2017, Vol. 35 
油浸式变压器是电力系统重要的变电设备，是电网能量转换、传输的核心，其绝缘状态的好坏直接影响整个电力系统的安全性[1-2]。在大型变压器事故中，绝缘故障引发事故的比例较高。目前大型电力变压器的设计寿命通常为20~40 a，因此，定期对变压器进行诊断，掌握其绝缘状态，制订科学合理的变压器运行检修计划以及更换计划，对提高变压器的利用率和整个电网运行的安全可靠性都具有重要意义。
1 变压器油纸绝缘老化的影响因素油浸式变压器中最主要的绝缘材料是变压器油，变压器油是从石油中提取出来的，主要成分为碳氢化合物，品质良好的变压器油，其绝缘性能和散热性能都是极佳的。但随着使用年限的增加，变压器油的电气性能会不断下降，击穿电压会降低，介损和酸值会增大[3-6]。影响变压器油绝缘状态的因素主要有水分、油温、电磁场、氧气等，而且各因素之间会产生协同效应，进一步加速绝缘老化[7-9]。
2 回复电压分析法测试原理目前，变压器油绝缘状态评估方法主要有传统检测法（测量介质损耗、局部放电、泄漏电流等），化学方法（测量微水、油色谱、聚合度、糠醛）和极化特性分析法[10]。极化特性分析法也叫回复电压法[11-12]，是一种简便有效的绝缘检测方法。试验测试电路图如图 1所示，合开关S1对绝缘介质施加直流高压，呈现极化现象；断开关S1、合开关S2，呈现去极化现象；断开关S2，测量被试品两端电压。根据绝缘介质在直流电压下的极化特性，获得回复电压曲线及参数，包括充电时间tc、初始斜率k、回复电压最大值Umax及中心时间常数tcdom，这些参数与变压器油纸绝缘状态密切相关，据此对变压器油纸绝缘状况进行判断，回复电压分析法测试曲线如图 2所示。
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图 1 测试电路示意图 |
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图中：tc—充电时间；td—放电时间；tcdom—中心时间常数；tp—测试时间；U0—充电电压；Umax—回复电压最大值；k—初始斜率 图 2 回复电压分析法测试曲线 |
如图 3所示的变压器油纸绝缘老化试验模型，主要由样品容器（环氧树脂）、绝缘纸（1 mm普通纤维素绝缘纸）、绝缘油（25号变压器油）、上电极和下电极（圆饼形优质铜材料）组成，电极用于施加直流电压和提取测试信号。
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图 3 变压器油纸绝缘老化试验模型 |
试验前，将容器、电极清洗干净并进行干燥处理，将绝缘纸放置在容器中央，避免与容器外壳接触。选取含水量为0、老化时间为0的绝缘纸，采用电导率为0.15 μS/m、温度为25 ℃的常温变压器油进行试验测量。充电电压2000 V，充电时间tc=50 s，tc: td=2:1，测试时间设定为20 s，回复电压图谱曲线如图 4所示。
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图 4 正常模型的回复电压图谱曲线 |
由图 4可知，回复电压最大值Umax为12.5 V，中心时间常数tcdom为10 s，初始斜率k为1.25。
3.2.1 水的质量分数对油纸绝缘老化的影响只改变绝缘纸的微水含量，不改变绝缘老化试验中的其他参数设定，分析水的质量分数分别为0.5%、2%、4%情况下的回复电压图谱曲线（如图 5所示），不同含水量下的回复电压图谱曲线参数见表 1。
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图 5 不同水的质量分数下的回复电压图谱曲线 |
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表 1 不同水的质量分数下的回复电压曲线参数 |
由图 4、图 5和表 1可知，在相同充电时间、油温、老化时间的条件下，绝缘系统水分含量越大，Umax越大，k越大，tcdom越小。
3.2.2 油温对油纸绝缘老化的影响只改变绝缘油的温度，不改变绝缘老化试验中的其他参数设定，分析油温为25 ℃、35 ℃、45 ℃、65 ℃情况下的回复电压图谱曲线。不同油温下的回复电压图谱曲线如图 6所示，回复电压曲线参数见表 2。
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图 6 不同油温下的回复电压图谱曲线 |
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表 2 不同油温下的回复电压曲线参数 |
由图 4、图 6和表 2可知，在相同的充电时间、微水含量、老化时间条件下，绝缘系统油温越高，Umax越大，tcdom越小，k越大。
3.2.3 老化时间对油纸绝缘老化的影响只改变绝缘纸的老化时间，不改变绝缘老化试验中的其他参数设定，分析绝缘纸老化时间为0、100 h、300 h、500 h情况下的回复电压图谱曲线。不同老化时间下的回复电压图谱曲线如图 7所示，回复电压图谱曲线参数见表 3。
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图 7 不同老化时间下的回复电压图谱曲线 |
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表 3 不同老化时间下的回复电压曲线参数 |
由图 4、图 7和表 3可知，在相同的充电时间、微水含量、油温条件下，绝缘纸的老化时间越长，Umax越大，tcdom越小，k越大。
4 现场检测应用2015年3月，利用该诊断方法对500 kV千里山变电站2号分体式变压器的U、V、W相变压器油纸绝缘状态进行现场实测。测试参数如下：充电电压为1000 V，充放电时间比为2，充电时间分别为1 s、2 s、5 s、10 s、20 s、50 s、100 s、200 s。2号主变压器U、V、W三相变压器油纸绝缘测试图谱及数据分别见图 8和表 4所示。由图 8和表 4可以看出，随着充电时间的增加，Umax随之增大，但tcdom基本保持不变，而k随着充电时间的增加而增大。
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图 8 2号主变压器油纸绝缘测试图谱 |
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表 4 2号主变压器测试信号数据 |
纵向对比2号主变压器U、V、W三相变压器油纸绝缘测试数据可知，不同变压器的中心时间常数基本一致（同一厂家产品），但电压最大值及初始斜率均存在一定差异，但不是很明显。由于本次所测变压器均为第1次测量，因此建议在下次复测时将测试结果与本次测试结果进行比对，以便及时掌握变压器的绝缘状态。
5 结论及建议本文在搭建试验模型的基础上，采用回复电压分析法分析了微水含量、油温、绝缘纸老化时间3个因素对油纸绝缘的影响，并开展了现场检测应用，得出如下结论：
（1）绝缘纸中水的质量分数、油温、绝缘纸老化时间影响回复电压最大值Umax、中心时间常数tcdom、初始斜率k的变化，因此通过对油浸式变压器进行多组数据测量，分析比较这3个参数的变化情况，进而诊断变电器油纸绝缘老化状态是可行有效的；
（2）回复电压分析法是一种研究变压器油纸绝缘状态的无损检测方法，且所受外部环境干扰程度较小，通过主要参数的变化即可表征油纸绝缘状态，有利于现场开展检测分析；
（3）为了进一步准确判断变压器油纸绝缘状态，建议将回复电压分析法与其他传统方法和化学方法相结合来综合判断变压器油纸绝缘状态。
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