變壓器是電網(wǎng)中電能輸送的核心設(shè)備，運(yùn)行工況穩(wěn)定顯得尤為重要，在其投運(yùn)階段，由于受到電、熱、振動等多種老化因素的聯(lián)合作用，其內(nèi)部油紙絕緣系統(tǒng)絕緣可靠性下降，老化速率加快，因此，運(yùn)行一定年限的變壓器，當(dāng)變壓器油絕緣程度下降較大時(shí)會采用換油處理，用純新變壓器油替換老化的變壓器油，不僅使得變壓器的絕緣程度得以提高，還增加了變壓器的剩余使用壽命，同時(shí)減少了更換變壓器所需的成本，因此換油對提高變壓器的絕緣狀態(tài)具有重要的意義。

變壓器油紙絕緣性能檢測主要是采用以下方法：①化學(xué)分析法，通過測試變壓器油中的水分、酸值、糠醛、絕緣紙板中的水分、聚合度等理化參量可有效評估變壓器內(nèi)部油紙絕緣老化程度；②無損介電響應(yīng)測試，通過時(shí)頻域介電響應(yīng)測量，例如：極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current, PDC）、回復(fù)電壓法（Recovery Voltage Method, RVM）和頻域介電法[12-16]（Frequency Domain Spectroscopy , FDS），根據(jù)曲線變化趨勢可有效評估油紙絕緣狀態(tài)，該方法現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在油紙絕緣電力設(shè)備的狀態(tài)評估當(dāng)中。

現(xiàn)階段，針對變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估的研究主要分為以下幾個(gè)方面：

①以頻域介電譜為研究重點(diǎn)，通過頻域介電譜最小值點(diǎn)、不同頻域范圍積分面積、不同頻率點(diǎn)損耗因數(shù)數(shù)值迭代計(jì)算等方式建立油浸紙板中的含水量、老化程度的定量表征關(guān)系或數(shù)據(jù)指紋識別庫，實(shí)現(xiàn)對變壓器的老化狀態(tài)及使用壽命的準(zhǔn)確評估；

②以纖維素?cái)嗔训亩A動力學(xué)模型或絕緣紙聚合度損失累積模型為基礎(chǔ)，通過時(shí)溫疊加理論建立了平移因子與絕緣紙板活化能、水分、溫度之間的定量關(guān)系，得到絕緣紙板與溫度、水分等有關(guān)的油紙絕緣壽命預(yù)測方法；

③以時(shí)域介電譜中的極化去極化電流為研究重點(diǎn)，通過不同溫度、不同老化程度的油浸紙板極化去極化電流的變化規(guī)律，定性反映兩種極化類型，再通過極化去極化電量或穩(wěn)定電量，定量計(jì)算油浸紙板聚合度、含水量，也可應(yīng)用Debye模型，進(jìn)行模型參數(shù)提取，得到最大或最小極化支路對應(yīng)的R、C值，定量表征油紙絕緣的老化程度；

④以時(shí)域介電譜中的恢復(fù)電壓為研究重點(diǎn)，通過回復(fù)電壓的峰值、極化譜的中心時(shí)間常數(shù)、回復(fù)電壓曲線的初始斜率、半峰值周期以及穩(wěn)定回復(fù)電壓值等建立與油紙絕緣聚合度、含水量的關(guān)系方程，或通過回復(fù)電壓測試曲線進(jìn)行解譜分析，將回復(fù)電壓譜線中的弛豫響應(yīng)特征展開成回復(fù)電壓各子譜線的形式，從而判斷油紙絕緣設(shè)備的絕緣狀況，然而現(xiàn)階段開展的變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估中沒有考慮變壓器在運(yùn)行多年期間出現(xiàn)換油對油紙絕緣老化狀態(tài)評估或壽命預(yù)測所帶來的影響，目前僅重慶大學(xué)課題組針對油紙絕緣試樣在不同老化階段換油后油中糠醛含量及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了分析。

