文章编号：１００４－２８９Ｘ（２０２０）０６－００７６－０４
热老化对ＦＤＳ特征频率处介质损耗的影响研究
汪旭旭
（国家电网有限公司直流建设分公司，北京　１０００３２）
摘　要：ＦＤＳ法可以对变压器油纸绝缘系统的老化进行有效诊断。根据介质耗损相关机理可知，在０ １～１ｍＨｚ内的的介质损耗可以更有效的体现其老化情况。本文首先通过ＦＤＳ法对制备的５组试品进行测试，然后选取频率ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ处的介质损耗ｔａｎδ作为特征参量，将特征频率处的ｔａｎδ和热老化时间进行拟合，并得到两者的拟合关系。研究表明：特征频率ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ处的ｔａｎδ随着热老化时间的增加呈指数函数增长，且其增长速率逐渐增大。通过该方法可定量反映热老化对ＦＤＳ的作用，并为准确诊断油纸绝缘系统的老化情况提供了一定参考。
关键词：变压器；油纸绝缘；频域介电谱；热老化；介质损耗；特征频率
中图分类号：ＴＭ４１    　文献标识码：Ｂ
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ＷＡＮＧＸｕ ｘｕ
（ＤＣＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒａｎｃｈｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦＤＳｍｅｔｈｏｄｃａｎｗｅｌｌａｓｓｅｓｓｔｈｅａｇｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｏｉｌｐａｐｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓ，ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓｗｉｔｈｉｎ０ １ｍＨｚ １ｍＨｚｃａｎｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅａｇｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｏｉｌ ｐａｐｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｆｉｖｅｇｒｏｕｐｓｏｆｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙＦＤＳｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓｔａｎｄｅｌｔａａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆ＝０ １ｍＨｚａｎｄｆ＝１ｍＨｚｗａｓｅｘｔｒａｃｔｅｄａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｔａｎδａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌａｇｉｎｇｔｉｍｅｗｅｒｅｆｉｔｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｗａｓｏｂ ｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔａｎδａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆ＝０ １ｍＨｚａｎｄｆ＝１ｍＨｚｉｎｃｒｅａｓｅｓｅｘｐｏｎｅｎ ｔｉａｌｌｙｗｉｔ
ｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｒｍａｌａｇｉｎｇｔｉｍｅ，ａｎｄｉｔｓｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｑｕａｎｔｉｔａ ｔｉｖｅｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔａｇｉｎｇｏｎＦＤＳ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｔｈｅａｇｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｏｉｌ ｐａｐｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｏｉｌｐａｐｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｔｈｅｒｍａｌａｇｉｎｇ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
１　引言
变压器在整个电网当中起着输送和变换电能的重要作用，它的稳定工作对于整个电网的平稳运行提供了非常关键的保障［１］。它在长时间的工作运行进程中由于受到多种因素的共同作用会使得主绝缘系统会慢慢老化，致使其绝缘性能变差［２］。老化主要包括油、纸的老化，且其在老化进程中会互相作用，加速彼此间的老化进程，所以研究老化的影响，对维持电力系统的健康工作有着至关重要的作用［３－５］。现在以电介质理论为前提的新型无损诊断方法逐渐发展为最为主要的研究趋势，该方法主要分为３种：ＲＶＭ、ＰＤ法和ＦＤＳ法［６］，其中ＲＶＭ法仅是能够对油纸的整体绝缘状况进行测
试评估，不能够有效的把油和纸各自的情况区分出来，且对于结果的阐述相当困难，效果也较为不理想；ＰＤＣ法虽可检测两者各自的状态，但抗干扰能力差，且初始的ＰＤＣ较难测量［１］。ＦＤＳ法因具有测量频带宽，抗干
