2所示。油样品试验流程如图3所示。

图2 纸样品试验逻辑框图Fig.2 Logic block diagram of paper sample experiment

图3 油样品试验流程图Fig.3 Flowchart of oil sample experiment

2.2 试验样品设计

样品制备完成后，把样品处理后放置于恒温恒湿老化箱内，设定测试天数为0天、20天、40天。经试验发现，在这几个特征时间内，样品的对应的频域参数变化较为明显，且能更好地反映绝缘纸在不均匀老化情况下的频域参数变化情况。通过将相同测试天数的样品重叠放置，可得老化均匀试验样品，将它们标记为A1、A2、A3；将不同老化时间的样品重叠放置，得到老化不均匀试验样品，标记为B1、B2、B3。不同叠放次序样品如表1所示。

表1 不同叠放次序样品

3 试验结果与分析

3.1 绝缘纸DP值

绝缘纸主要是由大分子化合物纤维素构成的。纤维素在水分、温度等外界条件相互作用下逐渐老化，发生裂解，导致聚合度(degree of polymerization，DP)值逐渐下降，表征绝缘纸内部产生的老化反应在加剧[5]。本文对样品DP值开展测试。样品DP值如表2所示。

表2 样品DP值

由表2可知，随着纤维素不断发生裂解反应，纸样品内部的DP值不断降低，绝缘水平不断降低。

3.2 试验结果及分析

在试验温度为30 ℃时，对第一组均匀老化试样(A1、A2、A3)与不均匀老化试样(B1、B2、B3)开展FDS参数测试，并就频域内参数复介电常数实部ε′、虚部ε″展开分析。第一组试验曲线如图4所示。从图4中可以看出，第一组样品均匀老化和不均匀老化样品的相对复介电常数实部和虚部在测试频段内的变化趋势近似一致，幅值也基本相同。

图4 第一组试验曲线Fig.4 Experimental curves of the first group

第二组试验是对样品在老化均匀和不均匀状态下的复介电常数开展测试。第二组试验曲线如图5所示。图5中：实部ε′和虚部ε″曲线随着频率的不断增大，幅值均逐渐下降，在0.5 Hz之前和8 Hz之后均表现出下降较快的趋势，而在0.5～8 Hz之间则变化相对缓慢；在频率10 Hz之后，曲线则基本重合在一起[6]。此外，均匀老化曲线和不均匀老化曲线各自的幅值基本一致，但是两种类型之间则表现出一定的差异。

图5 第二组试验曲线Fig.5 Experimental curves of the second group

老化情况是样品受到水分、酸、温度等因素的综合作用而出现的绝缘下降情况。第三组试验样品开展自然吸潮后，不同老化样品浸油前后含水量对比如表3所示。

表3中:浸油前后样品含水量随着试验天数的增加均不断增大；相同测试天数下，浸油后样品含水量普遍比浸油前略低[7]。这主要是因为样品浸油后，内部水分会发生极化运动转移至绝缘油中。

表3 不同老化样品浸油前后含水量对比(第三组)

由于水分运动是一个动态平衡过程，加之浸油时间较短，样品中水分有一部分扩散至绝缘油中导致浸油后样品含水量值降低。据此，也可认为第三组试验中，浸油后的样品含水量即为试验时样品水分含量值。

在测试温度相同时，测试第三组样品的频域参数。第三组试验曲线如图6所示。

图6 第三组试验曲线Fig.6 Experimental curves of the third group

图6中:不同老化状态样品频域变化情况均伴随频率上升而缓慢降低，变化情况较为一致。在频率为10 Hz之前，老化状态不同的样品曲线幅值也不尽相同，尤其是老化均匀样品的曲线幅值较老化不均匀样品高[8]。但随着测试频率的加大，频率大于10 Hz后，两者大小变化情况大致相同。

对第四组试样在浸油后含水量开展试验，可得如表4所示的不同老化样品油浸前后含水量对比。由表4可以看出，纸样品含水量较少(即老化状态较轻)时，将样品放入自然吸潮的绝缘油里，油样品里面的水分会不断运动至纸样品，导致纸样品的含水量升高[9]；而老化状态较为严重的样品由于其自身含有一定的水分，在与油接触后，其内部水分会有一部分扩散至油中，达到水-油水分含量平衡。

表4 不同老化样品浸油前后含水量对比(第四组)

对第四组样品进行频域测试。第四组试验曲线如图7所示。

图7 第四组试验曲线Fig.7 Experimental curves of the fourth group

图7中，不同试验状态样品的频域测试曲线也同样表现出随着频率的升高而逐渐降低的趋势。第四组样品受内部水分的影响，老化均匀样品的频域曲线随含水量的增大向高频方向移动，且在测试频率大小相同的时候，ε′和ε″幅值伴随纸样品中含水率升高而变大[10]；老化不均匀样品的测试结果整体变化较为统一，幅值也差别较小。

