一種新型油浸式變壓器絕緣紙板含水量檢測(cè)方法

黎剛，李喜桂，葉會(huì)生，劉赟，黃海波，劉興文

(1.湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410007;2.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

近年來(lái)，絕緣故障已成為變壓器損壞事故的主要原因，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1999—2003年國(guó)家電網(wǎng)公司110～500 kV變壓器故障中，絕緣故障占到了事故總量的85%。運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的舊變壓器較易發(fā)生絕緣故障，如何科學(xué)評(píng)價(jià)變壓器的絕緣老化成為當(dāng)今變壓器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)〔1-2〕。變壓器中的水主要存在于固體絕緣材料絕緣紙或紙板中，絕緣紙板含水量將會(huì)加速絕緣劣化過(guò)程，這是影響變壓器使用壽命的主要因素。采用科學(xué)有效的方式監(jiān)測(cè)變壓器絕緣紙或紙板中的水含量，并制定相應(yīng)處理方案，是提高絕緣材料的電氣強(qiáng)度、消除變壓器隱患、延長(zhǎng)變壓器使用壽命的有效措施。文中主要介紹一種綜合采用極化一去極化電流方法 (PDC)和頻域 (變頻)分析法 (FDS)的DIRANA測(cè)試儀器對(duì)變壓器含水量進(jìn)行測(cè)試的方法，并列舉了3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例。

1 含水量測(cè)試方法

傳統(tǒng)的測(cè)定油浸式絕緣水分的方法有萃取法(卡爾費(fèi)休水分測(cè)定法)、利用油紙水分平衡特性曲線間接評(píng)估法和露點(diǎn)法等。這些方法均存在不足之處:萃取法需從變壓器中采取紙或紙板樣品，不便實(shí)現(xiàn);利用油紙水分平衡特性曲線間接評(píng)估，其弊端在于溫度的變化對(duì)測(cè)量誤差影響極大;露點(diǎn)法是DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中推薦的測(cè)定變壓器絕緣紙或紙板中含水量的方法之一，該方法需要破除真空，使密封油箱內(nèi)充滿氣體，再測(cè)定密封油箱內(nèi)的氣體水分含量，從而推斷與該氣體接觸的絕緣紙或紙板含水量。

目前，對(duì)于變壓器含水量判斷的電氣方法主要有恢復(fù)電壓測(cè)試 (RVM)、極化一去極化電流方法(PDC)和頻域 (變頻)分析法 (FDS)。1991年后，恢復(fù)電壓方式開(kāi)始應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)比較模型曲線來(lái)獲得絕緣紙的水含量。但由于模型不準(zhǔn)確使測(cè)試結(jié)果誤差較大，同時(shí)無(wú)法反映變壓器的幾何模型，影響到現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。1999年以來(lái)，介質(zhì)響應(yīng)的方式開(kāi)始得到應(yīng)用，此方式從絕緣的介質(zhì)特性中推導(dǎo)出絕緣紙或紙板的水含量。時(shí)域的極化電流/去極化電流方式和頻域的介損曲線方式均為介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試方式。

2 介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試原理

電力變壓器的多層絕緣由油和紙組成，體現(xiàn)出極化和傳導(dǎo)現(xiàn)象。介質(zhì)響應(yīng)方式測(cè)試界面極化效應(yīng)，該效應(yīng)來(lái)自于纖維與油之間的分界面。在頻域的合成電流密度I(ω)可以表達(dá)為:

在頻域的介質(zhì)損耗因數(shù)可以表達(dá)為:

合成電流密度I(ω)的虛部代表它的容性部分，由高頻部分介電常數(shù)ε和低頻極化率x'所組成;實(shí)部代表它的阻性部分，包含一個(gè)由DC電導(dǎo)率σ0帶來(lái)的阻性電流和一個(gè)由介質(zhì)損耗x″帶來(lái)的阻性電流。在頻域分析中，只要知道介質(zhì)的阻抗Z，就可以計(jì)算出介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。測(cè)量出變壓器各部分絕緣在頻域中的阻抗值，可以計(jì)算出絕緣紙板和絕緣油的復(fù)介電常數(shù)。結(jié)合絕緣油的狀況，即可了解變壓器的絕緣和老化狀況。絕緣診斷儀中絕緣紙和絕緣油的復(fù)介電常數(shù)通過(guò)MODS軟件分析得到，通過(guò)頻域譜測(cè)量曲線與由典型數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到的模型曲線進(jìn)行對(duì)比分析，獲得固體材料 (絕緣紙)中的水分含量。

3 DIRANA測(cè)試儀器介紹

DIRANA測(cè)試儀器從極化電流、復(fù)合電容和介質(zhì)損耗的特性中得出紙或紙板中的水含量，每一個(gè)特性都受水分影響很大。DIRANA將時(shí)域的極化電流測(cè)量方法和頻域的頻譜測(cè)量方法相結(jié)合，與現(xiàn)有技術(shù)相比節(jié)省了測(cè)試時(shí)間。本質(zhì)上，時(shí)域測(cè)量可以在短時(shí)間內(nèi)完成，但是局限于低頻范圍。而頻域測(cè)量適用于高頻段，但是在低頻段測(cè)量需要很長(zhǎng)時(shí)間。DIRANA結(jié)合了2種理論的優(yōu)點(diǎn)，在5 kHz至0.1 Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻譜頻域測(cè)量，在0.1 Hz至100 μHz進(jìn)行極化電流時(shí)域測(cè)試，然后將時(shí)域電流變換至頻域用于隨后的評(píng)估。不同測(cè)試技術(shù)所需時(shí)間與獲得的頻率范圍見(jiàn)圖1。

