基于去极化电流法的变压器绕组寿命评估的实验研究

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摘要 随着经济的快速发展和电力市场的不断增大，变压器的数量在不断地增多，其应用范围也越来越广泛。电力变压器是电网运行中进行转换和传输电能的核心设备，是各种电力设备中最为重要和关键设备之一，在电力系统中占有重要地位，而且购买和维护变压器的费用非常昂贵，保证电力变压器的正常安全运行对于电力系统安全性和经济性有着十分重要意义。 目前许多变压器绝缘老化问题比较严重，严重威胁着电网运行的安全稳定。而油纸绝缘系统是油浸变压器内绝缘的主要组成部分，在长期运行受到电、热、机械应力、水分和氧气等各种因素的影响导致绝缘性能下降。因此判断变压器油纸绝缘的老化状况进而对变压器寿命进行评估将会对电力部门起到非常关键的作用。 在实际中诊断变压器油纸绝缘系统老化状态的方法都存在各自的不足之处，故研究一种无损诊断的测量方法来测量油纸绝缘系统的老化状态，为评估变压器绕组绝缘寿命提供准确而有价值的参考。而基于介质响应理论的极化去极化电流法正是一种测量油纸绝缘系统老化状态的非破坏性方法。所以本文介绍极化去极化电流曲线与绝缘油和绝缘纸板的绝缘性能之间的关系，评估油纸绝缘系统的老化状态，从理论上分析去极化电流与变压器绕组绝缘寿命之间的对应关系。

关键字：变压器，油纸绝缘，老化，去极化电流，介质响应

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1.1利用去极化电流法检测变压器老化和寿命评估的意义 随着经济的快速发展，能源市场全球化和电力市场的不断增大，用于电网中各种电力设备的购买和维护费用也越来越高。其中以我国为例，从改革开放以来，电力行业发展非常迅速，社会用电量也在迅速增加。电力变压器是电网运行中进行转换和传输电能的核心设备，是各种电力设备中最为重要和关键设备之一，在电力系统中占有重要地位，而且变压器的费用非常昂贵，一台进口的大型变压器价格达到几十万甚至上百万美元，所以保证电力变压器的正常安全运行对于保证电力系统安全性和经济性有着十分重要意义。 变压器的绝缘是指变压器的绝缘材料所组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件。而变压器的使用寿命主要是决定于其绝缘材料。实践证明，大部分的变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏造成的[1]。变压器的绝缘系统遭到老化损坏后，会导致绝缘系统的机械强度降低，承受线圈短路电流和耐受过电压的能力也会降低，极其容易发生放电，击穿固体绝缘材料而导致变压器发生故障。据统计，各种绝缘故障事故大约占全部变压器事故的85%以上，目前世界上的电力变压器有很大一部分已经或者将要达到30年的设计使用期限[3]，但是考虑到部分变压器仍处在较好的运行状态和更换变压器需要较大的经济成本等因素，所以这些变压器将会继续运行下去。但是由于变压器的超期运行，如今面临着如何对其进行绝缘材料老化状态合理评估的问题。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，不但花费很大，而且影响面很广，造成很严重的经济损失。 因此，我们为了保证电网的运行安全及电力变压器的安全可靠运行，十分迫切需要对变压器油纸绝缘老化的状态信息进行一个准确合理的评估，对一些可以修复的绝缘缺陷进行及时处理，避免发生绝缘系统早期失效。而对于一些运行时间比较长的变压器，要求能够对其绝缘系统的老化程度进行科学准确地评估，方便我们可以充分利用变压器的使用潜力。所以如何对电力电压器的绝缘老化和使用寿命进行快捷、方便、易于操作的评估，而且能够得到合理准确的评估结果，是目前电力行业中一个很重要的研究问题。如果能够很好地解决这个绝缘老化评估问题，将会给电力行业带来一个巨大的发展。 目前使用最为广泛的电力变压器分为两类，一类是油浸变压器，另一类是干式树脂变压器。其中油浸变压器在电力系统运行中占绝大多数。变压器绝缘系统主要是固体绝缘和液体绝缘两部分组成。在油浸变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料即绝缘纸、纸板等。所谓变压器绝缘的老化，就是这些材料在各种机械、电、热的影响作用下，发生分解，逐步降低或者是丧失了绝缘强度[2]。其中根据变压器运行经验来看，其老化寿命主要与固体绝缘老化的寿命有着密切联系。因为固体绝缘在运行过程中不能进行更换，直到寿命结束而变压器绝缘油可以在运行周期内进行更换和处理。 人们对变压器油纸绝缘系统老化已经研究了几十年，国内外学者也已经发现、总结出一些测量和诊断变压器绝缘老化程度的方法和规律，它们为保证电力系统安全运行、减少电网事故发挥了积极有效的作用，各种方法都有其特定的有点，但是都存在着一些缺点与不足。 目前,极化去极化电流法（PDC）作为研究变压器油纸绝缘老化程度的一种新的方法和如何获取能够表示油纸绝缘老化的新特征量，并且进一步为评估变压器油纸绝缘老化状态提供准确且有价值的参考信息，一直是油纸绝缘领域研究的前沿热点问题。

