CN108680613A - 一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，该方法将复介电常数实部在f＝10^‑4Hz时变化率的绝对值|k|作为表征油纸受潮程度的频域特征参量。实验研究了不同水分含量的油纸绝缘试品复介电常数及|k|的变化规律，且研究结果表明：随着绝缘纸水分含量M的上升，油纸试品的复介电常数实部ε′曲线呈向高频段平移趋势，且低频段复介电常数实部变化幅度随水分含量的上升而增大，通过实测ε′‑f曲线拟合，发现|k|与油纸水分含量M间有着较优的指数函数关系，可用于油纸绝缘受潮程度的定量评估，本发明提出的方法具有操作更简便，且对变压器内部绝缘结构无损伤的特点，更适用于变压器绝缘受潮状态的评估。

Description

一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法

技术领域

本发明涉及属于油纸绝缘电力设备的绝缘状态诊断检测与寿命评估领域，特别涉及一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法。

背景技术

油浸式变压器作为电力***中的核心设备，它的运行状态关系着整个电网的平衡与稳定，因此确保变压器的安全运行显得十分重要。油纸绝缘作为油浸式变压器内绝缘的主要结构，其中绝缘纸的受潮程度与油纸绝缘整体性能的好坏息息相关，研究表明，水分含量的增加会促进绝缘纸的热老化过程，而绝缘纸在热老化过程中又会逐步裂解生成水分并吸收来自空气中的水分，加速了绝缘纸的热老化裂解过程，导致油纸绝缘性能越来越差，使得绝缘纸的运行寿命迅速减小。因此，对油纸绝缘水分含量的量化评估显得十分重要。传统的绝缘纸中水分含量检测方法在取样的过程中，容易会对绝缘结构造成损伤，水分在纸板间的不平衡分布也会导致测试结果不准确。频域介电谱法(Frequency DomainSpectroscopy，FDS)作为一种无损的电气测量技术，能有效获得油纸绝缘复介电常数随频率变化的数据，具有很强的抗干扰能力，更适用于油浸式变压器绝缘状态的现场诊断与评估。

介电常数是媒质在外施电场下对电场的响应，其实部代表宏观的极化程度，能有效反映极化强度的大小与变化状态，电介质对外施电场的介电响应在很大程度上取决于电场的频率，而当外施电场的频率偏高时，极化弛豫过程并不会瞬时发生，而是会推迟建立的，因此与外施电场间存在一定的相位差，由此，介电常数ε*(ω)是外加电场频率的复函数：ε*(ω)＝ε′(ω)-iε″(ω)，其中复介电常数实部ε′(ω)表示极化强度的大小，虚部ε″(ω)反映了高频下材料内部的各种转向极化跟不上高频电场变化而引起的各种弛豫极化损耗。目前，国内外学者基于FDS测试技术开展了复介电常数等频域特征量与油纸绝缘受潮程度间量化关系的研究，结果表明水分含量的增多会导致绝缘内部极化及弛豫过程发生变化，因此，监测油纸绝缘复介电常数的变化，并分别研究其实部和虚部的变化规律，能更加有效的分析油纸绝缘状态的变化。

发明内容

针对上述技术问题，为更准确的利用频域介电特征量评估对变压器油纸绝缘受潮状态，本发明提出了一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，该方法将复介电常数实部在f＝10^-4Hz时变化率的绝对值|k|，作为表征油纸受潮程度的频域特征参量。实验研究了不同水分含量的油纸绝缘试品复介电常数及|k|的变化规律，且研究结果表明：随着绝缘纸水分含量M的上升，油纸试品的复介电常数实部ε′曲线呈向高频段平移趋势，且低频段复介电常数实部变化幅度随水分含量的上升而增大，通过实测ε′-f曲线拟合，发现|k|与油纸水分含量M间有着较优的指数函数关系，可用于油纸绝缘受潮程度的定量评估。本发明方法具有操作更简便，且对变压器内部绝缘结构无损伤的特点，更适用于变压器绝缘受潮状态的评估。

