0 引言

大型电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，其稳定运行对整个电力系统的可靠性起着非常关键的作用。运行年限的增加以及绝缘纸、纸板等固体绝缘材料逐渐老化，会影响电力变压器的安全运行，因此变压器绝缘材料的状态评估成为变压器应用行业比较重要的研究课题。

1 电力变压器绝缘状态常用检测技术

油浸式电力变压器由于具有较长的使用寿命、 较高的绝缘强度，广泛应用于高压输电线路中。由绝缘油和绝缘纸组成的油纸绝缘系统是电力变压器的主要组成部分。由于电力变压器在长期运行中受到热、电等因素的影响，导致绝缘性能降低、油纸绝缘系统老化，且老化过程不可逆，因此电力变压器油纸绝缘性能的优劣直接决定了电力变压器的使用寿命^[1]。

目前，电力变压器油纸绝缘系统状态检测的主要方法大致可分为化学方法、电测试方法。

化学方法主要包括油中溶解气体、绝缘纸聚合度和油中糠醛含量分析，是国际上较公认的检测电力变压器绝缘老化状态的常规检测方法。但是，采用化学方法进行油品化学参量分析时，变压器油取样要求严格，油中溶解气体成分与含量、糠醛含量经过换油后会发生变化，在一定程度上不能如实反映电力变压器的实际情况，从而导致误诊断。另外，绝缘纸聚合度虽能较真实地反映油纸绝缘的老化程度，但测试油纸聚合度时需要对电力变压器进行放油吊罩操作，对电力变压器绕组几处关键部位进行采样，实际操作困难，且易造成油纸绝缘系统损伤^[2]。

电测试方法主要有测量介电常数、介质损耗、 击穿强度、电导、局部放电、泄漏电流等方法。目前在电测试方法中，研究最多且应用较广泛的是局部放电诊断方法。目前已有用于变压器在线检测的局部放电检测仪器，可有效预防电力变压器事故，但将其应用于现场时会产生强烈的噪声干扰。

2 极化谱分析技术

鉴于上述方法在诊断电力变压器绝缘状态时存在的不足，寻找能够有效反映电力变压器绝缘状态的测量方法日渐受到国内外研究机构、学者和工程技术人员的重视。极化谱分析技术由于具有抗干扰强、反映状态量多等优点，近几年来受到了广泛关注，是一种对电力变压器进行无损诊断的新测试方法。极化谱分析技术原理为：将直流高电压施加在绝缘介质两端，绝缘介质呈极化现象，绝缘介质表面出现束缚电荷，介质内部偶极子定向排列。 使绝缘介质两极短接后，绝缘介质表面的束缚电荷释放，同时绝缘介质内部形成去极化过程。绝缘介质两极短接线断开后，去极化过程仍在继续。同时因为自由电荷的原因，两电极间形成电势差，通过获取极化谱特性曲线来分析电力变压器油纸绝缘状况，例如变压器的水分含量、内部温度以及变压器的老化程度等。典型的极化谱特性曲线如图 1所示。

本文通过研究极化谱分析技术，即研究变压器油纸绝缘材料在直流电压下的变化规律，获得变压器极化谱的极化特性参数，分析这些特性参数与变压器油纸绝缘状态参数之间的关系，有助于判断变压器油纸绝缘状况^[3]。极化谱分析技术包括3个重要参数：残压峰值U_max、中心时间常数t_cdom（达到U_max 时对应的时间）和曲线初始斜率d_i。为了更好地运用极化谱分析技术对电力变压器绝缘状态进行诊断，本文对不同因素下极化谱参数的变化规律进行试验研究。

3 试验分析 3.1 极化谱与水的质量分数之间的关系

为了研究水的质量分数与极化谱曲线之间的关系，在试验室内进行了极化测试。试验采用普通纤维素绝缘纸以及25号变压器油，简要试验步骤如图 2所示。

图 3为充电时间t_c分别为10 s、200 s、1000 s，极化谱技术特性参数U_max、d_i、t_cdom（t=10 s时，因所测的 t_cdom太小，未画出）与水的质量分数之间的关系曲线。 由图 3可知：

（1） 在不同充电时间下，随着水的质量分数增大，U_max、d_i增大，当充电时间t_c较短时，U_max、d_i增大较快，然后随充电时间的增加，U_max、d_i增大缓慢；

