基于介电响应法的变压器绝缘状态评估研究

【摘 要】本文首先阐述了采用极化/去极化电流和频域介电谱测试技术评估变压器油纸绝缘状态的特征参量，然后以实际变压器为例，阐述了如何应用特征参量对变压器绝缘状态进行评估。结果表明，可以根据时域介质响应测试结果对现场变压器的主绝缘状态进行定性评判，进一步结合频域介质响应测试结果，可实现主绝缘系统水分含量和固体绝缘老化程度参量的定量评估。

【关键词】变压器；绝缘状态评估；介电响应；特征参量

1.前言

近年来，随着计算机及测量技术的迅速发展，基于时域介质响应技术的回复电压法（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和频域的频域谱分析技术（FDS）在变压器绝缘系统现场诊断中得应用，在变压器绝缘老化的研究中也受到重视[1]。

本文以变压器油纸系统的时频介电响应物理及电路模型为依据，分析相关介电响应特征图谱及参量与绝缘状态的关系，研究提取了用于油纸绝缘状态评估的时频域介电特征参量，并阐述了现场应用相关参量评估油纸绝缘状态的方法。

2.变压器油纸绝缘系统的时频域介电响应相关理论

2.1 RVM、PDC相关理论

整个变压器油纸绝缘结构的物理模型可用图1所示等效电路来表示。

Debye模型中的几何电容Cg可由传统测量的工频电容与油纸绝缘系统的相对介电常数之商求得，即Cg=C50 Hz / ε0；绝缘电阻Rg由最大测量时间处的极化电流与去极化电流的差与测试电压的比值得到。极化去极化电流是由变压器绝缘中不同部位的松弛过程所产生的电流组成，可以通过一系列不同松弛机制的指数和来模拟。PDC电流可表示为下式。

其中ip和id分别为极化、去极化电流值，Ai为第i条支路的指前函数值，τi为第i条支路的时间常数，Ri，Ci为第i支路的电阻、电容值。U0为充电电压值，Rg为绝缘电阻。从以上分析可以看出，只要测得绝缘介质的极化或去极化电流曲线，则可以根据式进行Debye电路参数的拟合。

根据RVM测量原理，并分析上述Debye等效电路模型可知，在绝缘介质两端施加阶跃电压U0充电时间tc后，第n条支路电容的充电电压为：

1.2 FDS相关理论

变压器主绝缘系统由一系列绝缘纸筒、油隙及对纸筒起支撑作用的撑条构成，如图3所示。为了分析方便，常将主绝缘结构进行简化，将所有纸筒、油道和撑条分别集成，得到如X值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比。对于不同几何结构的油浸式电力变压器，通常X值在0.2～0.5之间，Y值在0.15～0.25之间。X-Y模型既能反映油纸绝缘的介电响应特性又能直接和变压器主绝缘结构联系起来，被广泛用来诊断变压器主绝缘系统的状态。当某台变压器的X和Y值确定后，变压器主绝缘系统在温度T下的频域介特性表示如下：

3.变压器油纸绝缘系统的时频域介电响应现场测试

本文对某500kV变电站2#主变采用介电响应仪DIRANA与PDC设备进行介电测量，该变压器采用YYΔ连接， B相产自西电集团，A相与C相产自ABB集团。高中压采用自耦绕组，与低压绕组间采用传统的油道、纸筒绝缘。图5所示为变压器中低压绕组间主绝缘的结构图。中、低压绕组间采用传统的油隙、纸筒绝缘。主绝缘扇形区的个数n=36，垫片宽度s=50mm，隔板总厚度B=12mm，主绝缘厚度d =44mm，被绝缘纸板环绕的低压绕组高度h=2012mm。由于X为隔板厚度与主绝缘厚度之比，Y为撑条总宽度与主绝缘平均周长之比，因4.应用时频域介电特征量评估变压器油纸绝缘状态

4.1应用时域介电特征量定性评判变压器油纸绝缘状态

由于没有被试变压器的时域介质响应历史测试数据，无法进行变压器绝缘状态发展趋势的纵向对比，以下仅对A、B、C三相变压器的时域介电响应参量进行横向对比分析。在复合绝缘电导率和绝缘油电导率特征参数中，B相绕组的值最低，说明其绝缘状态相对A、C相处于更好的状态。三相绕组的极化谱峰值个数Peak_IPS均为1个，且谱图形状较为对称，说明其绝缘状况均良好。 从P.I.和Tmax（IPS）参数来看，B相变压器的极化指数偏小，且IPS最大值偏小、所对应的出现时间值偏大。由于B相变压器与A、C相出自不同的生产厂家，所得参数值是否具有可比性还有待进一步研究，A、C相的各项指标相差不大，说明其所处绝缘状态也较为接近。