《电气开关》（２０２０．Ｎｏ．６）
扰能力强，在线监测效果好等优点，近年来得到了非
常多的关注［７－８］
。ＦＤＳ低频段内的介质损耗可以更
准确的映现被测介质的绝缘情况，为准确评估热老化的作用效果，选取ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝０ １ｍＨｚ处的介质损耗为特征参量，通过该特征量来定量分析研究热老化对ＦＤＳ的影响，最终为预测变压器的运行使用年限供给了一定的参考依据。
２　ＦＤＳ试验
２ １　ＦＤＳ的理论基础
当介质两头被施加上电压时，受到电场的作用
会使得偶极子或正、负载流子发生极化［９］
。若其中
只有位移极化，因其极化过程很短，可认定电场强度Ｅ和电感应强度Ｄ在时间上没有相位差，且Ｄ＝ε０εｒＥ，其中ε０为真空介电常数，εｒ为介质的相对介电常数；若其中有松弛极化，在电场作用下经过很长时间才能实现平稳，则Ｄ和Ｅ在时间上有相位差
δ［１０］
。当外加电场ｅ（ｔ）＝Ｅｍｓ
ｉｎｗｔ时，交变电感应强度ｄ（ｔ）＝Ｄｍｓｉｎ（ｗｔ－ｄ）。引入复函数Ｅ和Ｄ，则Ｅ＝Ｅｍｅｉｗｔ，Ｄ＝Ｄｍｅ
ｊ（ｗｔ－ｄ）
。所有向同性线性电介质，Ｄ与ｅ０
Ｅ的比例是复数，以ε表示，即：
ε＝
Ｄε０Ｅ＝ＤｍＥｍ
ｅ－ｊδ
（１）
式（１）中，ε一般分成ε′与ε″ε＝ε′－ｊε″＝ＤｍＥｍ
（ｃｏｓδ－ｊｓｉｎδ
）（２）ε
′为体现了介质桎梏电荷的水平，而ε″为虚部体现了电场能变为热能的耗损部分，介质损耗ｔａｎδ如下所示：
ｔａｎδ
＝ε
″ε
′（３）
ｔａｎδ的大小和被测试品的形状没有关系，但是对于介质特性的改变更为敏感，因此在试验研究和工程应用中大多都通过ｔａｎδ
在来分析评估变压器油纸绝缘系统的老化情况［１１］
。
２ ２　试验材料和试品的制备
试验材料：普通绝缘纸和＃２５矿物绝缘油。试品的制备过程：（１）将５组绝缘纸置于１１０℃下干燥６个小时；（２）在绝缘油中放入绝缘纸，并使绝缘纸充分浸渍４
８小时，致使其充分浸油（油纸比例２０∶１）；（３）将试品放置在１３０℃的密闭环境下完成加速热老化过程。本文中试品的热老化时间分别
为５、１５、２５、３５、４５天。２ ３　ＦＤＳ原理
ＦＤＳ法是一种通过研究介质在一定频率范围内的极化过程来评估被测设备老化状况的电气技术，
其测量原理简图如图１所示［１］
。一般介质在极化的
作用下会发出电流信号，利用ＦＤＳ仪改变测试频率的大小即可获得电流和电压信号，进而得到Ｚ、Ｉ和Ｖ等数据，最终利用得到的这些数据可以计算得出
ｔａｎδ和Ｃ
，并得到频率和这二者的关系曲线，即为ＦＤＳ［１２］
。
图１　ＦＤＳ测量原理图
３　试验结果与分析
通过ＦＤＳ法对试验制得的５组老化试品进行测试得到结果如图２
所示。
图２　不同老化程度的ＦＤＳ曲线
  由图２可知：随着热老化作用时间的增大，ｔａｎδ在低频率段内的增长更为显著。这主要是因为交变
电场会影响各频率段内的极化过程，不同的频率段内发生的极化类型是不尽相同的。油纸在老化过程中会生出水分、糠醛和酸等，这些都会大大增加油纸
的降解速率［１３－１５］
；电导率和老化时间呈现成比例关
系，而电导率对ｔａｎδ
的作用和频率成反比，且频率《电气开关》（２０２０．Ｎｏ．６）
越小电导率的增加对ｔａｎδ的作用更为显著，随着频率越大，电导率的增加对ｔａｎδ的作用慢慢变小。此外，随着热老化作用时间的增加，介质中的偶极子和跳跃载流子会逐渐变多，进而使得ｔａｎδ
在较低频率下出现较强的低频弥散效应［１６－１８］
，最终使得ｔａｎδ随着热老化作用时间的延长而变大，且在低频率范围内表现的更为明显。
４　特征频率处的介质损耗
根据以上可见，随着老化程度的加深ｔａｎδ也逐渐升高。为更好的应用ｔａｎδ定量评估热老化对ＦＤ
Ｓ的影响，需要提出可以很好的体现热老化影响的新的特征量。根据图２可知：低频段内的ｔａｎδ受热老化的影响更为明显，而且在低频段内的ｔａｎδ有着非常好的规律性，相比于中、高频率段的ｔａｎδ可以更为准确的反映热老化的影响。由此，为更加精确的呈现热老化的影响，选择ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ作为特征频率，然后利用ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ这两个频率处的ｔａｎδ
来分析研究热老化对ＦＤＳ的影响。由ＦＤＳ测得的数据可知，在频率ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ处的ｔａｎδ与热老化时间的对应关系如表１所示。
表１　特征频率处的ｔａｎδ
老化时间／天５１５２５３５４５ｔａｎδ／％（０ １ｍＨｚ）３６ ２８８６ ２８１８４ ６３８６ ８７２０ ７ｔａｎδ
／％（１ｍＨｚ）１５ ２３
４５ ２３
９６ １３
１９１ ７
４６３ ３
  为了定量研究热老化对ＦＤＳ特征频率ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ处ｔａｎδ的影响，将加热时间和特征频率处的ｔａｎδ与进行拟合，得到如图３所示的拟合曲线，且其对应的拟合优度、公式如表２
所示。
图３　特征频率处ｔａｎδ
与热老化时间的关系曲线  根据得到的拟合图像和公式可知：热老化时间
和频率ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ处的ｔａｎδ呈现指数函数的关系：特征频率处的ｔａｎδ随着时间的增加而增加，其增长速度也变大。
表２　特征频率处的ｔａｎδ
与热老化时间的拟合关系特征频率拟合公式
拟合优度０ １ｍＨｚｔａｎδ＝３４ ７ ｅｘｐ（０ ０６７５９ ｄ）０ ９９１ｍＨｚ
ｔａｎδ＝１１ ２ ｅｘｐ（０ ０８２６１ ｄfrequency函数计算频数