（2） 在不同充电时间下，随着水的质量分数增大，t_cdom迅速减小。

3.2 极化谱和变压器内部温度之间的关系

为了研究变压器内部温度与极化谱曲线之间的关系，在试验室内进行了极化测试。试验采用普通纤维素绝缘纸以及25号变压器油，简要试验步骤如图 4所示。

图 5为充电时间分别为10 s、200 s、1000 s，极化谱技术特性参数U_max、d_i、t_cdom（t=10 s时，因所测得的 t_cdom太小，未画出）与变压器内部温度之间的关系曲线。

由图 5可知：

（1） 在不同充电时间下，随着温度的升高，U_max、 d_i增大，当温度较低时（＜30 ℃），U_max增大缓慢，而后随温度升高，U_max、d_i增大变快；

（2） 在不同充电时间下，随着温度的升高，t_cdom 迅速减小。

3.3 极化谱和变压器运行年限之间的关系

为了研究电力变压器运行年限与极化谱曲线之间的关系，本文选取4台运行年限不同的变压器进行分析。电力变压器相关参数信息如表 1所示。 图 6为4台变压器极化谱技术特性参数U_max与t_c 的关系曲线。由图 6可知：在不同充电时间下，1号变压器的U_max基本为2号变压器的2倍以上，3号变压器的U_max基本也为4号变压器的2倍以上。即在同一电压等级下，运行时间越长的变压器，U_max 越大。

图 7为4台变压器极化谱技术特性参数d_i与t_c 的关系曲线。由图 7可知：不同充电时间下，1号变压器的d_i大于2号变压器，3号变压器的d_i大于4号变压器。即在同一电压等级要求下，运行时间越长的变压器，d_i越大。

图 8为4台变压器中心时间常数t_cdom与t_c的关系曲线。由图 8可知：t_cdom几乎与充电时间长短无关，1 号变压器的t_cdom小于2号变压器，3号变压器的t_cdom小于4号变压器。即在同一电压等级要求下，运行时间越长的变压器，t_cdom越小。

3.4 小结

通过试验及变压器测试分析可知，水的质量分数、温度、变压器运行年限等对极化谱分析技术特性参数残压峰值U_max、曲线初始斜率d_i、中心时间常数t_cdom的影响如下：

（1） 随着水的质量分数的增大，U_max和d_i逐渐增大，t_cdom逐渐减小；

（2） 随着温度的逐渐升高，U_max和d_i逐渐增大，t_cdom逐渐减小；

（3） 随着变压器运行年限的增加，U_max和d_i逐渐增大，t_cdom逐渐减小；

（4） 一般极化谱U_max越小、d_i越小、t_cdom越大，表征变压器的绝缘状态越好；

（5） 对于同一电压等级，2号变压器的绝缘状态优于1号变压器，4号变压器的绝缘状态优于3号变压器，相对于2号、4号变压器而言，1号、3号变压器可能处于绝缘劣化的状况中。

4 验证比对

为了验证采用极化谱分析技术对变压器绝缘性能评估的有效性，本文对上述4台变压器进行了吸收比测试。吸收比为用摇表测得60 s时的绝缘电阻值与15 s时的绝缘电阻值之比，可反映整体绝缘状况^[4]。4 台变压器吸收比测试结果见表 2 所示，《DL/T 976—2005 带电作业工具、装置和设备预防性试验规程》规定，当吸收比K大于1.3时，表明绝缘性能良好，否则可判定为绝缘劣化^[5]。

由表 2可知，1号变压器吸收比接近1.3，3号变压器吸收比＜1.3，2号和4号变压器吸收比＞1.3。 一般来说，电力变压器绝缘状况与运行年限相关，电力变压器运行年限越长，绝缘老化越严重。绝缘电阻测试结果与变压器实际绝缘状况相符，且同采用极化谱分析技术测试分析结论一致。

5 结束语

变压器油纸绝缘系统性能良好是保证电网安全运行的关键。本文介绍了目前变压器绝缘状态常用的检测手段及其局限性，提出了一种无损检测技术——应用极化谱的变压器绝缘状态评估方法，分析利用绝缘系统在直流电压作用下表现出的绝缘介质特性，根据测试的极化频谱来分析变压器的绝缘状况，达到准确掌握变压器绝缘系统的运行状态。试验证明该检测方法是目前一种较为有效、简单易行的变压器绝缘状态诊断方法，推广应用前景广阔。