关键词：介电损耗因数；绝缘油纸；复介电常数；频域介电谱

Abstract: Based on frequency domain dielectric spectroscopy (FDS), the insulation oil paper has an amplitude of 0.26mm, a frequency of 100H, and an aging time of 0d, 60d, 90d... at 60 °C. Series Accelerator - Thermal Aging Test.Firstly, the FDS characteristics of the sample in the range of 10-3 to 103 Hz were obtained, and the complex permittivity (C*) and dielectric loss factor (tan δ) at the characteristic frequency were extracted, and the test results were compared and analyzed.The relationship between aging time and mechanical vibration changes and FDS characteristics was analyzed.Studies have shown that the low frequency band of FDS is sensitive to the aging state of oil-paper insulation, and the C* and tan δ values of insulating oil paper samples will move down with the increase of aging time,Machine-heat aging and individual heat aging have significant effects on FDS characteristics,The research results provide a reference for the use of FDS for non-destructive diagnosis of transformer aging.
Key words: dielectric loss factor; insulating oil paper; complex dielectric constant; frequency domain dielectric spectrum

1 引言

随着特高压工程的不断投产，国家电网进入特高压交直流混联时代，国家电网的安全运行在很大程度上取决于大型油浸式电力变压器的绝缘状况和健康水平^[1,2]。因变压器绝缘系统在各种应力，如，电、热、机械等因素的联合作用下将逐渐老化，并最终失效，甚至导致电气故障。目前，我国电网中部分变压器的运行时间已接近30年，已达到绝缘寿命的晚期阶段^[3]，如果一次性将这些变压器全部更换，不仅需要大量人力物力，而且会造成巨大的浪费。另一方面，倘变压器出现绝缘故障，修复困难且费时较长。因此，如果能够在电力变压器运行过程中通过适当的监测和测试方法确定当前绝缘系统的运行状态，将对提高设备的运行可靠性，避免电气事故的发生具有重要意义。

目前诊断变压器绝缘老化状态的方法大体分为基于物理特征量、纤维素降解生成物以及电特征量3大类，最常用的传统判据主要有：绝缘油纸的聚合度^[4,5],油中糠醛含量^[6,7]和油中溶解气体^[7,8]。由于液体绝缘可以通过滤油甚至换油的方法来提高其绝缘性能，绝缘寿命主要取决于固体绝缘材料的绝缘强度。测量聚合度是最直观有效的防范，但取样时需要变压器停止运行，采取吊芯取样方法，这些因素使该方法不适用于实际运行中的变压器；虽然油中溶解气体和油中糠醛是绝缘油纸降解产物，一旦绝缘油经过滤油处理就会对其含量产生影响，使其不能在作为绝缘油纸老化状态的评判标准。寻找能够有效反映变压器绝缘老化状态的新方法以弥补传统方法的不足已引起众多学者的重视。

近几年以电特征量的诊断技术日渐成熟。其中最具代表性的电特征量判别技术有：局部放电测量和介电响应诊断技术。介电响应技术可以通过绝缘油纸的微观结构变化来判断绝缘油纸的老化状态，如果能够找到有效特征量并建立等效模型即可实现无损在线检测。介电响应诊断技术包括回复电压法^[9]（Recovery Voltage Method, RVM）、极化/去极化电流法^[10]（Polarization and Depolarization

Current, PDC）及频域介电谱法 ^[11]（ Frequency Domain Spectroscopy, FDS）。其中FDS较RVM和PDC相比，其可以对不同的刺激频率进行逐点或扫频测量，能够在更宽的频域范围测量绝缘介质的复电容和损耗，与传统的介质损耗测量相比更能反映出油纸绝缘的含水量和几何结构的变化，且受噪音干扰程度小，所需实验电源电压低^[12]。目前国内外学者对介电响应诊断技术的研究较多，并获得一些对实际运用具有指导意义的研究成果，C. Ekanayake^[13]等人基于FDS研究油浸绝缘纸介电特性与含水量的关系，发现在低频段油浸绝缘纸的相对介质损耗会随含水量的增加而增大。廖瑞金^[14]等发现复相对介电常数的实部会随着油浸绝缘纸老化加剧逐渐增大，虚部只在低频段随老化加剧而增大，高频段基本重合；水分和老化程度在复相对介电常数的虚部影响频域范围不同。现阶段研究人员对FDS特性研究尚处在对水分、温度、老化程度这几个影响因素上，但因油浸式变压器的绝缘系统在各种应力，如，电、热、机械振动等因素的协同作用下将逐渐老化，很少见有关于基于FDS研究机械振动对绝缘油纸老化状态的影响方面的报道。

