作为特征参量，用于量化油纸绝缘水分含量，并在实验室模型和实际油浸式设备上验证了该方法的有效性。与传统利用频域介电谱诊断油纸绝缘受潮的方法相比，该文所提特征参量与水分含量的量化关系受绝缘结构差异和油纸绝缘聚合度变化的影响较小，在设备绝缘结构和老化状态信息缺失的情况下具有更好的普适性。另外，该方法所需测试时间仅约100 s，具有高效、准确和便捷的特点。摘要 油纸绝缘受潮状态的准确评估对于电力设备安全稳定运行至关重要，该文研究并提出了一种以介质响应电流幅值Im随激励电压频率f变化为特征的油纸绝缘受潮评估新方法。试验测试了不同水分含量油纸绝缘样品在频率f为0.01～50 Hz正弦激励电压下的f-Im特性，并对Im按照其最小值进行归一化处理得到f-I*曲线。结果表明：在双对数坐标下，随着受潮程度增加油纸绝缘的f-I*曲线会由干燥时的一条直线逐渐变为一条下凹的曲线。进一步提出将50 Hz处的I*值作为特征参量，用于量化油纸绝缘水分含量，并在实验室模型和实际油浸式设备上验证了该方法的有效性。与传统利用频域介电谱诊断油纸绝缘受潮的方法相比，该文所提特征参量与水分含量的量化关系受绝缘结构差异和油纸绝缘聚合度变化的影响较小，在设备绝缘结构和老化状态信息缺失的情况下具有更好的普适性。另外，该方法所需测试时间仅约100 s，具有高效、准确和便捷的特点。
关键词：油纸绝缘 频率 响应电流 水分含量
油纸绝缘是高压电力设备中重要的绝缘形式之一，受潮是导致油纸绝缘电气性能下降，并引发设备故障的重要原因[1]。出厂时的干燥工艺不达标、运行中外部水分入侵以及油纸老化降解析出水分等因素均会使得油纸系统水分含量超标[2]。绝缘受潮不仅会降低其电气强度，还会增大设备介质损耗，加速绝缘老化[3-5]。因此，准确地评估电力设备内油纸绝缘的水分含量，进而指导科学运维，对于保障设备的安全稳定运行具有重要的工程意义。
目前测量油纸绝缘水分含量最为直接、准确的方法是卡尔费休滴定法，但需要对绝缘纸进行破坏性取样[6]。工程上常先测量油中水分含量，根据水分在油纸中的平衡曲线再获得绝缘纸中水分含量。然而，运行中设备的温度呈现波动变化，水分在油纸间很难达到平衡，导致评估误差较大[7]。近年来，频域介电谱（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）被广泛应用于油浸式变压器绝缘受潮的无损评估中[8-11]，以介质损耗角正切的频域特性曲线tanδ-f作为评价依据，提取各类特征参量并建立其与绝缘中水分含量的量化关系[12-14]。虽然美国Megger公司、奥地利Omicron公司已基于FDS方法开发商用绝缘状态诊断仪，但油道、屏障等绝缘复合形式对tanδ-f的影响较大，需通过X-Y模型（X和Y是与绝缘结构相关的量）[15]将复合结构的tanδ-f归算至绝缘纸板，才能与实验室事先建立的特性曲线数据库进行比对得到受潮结果。对于具有复杂绝缘结构的油浸式电力变压器而言，较难获取准确的X、Y值并进行等效归算，使得评估结果存在较大误差。此外，tanδ-f曲线测试耗时长，以1 mHz～1 kHz频段为例，每十倍频取六个测量频率点约需要1 h，对于有限的停电检修时间而言难以接受。
此外，上述以tanδ-f曲线为依据的绝缘受潮诊断方法均将油纸绝缘看作一个线性系统，忽略了响应电流波形的压变和频变特性。研究发现，受潮或劣化会引起油纸绝缘的非线性[16]，导致响应电流中出现谐波成分，且谐波占比随着激励电压的增大而升高。本课题组前期的研究成果[17-18]也表明，对于受潮的油纸绝缘，低频（–0.01 Hz及以下）下激励电压和响应电流幅值之间存在非线性关系，其非线性系数可用于定量评估油纸绝缘中的水分含量，且结果基本不受绝缘结构的影响。然而，该方法需在低频下多次改变激励电压重复测试，存在耗时过长的问题，并且需要较高的电压来激发其非线性，对测试装置的硬件参数要求较高。同时，该方法仅关注单一频率下的响应电流特性，忽略了宽频激励下的更多信息。
