毕业设计（论文）油纸绝缘电介质频率响应的测试技术及实验研究

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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计油纸绝缘电介质频率响应的测试技术及实验研究年 级: 2007级 学 号: 20072882 姓 名: 专 业: 电气工程及其自动化 指导老师: 2011年6月 西南交通大学本科毕业设计 第页院 系 电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2007级 姓 名 麦友波 题 目 油纸绝缘电介质频率响应的测试技术及实验研究 指导教师 周利军评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 第III页毕业设计（论文）任务书班 级 电气4班 学生姓名 麦友波 学 号 20072

2、882 发题日期： 2010 年 2 月 28 日 完成日期： 6 月 12 日题 目 油纸绝缘电介质频率响应的测试技术及实验研究 1、本论文的目的、意义 油浸式变压器由于具有较高的绝缘强度、较长的使用寿命，广泛用于高压、超高压输电系统以及电气化铁路牵引供电系统中。绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘构成了油浸式变压器的绝缘系统，变压器的使用寿命是主要由绝缘材料的绝缘强度决定。目前，国内许多大型变压器已经运行了数十年，进入了寿命的中后期，如果一次性全部将其更换，将需要大量资金，而且其中有许多变压器仍可以安全运行若干年，盲目更换会造成巨大的浪费，这对电力企业及铁路部分来说是不可接受的。因此，对变压器的绝

3、缘状况进行诊断，掌握变压器的运行状态，制定科学、合理的变压器运行、维护以及更新计划，对提高变压器的可用率和整个电网及铁路运行可靠性都具有重要意义。 2、学生应完成的任务 （1）了解油浸式变压器绝缘系统结构，着重了解油纸绝缘系统； （2）研究目前主要的一些变压器油纸绝缘状态诊断技术，了解当今国内外研究现状和进展； （3）学习变压器油纸绝缘的电介质响应法，着重研究频率响应测试； （4）研究频率响应测试方法，以及该测试系统的组成部分、工作原理和实验步骤； （5）针对频率响应测试系统中的微电流测量，设计出电流电压转换电路，并用Pspice仿真软件对其进行仿真分析； （6）在实验室条件下，搭建微电流测量

4、电路，对模拟变压器油纸绝缘系统进行频率响应测试； （7）分析实验所得数据，对实验提出改进方案。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 查阅相关文献，搜集相关资料，研究本论文题目的意义及国内外发展现状 ( 7 8周)第二部分 完成油纸绝缘电介质响应相关理论的学习，尤其是对频率响应测试的学习 ( 910周)第三部分 完成对油纸绝缘系统的电介质频率响应测试实验 (1112周)第四部分 完成实验数据的整理、分析 (1316周)第五部分 得出结论，完成论文的撰写 ( 17 周)评阅及答辩 完成论文的评阅，修改和打印，最后完成答辩 ( 18 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人：

5、 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 第IV页摘 要油浸式变压器由于具有较高的绝缘强度、较长的使用寿命，广泛用于高压、超高压输电系统以及电气化铁路牵引供电系统中。绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘构成了油浸式变压器的绝缘系统，变压器的使用寿命是主要由绝缘材料的绝缘强度决定。目前，国内许多大型变压器已经运行了数十年，进入了寿命的中后期，如果一次性全部将其更换，将需要大量资金，而且其中有许多变压器仍可以安全运行若干年，盲目更换会造成巨大的浪费，这对电力企业及铁路部分来说是不可接受的。因此，对变压器的绝缘状况进行诊断，掌握变压器的运行状态，制定科学、合理的变压器运行、维护以及更新计划，对提高变压器的可用

6、率和整个电网及铁路运行可靠性都具有重要意义。本论文首先介绍油浸式变压器的油纸绝缘系统，分析变压器油纸绝缘的老化机理，总结目前一些主要的变压器油纸绝缘状态的诊断技术，了解油纸绝缘电介质基于频率响应测试的频域谱法(FDS)的研究现状和进展。其次介绍变压器油纸绝缘介电响应的相关理论，研究油纸绝缘电介质基于频率响应测试的频域谱法（FDS），重点研究FDS测试电路的微电流测量。基于油纸绝缘电介质频率响应FDS测试电路的微电流测量，设计出电流电压转换电路，并运用Pspice仿真软件对电路进行仿真，分析了不同温度变化对电路的影响。在实验室条件下，搭建微电流测量电路，对模拟的变压器油纸绝缘系统进行频率响应测试

7、实验，并对实验结果提出改进方法。关键词：油纸绝缘 电介质 频率响应 微电流测量 西南交通大学本科毕业设计 第VII页AbstractOil-immersed transformers because of its high dielectric strength, long service life, widely used in high voltage, ultrahigh voltage transmission system and electrified railway traction power supply system. The composite insulation of