本发明采取的技术方案为：

一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，包括以下步骤：

步骤1：定义复介电常数实部εˊ随频率变化曲线在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率k_c为复介电常数实部的初始斜率，通过k_c来预测油浸式变压器中绝缘纸的受潮程度；

步骤2：采用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，记录结构参数，通过频域介电谱测量仪获取绝缘纸的复电容参数，通过电容参数与介电常数及绝缘结构的计算公式获取复介电常数实部εˊ随频率的变化曲线，计算在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率绝对值|k_c|；

步骤3：在实验室中通过自然吸潮的方法制备了五组水分含量不同的绝缘纸样本，测量并计算复介电常数实部εˊ初始变化率的绝对值|k_c|，分析|k_c|与绝缘纸受潮程度间的量化关系；

步骤4：经数据拟合|k_c|与绝缘纸水分含量M获得指数拟合关系函数表达式，其函数关系式为|k_c|＝21770·exp(0.4372M)，该式说明初始变化率绝对值|k_c|越小，绝缘纸中含水量也越小，变压器内部的绝缘程度越好，可利用|k_c|量化评估变压器绝缘纸的含水量。

所述步骤1中，定义测试频率f＝10^-4Hz时，εˊ的初始变化率绝对值为|k_c|，初始斜率|k_c|＝dεˊ/df，由于|k_c|的取值范围在低频段内，其值取决于绝缘油纸内部快速极化的建立过程，而电介质中的极化弛豫过程又与其内部水分子含量密切相关，因此可将|k_c|用于变压器油纸绝缘的受潮程度评估当中。

所述步骤1中，提出复介电常数实部频域介电谱曲线在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率k_c，对绝缘油纸样本进行频域介电谱测试，得到其复介电常数实部频域谱曲线的前7个实测数据点，通过曲线拟合得到前7个数据点的线性关系式，之后将频率f＝10-⁴Hz代入求得初始变化率k_c，k_c反映了绝缘油纸内部快速极化的建立过程，这类极化建立过程主要取决于油纸绝缘介质中的水分子含量，可以用来评估油浸式变压器油纸绝缘整体的受潮状态。所述步骤2中，实验室中使用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，在室温下进行测量(约为30℃左右)；在绝缘纸水分试品的制备过程中，实验材料采用厚约0.5mm，半径为65mm的纤维素牛皮绝缘纸圆片和25#美力高变压器绝缘油，将干燥后的绝缘纸暴露于空气中自然吸潮，每时隔半小时用精密电子秤进行一次称重，通过计算吸潮前后绝缘纸圆片的质量制备出水分含量M分别为0.7％，1.3％，2.5％，3.4％，4.2％的五组绝缘纸试品，每组试品由五张绝缘纸圆片叠合而成。

所述步骤2中，测量仪器选用美国Megger公司生产的IDAX-300介电响应测试仪，在室温下进行测试，在绝缘纸水分试品的制备过程中，实验材料采用厚约0.5mm，半径为65mm的纤维素牛皮绝缘纸圆片和25#美力高变压器绝缘油，将干燥后的绝缘纸暴露于空气中自然吸潮，每时隔半小时用精密电子秤进行一次称重，通过计算吸潮前后绝缘纸圆片的质量制备出水分含量M分别为0.7％，1.3％，2.5％，3.4％，4.2％的五组绝缘纸试品，每组试品由五张绝缘纸圆片叠合而成；

测试设备参数设置方法：设定交流电源电压最大值U_max＝200V，最高测试频率f_H＝4kHz，最低测试频率f_L＝0.1mHz，便可以进行数据测量。其中U_max为油纸绝缘频域介电谱测试时，通用的设定值，测试频段选定为0.1mHz—4kHz可使测量范围更广，获取信息更丰富，使测量结果更可靠。

