基于频域介电谱的变压器主绝缘状态评估方法应用

基于频域介电谱的变压器主绝缘状态评估方法应用

徐超

国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院 哈尔滨 150030

摘要：本文阐述了X-Y 模型基本原理，利用 X-Y 模型建立了单层绝缘纸板与变压器主绝缘频域介电谱的联系，并给出变压器主绝缘水分含量与老化状态的现场评估方案，最后现场测试了实际变压器主绝缘系统的频域介电谱。

关键字：频域介电谱；变压器；主绝缘；状态评估

0 引言

在变压器运行过程中，其内部油纸绝缘在电、热、机械应力作用下不断劣化，甚至丧失绝缘性能。其中，绝缘油的劣化常用直流电导率、酸值等表征，绝缘纸的劣化最可靠的证据是聚合度。绝缘油劣化后可通过换油或滤油处理恢复其绝缘性能，而绝缘纸的老化具有不可逆性，因此对变压器油纸绝缘状态评估的重点关注在绝缘纸板上。

1 变压器主绝缘X-Y模型

变压器主绝缘系统由一系列绝缘纸筒、油隙及对纸筒起支撑作用的撑条构成，如图1所示。为了分析方便，常将主绝缘结构进行简化，将所有纸筒、油道和撑条分别集成，得到如图2所示的变压器主绝缘结构的简化模型。其中，X 值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比。对于不同几何结构的油浸式电力变压器，通常X值在0.2~0.5之间，Y值在 0.15~0.25之间。

图1变压器主绝缘结构图

图2 变压器主绝缘结构简化X-Y模型

X-Y模型能将变压器主绝缘系统总的频域介电谱与绝缘油和绝缘纸板各自的介电谱联系起来，同时又考虑了温度、几何结构等相关因素的影响，当某台变压器的X和Y值确定后，变压器主绝缘系统在温度T下的频域介电谱即可按照公式计算得到：

其中， 为主绝缘系统总的复介电常数频域谱； 为矿物绝缘油的复介电常数频域谱； 为绝缘纸板的复介电常数频域谱； 为绝缘油在温度为T时的直流电导率； 为真空介电常数， =8.85×10-12F/m。

2 变压器主绝缘状态评估方案

首先，利用介电响应测试设备IDAX-300测得变压器主绝缘在温度为T时的复电容频域谱 ，并将复电容频域谱 除以主绝缘的几何电容得到其复介电常数频域谱 。然后测量温度为T时变压器油的电导率，通过式(6-1)计算得到变压器油的复介电常数 。将变压器油的复介电常数 、变压器主绝缘的复介电常数图谱 ，以及变压器几何结构参数X、Y值输入X-Y模型中，通过式(6-1)便可以计算出变压器主绝缘中油浸绝缘纸板在温度T时的复介电常数频域谱 。由于在实验室测试油浸绝缘纸板的频域谱是在温度为20°C所测，需要对变压器中油浸绝缘纸板的复介电常数频域谱进行温度修正到20°C下，以消除温度的影响。最后，利用实验室测得含水量与介质损耗因数的关系及聚合度与介质损耗因数的关系求取绝缘纸板的含水量与聚合度，进而可以识别变压器主绝缘的老化及受潮状态。

3 现场应用

3.1 现场试验接线方式

双绕组变压器现场介电响应的测试接线如图3所示。图中，C_HL为高低压绕组间的电容，C_H为高压绕组与变压器外壳之间的电容，C_L为低压绕组与变压器外壳之间的电容。双绕组变压器选用单接线为单通道接线方式，变压器高压绕组和低压绕组分别短接，外壳接地。测量电压施加在高压绕组，低压绕组作为电流测量端。

图3 双绕组变压器现场测试接线图

3.2 现场试验结果分析

变压器主绝缘状态现场评估试验测试设备采用Megger公司的IDAX-300，测试峰值电压200V，频率范围10-3Hz~103Hz，对双绕组变压器主绝缘进行测试。双绕组变压器高低压绕组间主绝缘的复电容频域介电谱除以变压器几何电容C0可得到其复介电常数频域介电谱，然后再把变压器油的电导率、主绝缘结构的X与Y值以及其主绝缘系统的复介电常数频域介电谱代入X-Y 模型，经计算可得变压器主绝缘纸板的频域介电谱。

选取频率值为0.1Hz、1Hz、10Hz处的介质损耗因数，计算得到绝缘纸板的水分含量分别为1.311%、0.981%、1.056%。根据《电力设备预防性试验规程》规定：变压器水分含量小于1.5%，则处于干燥状态，说明当前变压器高低压绕组间绝缘干燥。

选取0.01Hz、0.001Hz处的介质损耗因数，计算得绝缘纸板的DP值为646、618。现场变压器投运于2001年，到目前已运行18年，评估的绝缘纸板DP在合理范围。根据《油浸式变压器绝缘老化判断导则》规定：当聚合度大于500时，绝缘处于良好状态。因此，现场此台双绕组变压器主绝缘的绝缘状态为良好且干燥。

4 结论

本文通过X-Y模型实现了单层绝缘纸板频域介电谱与含油隙的实际变压器主绝缘系统频域介电谱的对接，进而实现了利用实验室内建立的绝缘纸板特征参量对现场变压器绝缘状态进行评估。对现场变压器主绝缘频域介电谱实际测量，并计算得到特征频率下变压器的水分含量及聚合度值，与变压器实际运行年限和运行状况相符合，验证了利用特征频率下介质损耗因数tanδ诊断变压器的水分含量及老化状态的可行性。

参考文献：

杨丽君，齐超亮，等．变压器油纸绝缘状态的频域介电谱特征参量及评估方法[J]．电工技术学报，2015，30(1)：212-219．

刘媛，董明，等．油纸绝缘频域介电谱仿真模拟中XY模型与有限元模型对比研究[J]．高电压技术，2014，40(11)：3483-3490．