1 绪 论
1.1 课题的研究背景及意义
电网的安全稳定运行是保证电力可靠供应的基础，电网中的设备一旦出现绝缘故障易导致不可估量的严重后果。近年国际上有影响的停电事故，如美加“8.14”大停电、西欧“11.4”、印度“7.30”大停电等均造成了严重的社会动荡与经济萧条[1-5]。国家电网公司的统计资料表明，电网百分之五十以上的事故主要由一次设备的绝缘故障所引起。因此，电力一次设备绝缘状态的优劣，特别是作为电力系统中电能传输和转换核心的大型油浸式变压器，其绝缘状态的优劣决定了电力系统的安全稳定运行[6-9]。随着我国社会工业化进程的快速推进，对电能供应的持续性和电能质量都提出了更高的要求，同时，由于电力负荷的大幅度增加，导致变压器的故障发生率逐年增加，对社会经济的发展带来了严重影响[10-14]。大量研究资料表明，电力变压器故障主要是因其内部油纸绝缘(绝缘油与绝缘纸)系统失效导致，而长期恶劣运行环境下的绝缘老化则是绝缘失效发生的主要原因[15-18]。
最新的国家电网公司统计资料表明[19]，截止 2008 年底，国家电网公司系统服役超过二十年的在运 110 kV 及以上电压等级变压器多达上千台，由于运行环境的不同，上述变压器的绝缘状况相差很大，很多变压器的绝缘状况良好，可以持续运行较长时间而不发生故障，而部分变压器由于运行环境的复杂性，其油纸绝缘系统老化严重，需要进行大修或更换。由于变压器的更换成本很高，盲目更换变压器将会带来巨大的经济损失，不利于电网的可持续发展。因此，在确保变压器能够安全运行的情况下，深入研究大型电力变压器的老化状态评估方法，对现有的服役变压器进行老化状态评估具有重要理论和实际价值。
现有资料已经表明，绝缘油的使用寿命不是决定变压器服役寿命的关键因素，而绝缘纸/纸板的使用寿命决定了变压器的服役寿命[9, 20-24]。截止到目前，电力企业通常测量绝缘纸聚合度或拉伸强度[25-28]、油中溶解气体生成总量及其比值[29, 30]、油中糠醛含量等[28, 31, 32]参数来定性评估变压器固体绝缘的老化状态。纤维素的老化虽然可以用聚合度和拉伸强度来表征，但实际中取样困难，而且会对纤维素绝缘造成破坏[9]。油中溶解气体 CO、CO2和糠醛含量虽然可以在某种程度上表征纤维素的老化状态，但由于受到变压器滤旧油以及换新油等操作的影响，该方法的评估结果与变压器的真实老化状态存在较大误差，因此，该方法还需进一步深入研究[8, 33]。而对于电参数，如工频介损(tanδ50Hz)、工频击穿电压等不会发生太大的变化[20]。因此，如何有效提取真实可靠反映变压器固体绝缘老化程度的特征量或评估方法成为了该领域的研究热点。
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1.2 变压器油纸绝缘老化的研究现状
变压器主绝缘的老化分为变压器油老化和固体绝缘老化，二者在油纸绝缘老化过程中相互影响，这个过程非常复杂。图 1.1 给出了影响变压器油纸绝缘系统老化的因素及其相互间的关系[8, 9, 20]。
1.2.1 变压器油的老化形式
油浸式变压器的固体绝缘主要是由油浸绝缘纸和纸板构成。绝缘纸、绝缘纸板等以木浆为原料，由纤维素、半纤维素、木质素等组成，并且纤维素为其主要成份。以变压器中常用的普通牛皮纸为例，其化学成份中纤维素占大约 90 ％，半纤维素占 6-7 ％，木质素占 3-4 ％[9, 20, 33, 46]。纤维素是由单个葡萄糖单元组成的大分子，其化学结构比较复杂，分子式为(C6H10O5)n。构成纤维素的结构单元的数目就是纤维素的聚合度，也就是分子式中的 n。新的绝缘纸纤维长度可达 1-4 mm，其机械强度很高，平均聚合度约 1000-1200，当绝缘纸极度老化时，平均聚合度将下降至 250 左右[47, 48]。根据老化因素的分类可将变压器油纸绝缘的老化大致可划分为热老化、电老化、酸性水解老化以及氧化降解老化[9]。