8、 Insulating oil and insulating paper constitutes the insulation system of oil-immersed transformers.Transformers service life is mainly determined by the insulation strength of insulation material.At present, many domestic large transformers have been running for decades, which running into the life

9、 of mid and late. If all at once be replaced, you will need a lot of money. And many of transformer are still safe in operation for several years, blindly replacing will cause a huge waste, it is not acceptable for the power utilities and the railway.Therefore, diagnosing the condition of transforme

10、r insulation, controlling the operational status of the transformer, formulating scientific and rational transformer operation, maintenance and replacement program,will have important meaning to improve the availability of the transformer and reliability of the power and railway operations.This pape

11、r first describes the oil-paper insulation system of oil-immersed transformers, analyses the aging mechanism of transformers oil-paper insulation, summarizes some of the main transformer state of oil-paper insulation diagnostic techniques, understands the research and progress of oil-paper insulatio

12、n dielectric based frequency response test on the frequency domain spectroscopy (FDS).Second, introduce the theory of transformers oil-paper insulation of dielectric response, studies the Oil-paper insulation dielectric based frequency response test on frequency domain spectroscopy (FDS), focus on s

13、tudying the micro-current measurement circuit of FDS test. Base FDS test of oil-paper insulation dielectric frequency response on the micro-current measurement circuit, design a current-voltage conversion circuit, and use Pspice simulation software simulate the circuit, analyse the effects of differ

14、ent temperature changes on the circuit.Under laboratory conditions, to build micro-current measurement circuit, experiment with the simulate transformer oil-paper insulation system for frequency response test, propose the improved methods based on experimental results.key words：The oiled paper insul

15、ated dielectric medium frequency response Micro-current measurement目 录第1章 绪论111 油纸绝缘电介质频率响应的研究意义112 变压器油纸绝缘系统2121 变压器油4122 变压器固体绝缘材料713 变压器油纸绝缘状态的诊断方法1014 油纸绝缘电介质频域谱法（FDS）诊断的研究现状1215 本文研究的主要内容13第2章 变压器油纸绝缘电介质响应的相关理论1521 引言1522 介质响应的基本概念15221 复介电常数15222 电介质的极化17223 电介质的损耗1923 频域介质响应法在变压器油纸绝缘诊断上的应用20第

16、3章 油纸绝缘电介质频率响应测试技术的研究2131 引言2132 FDS测试电路示意图2133 FDS测试原理2234 FDS测试电路的微电流研究22341 微电流测量方法概述23342 微电流测量电路设计的原理23343 运算放大器的选择2635 对设计电路应用Pspice仿真26351 绘制原理图26352 对电路仿真分析27353 温度变化对电路性能的影响2936 高频下微电流测量电路的研究30361 高频的电路原理图31362 仿真分析31第4章 实验及数据处理3441 实验材料3442 实验设备3443 实验步骤3644 实验的第一次调试及整改3645 实验的第二次调试及数据处理36

17、46 实验电路的改进方案38总结与展望40致谢41参考文献42附 录44附录1 实验现场图片44附录2 实验搭建的电路模板45 西南交通大学本科毕业设计 第45页第1章 绪论11 油纸绝缘电介质频率响应的研究意义随着我国国民经济的快速稳定发展，人们对电能需求的迅速增长，我国电网的规模日益扩大。在电力系统向超高压、大容量、大电网、自动化方向发展的同时，提高电力设备的运行可靠性和稳定性更为重要。而在电力系统运行中，油浸式变压器由于具有较高的绝缘强度、较长的使用寿命，广泛用于高压、超高压输电系统以及电气化铁路牵引供电系统，承担着电压变换、电能分配和传输的任务，并提供各种电力服务。它的运行状况直接关系

18、到系统的安全运行。由文献1，2，3可知，一台运行中的大型变压器若发生绝缘故障，则可能中断电力供应，导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，不仅给用户带来巨大不便，同时也给社会造成巨大的经济损失。以一套三相500kV，360MVA的大型变压器为例，一旦发生事故，其维修费用应当在数百万元，停电一天的直接电量损失（按1KWh电0.4元计）达280万元，而因停电引起的间接损失（按1KWh电产值4元计）可高达2800万元。据不完全统计，2005年度国家电网公司系统的110 kV及以上电压等级变压器共发生损坏事故18台次、事故容量为1884.2 MVA。以110 kV及以上电压等级变压器的在运总台数(15