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第 3 页 共9页 1.2判断变压器老化程度和绝缘寿命的方法 1.2.1判断变压器老化的常规方法 在实际中有着各种各样的绝缘老化评估方法，传统的方法如：测量绝缘电阻（IR）、介质损耗(DLF)、局部放电测量(PD)、抗拉强度测量(TS)、油中溶解气体分析(DGA)等。最近几年来逐渐有一些新技术应用，如高能液相色谱技术（HPLC）、基于介质响应理论的极化去极化电流法（PDC）、回复电压法（RVM）和频域分析法（FDS）,另外还有一些尖端科技也在逐步应用到变压器诊断技术中去，如计算机X线体层摄影（CT）和核磁共振（NMR）[4]。

而在实际中最常用的是油中溶解气体分析、油中糠醛含量分析及测量纸板的聚合度值。 第一是油中气体分析,主要是分析CO、CO2的含量和变化趋势来分析变压器内部固体绝缘的老化程度，但是仅按照这个方法来进行判断，存在很大的不确定性，有不少的偏差，只具有参考价值。 第二是检测变压器油中糠醛的含量的方法，甚至在国外还检测了变压器油中糖类物质的含量的方法，是较为有效地方法，但是在对绝缘油进行处理后，则难以有效判断绝缘老化的情况。 第三是变压器绝缘纸板聚合度测量，这是反映绝缘纸(板)老化程度最准确、可靠、有效的判据之一，但是，对于实际运行中的变压器要定期停运吊芯以取纸样测定，难以实施，而且随纸板取样的位置不同，聚合度也有所不同。 这三种方法要么需要吊罩取样检测，要么受变压器结构影响较大，要么准确度不高，在现场检测方面受到一定的限制，而且检测麻烦和耗费时间，甚至还有可能对变压器本身的绝缘结构造成破坏。 1.2.2去极化电流法 在近十年来，变压器绝缘诊断方法出现了很多新进展，例如基于介质响应的测量方法，最具代表型的是三种，它包括基于时域介质响应技术的回复电压法（Recovery Voltage Method－RVM）、去极化电流法（Polarization and Depolarization Current－PDC）和基于频域介质响应的频域谱法（Frequency Domain Spectroscopy－FDS）。 极化去极化电流测量方法，是一种基于介质响应理论的电气测量新方法，是非破坏性、不需要对变压器进行吊罩取样就能够进行变压器绝缘老化程度进行评估的方法。它是基于线性极化现象，可以将复合的油纸绝缘系统的介质响应函数在扩展的时域中量化，不同部分绝缘的所有重要参数都通过合适的处理被估算。

图1-1 理论的极化去极化电流曲线 使用极化去极化电流法测量变压器，是对变压器外加一个1000V左右的直流电压，然后持续一段充电时间，然后，记录这段时间的充电极化电流，然后对变压器高电压端和低电压端进行短接放电，记录放电过程的去极化电流。然后通过判断极化电流和去极化电流的初始

