文献综述-拉曼光谱

变压器绝缘状态的介质响应无损评估系统的研究

——SRTP 文献综述报告前言

变压器是电力系统的重要组成部分，它能否正常运行直接关系到整个电网的安全性和可靠性。近年来，对变压器绝缘系统的研究已经越来越深入，从国内外的研究动态中来看，以介电响应为基础的回复电压(RVM)、极化去极化电流(PDC)和频域介电谱（FDS）绝缘诊断技术由于具备受环境干扰小、携带绝缘信息丰富以及实施起来简便易行等优点，已经成为了研究的主要方向。而这三种方法各自有优缺点，且侧重点也有所不同，如何将这三种方法结合起来，互相转换，使之可以更加准确地反应变压器绝缘系统的老化状态，还有待进一步的研究。

正文

一、影响电力变压器老化的因素及危害

变压器内的绝缘系统主要由矿物油和绝缘纸（纸板）构成的复合绝缘组成，在长期运行过程中由于受到各种因素的影响逐渐发生老化，导致绝缘的电气和机械性能下降，从而降低绝缘物质的绝缘性能。

实际运行经验表明，绝缘油即使在长期使用之后，其绝缘击穿电压也不过下降 10%左右，一般无碍运行。即使油的体积电阻系数和总酸值等虽然会发生较大的变化，但也可以通过油的净化或再生处理甚至换新油来解决，因此油不是影响变压器寿命的主要因素。而构成固体绝缘的纤维纸，其劣化后引起的性能下降则是不可逆转的，因此绝缘纸的老化是决定变压器寿命的主要因素[1]

以下将从四个方面分析：

1．热老化

由纤维素为主要成分的绝缘纸作为一种有机绝缘材料会在热的作用下发生热降解，包括使主链断裂的解聚反应和使侧基从主链上脱去的消去反应，产生大量低分子挥发物，并引起一系列更为复杂的反应。热老化通常在热和氧的协同长期作用下发生，初期会出现过氧化物，进而分解产生自由基，然后引发一系列氧化和断链化学反应，使分子量下降，含氧集团浓度增加，并不断挥发出低分子产物，结晶度也随之改变。随着绝缘物质结构的变化，其电气性能和机械性能都逐渐劣化。对于不同类型的绝缘，温度每升高 8～12℃将会导致绝缘寿命缩短一半。

因此，热老化是变压器内绝缘性能劣化的主要形式之一。

2.电老化

在电场长期作用下绝缘物质会产生一系列的物理和化学效应，包括放电过程产生的带电质点轰击，放电点引起的介质热效应，放电过程中的活性生成物以及放电产生的可见光、紫外线等辐射效应都会破坏绝缘材料的分子结构，促使绝缘材料裂解，并导致绝缘性能的下降。变压器绝缘在干燥、浸渍、脱气或者运输过程中，可能会在固体或液体内残留小气泡，而在这些气泡的电场集中处容易发生局部放电，放电过程会使油分解而产生各种烃类气体，在绝缘油产气和吸气的过程中，一部分气体溶解于油中，另外一部分则导致气泡扩大增多，进一步加强放电程度；同时，在油浸纸绝缘中发生的局部放电会以 10eV 以上的能量轰击绝缘表面，打断仅有几个电子伏的纤维素化学键，或者产生 X-蜡沉积在固体绝缘表上，在那里形成更为强烈的放电，出现过热点，加速固体绝缘的破坏，从而降低绝缘物质的性能。

经实验表明，局部放电是引起变压器内绝缘电老化的主要因素。

3. 机械老化

变压器绕组在运行过程中的机械振动，或者由于短路故障或暂态过电压引起的瞬时电

动力也会引起或加速内绝缘的老化进程。这种老化过程的实质是在机械应力作用下，油纸绝缘材料中分子级别的微观缺陷发生规则运动，形成微裂缝及逐渐扩大的过程。当裂缝的尺寸及数量达到某个临界值时，将会对绝缘材料造成破坏。