19、230台)和总容量(1033590MVA)为基数，计算变压器的年台次损坏事故率和年容量损坏事故率分别为0.12%和0.18%。因此，对变压器的绝缘状况进行诊断，掌握变压器的运行状态，制定科学、合理的变压器运行、维护以及更新计划，对提高变压器的可用率和整个电网运行可靠性都具有重要意义。绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘构成了油浸式变压器的绝缘系统，变压器的使用寿命是主要由绝缘材料的绝缘强度决定。大量资料表明绝缘性能的劣化是导致电气设备失效的主要原因，电气设备的多数故障是绝缘性故障。其原因不仅是电力作用引起绝缘劣化，机械力或热应力作用或者和电场的相互作用最终也会发展为绝缘性故障。目前，国内外电力系统中，

20、已有相当数量的电力变压器达到甚至已经超过了其设计年限，由于运行成本、经济效益等相关因素所制约，这些设备仍在电力系统运行中担任着重要的角色，但其绝缘程度已相当老化甚至达到其寿命终点。因此，为了保证电网的安全及变压器的可靠运行，迫切需要对变压器油纸绝缘老化的状态信息进行准确评估，一些可修复的缺陷进行及时处理，避免发生绝缘早期失效。而对于一些运行年久的变压器，则要求能对其绝缘系统的老化程度进行科学准确地评估，从而充分挖掘变压器的使用潜力。对电力变压器油纸绝缘系统老化的研究已经过了40余年的历程，国内外学者已探索、总结出一些变压器故障诊断的方法和规律，它们为保证电力系统安全运行、减少电网事故发挥了积极

21、有效的作用，但是各种方法都存在着一些缺点与不足。已用于诊断变压器绝缘老化状态的糠醛、聚合度、油中溶解气体等方法4要么需要取油样进行测量，要么需要取固体绝缘纸样进行测量，需要变压器停运、吊罩、取芯，在实际工作中带来很大的不便，而且还会给电力企业带来巨大的经济损失。目前，研究获取表征油纸绝缘老化的新特征量，并进而为评估变压器油纸绝缘老化状态提供准确且有价值的参考，仍然属于油纸绝缘领域研究的前沿热点问题。介电响应始于20世纪90年代，是一种通过外加电压获得电力变压器固体绝缘状态的无损测试方法。它具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点，同时可以方便地用于变压器的现场检测。因此，国外的许多研究机构和学者都

22、认为对于油浸式变压器等电力设备，介电响应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介电响应技术的回复电压法（Recovery Voltage MethodRVM）、极化去极化电流法（Polarisation and Depolarisation CurrentPDC）和基于频域介电响应的频域谱法（Frequency Domain SpectroscopyFDS）。与RVM和PDC相比，FDS 测量交流电场刺激下的极化响应，可以对不同的刺激频率进行逐点或扫频测量，其测量频带窄，受噪音干扰程度小，所需实验电源电压低，携带信息丰富5。频域介电谱法（FDS）作为一种新兴的无损诊断技术，目前一些国外学者应用

23、FDS法研究油纸绝缘系统，也仅局限于老化、水分、温度等对绝缘油或绝缘纸频域谱曲线变化趋势的描述，没有从电介质极化理论的本质上对影响绝缘油或绝缘纸FDS曲线的原因进行深入分析。国内对于FDS的研究起步较晚，并且受测量等诸多因素的影响，有关频域谱的研究还少见报道。综上所述，研究变压器油纸绝缘的频域介电响应特性，对掌握变压器的运行状态，制定科学、合理的电力变压器运行、维护以及更新计划，提高变压器的可用率和整个电网运行可靠性而言，无疑是一项具有重要现实意义和学术价值的研究课题。12 变压器油纸绝缘系统电力变压器是电力系统中输变电和供配电系统的重要设备，关系到电力系统的正常运行。变压器种类很多，用途也很

24、广泛。在电力变压器中，目前以油浸式变压器的产量最大，应用最广。以油浸式电力变压器为例，其主要结构部件有：铁心和绕组两个基本部分组成的器身，以及放置器身且盛有变压器油的油箱，为把绕组端子从邮箱内引出而在油箱盖上安装的绝缘套管，为在一定范围内调整电压而附的分接开关，此外，还包括保护装置，冷却装置和出线装置等。油浸式电力变压器的结构可分为：(1)器身包括铁心、绕组、绝缘结构、引线分接开关等；(2)油箱包括油箱本体（油盖、箱壁和箱底）和一些附件（放油阀门、小车、接地螺栓、铭牌等）；(3)保护装置包括储油柜、油位计、安全气道、吸湿器、测温元件和气体继电器等；(4)冷却装置包括散热器等；(5)出线装置包括