所述步骤3中，由于油纸绝缘为常规电介质，施加在油纸绝缘上的交变电压使其内部出现了极化弛豫现象，当介质内部极性分子增多，极化强度增大，势必会引起介电常数的增大，低频段内的缓慢极化和快速极化均能有足够的时间来建立。但油纸绝缘受潮后，水分子数量剧增，由于内部极化多数因水分引起，且属于快速极化过程，油纸绝缘复介电常数的初始变化率受到水分极化的强烈影响，致使ε′下降的速率更快。以上分析可以看出，水分含量的变化对复介电常数实部ε′的影响十分明显，经实验数据与结果分析比较得到了含水量M与k_c间的函数关系式为：

|k_c|＝2.177×10⁴·exp(0.4372M)

将实测变压器油纸绝缘的k_c代入上式即可得出M的值，从而可对油纸绝缘的受潮状态进行初步预测及评估。

本发明一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，技术效果如下：

1、可以在不吊芯，不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘中纸绝缘的受潮状态，为准确评估油纸绝缘电力设备的绝缘性能提供可靠依据。

2、本发明提出的复介电常数初始斜率|kc|可以有效可靠的评估变压器的内部纸绝缘受潮程度，操作更简便，且不会对设备的绝缘结构造成损坏，是一种更优的变压器绝缘受潮状态诊断方法。

附图说明

图1为本发明的操作流程示意图。

图2为复介电常数实部的实测频域谱图。

图3为三电极装置示意图；

图3中：1-测量电极，2-高压电极，3-保护电极，4-变压器油，5-绝缘纸试样。

图4为不同水分试品的M与其复介电常数实部初始斜率值绝对值|k_c|的拟合曲线图。

具体实施方式

原理分析：

一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，结合实验与理论研究了复介电常数实部频域介电谱曲线的初始斜率绝对值与油纸绝缘中纸绝缘水分含量间的影响规律与数值关系。施加在电介质上的交变电压使电介质内部出现了极化弛豫现象，当介质内部极性分子增多，极化强度增大，势必会引起介电常数的增大，低频段内的缓慢极化和快速极化均能有足够的时间来建立。但绝缘受潮后，水分子数量剧增，由于内部极化多数因水分引起，且属于快速极化过程，油纸绝缘复介电常数的初始变化率受到水分极化的强烈影响，致使ε′下降的速率更快，水分子作为一种强极性分子，其数量的增多使得油纸整体的极化强度增强，由于|k_c|为复介电常数实部ε′的变化率初值，即极化瞬间ε′的变化率，该值主要受快速极化过程的影响，即水分子对偶极子极化的影响，因此随着水分含量的增大，ε′变化率的初值|k_c|会逐渐增大。通过拟合得到不同含水量M下油纸试品的|k_c|与M间的函数关系，即可用于油纸绝缘受潮程度的定量评估。

一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，包括以下步骤：

1)、定义复介电常数实部εˊ随频率变化曲线在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率k_c为复介电常数实部的初始斜率，通过k_c来预测油浸式变压器中绝缘纸的受潮程度；经实验验证，k_c与变压器油纸绝缘中纸绝缘的水分含量M有很明显的递变关系，水分含量M与油纸绝缘受潮程度紧密相关，可对变压器油纸绝缘的受潮程度进行评估。

2)、采用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，记录结构参数，通过频域介电谱测量仪获取绝缘纸的复电容参数，通过电容参数与介电常数及绝缘结构的计算公式获取复介电常数实部εˊ随频率的变化曲线，计算在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率绝对值|k_c|；

3)、在实验室中通过自然吸潮的方法制备了五组水分含量不同的绝缘纸样本，测量并计算复介电常数实部εˊ初始变化率的绝对值|k_c|，分析|k_c|与绝缘纸受潮程度间的量化关系；根据实验数据结果分析，施加在电介质上的交变电压使电介质内部出现了极化弛豫现象，当介质内部极性分子增多，极化强度增大，势必会引起介电常数的增大，低频段内的缓慢极化和快速极化均能有足够的时间来建立。但绝缘受潮后，水分子数量剧增，由于内部极化多数因水分引起，且属于快速极化过程，油纸绝缘复介电常数的初始变化率受到水分极化的强烈影响，致使ε′下降的速率更快，水分子作为一种强极性分子，其数量的增多使得油纸整体的极化强度增强，由于|k_c|为复介电常数实部ε′的变化率初值，即极化瞬间ε′的变化率，该值主要受快速极化过程的影响，即水分子对偶极子极化的影响，因此随着水分含量的增大，ε′变化率的初值|k_c|会逐渐增大。经数据拟合得到不同含水量M下油纸试品的|k_c|与M间的函数关系|k_c|＝21770·exp(0.4372M)，即可用于油纸绝缘受潮程度的定量评估。