固体绝缘的老化会分解产生 CO、CO2，由此可以利用绝缘油中溶解气体分析得到 CO、CO2含量来诊断固体绝缘的老化状况。文献[56]中规定：对开放式变压器 CO 含量一般在 300 mg/L 以下；对隔膜变压器油中 CO 含量一般均高于开放式变压器。日本的月冈淑郎等根据绝缘纸在老化过程中向油中释放的 CO+CO2气体量与抗张强度降低的关系，采用单位质量绝缘纸生成的 CO+CO2量来判断固体绝缘的老化。然而该方法存在一定的使用缺陷，对于运行多年的变压器由于受到换油、滤油等操作因素的影响易造成 CO、CO2损失，从而影响固体绝缘老化状态的有效评估[20]。
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2 基于介电特征量的油纸绝缘老化状态灰色关联评估法研究
2.1 引言
变压器油纸绝缘系统由于劣化而出现故障，有可能引发停电事故，这将给社会造成巨大经济损失。所以，欧美发达国家均积极建立以绝缘油电导率、绝缘纸电导率、绝缘电阻、极化指数、吸收比等常规电气参量为特征参量的变压器油纸绝缘劣化状态评估指标体系，从而对其运行可靠性进行预测[111, 112]。然而，受到试验条件的影响，一次性完备获取上述特征参量较为困难。为了一次性提取上述特征参量，PDC 测试是一个可行的方案。另外，为了丰富用于定性评估变压器老化状态的特征气参量，本章通过对油纸绝缘样品进行频域介电谱测试提取了若干频域介电特征量，这些频域介电特征参量对变压器油纸绝缘劣化反应灵敏。相关资料表明，对于变压器的绝缘状态评估，由于实际中运行人员无法完全掌握油纸绝缘系统的具体结构、老化机理等信息。这种部分信息已知、部分信息未知的油纸绝缘系统就是一个典型的灰色系统。本章介绍的灰色关联评估方法就是将变压器劣化状态分为若干个标准状态，每个标准状态都含有一系列表征劣化状态的特征参量，通过将待评估状态与已知的各标准状态进行关联度分析，根据关联度的大小，判断待评估对象的劣化状态。
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2.2 实验样品及测试平台
2.2.1 实验样品
实际变压器的油纸绝缘系统由油道、隔板、撑条组成，为了更好研究变压器油纸绝缘系统的时-频域介电特性，进而实现其固体绝缘老化状态的有效评估，在实验室制备了不同老化状态以及不同水分含量的油浸渍绝缘纸板样品。制备上述油浸渍绝缘纸板样品的实验材料为厚度 2 mm 的普通硫酸盐木浆牛皮绝缘纸板以及 25#环烷基矿物绝缘油。绝缘纸板与绝缘油分别由重庆亚东亚变压器有限公司以及重庆川润石化有限公司提供。
2.2.2 热老化实验平台
为了实现油纸绝缘样品的加速老化，需要通过热老化箱加热老化钢罐来实现。为了模拟实际变压器的工作环境，油纸绝缘样品老化时的热老化钢罐必须在长期高温下保持较好的气密性，防止水分和氧气侵入对试验产生影响。因此，本次试验采用了的如图 2.1 所示的热老化钢罐，热老化钢罐上装有真空表和抽气阀，可以对罐体进行抽真空以及充氮气的处理。图 2.2 给出了用于加热该热老化钢罐的热老化烘箱实物图。
本文选用奥地利Omicron公司生产的DIRANA介电响应分析仪进行时-频域介电谱测量，如图 2.7 所示。文献[114]中指出，对于油浸式变压器，5000-7000 s 的极化/去极化时间即可以充分评估其绝缘状况，因此，本文中油浸渍绝缘纸板样品的极化/去极化的测试时间均选择为 5000 s，测量电压设置为 U0=200 V，测试温度设置为 T=45 oC（变温实验除外）。为了保证时-频域介电谱数据的重复性，本文中的时-频域介电谱数据均测试三遍，最后取平均值作为最终的测试结果。
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3 基于扩展 DEBYE 模型大时间常数的油纸绝缘老化状态定量评估.. 39
3.1 引言...................................................... 39
3.2 老化对 PDC 测试结果的影响规律................................ 39
4 基于介损积分因数的油纸绝缘含水量与老化状态定量评估 ............ 59
4.1 引言......................................................... 59
4.2 老化对 FDS 测试结果的影响规律 ................................ 59