4. 环境老化

环境对变压器油纸绝缘系统造成的劣化主要是受潮，受潮后的绝缘电阻和介质损耗将增大，从而有可能引起热击穿。水分是强极性液体，受潮后的绝缘介电常数也将增大。如果受潮不均匀，将引起电场分布的变化，从而降低其耐电强度。

以上的几个方面之间互相的促进作用也会加剧绝缘物质的老化，例如：在强电场存在时，固体绝缘的机械老化会明显加快，因为绝缘的微裂缝容易引发局部放电，并加快绝缘的机械破坏过程。另外，温度升高时，机械老化也更易进行。在复合绝缘中，热膨胀系数的不同也会在高温下产生额外的机械应力，进一步促进机械老化。在水分、污染、氧气等的作用下绝缘表面将发生腐蚀，加以强电场的作用，沿面放电会产生足以引起纤维分解的高温。

二、RVM、PDC、FDS三种方法的基本原理及不同因素对其影响

1.回复电压法（RVM）

上图是RVM检测方法的图示，通过在绝缘介质两端施加直流电压，使之产生电导和极化现象，接着撤去外电压，介质发生去极化现象，通过测得这两个过程中的电压、电流等数据得出，分析可以得出结论。

实际的操作步骤：

(1) 充电阶段（极化）——S1接通， S2 和 S3断开，使绝缘系统充电t c时间。

(2) 放电阶段(释放表面电荷和去极化)——S2接通， S1 和S3 断开，撤去外施电

压和短接两极使绝缘系统放电t d时间，规定t d=1/2t c。

(3) 回复电压测量阶段(继续去极化过程)——在放电t d时间后，撤去短接线,使 S1

和S2断开，接通 S3,连续测量 a 和 b之间的电压，直到回复电压达到峰值 Urmax 后衰减到零,由此得到Ur=f(t)关系曲线。

(4)松弛阶段——S2接通，S1、S3断开，短接两级消除绝缘系统的全部极化现象，然

后开始下一个试验周期。当增加试验次数时，t c会随着增加，在不同的t c内进行一系列RVM测量，然后将各次测量曲线中Urmax与其对应的时间t c绘成极化谱曲线，

通过对极化谱曲线的分析，测出最大回复电压

时间常数、初始斜率，后两个通常被用来判断纸绝

缘的受潮和老化程度，t cd越大、初始斜率越小，

绝缘性能越好。

温度、绝缘油的劣化、变压器残留的静电荷、空气相对湿度对RVM曲线都有不同的影响：温度升高，极化谱峰值左移，主时间常数减小；油在严重劣化时才对极化谱有影响；静电荷会干扰测量的重现性；空气相对湿度大于75%时就会使RVM曲线发生陡降。

2.极化去极化电流法（PDC）

PDC是一种无损诊断方法，可以测量绝缘介质中的水分的含量，在确定的时间T内施加大约1KV直流阶跃电压，绝缘体中发生极化过程，在施加电压的一瞬间就产生脉冲电流。

当极化过程结束后，开关S切换位置，绝缘被短接，发

生去极化过程，放电电流变为负值，并逐渐变为零。在

这两种过程中，测得的实验数据包含了很多绝缘样品的

信息，可以通过测得的特征参量分析水分对绝缘性能的

影响。但是PDC适用于低频测量，且对于停运时间很长

的变压器测量时间很长，评估结也仅限于油的电导率及

水分含量，其评估结果也易受到水分、温度、老化状态及油的影响。

3.频域分析法（FDS）

FDS的测量原理是通过描述绝缘系统的介质损耗角因素tanδ、复电容实部C′和虚部C″等参数在不同施加电压频率下的变化来评估变压器的绝缘性能。

在绝缘介质两端施加交流电压，电极

上将出现极化电荷，外电路是上就有电流

流过，所测试品的介电性质将会影响电流、

电压的相位。