基于频域介电谱试验的750kV变压器绝缘状况评估

仪器进行测量， 如瑞典 Pax Diagnostics 公司生产的 IDAX-206 绝缘诊断分析仪[13-14] 。 该仪器可 在待测 的绝缘系统两端施加恒定幅值的变频交流电压，通 过测量流经绝缘系统的电流， 计算相应频率下的复 电容 C*、tan δ 等值，得出其频率特性曲线。 利用仪 器提供的 MODS （Modelling Software）软件对所测曲 线进行拟合分析，从而得出变压器纸板中的含水量， 由此可以判断变压器绝缘的状况。
作 者 简 介 ：杨 双 锁 （1982— ），男 ，硕 士 研 究 生 ，从 事 电 力 设 备 绝 缘 状 态 检 测 与 故 障 诊 断 研 究 。
2010 年 04 月
验方法用于现场电力设备的绝缘试验， 它们均属于 无损检测的试验方法， 不需要变压器吊芯、 取纸样 等，而国内的研究刚刚起步。
乙 j（t）＝σ0E（t）＋ε0
dE（t） dt
＋ε0
d dt
t
f（t－τ）E（τ）dτ （5）
0
频域中，极化率 χ（ω）为介质响应函数的傅里叶
变换
乙∞
χ（ω）＝χ′（ω）－i χ″（ω）＝ f（t）exp（－iωt）dt （6） 0
则频域下的极化作用 P（ω）可表示为
P（ω）＝ε0 χ（ω）E（ω）
YANG Shuang-suo1， ZHANG Guan-jun1， DONG Ming1， WEI Jian-lin1， WANG Shi-qiang1， YU Zheng2， FENG Yu-Chang2
（1. State Key Lab. of Electrical Insulation for Power Equipment， Xi′an Jiaotong University， Xi′an 710049， China; 2. Northwest China Grid Company Limited， Xi′an 710048， China）
面应力的作用，绝缘强度不断降低[1] 。 变压器的设计 （Polarization-Depolarization Current，PDC）[2] 、 频 域 介
寿命一般为 20～40 a，随着变压器服役时间的延长， 电 谱 （Frequency Domain Spectroscopy, FDS）[3] 等 ，这
εr（ω）＝εr′（ω）－iεr″（ω）＝1＋χ′（ω）－i χ″（ω） 则介质损耗因数 tan δ 可表示为
（11）
tan δ（ω）＝ εr″（ω） ＝ χ″（ω） εr′（ω） 1＋χ′（ω）
Hale Waihona Puke （12）由此引入复电容 C（ω），它是表征介质电气性能
的一项参数，可以通过一般的电容测量仪器测量，其
与电流 I（ω）和电压 U（ω）的关系为
值得注意的是，水作为一种强极性电介质，对变 压器油纸绝缘的极化特性影响很大， 因此采用介电 响应的试验方法，可以反映水分含量，进而反映绝缘 的老化状况。
2 频域介电谱分析的基本原理
假定电介质材料是线性、均匀及各向同性，则频
域介电谱测量结果取决于电介质响应函数。 电介质
响应函数 f（t）表示电场的激 励和极化作 用，代表介
·16·
第 46 卷 第 4 期 201A0 p年r. 201004 月
HHigighhVVooltlataggeeAAppppaararatutuss
Vol.46 No.4 Apr. Vol2.40610 No.4
基于频域介电谱试验的 750 kV 变压器绝缘状况评估
杨双锁 1， 张冠军 1， 董 明 1， 魏建林 1， 王世强 1， 于 峥 2， 冯玉昌 2
（1． 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室， 陕西 西安 710049； 2． 西北电网有限公司， 陕西 西安 710048）
摘要： 电力变压器运行的可靠性在很大程度上取决于其绝缘系统，绝缘性能降低，寿命便缩短。从经济性和安全性考虑，希望尽
可能延长变压器的使用年限，又确保其安全稳定运行，则要对其进行绝缘诊断和寿命评估。 通过分析电力变压器绝缘状态的诊
I（ω）＝iωC（ω）U（ω）
（13）
根据复电容 C（ω）与相对介电常数的关系
C（ω）＝C′（ω）－iC″（ω）＝C0｛εr′（ω）－iεr″（ω）｝ （14） 式 （14）中 ，C0 为 几 何 电 容 ，则 介 质 损 耗 因 数 可 以 改 写为
tan
δ（ω）＝
C″（ω） C′（ω）
（15）
在频域内， 电介质材料的介电特性可以用复电
0 引言
行。出于经济性和安全性方面考虑，既要尽可能延长 其使用年限，又要确保其安全稳定。所以需要对油浸
大型油浸式电力变压器是电力系统中重要的枢 式变压器进行绝缘诊断和寿命评估， 以决定一台老