    机械振动会加速绝缘油纸中纤维的分叉和断裂以及孔洞的产生、增加与劣化，进而导致绝缘油纸的微观结构发生改变，影响油浸绝缘纸的老化状态^[15]。而绝缘油纸几何结构和老化状态的改变都会影响FDS特性，若能利用FDS特性研究机械振动对绝缘油纸的绝缘性能的影响机理，无疑会推动利用FDS方法在研究绝缘油纸老化状态的应用。本文在60℃条件下，对工程用绝缘油纸进行了0d、60d、90d、150d的加速老化，测试各个时段的FDS特性，对比相同条件下有机械振动因素和无机械振动因素的FDS特性的异同，分析机械振动因素对绝缘油纸的介电特性以及老化机理的影响规律，同时对比FDS方法中特征参数的变化规律，分析哪一个特征量根据代表性。

2 绝缘油纸的加速老化及FDS测试

2.1 样品加速老化试验

在加速老化实验中为突出机械振动对绝缘油纸的影响将老化温度设定60℃（本实验中使用实验箱的温度精度为±0.5℃），低于变压器的额定运行温（80℃左右）。经研究表明直流偏磁引起的变压器铁心振动频率为100Hz及其整数倍^[16]，因此本实验中振动老化箱的振动频率设为100Hz，振幅为0.26mm,振动加速度强度为 2.37g m/s²。将未老化、老化 60d、90d、120d以及150d的实验样品置于真空袋中保存。

本实验所用样品为成品绝缘纸平均厚度为0.0913 mm，宽度为20 mm。在实验之前首先对样品进行预处理，并将试验样品裁成200 mm×20 mm的长条，每 3条样品上下叠放作为一组。然后将样品固定在振动老化试验箱的夹件上，振动导杆放于样品之上使其振动，进行恒温老化。

2.2 样品FDS特性测试

对老化好的各组实验样品进行FDS特性测试，测试电路如图1。试验样品的FDS特性由Concept 80宽频介电谱测试系统测试得到，可以测得实验样品的介质损耗因数(tanδ)、复相对               



图1 FDS测试原理图

介电常数(ε)、复电容(C)等参数。由于测量较低频率下的复介电常数，需要耗费大量时间，本文选定测量频段范围为10^-3～10³Hz，检测时环境温度为25℃，湿度为18%，气压为102.7hPa，设备测试精度为3×10^-5。

3 FDS基本理论分析

频域介电谱法将常规的频段扩展到10^-4- 10⁶ Hz，电介质在角频率为ω的外加正弦交变电压的作用下发生极化，此时电流为

    由于绝缘油纸的老化时间、水分含量等因素都会对绝缘材料的电容和损耗因数产生影响导致其变化，而FDS可以测量在特定频率和电压下的介质阻抗，绝缘材料的电容和损耗因数可以由测量得到的数据计算得出，所以可以通过频域介电谱曲线判断绝缘油纸的老化状态。

3 测试结果及分析

3.1 老化绝缘油纸的聚合度

为了更加准确地判断绝缘油纸老化状态与频域介电谱特征参数的关系，本文遵守绝缘纸聚合度测试技术准则^[16]测量了各老化阶段实验样品的平均聚合度，如表1所示。由此得出，因老化温度恒定，绝缘油纸的聚合度随老化时间的增加而下降。

3.2 老化绝缘油纸的FDS特性

本文中不同老化时间绝缘油纸样品的复电容实虚部随频率变化曲线如图2所示。

                                                                (a) 复电容实部

                                                                      (b) 复电容虚部  

图2 不同机-热老化阶段绝缘油纸的C频域谱

由图2可知机-热老化对绝缘油纸的影响规律为：老化时间在0d~120d时，复电容实部在10^-3-10⁰Hz频段随频率增大呈递减趋势，虚部10^-3-10²Hz频段呈递减趋势；随老化时间的增加，绝缘油纸的复电容整体下移向高电频移动；老化时间为90d时，复电容实部下移程度没有老化时间为60d的大，复电容虚部在低频段幅值下降明显，道中频段复电容虚部幅值先下降后上升，在老化时间为60d电容虚部幅值在高频段出现明显上升情况；在老化时间为150d，复电容虚部幅值下降明显，但出现跳跃现象。