5 时-频域介电特征量在油纸绝缘老化状态评估中的初步应用.............77
5.1 引言 ........................................................... 77
5.2 现场变压器介电响应测试注意事项 .......................... 77
5 时-频域介电特征量在油纸绝缘老化状态评估中的初步应用
5.1 引言
近十几年来，基于时域介电响应原理的 PDC 法和频域介电响应原理的 FDS 法具有操作简单、携带绝缘信息丰富等优点，逐渐应用于变压器油纸绝缘老化状态评估领域。研究表明，通过一次 PDC 和 FDS 测试，便可以完备的提取上述电气参量和对油纸绝缘老化反应灵敏的频域介电特征量。本章以实验室的纸板样品以及国内某电网公司一台停运检修的 220 kV 变压器为例对其开展 PDC 和 FDS 测试，从而提取时-频域介电特征参量，进而采用灰色关联评估方法定性地评估实验室样品以及现场变压器固体绝缘的老化状态；为了验证所提灰色关联评估方法的有效性，根据扩展 Debye 模型大时间常数和介损积分因数，本章尝试对实验室的纸板样品以及现场变压器固体绝缘的水分含量和老化状态进行定量评估，并根据最终的评估结果阐述所提时-频域介电特征量以及定性/定量评估方法的可行性。
变压器的高低压绕组套管的引线均连接到其它设备，如输电线路、电压互感器、避雷器、电缆等，因此，连接到绕组终端的电缆、避雷器可能会产生泄露电流，从而影响时-频域介电响应测试[119]。因此，本小节将阐述采用介电响应分析仪(DIRANA)测试现场变压器主绝缘时-频域介电响应前的注意事项。
① 由于测试现场变压器主绝缘的时-频域介电响应需要断开所有变压器的套管引出端，对于三绕组变压器，需要将高压、中压以及低压绕组的套管引出端与输电线路、电缆、避雷器、电压互感器等设备断开。其它变压器与三绕组变压器类似，这里不再赘述。② 断开的三相输电线路的每相均需悬挂接地棒，防止线路带电给人身或测试设备造成伤害。③ 参照 DIRANA 的使用说明，开机测试前认真检查各接线是否正确，防止因接线短路造成测试设备的损坏。
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6 结论与展望
论文取得主要结论和成果如下：
提出了依据 tanδ 频域谱的高频段和低频段分别定量评估绝缘纸板含水量与老化状态的频域介电特征量“介损积分因数”。该特征参量老化状态评估的适用范围为水分含量 1%左右的绝缘纸板。实验和理论分析表明，绝缘纸板中的水分含量对 tanδ 频域谱高频段的介损积分因数影响明显，而绝缘纸板的老化对此频段的介损积分因数基本无影响；而对于水分含量 1%左右的绝缘纸板，绝缘纸板的老化对 tanδ 频域谱低频段的介损积分因数影响明显，此条件下，水分对该低频段介损积分因数的影响可以忽略，因此，采用不同频段内的介损积分因数可以分别计算绝缘纸板的老化状态和水分含量。同时，采用“频温平移因子 T”将不同测试温度下的 tanδ 频域谱校正到实验室 45 oC 参考温度下，并据此计算介损积分因数，从而消除测试温度对被测绝缘纸板水分含量和老化状态计算结果的影响。
为进一步验证本文所提评估方案以及时频-域介电特征量的可行性，今后还需要继续开展以下几方面的研究工作：
① 对于高含水量的绝缘纸板，深入研究如何区分水分和老化对时-频域介电谱的影响，并研究本文所提积分方法的可行性，从而更好的推动时-频域介电响应技术应用于现场变压器主绝缘老化状态和水分含量的定量评估。
② 对于真实变压器的灰色关联评估方法，由于其参考状态是通过大量的数据统计得到的。由于现阶段的参考状态通过采用的某个含水量下的测试结果所获得，因此，下阶段需要统计大量的实验数据来获取参考状态模式向量，从而提高本文所提灰色关联评估方法的准确性与可靠性。
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参考文献（略）
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参考文献（略）