為了研究換油周期對變壓器內(nèi)部油紙絕緣老化狀態(tài)的影響規(guī)律，本文以與變壓器等效的XY模型為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了三組不同換油周期下變壓器等效的XY模型的加速熱老化試驗(yàn)，并進(jìn)行了換油前后的變溫（30℃、50℃、70℃、90℃）頻域介電響應(yīng)測量以及變壓器油中的水分、酸值、絕緣紙板聚合度的測試，低頻激勵作用下，老化后變壓器油電導(dǎo)率增加，累積電荷能力增加，變壓器油與紙板接觸面界面極化作用增強(qiáng)。

換油周期越長，變壓器油中累積電荷作用越大，受絕緣結(jié)構(gòu)界面極化影響的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線拐點(diǎn)越明顯，隨著溫度升高，曲線拐點(diǎn)向高頻移動；換油周期越長，換油前后介質(zhì)損耗因數(shù)曲線在低頻段下降越明顯，隨著測試溫度的升高，換油前后在高頻段重合程度越大，而且重合頻率點(diǎn)向低頻移動。

換油前后在不同頻段內(nèi)，用模型介質(zhì)損耗因數(shù)曲線平移方法計(jì)算得到絕緣紙板活化能大小基本相同。換油后，中頻與低頻范圍內(nèi)，變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)對模型頻域介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的影響要小。

本文研究了換油周期對變壓器內(nèi)部絕緣老化影響的基礎(chǔ)變化規(guī)律，并提出換油前后老化模型內(nèi)絕緣紙板活化能的計(jì)算方法，對本文后續(xù)研究換油周期、老化溫度與模型絕緣壽命的定量表征關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。

圖2 試驗(yàn)測試示意圖

圖3 頻域測試接線圖

圖4 油紙絕緣含水率測試裝置示意圖

結(jié)論

本文進(jìn)行了不同換油周期下變壓器油紙絕緣等效模型的介電性能、理化性能試驗(yàn)，建立并根據(jù)換油前后頻域介質(zhì)損耗因數(shù)曲線，提出換油前后不同頻率范圍平移模型介質(zhì)損耗因數(shù)曲線計(jì)算老化后絕緣紙板活化能的方法，得到主要結(jié)論如下：

1）低頻激勵作用下，老化后變壓器油電導(dǎo)率增加，累積電荷能力增加，變壓器油與紙板接觸界面極化作用增強(qiáng)，模型結(jié)構(gòu)對界面極化作用明顯（曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)）。換油周期越長，變壓器油中累積電荷作用越大，介質(zhì)損耗因數(shù)曲線拐點(diǎn)越明顯，且隨著溫度升高，受絕緣結(jié)構(gòu)界面極化影響的曲線拐點(diǎn)向高頻移動。

2）換油周期越長，換油前后介質(zhì)損耗因數(shù)曲線在低頻段下降越明顯；隨著測試溫度的升高，換油前后曲線在高頻段重合程度越大，重合頻率點(diǎn)向低頻移動。

3）根據(jù)不同換油周期下，變壓器油紙絕緣模型內(nèi)部油浸紙板聚合度、換油前后酸值、含水量增量的變化規(guī)律，得到不同換油周期，換油后油中小分子酸與絕緣紙板聚合度的定量表征方程。

4）換油前后不同頻段內(nèi)模型介質(zhì)損耗因數(shù)曲線平移方法計(jì)算絕緣紙板活化能大小基本相同。換油后，中頻與低頻范圍電源激勵作用下，變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)對模型頻域介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的影響減小。

根據(jù)本文研究成果，對運(yùn)行變壓器換油前后及換油周期對油紙絕緣老化影響變化規(guī)律進(jìn)行了初步探索，在后續(xù)的研究工作中，將會本文提出的低頻頻溫平移方式運(yùn)用到計(jì)算變壓器XY等效模型絕緣紙板的壽命預(yù)測方法中，結(jié)合二階動力學(xué)模型、纖維素累積損失模型，合理預(yù)測不同換油周期、老化溫度下變壓器XY等效模型的絕緣壽命。