本文基于前期的研究成果，进一步探索油纸绝缘受潮对其响应电流特性的影响，重点关注响应电流幅值随激励信号频率的变化特性，进而对现有油纸绝缘水分含量评估方法进行改进，旨在提出一种受绝缘结构差异影响小，且易于现场实施的绝缘受潮状态高效评估和诊断方法。
试验所用绝缘纸板为厚度为1 mm、直径为160 mm的圆形魏德曼纤维素绝缘纸板，绝缘油为克拉玛依25号环烷基矿物油。不同受潮程度的油纸绝缘样品制备流程参考文献[19]：先将绝缘纸板和绝缘油分别在90℃/50 Pa的环境中真空干燥72 h，混合后再真空浸渍48 h，制得干燥油纸绝缘样品；取出绝缘纸板，参照IEC 60814标准，使用卡尔费休仪测量干燥样品中的初始水分含量，称取初始质量，并计算出不同预期水分含量时的样品质量；随后将样品放置于空气中自然吸潮，待达到预期质量后使用卡尔费休仪再次测试受潮样品的水分含量；最终获得水分质量分数为0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%的受潮样品，将其重新放入绝缘油中，静置48 h使其油纸间水分达到平衡。
为分析热老化对测试结果的影响程度，同时制备了不同老化程度的油纸绝缘样品。在130℃/50 Pa条件下对浸油后的崭新绝缘纸板进行不同时长的加速热老化，而后进行干燥处理，确保水分含量均在0.5%以下，排除水分的影响。参照IEC 60450标准，采用乌氏粘度计测量其聚合度（Degree of Polymeri-zation, DP）值，最后获得了DP值分别为1 077.9、915.1、758.7、583.8及520.9的干燥老化油纸绝缘样品。
测试前将油纸绝缘样品置于三电极系统中，再放入20℃的恒温箱中静置24 h等待温度平衡。
为了测量油纸绝缘在不同频率及电压激励下的响应电流信号，搭建了如图1所示的测试系统。主要由上位机、波形发生模块、电压放大模块、电流放大模块及信号采集模块构成[18]。
图1 油纸绝缘响应电流测试系统
Fig.1 Test system of the oil-paper insulation response current
上位机通过LabVIEW程序控制波形发生模块发出±10 V以内不同频率的正弦信号。考虑油纸绝缘材料的阻抗较大（如0.01 Hz下可达10 GΩ以上），需采用高压放大器对信号进行放大，以保证响应电流的信噪比。本文采用的电压放大电路可实现200倍的增益，获得±2 000 V以内的激励电压。为适应后续采集电路的输入条件，需接入电流放大模块，通过不同阻值的采样电阻，把电流信号转换为电压信号，并放大至±0.5～±10 V范围内。由信号采集模块同步采集激励电压和响应电流信号，转换为数字信号后发送至上位机可得完整的时域波形。
由于实际测试环境存在各种噪声干扰，且材料在受潮后呈现的非线性特性也会导致其响应电流发生畸变（如图2所示），需进一步对原始信号按照式（1）和式（2）进行傅里叶变换与逆变换，提取激励电压与响应电流的基波信号，以获得其时域基波分量，减小各种因素的影响。
（1）
（2）
式中，x(n)为均匀离散采样序列，n = 0, 1,…, N−1；X(k)为离散傅里叶变换序列，k = 0, 1,…, N−1；XF(k)为仅包含基波分量的离散傅里叶变换序列；xF(n)为仅包含基波分量的均匀离散采样序列。
图2 受潮油纸绝缘激励电压与响应电流的时域波形（纸中水分含量4.5%，激励电压幅值200 V，频率0.01 Hz）
Fig.2 Time-domain waveforms of the excitation voltage and response current of the damped oil-paper insulation (4.5% paper moisture content, 200 V voltage amplitude, and 0.01 Hz voltage frequency)