如图2所示，为本发明的复介电常数实部的实测频域谱图，ε′为复介电常数实部，f为频率，M为绝缘纸中的水分含量，该频域介电谱线给出了复介电常数实部ε′与频率间的变化趋势。每条介电谱线在f＝10^-4Hz时的斜率dε′/df绝对值为初始斜率|k_c|。

水分试品的制备：为方便样品水分含量的测定，首先将每组样品绝缘纸进行充分干燥后称量得到每组样品的毛重，然后让其暴露于空气中(室温下)自然吸潮，每隔半小时使用精密电子秤称重一次，将其吸潮后增加的重量除以吸潮后的质量即可得到其水分含量，待试品水分含量记录完毕后进行FDS测试。

搭建实验平台：使用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，如图3所示，测量仪器美国Megger公司生产的IDAX-300介电响应测试仪，测量电压峰值U_max为200V，最高测试频率f_H＝4kHz，最低测试频率f_L＝0.1mHz。为防止外界温度的干扰，实验均在30℃的恒温箱中进行，测试开始之前，要使样品在恒温箱中静置6h，以使其充分预热，确保测试样品整体达到30℃。

图4为本发明实测的不同M下，油纸绝缘***的复介电常数实部初始斜率绝对值与M的拟合曲线，从图中可以看出，绝缘纸中水分含量M的上升会带动初始斜率绝对值|k_c|同时增大。

由于水分子数量剧增，由于内部极化多数因水分引起，且属于快速极化过程，油纸绝缘复介电常数的初始变化率受到水分极化的强烈影响，致使ε′下降的速率更快，因此复介电常数初始斜率的绝对值|k_c|也随之增大，下面探讨其与M的关系。

初始斜率与水分含量有如下函数关系：

|k_c|＝2.177×10⁴·exp(0.4372M)；

式中，|k_c|为复介电常数实部频域介电谱曲线初始斜率的绝对值，M为油纸绝缘结构中纸绝缘的水分含量(百分制)；

综上，得到了不同M的水分试品ε′的FDS初始段拟合曲线及|k|，如下表1所示：

从上表1中数据可以看出，|k_c|随分水含量M的上升而逐渐增大，这是因为水分子是一种强极性分子，其数量的增多使得油纸整体的极化强度增强，由于|k_c|为复介电常数实部ε′的变化率初值，即极化瞬间ε′的变化率，该值主要受快速极化过程的影响，即水分子对偶极子极化的影响，因此随着水分含量的增大，ε′变化率的初值|k_c|逐渐增大。

油纸绝缘试品的相对介电常数实部、虚部对绝缘纸板的水分含量十分敏感，随着水分含量的升高，ε′与ε″逐渐增大，ε′-f曲线趋向于高频段移动，且复介电常数实部ε′在f＝10-⁴～10-²Hz频段内的下降幅度逐渐增大。

本发明采用复介电常数实部ε′的FDS曲线在f＝10-⁴Hz的斜率绝对值|k_c|作为对油纸绝缘受潮程度进行量化评估的频域特征参量，通过对实测ε′-f曲线拟合计算，求得了|k_c|，该值与M间存在良好的指数函数关系，并通过另一组实验验证了本发明提出的特征参量|k_c|在评估油纸绝缘受潮程度时的有效性，可将|k_c|用于变压器油纸绝缘受潮程度的现场检测中。本发明的研究成果为进一步提出利用初始斜率特征量诊断绝缘受潮状态提供了新的研究思路。

Claims (6)