25、高压套管、低压套管等。油浸式变压器的绝缘主要分为外绝缘和内绝缘两大类。外绝缘就是变压器油箱外部的套管和空气的绝缘。它包括套管本身的外绝缘和套管间及套管对地部分（如储油柜）的空气间隙距离的绝缘。内绝缘是指变压器箱内的绝缘，主要部件是由绝缘纸、绝缘纸板等材料制成，与变压器油配合构成变压器油纸绝缘结构。内绝缘又可分为主绝缘和纵绝缘。1主绝缘变压器的主绝缘通常指绕组之间，绕组对铁心、油箱等接地部分，引线对铁心、油箱以及分接开关对铁心、油箱的绝缘。主绝缘以油屏障绝缘和油浸纸绝缘最为常用。每一种绝缘结构，都由纯油间隙、屏障、绝缘层三种成分组成。通常主绝缘结构有三种形式：（1）包绝缘层用电缆纸、皱纹纸、白纱

26、带、漆布等在导体上包裹，可包几毫米至十几毫米，承受一定比例的工作电压，降低了油中电场强度，对耐受工频和冲击电压的提高有显著作用。特别是曲率半径较小的导体，电场极不均匀，包绝缘后，可显著提高击穿电压，所以引出线及绕组的始末端通过包扎来加强绝缘。但在均匀的电场中，不宜采用，因为油的介电常数为2.22.4，纸板的介电常数为3.6。而介电常数指的是此物质组成电容器后。电容值的系数，即由油、纸组成的串联电路中，油所产生的电容值比纸板小，而交流电压的分配与电容值成反比，故油中的电场强度比原来增高，耐压反而减小了。（2）加覆盖层它是将漆布、电缆纸等在电极上加一薄层，厚度小于1mm，可以阻止杂质小桥将两极短接

27、。加覆盖层后可使工频耐受电压提高较多，特别是在均匀电场中，可提高70%100%，但对极不均匀电场，提高很少，且对冲击电压的提高效果很小。（3）加隔板油隙中加隔板可阻止杂质形成“小桥”。又因隔板间会积聚自由电子，制成附加电场，使原来电场变得均匀。隔板放得合适，可使油隙击穿电压提高到22.5倍。但对均匀电场放置隔板，效果很少，只能提高25%左右。2纵绝缘变压器的纵绝缘是指同一绕组的匝间、层间及静电屏之间的绝缘。在绕组的同一层或同一线屏内，匝与匝之间又有匝绝缘。对于不同形式的绕组和是否有几根并绕，匝间电压就不相同。匝间绝缘可由绝缘漆或有包绕的绝缘纸构成。不同电压等级和取的磁通密度不同，匝压不一样，其

28、匝间绝缘的厚度也不相同。层间绝缘是指相邻层之间或线饼与相邻线饼之间的绝缘，此绝缘有时兼作油道。另外分接开关同相邻各部分之间也属纵绝缘。在油浸式电力变压器中，变压器的绝缘形式主要采用油纸绝缘结构，即利用绝缘油浸渍绝缘纸，消除绝缘纸纤维空隙所产生的气隙，提高其绝缘的电气强度6。变压器油与绝缘纸相结合构成的油纸绝缘结构具有很高的耐电强度，比两者分开单独的（油和纸）任何一种材料都要高很多。由于油的绝缘强度和介电系数低于纤维质，油承受较大的电场强度，因此，用纸把油分成一定数量的小油隙，既可以消除油中纤维杂质的积累而不易形成“小桥”，又可以使电场均匀，提高绝缘的电气强度。油纸绝缘的缺点是油和纸两者均易被污

29、染，只要含百分之几的杂质，影响就相当严重。因此，在工艺过程中要尽可能地获得较纯净的油和纸，并据此选择合适的工作场强，才能保证变压器绝缘结构的可靠性。121 变压器油绝缘油是天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物质油。它是由各种碳氢化合物所组成的混合物。碳、氢两元素占其全部重量的95%99%，其他为硫、氮、氧以及极少量的金属元素等。石油基碳氢化合物有烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等。1变压器油的性能变压器油的耐电强度、传热性及热量都比空气好得多，因此，目前国内外的电气设备，特别是大中型电力变压器和电流互感器、电压互感器、电抗器等基本上都采用油浸式结构，并且变压器油起着绝缘和散热的双重作用。表2-1为

30、运行中的变压器油质量标准。运行中变压器油的质量随老化程度与所含杂质等条件不同而变化很大，除能判断变压器故障的项目（如油中溶解气体色谱分析等）外，通常不能单凭任何一种试验项目作为评价油质状态的依据，应根据几种主要特性指标进行综合分析，并随变压器电压等级和容量不同而有所区别。表2.2为运行中变压器油常规检测周期及检测项目。由于油浸式电力变压器容量和运行条件的不同，油质老化的速度也不一样。当变压器用油的pH值接近4.4或颜色骤然加深，其他某项指标接近允许值或不合格时，应缩短检验周期，增加检验项目，必要时采取有效处理措施。表2.1 运行中的变压器油质量标准序号项目设备电压等级/kV质量标准检验方法投入