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第 4 页 共9页 值大小、后面时刻的电流值大小和电流曲线整体变化趋势，来判断绝缘油和绝缘纸板的绝缘老化状态，进而判断变压器的老化程度。而且可以单独地得到变压器中的绝缘油和绝缘纸板的含水量及各自的绝缘状况[13]。 虽然极化去极化电流理论并不是一个新的理论方法，它的提出也已经有很长的一段时间了，但将其用到变压器固体绝缘诊断上是一个新的突破。

1.3去极化电流测量方法的研究现状 首先介质响应理论于20世纪90年代，是一种通过对变压器外加电压获得其固体绝缘状态测试方法。介质响应是以电介质为对象系统，以极化、介电弛豫为微观机理的一种响应。变压器油纸绝缘本身就是一种复合电介质，油纸绝缘的老化会改变绝缘油和绝缘纸的微观结构，从而影响油纸绝缘的导电性和极化，因此油纸绝缘这种复合电介质的介电特性必将发生变化，介电响应法就是基于这样的原理来诊断变压器油纸绝缘的状态[14]。而利用介质响应理论作为一种油纸绝缘老化诊断方法，它具有非破坏性、抗干扰能力强、携带信息丰富等特点。它可以检测变压器的老化程度、水分等重要信息，同时由于不需要对变压器进行吊罩处理，可以方便地用于变压器的现场检测，引起了越来越多人的关注[7]。因此，国外的许多研究机构和学者都认为对于油浸变压器等电力设备，介质响应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介质响应技术的回复电压法(RVM)、极化去极化电流法（PDC），还有基于频域介质响应的频域谱法(FDS)。 1.3.1去极化电流法国内外研究现状 国外有比较多的人对PDC测量方法做研究。Gafvert 等人通过使用PDC测量方法对许多变压器的绝缘系统评估其绝缘状况后，推荐PDC测量方法作为一个优先考虑的方法，因为它可以通过测量结果单独评估绝缘纸和变压器油的绝缘情况。而回复电压法测量结果较为复杂，难以做到区分两者的影响情况[19]。Alff等人表明PDC测量方法可以应用于高电压电力设备的在线监测，并且通过对部分电力设备进行测量，可以利用PDC理论正确解释其测量结果[20]。Der Houhanessian等人使用PDC测量方法测量了在不同的含水量和不同的温度下的绝缘纸板样品，证明了如何从电力变压器中的绝缘纸板的极化去极化电流测量结果中得到纸板的含水量[21]。Saha, T. K.等人也发明分析PDC测量结果的软件系统，可以通过极化去极化电流测量结果得到回复电压谱，联合两者结果，评估绝缘纸和绝缘油的导电性能[22]。A. Küchler等人也通过相关的实验研究表明PDC测量方法是一种可靠的方法去测量变压器绝缘系统的含水量和变压器绝缘油的导电率，还具体指出极化去极化电流曲线的初始值是变压器油的导电率所决定，而且这是受到油中的含水量所影响。电流曲线的末尾时刻的数值也是决定于油隙和绝缘纸板的电阻值，这同样是受到两者含水量的影响。而电流曲线的中段数值则是决定于变压器绝缘油本身的性质和油纸绝缘系统的几何结构及其老化产物的影响[23]。 在国内的这方面相关研究的开展还比较少，国内关于变压器无损老化检测的研究才处于刚刚起步的状态，国内对于PDC测量方法的研究起步也较晚，并且受到实际变压器测量等诸多因素的影响，有关这方面的研究成果还比较少有报道。目前我国还没有可靠的无损方法用于判断变压器剩余寿命，而PDC测量方法也还没有投入到实际的变压器的测量中去，仅仅停留在实验室测量的阶段。 由于PDC测量方法能够快速评价变压器老化寿命，不需要采样，无损耗，抗干扰性能较好，现场试验测量方便易行的优点逐渐体现出来，所以在最近这几年来，基于PDC测量的变压器绝缘老化程度的诊断方法已经引起了越来越多的国外研究者的重视注意，而且由于PDC方法在评估油纸绝缘老化状态上的优势，国际大电网联盟(CIGRE)推荐PDC方法作为变压器老化评估的测量方法[12]。