此外，本文还测得了不同老化时间绝缘油纸的损耗因数与频率的变化曲线如图3。

图3  不同机-热老化阶段绝缘油纸tanδ曲线

由图3可知，从总体看，机-热老化时间不超过120d时，各老化阶段的损耗因数随频率的增大而递减；幅值随老化时间的的增长而减小；特殊地，老化时间为60d、90d时，10^-3-10^-2Hz频段幅值减小，10^-2-10^-1Hz频段出现明显上升波动现象；老化时间为60d时，在高频段幅值出现明显增大；老化时间为150d时，幅值变化剧烈并伴随跳跃现象。

同文[17]中单独的热老化相比，机-热老化条件下损耗因数随老化时间的增长呈下降趋势，而tanδ在单独的热老化作用下，随老化时间的增长呈上升趋势。出现这种情况的原因可能是：文[17]中只考虑了热老化单一因素，未加入振动因素；实验环境的不同有可能会造成这种差别，文[17]中测试FDS特性时采用的是浸入油中的三电极测量系统，而本文在无油的恒温振动箱中完成加速老化的，然后进行了频域介电实验。

4 结论

本文通过机-热加速老化实验以及FDS特性测试，分析了机-热老化对FDS特性的影响规律，得出以下结论：

(1) 机-热老化加速老化条件下，随着老化时间的增长复电容曲线和损耗因数曲线呈下降趋势，其中C″-ƒ曲线和tanδ-ƒ曲线规律变化更加相似，在低频段变化明显。

(2) 机-热老化协同作用的绝缘油纸介电谱的变化规律明显不同于单一热老化的绝缘油纸介电谱规律，是由外加机械振动因素和测试环境不同导致的。

(3) 机-热老化会改变绝缘油纸的几何结构，从微观角度影响电介质的极化，导致损耗因数随频率的变化。

参考文献

[1] 孙建锋, 葛睿, 郑力, 等. 2010 年国家电网安全运行情况分析[J]. 中国电力, 2011, 44(5): 1- 4.

[2] 孙才新, 陈伟根, 李俭, 等. 电气设备油中气体在线监测与故障诊断技术[M]. 科学出版社, 2003.

[3] YShang, LYang,ZJGuo, ZYan. Assessing aging of large transformers by furfural investigation[C]. Eindhoven, 2001, 272- 274.

[4] 梁帅伟，廖瑞金，杨丽君，等．天然酯与矿物油纸绝缘的加速热老化特性研究[J]．中国电机工程学报，2008，28(25)：20-24．

[5] Hill D J T，Le T T，Darveniza M，et al．A study of degradation of cellulosic insulation materials in a power transformer，part 2：tensile strength of cellulose insulation paper[J]．Polymer Degradation and Stability，1995，49(3)：429-435．

[6] Sans J R，Bilgin K M，Kelly J J．Large scale survey of furanic compounds in operating transformers and implications for estimating service life[C]//1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation．Arlington，USA：IEEE，1998：543-553．

[7] 杨丽君，廖瑞金，孙会刚，等．油纸绝缘热老化特性及生成物的对比分析[J]．中国电机工程学报，2008，28(22)：53-58.

[8] 廖瑞金，冯运，杨丽君，等．油纸绝缘老化特征产物生成速率研究[J]．中国电机工程学报，2008，28(10)：142-147.

[9] 李明华, 董明, 严璋. 一种新的绝缘测试方法——回复电压法[J]. 高电压技术, 2002, 28(8): 43-45.

[10] 马志钦, 廖瑞金, 郝建, 等. 温度对油纸绝缘极化去极化电流的影响[J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 290-297.

[11] 彭华东, 董明, 吴雪舟, 等. 油纸绝缘频域介电谱影响因素研究[J]. 高压电器, 2013, 49(1): 6-12.

[12] 董 明, 王 丽, 吴雪舟, 等. 油纸绝缘介电响应检测技术研究现状与发展[J]. 高电压技术, 2016, 42(4): 1179-1189.

[13] Jadav R B, Ekanayake C, Saha T K. Impact of moisture and ageing on the dielectric response of transformer insulation[C]//Power Engineering Conference. IEEE,   2012: 1- 6.

[14] 廖瑞金, 刘捷丰, 杨丽君, 等. 电力变压器油纸绝缘状态评估的频域介电特征参量研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(6): 247-254.

[15] 李长云, 王铮. 机-热协同作用下绝缘纸机械性能的劣化机理[J/OL]. 电工技术学报, :1-9 [2018-07-19]. https: //doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171607.

[16] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 1548-2004 纸浆粘度的测定[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.

[17] 王有元, 高竣, 刘捷丰, 等. 变压器油纸绝缘老化与水分含量评估频域介电特征量[J]. 电工技术学报, 2015, 30(22): 215-221.