31、运行前的油运行油1外状透明、无杂质或悬浮物外观目视2水溶性酸/pH5.44.2GB/T75983酸值（mgKOH/g）0.030.1GBT7599或GB/T2644闪点（闭口）/140（10、25号油）135(45号油)与新油原始测定值相比不低于10GB/T2615水分/（mg/L）330500220110101520152535GB/T7600或GB/T76016界面张力（25）/(mN/m)3519GB/T65417介质损耗因数（90）5003300.0070.0100.0200.040GB/T56548击穿电压/kV5003306622035及以下6050403550453530GB/T

32、507或DL/T429.99体积电阻率（90/）500330GB/T5654或DL/T42110油中含气量/（%）（体积分数）33050012DL/T423或DL/T45011油泥与沉淀物/（%）（质量分数）0.02（以下可忽略不计）GB/T51112油中溶解气体组分含量色谱分析按DL/T722-2000规定GB/T17623GB/T7252取样油温为4060 表2.2 运行中变压器油常规检验周期及检验项目设备名称设备规范检验周期表2.1中的检测项目变压器(电抗器)330550kV设备投运前或大修后每年至少一次 必要时11013,5104,1166220kV、8MVA及以上设备投运前或大修后每

33、年至少一次 必要时1913,5,7,86,9,1135kV设备投运前或大修后每年至少一次自行规定套管设备投运前或大修后每年至少一次 必要时自行规定2变压器油的老化机理矿物绝缘油应用于电力工业历史已久，可以追溯到1887年。变压器由于采用矿物绝缘油而大大提高了电气绝缘强度，缩短了绝缘距离。通过变压器油的热循环功能将变压器自身的热量传递到其外壳以及散热器进行散热从而提高了其冷却降温的水平；另一方面变压器内部一些零部件和组件的氧化程度由于油浸密封的方式而大大降低，从而延长了变压器的使用寿命7。变压器油是天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。由烷烃、环烷烃、3芳香烃等碳氢化合物组成的混合物。其中环

34、烷烃占总量的80%以上，还有少量的烷烃、芳香烃等。环烷烃化学式为，饱和且无双键，是环状闭合结构，性质较稳定；芳香烃是指含苯环的烃类；烷烃为，是线型分子结构。变压器油中的环烷烃具有较好的介电稳定性和化学稳定性，粘度基本不随温度的变化而变化，适用温度范围较广、凝固点低、介电强度高、介质损耗因数小，具有良好的电气特性、吸气性、化学稳定性，但抗氧化性能稍差。变压器在运行过程中，由于受到电、热、机械、化学等多种应力的综合作用，变压器油的颜色、气味、运动粘度等物理性能逐渐发生变化，介电性能逐渐下降。这是一个复杂的物理、化学变化过程。变压器油的老化过程基本上可分为热氧老化和电气老化两种8。（1）热氧老化由于

35、变压器油暴露在光、热、辐射、氧气或氧化性气体中，或由于铁心、绕组以及固体绝缘材料的发热作用而导致绝缘油的热氧老化。高频电磁波能够切断分子链及交联作用力，导致绝缘油粘度增加，从而使油浑浊，产生悬浮物及沉淀。另一方面，绝缘油在光、热、射线和氧化等的作用下，其内部会发生自动氧化的游离基链式反应过程，从而使得绝缘油的酸值增高。由于酸与醇的进一步缩合反应又生成树脂类物质、低聚物，或分子量更高的粘稠状物质。热氧老化的结果是使变压器油的颜色逐渐变深，气味逐渐发生变化，运动粘度值改变，介质损耗因数增加，它是一个恶性循环的过程。（2）电气老化电气老化是指绝缘油在运行过程中由于电场、磁场、电弧或电晕等游离放电的电

36、离作用，导致液体电介质电性能逐渐下降或化学、物理性能变坏的过程。它主要是由于电介质内部微观游离放电所导致；其次，由于介质损耗引起的热效应、电导电流引起的焦耳热效应、高场强下电子冷发射对介质的微观放电作用、高场强下电介质内部带电质点的剧烈运动所引发的微观游离放电和微观碰撞轰击，都是引起电气老化的重要原因；与此同时由于浸渍在油中的固体绝缘的发热和电磁场的共同作用，也加速了绝缘油的电气老化过程。电气老化是一种恶性循环，它使得油的吸气性、聚合性、油中的不饱和烃、酸值等有所增加。导致油的运动粘度增大、密度增大、有机气体增多、介质损耗增大，从而发热更为严重，绝缘的击穿电压大幅度下降，介电性能变坏。122