纽设备之一， 对保证电力系统的安全运行起着举足 变压器是否可以继续运行或者需要进行吊芯干燥或
轻重的作用。 而变压器运行的可靠性在很大程度上 大修处理。
断原理与方法，介绍了一种基于频域介电谱（FDS）技术进行绝缘诊断的新型试验方法。 采用 FDS 法对兰州东变电站 750 kV 变
压器进行了初步的现场测量，并分析了测量结果，结果表明，该变压器纸板水分含量合格，绝缘状况良好，且测量结果与预防性
试验吻合良好。 FDS 有望成为一种新的预防性试验方法，具有良好的应用前景。
Vol.46 No.4
系数确定，体积电导率的电介质响应函数可忽略。与 此相反， 变压器纸板是由其电介质响应函数所决定 的，该函数将受水分含量与老化产物的影响。如果已 知每种介质的几何尺寸和响应函数，通过计算，则可 获得组合绝缘系统的电介质响应。
3 750 kV 变压器的 FDS 现场试验
3.1 试验仪器及测量方法 为获得变压器绝缘的频域介电谱， 可采用相关
·17·
乙 乙 t
∞
P（t）＝ε0 f（t－τ）E（τ）dτ＝ε0 f（τ）E（t－τ）dτ （3）
－∞
0
根据 Maxwell 方程，在 t=0 时刻，将电场 E（t）施
加在介质材料上时， 会产生可以表示为传导电流和
位移电流之和的电流密度 j（t）
j（t）＝σ0E（t）＋
dD（t） dt
（4）
式（4）中，σ0 为介质材料的直流电导率。 则可以得出流经电介质的电流密度
在变压器的老化过程中，由于化学作用，会在固 体绝缘中产生 CO、CO2、糠醛、丙酮和水分等一系列 产物。其中水分既是老化产物，同时又能加速老化进 程[8]。 水分含量是老化程度的重要标志之一，可以用 固体绝缘中水分的含量来表征绝缘的老化状态。 利 用 Karl-Fischer 滴定法测量变压器油中的水分含量， 根据油纸水分平衡关系[9]，可近似计算固体绝缘中 的水分含量。 然而由于电力变压器水分迁移本质上 非常复杂，通常高达 99%以上的水分存在于固体绝 缘中，油中只含有不到 1%，且在不同温度下水分存 在油-纸间的迁移现象， 需要很长时间才能达到平 衡状态[10－11] ，故该方法具有很大的局限性。
取决于其绝缘系统，据统计，因各种类型的绝缘故障
根据电介质物理学， 电介质材料在电场的作
形成的事故约占全部变压器事故的 85%以上。 变压 用 下 存 在 电 导 、 极 化 和 损 耗 等 各 种 响 应 现 象 ， 如
器在运行过程中，由于受到电、热、机械、化学等各方 回 复 电 压 （Return Voltage，RV）、 极 化/去 极 化 电 流
与其他方法相比，FDS 法具有较多的现场 应用 优势[4-6]，笔者对该方法进行了介绍，将其引入到变 压器绝缘状况的诊断中，并给出了现场测量实例。
1 变压器绝缘状况的诊断原理与方法
油浸式变压器的绝缘系统主要由绝缘油和固体 绝缘（纸、绝缘板、垫块、绑扎带等）组成。随着变压器 老化程度的加深，固体绝缘的机械强度会下降，将导 致变压器绕组抗短路大电流冲击的能力大大降低， 从而降低变压器的运行可靠性， 固体绝缘的状况直 接决定变压器的运行寿命。 目前较为常用的固体绝 缘 诊 断 方 法 有 ：绝 缘 纸 板 拉 伸 强 度 （TS）、聚 合 度 分 析 （DP）、油 中 溶 解 气 体 分 析 （DGA）、糠 醛 含 量 检 测 （Furan）等，这些方法不 同程度地存 在一些局限 性， 如取纸样难度和有效性的问题[7]。
有的由于各种原因提前淘汰， 而有的则仍然安全运 些现象常被用作为电介质材料介电特性的表征。 近
收稿日期：2009 - 05 - 20； 修回日期：2010-01-12
年来， 国外研究者尝试将这几种实验室中采用的试
基 金 项 目 ：国 家 高 技 术 研 究 发 展 （863）计 划 （2007AA04Z411 ）。
质 材 料 的 脉 冲 响 应 ，满 足 如 下 关 系[ 12 ]
f（t）＝0，坌t＜0 且lim f（t）＝0
（1）
t→∞
对于各向同性的介质，存在如下关系
D（t）＝ε0 E（t）＋P（t）
（2）
在任意电场强度 E（t）下，极化作用 P（t）与介质
响应的关系用卷积形式表示为
第 46 卷 第 4 期
关键词： 油浸式变压器； 介电响应； 频域介电谱； 绝缘； 老化
中图分类号： TM855
文献标志码： A
文章编号：1001 - 1609（2010）04 - 0016 - 05
Insulation Condition Evaluation of 750 kV Power Transformers Based on Frequency Domain Spectroscopy
容和复相对介电常数来表征。 通过计算不同频率下
电介质材料的阻抗值，就可以计算出对应的复电容，
复相对介电常数等参数，由此可得其频域介电谱。
对油纸绝缘系统而言，由变压器油、绝缘纸板等