4.2应用频域介电特征量定量评判变压器油纸绝缘状态

利用频域介电响应技术评估变压器主绝缘状态的流程如下：

（1） 首先利用介电响应分析仪采集现场运行变压器的复电容频域谱，结合变压器主绝缘的几何结构，计算其复介电常数谱；

（2） 同时根据国标DL/T 421-1991《绝缘油的体积电阻率测定方法》在变压器现场实测的温度下进行测量得到绝缘油的直流电导率；

（3） 其次将变压器主绝缘系统的频域介电谱和绝缘油的频域介电谱代入X-Y模型，得到变压器绝缘纸板介电常数频域谱和介质损耗频域谱；

（4） 随后对介电常数频域谱进行温度修正，采用“频温平移”的方法将变压器绝缘纸板频域谱平移到主曲线温度下[2， 4]，得到标准介损频域谱并分别提取特征频域处的介质损耗值，采用实验室内得到的经验公式，评估出变压器绝缘纸板当前老化状态。

采用以上流程，对上述现场测试的某500kV变电站2#主变中、低压主绝缘进行评估。现场测量的A相变压器中、低压绕组间主绝缘的复电容频域谱如图7所示，将其除以几何电容C0可得到其复介电常数频域谱。现场从变压器中取油并测得30℃下的直流电导率为0.01pS/m。将绝缘油的电导率、A相主绝缘结构的X、Y值以及其主绝缘系统的复介电常数频域谱代入X-Y模型可得主绝缘油浸纸板的频域谱，如图8所示。

由图8看出，A相主绝缘油浸纸板的介质损耗因数与实验室内0.76%的新油浸绝缘纸板的频域谱差别不大。采用OMICRON公司的介质响应分析仪数据库对油纸绝缘系统水分进行评估，其结果为1.1%。可见二者偏大不大。

进一步选取10-3Hz、10-2 Hz处的介质损耗因数代入表4拟合公式中得纸板的聚合度DP分别为828、799（平均值为814）。根据《油浸式变压器绝缘老化判断导则》，当前变压器绝缘聚合度应大于500，处于良好状态。由于未对该变压器进行吊芯取样，无法获知其准确的DP，但A相变压器投运于1998年，测量时已运行14年，约处于变压器寿命的中前期，评估的油浸纸板DP值应在合理范围。

5.结论

本文系统阐述了变压器主绝缘系统介电响应相关理论及等效模型，提取了可用于评估变压器主绝缘状态的时频域介电特征参量，并在现场变压器得到了初步应用，得到主要结论如下：

（1） 利用时频介电特征参量评估的油纸绝缘系统状态与DIRANA测试结果基本吻合，且能够较为合理反映该变压器主绝缘状态；

（2） 介电响应特性受影响因素较多，今后需通过试验研究不同绝缘系统水分含量、老化状态组合的油纸系统的介电特性，以及大量搜集不同绝缘状态变压器的介电响应实测结果，提取相应特征参量来完善建立的数据库及经验公式，实现对变压器绝缘状态的准确评估。

（3） 介电响应技术为设备状态评估的开展提供了有效途径，但目前对设备进行介电响应测试，必须将运行设备停电。与带电检测要求相比，这也是其现场应用的不足之处。

参考文献：

[1] Jian Hao， Ruijin Liao， George Chen， Zhiqin Ma， and Lijun Yang. Quantitative Analysis Ageing Status of Natural Ester-paper Insulation and Mineral Oil-paper Insulation by PolarizationDepolarization Current. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation. 2012， 19（1）： 188-199. （SCI）.

[2] Ruijin Liao， Jian Hao， G. Chen and Lijun Yang. Quantitative Analysis of Ageing Condition of Oil-Paper Insulation by Frequency Domain Spectroscopy. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2012， 19（3）： 821-830. （SCI）.

[3]郝建，廖瑞金，杨丽君，马志钦. 应用频域介电谱法的变压器油纸绝缘老化状态评估[J]. 电网技术，2011，35（7）：187-193（EI）.

[4]廖瑞金，郝建，杨丽君，袁泉，唐超. 变压器油-纸绝缘频域介电特征量与绝缘老化状态的关系[J]. 电工技术学报， 2012，27（5）：43-49（EI）.