37、变压器固体绝缘材料油浸式变压器的内绝缘主要采用油纸绝缘结构，常采用的植物纤维纸及其制品包含电缆纸、电话纸、皱纹纸、金属皱纹纸、点胶绝缘纸、绝缘纸板等。1绝缘纸绝缘纸是油浸式变压器中最常用的绝缘材料。它是由未漂硫酸盐纤维素制成的，纸中主要成分是纤维素，它是由葡萄糖基组成的聚合度高达2000的链状高聚合碳氢化合物。纤维素（）分子结构呈链状，纤维之间呈多孔状，因此具有透气性、吸水性和吸油性，击穿电场强度、机械强度和耐热性均不高。但干燥浸渍变压器油后，电气性能很好。纸的分子结构有羟基，宏观上为多孔结构，极易吸收水分，在正常的大气条件下含水分为7%9%,饱含时可达15%。纸易被干燥，即使在空气中加热也可

38、干燥至含水分仅0.1%，而在真空中可大大提高干燥速度。由于纸和水的亲和力较油和水的亲和力强，因此，一般纸都从油中吸收水分,并且纸吸收水分后不会与油平均分担水分而影响耐电强度、绝缘老化和机械强度。同时还应该指出，纸在干燥过程中不仅很难驱出纸层中的最后残存水分（约0.1%），而且一般在干燥的最后阶段极易伴有热老化分解而放出的水分，两者难以区别。纸受热能分解放出气体的比例约为=70:12:18，其中、是由纸纤维焦化所致。由于变压器绝缘中纤维上承担的工作场强并不高，通常不需要干燥到含0.1%水分这一危险临界值。实际上，不仅纸的热老化与水分和氧的存在有关，也与其他参数有非常复杂的关系。一般说来，除非纸被

39、油完全浸透，否则纸中都会有空气或其他气体的空隙。空隙所分担的电压比纸高得多，如果空隙发生局部放电，将会使油纸绝缘逐渐腐蚀绝缘而最终导致损坏。2绝缘纸板它由木质纤维或掺有适量棉纤维的混合纸浆经抄纸、压光而制成。目前有木质纤维和棉纤维各占一半的50/50型和不掺棉纤维的100/100型两种纸板。在变压器绝缘中，绝缘纸板被广泛用作主绝缘的隔板（纸筒）、线圈间直撑条、垫块、线圈的支撑绝缘和铁轭绝缘。在100kV及以上变压器中用作隔板、角环等的绝缘纸板，通常采用型号为100/100，其厚度有0.5，1.0，1.5，2.5和3mm，目前已开始采用48mm的厚纸板。随着制造超高压和特高压大型及特大型油浸式电

40、力变压器的需要，国内外都在不断的提高绝缘纸板的性能，如瑞士Weidmann公司的T系列绝缘纸板、美国Dubeent公司的芳香族聚酰胺纸板都显示良好的高耐热性和机械性能。由于绝缘纸和绝缘纸板的介电系数为4.5左右，变压器油的介电常数仅为2.2，而油纸绝缘在交流电压下纸层的场强和油层的电场按:=：分布，油隙是油纸绝缘的薄弱环节。因此，在木质纤维中适当掺和低介质常数（2.13.8）组分的合成树脂纤维的纸板，在超高压大容量变压器制造中有良好的应用前景。同时，由于采用纸浆成型的绝缘件稳定性好，强度适中，可以提高绝缘结构的可靠性。因此，国内已研制出各种由纸浆成型的绝缘件，以此来解决超高压电力变压器绝缘结构

41、的问题。3绝缘纸的性能油浸式变压器中使用的绝缘纸（纸板）应该有:（1）良好的电气性能，电导率小，介质损耗低，介电常数越接近变压器油的介电常数越好；（2）较高的机械强度，主要是抗张强度和伸长率，在一定力的作用下不发生变形和破坏；（3）较好的热稳定性，又有足够的耐热性能，极小的介电损耗，较高的导热系数；干燥的绝缘纸既有理想的绝缘特性，又有不错的机械性能，它的相对介电常数约3.74。变压器油除了为主要绝缘介质，还是冷却介质。它的相对介电常数约为2.2。由绝缘纸和变压器油组成的油纸绝缘有非常好的电气性能，在短时间的电压作用下，耐压强度可达50120kV/mm。而且，其材料来源丰富，制造工艺简单，所以油

42、浸式电力变压器主要采用油纸绝缘结构。4绝缘纸的老化机理现在广泛使用的变压器固体绝缘材料是普通纤维素绝缘纸（纸板），它的主要成分是纤维素（约占90%）、半纤维素（约占67%）、木质素（约占34%）。其中纤维素是最重要的主要成分，对绝缘纸的电气性能和机械性能起着主要作用。纤维素是一种天然的高分子化合物，其分之结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的，每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有三个羟基，其中有一个是伯醇，反应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大分子内部或分之间都可以生成氢键。绝缘纸同样会由于在变压器运行过程中受到电、热、机械等多种应力的综合作用而发生