圖1 不同測(cè)試技術(shù)所需時(shí)間與獲得的頻率范圍

圖2 DIRANA測(cè)試原理

DIRANA測(cè)試原理見(jiàn)圖2。由測(cè)試數(shù)據(jù)得到的介質(zhì)損耗與頻率之間關(guān)系圖顯示出典型的S形曲線。隨著水分、溫度或老化程度的增加，曲線向高頻率方向移動(dòng)。水分影響低頻區(qū)域和高頻區(qū)域。曲線的中間，斜率比較陡的部分體現(xiàn)了油的傳導(dǎo)性。絕緣材料的幾何形狀確定了斜率較陡的左側(cè)“突起”。DIRANA的水分確定是基于將變壓器介質(zhì)響應(yīng)與模型介質(zhì)響應(yīng)相比較而得到的。適配算法重新整理模型介質(zhì)響應(yīng)，從而得出水分以及油傳導(dǎo)率。

圖3顯示了完整的變壓器油紙絕緣的介損曲線，其中包含了1%水含量的絕緣紙、油、絕緣幾何尺寸 (油與紙板比率)確定的界面極化影響。這些因素在介損曲線上所對(duì)應(yīng)的頻率如下:頻率范圍在10～1 000 Hz受控于紙板;頻率范圍在1～0.01 Hz，反映油的電導(dǎo)率;頻率范圍在介損曲線隆起處，反映絕緣幾何尺寸;頻率范圍在低于0.5 mHz處，再次反映紙板特性。

圖3 紙板和油與界面極化影響一體的介損曲線

以上說(shuō)明僅針對(duì)此例，因水含量的不同、油電導(dǎo)率的變化、溫度與絕緣幾何尺寸差異，相對(duì)應(yīng)的頻率范圍將會(huì)有很大范圍的改變。圖4為DIRANA測(cè)試曲線判斷變壓器絕緣紙板含水量方法。

圖4 DIRANA測(cè)試曲線判斷方法

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

(1)新安裝變壓器

2011年9月，對(duì)某110 kV變電站新安裝變壓器進(jìn)行了含水量測(cè)試。該變壓器型號(hào)為SZ10-50000/110，2011年2月出廠。測(cè)試時(shí)的油溫為34℃，測(cè)試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz，測(cè)試結(jié)果為:絕緣紙板含水量1.0%，水飽合度1.5%，干燥。測(cè)試波形見(jiàn)圖5。測(cè)試結(jié)論:該主變?yōu)樾掳惭b變壓器，絕緣紙板為干燥狀態(tài)，可以投運(yùn)。

DIRANA儀器與10 kV常規(guī)介損儀測(cè)試比較如表1所示，結(jié)果表明該儀器測(cè)試結(jié)果與10 kV常規(guī)介損儀一致，精度滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖5 某110 kV新安裝變壓器介質(zhì)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形

表1 與常規(guī)介損儀器測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

(2)老舊變壓器

2011年5月，對(duì)某110 kV變電站#1主變進(jìn)行了含水量測(cè)試。該變壓器型號(hào)為SZ10-50000/110，1984年2月出廠，一直處于冷備用狀態(tài)。測(cè)試時(shí)的油溫為38℃，測(cè)試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz。測(cè)試結(jié)果為:絕緣紙板含水量3.7%，水飽合度21.4%，潮濕。測(cè)試波形見(jiàn)圖6。測(cè)試結(jié)論:該變壓器運(yùn)行中未出現(xiàn)受潮現(xiàn)象，絕緣紙板水分應(yīng)為老化產(chǎn)生，考慮絕緣紙板含水量較高，應(yīng)及時(shí)將該變壓器退出運(yùn)行。

圖6 某110 kV老舊裝變壓器介質(zhì)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形

(3)受潮變壓器

2011年8月，對(duì)某110 kV變電站#1主變進(jìn)行了含水量測(cè)試。該變壓器型號(hào)為SFS8-25000/110，1992年11月出廠，一直處于冷備用。在2011年6月份例行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該臺(tái)主變?nèi)齻?cè)繞組介損、繞組絕緣電阻及油擊穿電壓均嚴(yán)重超標(biāo)，懷疑該變壓器已嚴(yán)重受潮。為進(jìn)一步掌握該變壓器受潮程度，采用變頻介質(zhì)損耗測(cè)試儀對(duì)該變壓器含水量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)的油溫為 38℃，測(cè)試頻率范圍為0.000 1～1 000 kHz，測(cè)試結(jié)果為:高對(duì)中壓繞組，絕緣紙板含水量4.6%，水飽合度30.1%，潮濕;中對(duì)低壓繞組，絕緣紙板含水量5.3%，水飽合度39.4%，極度潮濕。測(cè)試波形見(jiàn)圖7。含水量測(cè)試結(jié)果與其他電氣性能測(cè)試一致，因此可判斷該變壓器內(nèi)部已嚴(yán)重受潮，且低壓側(cè)繞組最為嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干燥處理。

圖7 某110 kV受潮變壓器介質(zhì)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形

5 結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，采用極化電流方式和頻域介損曲線方式可快速、準(zhǔn)確地現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)變壓器內(nèi)部絕緣紙板含水量。通過(guò)檢測(cè)絕緣紙板含水量，可以較好地判斷變壓器老化狀況和受潮程度，具有較高的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)還尚處于初期使用階段，需進(jìn)一步總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，探索變壓器運(yùn)行年限與測(cè)試曲線的關(guān)系。

〔1〕谷小博，張一軍.基于變頻技術(shù)診斷變壓器絕緣老化的研究與應(yīng)用〔J〕.浙江電力，2010(1):13-17.

〔2〕梁穎輝，歐樹(shù)華.診斷變壓器絕緣狀態(tài)及老化的PDC技術(shù)的研究〔J〕.變壓器，2006，44(6):35-39.