1.一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：定义复介电常数实部εˊ随频率变化曲线在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率k_c为复介电常数实部的初始斜率，通过k_c来预测油浸式变压器中绝缘纸的受潮程度；

步骤2：采用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，记录结构参数，通过频域介电谱测量仪获取绝缘纸的复电容参数，通过电容参数与介电常数及绝缘结构的计算公式获取复介电常数实部εˊ随频率的变化曲线，计算在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率绝对值|k_c|；

步骤3：在实验室中通过自然吸潮的方法制备了五组水分含量不同的绝缘纸样本，测量并计算复介电常数实部εˊ初始变化率的绝对值|k_c|，分析|k_c|与绝缘纸受潮程度间的量化关系；

步骤4：经数据拟合|k_c|与绝缘纸水分含量M获得指数拟合关系函数表达式，其函数关系式为|k_c|＝21770·exp(0.4372M)，该式说明初始变化率绝对值|k_c|越小，绝缘纸中含水量也越小，变压器内部的绝缘程度越好，利用|k_c|量化评估变压器绝缘纸的含水量。

2.根据权利要求1所述一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于：所述步骤1中，定义测试频率f＝10^-4Hz时，εˊ的初始变化率绝对值为|k_c|，初始斜率|k_c|＝dεˊ/df，由于|k_c|的取值范围在低频段内，其值取决于绝缘油纸内部快速极化的建立过程，而电介质中的极化弛豫过程又与其内部水分子含量密切相关，因此将|k_c|用于变压器油纸绝缘的受潮程度评估当中。

3.根据权利要求1所述一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于：所述步骤1中，提出复介电常数实部频域介电谱曲线在频率点f＝10^-4Hz时的初始变化率k_c，对绝缘油纸样本进行频域介电谱测试，得到其复介电常数实部频域谱曲线的前7个实测数据点，通过曲线拟合得到前7个数据点的线性关系式，之后将频率f＝10^-4Hz代入求得初始变化率k_c，k_c反映了绝缘油纸内部快速极化的建立过程，这类极化建立过程主要取决于油纸绝缘介质中的水分子含量，能够用来评估油浸式变压器油纸绝缘整体的受潮状态。

4.根据权利要求1所述一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于：所述步骤2中，实验室中使用三电极装置模拟油浸式变压器的内部绝缘结构，在室温下进行测量；在绝缘纸水分试品的制备过程中，实验材料采用厚0.5mm，半径为65mm的纤维素牛皮绝缘纸圆片和25#美力高变压器绝缘油，将干燥后的绝缘纸暴露于空气中自然吸潮，每时隔半小时用精密电子秤进行一次称重，通过计算吸潮前后绝缘纸圆片的质量制备出水分含量M分别为0.7％，1.3％，2.5％，3.4％，4.2％的五组绝缘纸试品，每组试品由五张绝缘纸圆片叠合而成。

5.根据权利要求1所述一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于：所述步骤2中，测量仪器选用美国Megger公司生产的IDAX-300介电响应测试仪，在室温下进行测试，在绝缘纸水分试品的制备过程中，实验材料采用厚约0.5mm，半径为65mm的纤维素牛皮绝缘纸圆片和25#美力高变压器绝缘油，将干燥后的绝缘纸暴露于空气中自然吸潮，每时隔半小时用精密电子秤进行一次称重，通过计算吸潮前后绝缘纸圆片的质量制备出水分含量M分别为0.7％，1.3％，2.5％，3.4％，4.2％的五组绝缘纸试品，每组试品由五张绝缘纸圆片叠合而成；

测试设备参数设置方法：设定交流电源电压最大值U_max＝200V，最高测试频率f_H＝4kHz，最低测试频率f_L＝0.1mHz，即可进行数据测量。

6.根据权利要求1所述一种利用复介电常数初始斜率评估绝缘纸中水分含量的方法，其特征在于：所述步骤3中，含水量M与k_c间的函数关系式为：

|k_c|＝2.177×10⁴·exp(0.4372M)

将实测变压器油纸绝缘的k_c代入上式即可得出M的值，从而可对油纸绝缘的受潮状态进行初步预测及评估。