43、老化，导致其电气性能和机械强度逐渐降低。变压器固体绝缘纤维素大分子的老化过程就是纤维素的降解过程，它是由水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、微生物分解等多种外界因素、多种降解过程综合作用的结果，但起主要作用的是水解、氧化降解和热降解三种降解方式。（1）水解由于纤维素大分子中的1,4-苷键对于高温、水及酸的水溶液的作用是不稳定的，容易断裂导致水解反应的产生，生成自由糖，从而使得纤维素的聚合度降低，使纤维缩短、变弱。由于纤维素中相邻两个葡萄糖环与水发生氧化反应生成两个OH基，导致聚合物分裂为两部分，同时每次分裂消耗1个水分子。因而绝缘材料中所含水分越多，纤维素的水解速度就越快。同时，绝缘油中的酸起

44、着催化作用，加速了水解反应的速度。（2）氧化降解由于纤维素中的葡萄糖基上存在醇羟基，其化学性质很活泼，非常容易被氧化剂氧化，根据不同条件生成醛基、酮基或羧基。再进一步反应，可引起聚合物断链。在变压器中，除了外部渗入的少量氧和器身内部残留的氧之外，变压器油的老化产物中也含有不容忽视的氧化剂。纤维素纸葡萄糖环中的碳原子含有醇基()，由于其化学性活泼，第六位碳原子很容易被氧侵袭生成醛基，醛基再氧化变成羧基，由于同分异构化，在葡萄糖昔碳上产生双键。导致葡萄糖昔碳键变得很不牢固发生水解。由于羧基发生水解时纤维素链断裂，因此醇羧基的氧化归根到底是纤维素链发生水解。（3）热降解纤维素分子链发生解环或断裂即热

45、降解。当温度超过150240时，纤维素结构中的化学结合水开始被脱除，并有去氢反应。如果温度再高，纤维素大分子的一些CC键和苷键逐渐断开，并产生低分子挥发性产物及其他产物。当温度升高到700以上时，逐渐发生碳化。在变压器中，纤维素热降解主要生成葡萄糖、水分、和有机酸等。由以上分析可知，由于受电、热、机械、化学等多种应力的综合作用，绝缘纸和绝缘油在运行过程中其内部的大分子链不断老化降解为小分子链，使得油纸绝缘的微观结构发生改变。而微观结构的改变必将引起其介质响应特性的变化。同时，油纸绝缘系统在不断老化的过程中会产生水、酸性化合物及其他极性小分子物质，这些极性分子将影响绝缘系统的极化特性，同时也会对

46、介电响应特性有所影响。故变压器油纸绝缘老化的状态信息可通过介电响应法进行评估诊断。13 变压器油纸绝缘状态的诊断方法变压器油纸绝缘老化是不可逆的化学反应过程。为保证整个电网的安全运行，必须对变压器的运行状态进行监测。对油纸绝缘老化状态的监测方法主要可分为物理化学诊断方法和电诊断方法两大类。其中关于化学诊断方法的研究较为成熟，而电诊断方法则是近十几年才发展起来，仍处于研究阶段，并没有得到广泛的应用。1化学诊断方法（1）微水分析绝缘材料中的微水使其耐电强度降低，电导率增加，介质损耗因素增大，故通过水分含量可以知道绝缘的重要信息。卡尔.费休滴定法是目前国际上普遍采用且认可的水分含量测试的方法。它是利

47、用碘氧化二氧化硫时需要定量的水的原理测定固体、液体和气体中的含水量。（2）油中溶解气体分析（DGA）目前对油中溶解气体的研究相对来说已经比较深入，油中溶解气体分析得到了广泛的认可，特别是用于潜伏性故障诊断。如研究发现油中溶解的和的生成总量及其比值与绝缘纸老化有一定的联系。变压器油纸在运行的过程中，逐步老化产生、等特征气体。由此诞生了判断绝缘故障性质的特征气体法。随着科学技术的进一步发展，神经网络、模糊数学、专家系统等先进的数学方法也逐步被引入到油中溶解气体的分析中。（3）绝缘纸聚合度测试（DP）变压器固体绝缘（纸、纸板）的主要成份是纤维素（线性聚合体），在聚合体中以重复单元数为基准，即聚合物大

48、分子链上所含重复单元数目的平均值被称为聚合度。当绝缘纸的聚合度为500900时，其拉伸强度为一常数，而当绝缘纸聚合度为200500时，其拉伸强度与聚合度成正比递减。当绝缘纸聚合度进一步降低时，近似认为其拉伸强度完全丧失。在广泛进行的油纸绝缘系统的加速老化试验中，大多数采用抗张强度的50%或聚合度值200250为绝缘纸寿命的终点。（4）油中糠醛含量分析由于变压器油纸组合绝缘系统中油中糠醛仅来源于纤维素纸的老化分解，故与吊罩获取绝缘纸聚合度相比，糠醛分析更为简单可行。大量资料表明：绝缘纸聚合度与油中糠醛含量之间存在近似的对数关系。油中糠醛分析的主要方法有：高效液相色谱法、分光光度计法。由于大部分变