）０ ９９
５　结论
本文通过ＦＤＳ法定量研究了热老化时间对特征频率处的介质损耗的影响。首先在实验室内搭建ＦＤＳ试验平台并制备老化试品，然后对制备好的试品进行ＦＤＳ测试。在对试验所得出的结果进行深入分析研究的基础上，选择ｆ＝０ １ｍＨｚ、ｆ＝１ｍＨｚ作为特征频率，通过加热时间和这两个频率处的ｔ
ａｎδ之间的拟合函数关系来定量研究热老化对ＦＤＳ的影响，这个方法利用低频段内的ｔａｎδ受热老化影响较为显著这一特征，为准确诊断变压器油纸绝缘系统老化状态提供了关键支撑。
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电谱特性［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１０，３０（３４）：１２５－１３１．
（下转第８２页）
《电气开关》（２０２０．Ｎｏ．６）
线监测系统测得的泄露电流值和泄露电流表显示的泄露电流值Ｉ０＝Ｉ－Ｉ１都减小偏低。进一步试验，将避雷器泄露电流表计上下两端用短接线短接后，由于短接线的电阻近乎为零，因此泄露电流几乎
全部往该支路流过，现场泄露电流表指针指示为０，即Ｉ≈Ｉ２。此时在线监测系统测得的数值即为Ｉ２≈Ｉ，因此恢复到了正常范围，这也证明了避雷器本体运行工况正常。
结合停电时，对避雷器接地引下线铜排接头连接处和泄漏电流表计连线接头处使用除锈剂进行除锈并重新打磨，然后更换新的瓷套螺栓，测量接地引下电阻，判断避雷器接地良好后送电恢复运行，再次检查Ａ相泄漏电流表计读数为０ ７ｍＡ，已恢复到正常范围，缺陷消除。
６　结束语
科学合理的利用在线监测和带电检测技术，对提高电力设备状态把握的实时性、准确性以及检修的针对性具有重要意义。可以大幅度减少电力设备的停电次数，减少设备过修、失修情况，使电网运行风险明显降低，设备可靠性和电网运行经济效益明显提高。
此次避雷器泄露电流异常原因的查过程中，通过对ＯＭＤＳ在线监测数据分析和对避雷器进行红外精确测温后，结合相关试验，出了氧化锌避雷器泄漏电流偏低的原因为底部瓷套螺栓存在锈蚀和瓷套严重脏污，雨天造成避雷器泄漏电流通过底座旁路导通分流所致。
要避免同类避雷器再次发生上述异常，需对同厂家、同型号、同结构的避雷器进行全面排查，检查避雷器底部瓷套螺栓是否存在锈蚀和瓷套严重脏污的情况，结合设备停电时进行清洁处理或更换瓷套螺栓。同时加强巡视运行年份较长的避雷器，发现问题及时查原因并进行处理。
参考文献
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收稿日期：２０２０－０５－１０
作者简介：张小钒（１９８９－），男，硕士研究生，工程师及技师，研究方向为电力
系统继电保护和电力设备带电检测技术及应用檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪。
（上接第７８页）
［１３］　Ｏ．Ｈａｓｓａｎ，Ａ．Ａ．Ｓｈｙｅｇａｎｉ，Ｈ．Ｂｏｒｓｉ，Ｅ．Ｇｏｃｋｅｎｂａｃｈ，Ｅ．Ｍ．Ａｂｕ Ｅｌｚａｈａｂ，Ｍ．Ｉ．Ｇｉｌａｎｙ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｏｉｌ ｐｒｅｓｓｂｏａｒｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎａｇｉｎｇｗｉｔｈｄｉ ｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｉｎｔｉｍｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｃ］．２００４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，Ｆｒａｎｃｅ，２００４，２：６６５－６６８．
［１４］　魏建林，王世强，彭华东，等．变压器油纸绝缘的介电响应特性研究—加速热老化的介电谱［Ｊ］．电工技术学报，２０１２，２７（５）：５６－６２．
［１５］　ＭａｉｋＫｏｃｈ，ＭｉｃｈａｅｌＫｒüｇｅｒ．ＡＦａｓｔａｎｄＲｅｌｉａｂｌｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＤｉａｇ ｎｏｓｔｉｃＭｅｔｈｏｄｔｏＤｅｔｅｒｍｉｎｅＭｏｉｓｔｕｒｅｉｎＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｃ］．Ｉｎｔｅｒｎａ ｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＤｉａｇｎｏｓｉｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２００８：１－４．
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ｓｉａｋ．Ｄｏｅｓｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅ ｓｐｏｎｓｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ，２０１１，１８（５）：１６４７－１６５０．
［１８］　吴广宁，姚梦熙，辛东立，等．油浸绝缘纸在不均匀热老化下的试验研究［Ｊ］．电网技术，２０１５，３９（１１）：３２９８－３３０４．
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收稿日期：２０２０－０７－１４
《电气开关》（２０２０．Ｎｏ．６）

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