基于介電響應法的變壓器絕緣狀態(tài)評估研究

周茂等

【摘 要】本文首先闡述了采用極化/去極化電流和頻域介電譜測試技術評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)的特征參量，然后以實際變壓器為例，闡述了如何應用特征參量對變壓器絕緣狀態(tài)進行評估。結果表明，可以根據時域介質響應測試結果對現場變壓器的主絕緣狀態(tài)進行定性評判，進一步結合頻域介質響應測試結果，可實現主絕緣系統(tǒng)水分含量和固體絕緣老化程度參量的定量評估。

【關鍵詞】變壓器；絕緣狀態(tài)評估；介電響應；特征參量

1.前言

近年來，隨著計算機及測量技術的迅速發(fā)展，基于時域介質響應技術的回復電壓法（RVM）、極化去極化電流法（PDC）和頻域的頻域譜分析技術（FDS）在變壓器絕緣系統(tǒng)現場診斷中得應用，在變壓器絕緣老化的研究中也受到重視[1]。

本文以變壓器油紙系統(tǒng)的時頻介電響應物理及電路模型為依據，分析相關介電響應特征圖譜及參量與絕緣狀態(tài)的關系，研究提取了用于油紙絕緣狀態(tài)評估的時頻域介電特征參量，并闡述了現場應用相關參量評估油紙絕緣狀態(tài)的方法。

2.變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的時頻域介電響應相關理論

2.1 RVM、PDC相關理論

整個變壓器油紙絕緣結構的物理模型可用圖1所示等效電路來表示。

Debye模型中的幾何電容Cg可由傳統(tǒng)測量的工頻電容與油紙絕緣系統(tǒng)的相對介電常數之商求得，即Cg=C50 Hz / ε0；絕緣電阻Rg由最大測量時間處的極化電流與去極化電流的差與測試電壓的比值得到。極化去極化電流是由變壓器絕緣中不同部位的松弛過程所產生的電流組成，可以通過一系列不同松弛機制的指數和來模擬。PDC電流可表示為下式。

其中ip和id分別為極化、去極化電流值，Ai為第i條支路的指前函數值，τi為第i條支路的時間常數，Ri，Ci為第i支路的電阻、電容值。U0為充電電壓值，Rg為絕緣電阻。從以上分析可以看出，只要測得絕緣介質的極化或去極化電流曲線，則可以根據式進行Debye電路參數的擬合。

根據RVM測量原理，并分析上述Debye等效電路模型可知，在絕緣介質兩端施加階躍電壓U0充電時間tc后，第n條支路電容的充電電壓為：

1.2 FDS相關理論

變壓器主絕緣系統(tǒng)由一系列絕緣紙筒、油隙及對紙筒起支撐作用的撐條構成，如圖3所示。為了分析方便，常將主絕緣結構進行簡化，將所有紙筒、油道和撐條分別集成，得到如X值為紙筒總厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度之比，Y值為撐條總寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長之比。對于不同幾何結構的油浸式電力變壓器，通常X值在0.2～0.5之間，Y值在0.15～0.25之間。X-Y模型既能反映油紙絕緣的介電響應特性又能直接和變壓器主絕緣結構聯系起來，被廣泛用來診斷變壓器主絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)。當某臺變壓器的X和Y值確定后，變壓器主絕緣系統(tǒng)在溫度T下的頻域介特性表示如下：

3.變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的時頻域介電響應現場測試

本文對某500kV變電站2#主變采用介電響應儀DIRANA與PDC設備進行介電測量，該變壓器采用YYΔ連接， B相產自西電集團，A相與C相產自ABB集團。高中壓采用自耦繞組，與低壓繞組間采用傳統(tǒng)的油道、紙筒絕緣。圖5所示為變壓器中低壓繞組間主絕緣的結構圖。中、低壓繞組間采用傳統(tǒng)的油隙、紙筒絕緣。主絕緣扇形區(qū)的個數n=36，墊片寬度s=50mm，隔板總厚度B=12mm，主絕緣厚度d =44mm，被絕緣紙板環(huán)繞的低壓繞組高度h=2012mm。由于X為隔板厚度與主絕緣厚度之比，Y為撐條總寬度與主絕緣平均周長之比，因4.應用時頻域介電特征量評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)

4.1應用時域介電特征量定性評判變壓器油紙絕緣狀態(tài)

由于沒有被試變壓器的時域介質響應歷史測試數據，無法進行變壓器絕緣狀態(tài)發(fā)展趨勢的縱向對比，以下僅對A、B、C三相變壓器的時域介電響應參量進行橫向對比分析。在復合絕緣電導率和絕緣油電導率特征參數中，B相繞組的值最低，說明其絕緣狀態(tài)相對A、C相處于更好的狀態(tài)。三相繞組的極化譜峰值個數Peak_IPS均為1個，且譜圖形狀較為對稱，說明其絕緣狀況均良好。 從P.I.和Tmax（IPS）參數來看，B相變壓器的極化指數偏小，且IPS最大值偏小、所對應的出現時間值偏大。由于B相變壓器與A、C相出自不同的生產廠家，所得參數值是否具有可比性還有待進一步研究，A、C相的各項指標相差不大，說明其所處絕緣狀態(tài)也較為接近。

4.2應用頻域介電特征量定量評判變壓器油紙絕緣狀態(tài)

利用頻域介電響應技術評估變壓器主絕緣狀態(tài)的流程如下：

（1） 首先利用介電響應分析儀采集現場運行變壓器的復電容頻域譜，結合變壓器主絕緣的幾何結構，計算其復介電常數譜；

（2） 同時根據國標DL/T 421-1991《絕緣油的體積電阻率測定方法》在變壓器現場實測的溫度下進行測量得到絕緣油的直流電導率；

（3） 其次將變壓器主絕緣系統(tǒng)的頻域介電譜和絕緣油的頻域介電譜代入X-Y模型，得到變壓器絕緣紙板介電常數頻域譜和介質損耗頻域譜；

（4） 隨后對介電常數頻域譜進行溫度修正，采用“頻溫平移”的方法將變壓器絕緣紙板頻域譜平移到主曲線溫度下[2， 4]，得到標準介損頻域譜并分別提取特征頻域處的介質損耗值，采用實驗室內得到的經驗公式，評估出變壓器絕緣紙板當前老化狀態(tài)。

采用以上流程，對上述現場測試的某500kV變電站2#主變中、低壓主絕緣進行評估?，F場測量的A相變壓器中、低壓繞組間主絕緣的復電容頻域譜如圖7所示，將其除以幾何電容C0可得到其復介電常數頻域譜?，F場從變壓器中取油并測得30℃下的直流電導率為0.01pS/m。將絕緣油的電導率、A相主絕緣結構的X、Y值以及其主絕緣系統(tǒng)的復介電常數頻域譜代入X-Y模型可得主絕緣油浸紙板的頻域譜，如圖8所示。