49、压器都装有热虹吸过滤器，它能吸附除去循环流动的油中的部分糠醛，故真实的糠醛含量则不易被检测到。此外由于国产变压器采用高真空滤油及压力滤油，也使得部分糠醛被除去，造成油中糠醛含量和绝缘老化的真实规律不成正比。2电诊断方法传统的电诊断方法主要有测量介质损耗、绝缘电阻、电容、吸收比（极化系数）、直流电阻、泄漏电流、局放信号等参数，但实际用于探索固体绝缘老化的方法主要是局部放电和介质响应。对局部放电的早期研究，大约始于1940年，其测试方法主要有电磁法和超声法。随着计算机技术的进步，局部放电数字化测量系统也得到了高速发展，并广泛用于现代化的诊断技术中。最早用于反映固体绝缘状态的局部放电特征参量是最大放

50、电量，但Stone在对使用150年的绕组固体绝缘局部放电的统计分析中发现，绝缘老化后可能存在与新绝缘相当甚至更低的最大放电量水平，用于固体绝缘老化状态的判断是不可靠的。近十年来，基于局部放电统计图谱的指纹识别技术受到了广泛关注。到目前为止，共有包括时域和相域在内的24种图谱，上百个特征参量被用于研究局部放电的信号特征。由于局部放电源产生的电磁波信号频率可达3GHz，即使在严重的电磁污染环境中，使用超高频（UHF）测试技术也能得到灵敏的局放信号。但是局放脉冲在如此宽的频率范围内以不同的模式传播，遭受了不同程度的衰减。到目前为止，由于受到现场强电磁干扰等因素的影响，利用各种去噪手段对现场数据进行处

51、理，以真实地还原局部放电信号的方法还在进一步的研究中；另外局部放电特征参量在老化过程中的发展规律与绝缘类型及结构形式的内在联系还没有得到理解。因此，局部放电特征参量到目前为止只能够作为化学诊断手段的一种补充，要实现局部放电作为诊断变压器故障的新特征量并用于现场诊断还需进一步深入研究。14 油纸绝缘电介质频域谱法（FDS）诊断的研究现状鉴于以上诸多诊断变压器绝缘状态的方法均存在各自的不足，近年来国外许多研究机构和学者将目光转向了一种新的测试方法基于频域介质响应技术的频域谱法（Frequency Domain SpectroscopyFDS）。介电响应始于20世纪90年代，作为一种油纸绝缘老化诊断

52、的无损检测手段，它具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点。它可以检测变压器的老化程度、纸中水分等重要信息，同时也可以方便地用于变压器的现场检测。因此，国外的许多研究机构和学者都认为对于浸油变压器等电力设备，介电响应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介质响应技术的回复电压法（Recovery Voltage MethodRVM）、极化去极化电流法（Polarisation and Depolarisation CurrentPDC）和基于频域介质响应的频域谱法（Frequency Domain SpectroscopyFDS）9。FDS是利用介质在交流电压下的极化特性，通过外加正弦电压，测量流

53、过试品的电流峰值和相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复电容（率）等与频率有关的极化参数的变化情况，这些参数与含水量、老化程度等变压器的状态信息密切相关，研究他们之间的关系，就可以对变压器的绝缘状态进行判断。目前一些国外学者研究发现FDS与RVM和PDC相比，FDS具有优良的虑噪性能，尤其在高频下。这一特点使得FDS法在研究低介质损耗材料方面具有重要的优势。FDS主要是由于电介质极化现象引起的，而电介质的极化受到温度、水分、老化程度等多种因素的影响，目前国外一些学者对于FDS的研究，主要集中在不同因素对FDS参数的影响上，并在这方面取得了一些成果。1老化的影响P.K.Poovamma10等对不同老化状态的油纸绝缘试品进行FDS试验，发现随着老化加剧，介电损耗越大，相对介电常数的虚部随试品老化时间的增加而增大，而实部基本不变。且低频区有最大值。Omar Hassanl11等发现随老化时间的增加，增大。在高、中频带和功率因数的幅值重合性好，在低频带（低于1Hz）两者分开，分开点的频率值取决于绝缘老化时间，频率分裂点和老化持续时间是线性的，因此可以用这一点来判断老化，水分和老化的影响也被分开。2温度的影响J.H.Yew12等对25 、50 、58 、70下对油纸样品进行了测量，发现随温度的增加，复电容的实部和虚部都随之增