3.3 FDS参数受水分不均匀分布的影响

FDS试验时，纸样品内部的水分子会扩散至大分子纤维素中，破坏其结构，降低分子之间的束缚力，增强偶极子之间产生的位移极化。水分子属于强极性分子，其含量加大的同时会导致电离出来的离子总数量增大，从而加剧偶极子位移极化，导致极化作用加强[11]。

3.4 老化不均匀对样品含水量的影响

由纸样品频域测试结果可知，复介电常数的虚部logε″曲线在频率在0.001～0.01 Hz范围内斜率k趋于恒定，则在该频段内logε″与频率的对数logω之间的关系可表示为：

logε″=klogω+b

(1)

式中：b为曲线在logε″的截距。

式(1)中的klogω进行log换算后，可得ω-k。由式(1)可知，样品相同时，ε″与ω-k的乘积在频率位0.001～0.01 Hz范围内是定值。以第二组、第三组试验所得的试验结果为例[12]，分析ε″和ω-k乘积和含水率之间的作用情况。均匀老化样品频域参数乘积如表5所示。

表5 均匀老化样品频域参数乘积

结合表5，以ε″与ω-k的乘积为横坐标、以纸样品中的含水量为纵坐标，绘制出两者之间的拟合关系曲线。拟合关系曲线如图8所示。

图8 拟合关系曲线Fig.8 Fitting relation curve

拟合图8中两个参数之间的变化作用情况，得出ε″与ω-k的乘积值与水分含量的关系式：

W=2.372×(ε″ω-k+1.418)0.769

(2)

式中：W为水分含量。

关系式的拟合优度达到0.999 7。这说明该关系式可以较为准确地反映出ε″和ω-k的乘积与水分含量之间的关系。

为进一步验证老化不均匀对油纸绝缘水分含量评估的影响，结合式(2)，对每一组试验样品中的均匀受热老化样品的水分含量进行估算。均匀老化样品水分含量对比如表6所示。表6中：误差值=测量值-计算值。

表6 均匀老化样品水分含量对比

由表6可知，每一组试验中的均匀老化受热样品的测试结果和计算结果差距较小，反映出试样受热均匀对其水分含量评估误差较小[13]。

利用式(2)分析每一组试样中不均匀受热时含水量和试验结果对比关系。不均匀老化样品水分含量对比如表7所示。表7中：误差值=平均值-计算值。

表7 不均匀老化样品水分含量对比

由表7可知，在样品受热不均匀时，样品含水量测试结果和计算结果之间误差较大，不能准确反映样品内部的水分含量情况。

4 结论

本文首先通过制备样品，设计试验步骤，设定测试天数为0天、20天、40天。然后，将相同测试天数的样品重叠放置得到老化均匀试验样品，将它们标记为A1、A2、A3，将不同老化时间的样品重叠放置来得到老化不均匀试验样品(B1、B2、B3)。最后，开展频域介电参数分析，对比分析样品老化不均匀与老化均匀对样品FDS参数的作用情况以及对样品中水分含量的诊断带来的影响，得到以下结论。

①测试温度相同时，均匀老化和不均匀老化样品的频域参数在测试频段内变化趋势相同，幅值也基本相同。

②随着频率增大，ε′和ε″逐渐下降，在0.5～8 Hz之间变化缓慢；在频率10 Hz之后，曲线则基本重合在一起。

③不同老化状态样品的频域变化曲线变化趋势一致。在频率10 Hz之前，老化均匀样品的曲线幅值较老化不均匀样品高；10 Hz之后，两者变化幅值大致相同。

④受内部水分的影响，老化均匀样品的频域曲线随含水量的增大向高频方向移动，ε′和ε″的大小随纸样品中水分含量的升高而变大；老化不均匀的试样频域测试结果一致，幅值差别较小。

⑤绝缘纸受热均匀时，可以较为准确评估内部水分含量；受热不均匀时，样品含水量测试结果和计算结果之间误差较大。

开展油纸在不均匀受热老化的情况下，变压器频域谱参数的影响研究，可对变压器内绝缘结构的老化情况和老化影响因素进行深入探讨。通过研究水分、受热不均匀等因素对频域参数所带来的影响，可精准判断出变压器内绝缘能力的下降情况，对延长油浸式电力变压器油纸绝缘结构的使用寿命意义重大。同时，加大对该方面的投入和研究，可更全面掌握油浸式电力变压器内绝缘影响因素的作用情况，进而采取更有效的防护措施。