对制得的不同水分含量油纸绝缘样品分别施加频率为0.01～50 Hz、幅值为200～1 600 V的正弦激励u(t)，测试其响应电流并提取基波信号i(t)，分别表示为
（3）
（4）
式中，Um为激励电压幅值；f为测试频率，每十倍频取三个点，则f=0.01, 0.02, 0.05,…, 10, 20, 50 Hz；Im为频率f下的响应电流基波幅值；φu、φi分别为电压、电流的初相角。
首先分析固定激励电压幅值200 V下，0.5%～4.5%水分含量未经老化油纸绝缘的响应电流频变特性。图3以50 Hz和0.01 Hz为例，给出了油纸绝缘的响应电流原始波形，并提取其响应电流基波幅值见表1。
图3 50 Hz及0.01 Hz激励下的电压电流波形
Fig.3 Voltage and current waveforms under 50 Hz and 0.01 Hz excitation
表1 不同水分含量油纸绝缘的响应电流基波幅值Im
Tab.1 Response current amplitude Im of the oil-paper insulation with varying moisture contents
f/Hz响应电流幅值Im/nA 0.5%1.5%2.5%3.5%4.5% 0.013.624.566.5320.56158.14 0.027.288.8711.5829.65168.36 0.0518.1221.2925.7548.37174.09 0.136.1541.3448.2874.75194.26 0.271.5979.9890.84126.22247.61 0.5178.56194.54214.05274.75445.26 1356.47383.02413.62511.02775.36 2713.49758.21806.64964.021 384.51 51 780.131 873.001 963.292 258.893 038.56 103 557.523 724.873 874.134 352.195 596.25 207 122.187 429.287 682.028 464.5310 449.44 5017 920.0518 639.4419 169.4020 687.8224 454.30
虽然绝缘受潮会增大其电导率，但在工频50 Hz下，水分含量变化对响应电流幅值影响并不显著，如图3a所示，即使在4.5%的高水分含量下，其响应电流幅值与0.5%水分含量样品相比也仅增大了36%。而在0.01 Hz下，油纸绝缘的响应电流会随受潮程度加深发生显著变化，如图3b所示。4.5%水分含量样品的响应电流幅值接近160 nA，相较于0.5%水分含量样品的数nA而言存在数量级的差异。
将油纸绝缘等效为图4所示的阻容并联模型，高频时容抗值远小于电阻值，因此响应电流i主要取决于C值（iC
iR）。水分子的增加会显著增强低频段的界面极化，而在高频区域由于电场转向速度过快，界面极化建立受限，介电常数会因偶极子极化加强而略微增加。因此C支路容抗会略微降低，整体响应电流i略微增大，对水分含量的变化不太敏感。而相较于高频，低频时C支路的容抗因频率降低而急剧增大，并且随着水分含量的增加，油纸绝缘的电导率呈指数增加，R支路阻值迅速减小，响应电流中阻性分量iR的占比不断增大，逐渐占据主导地位，因此在低频下，水分对油纸绝缘响应电流的影响会更加显著。
图4 等效RC并联电路
Fig.4 Equivalent RC parallel circuit
不仅受潮会导致油纸绝缘的电导率和响应电流增大，不同的绝缘结构对响应电流幅值的影响也非常显著。例如，实验室中不同大小、厚度的单层纸板和多层纸板以及纸板-油道复合结构样品中，同样激励下的响应电流绝对值差异较大；不同电压等级变压器的绝缘电阻也不同，如20℃时10 kV变压器绝缘电阻不低于300 MΩ，500 kV变压器绝缘电阻不低于2 000 MΩ[20]，这使得采用响应电流数值作为特征量缺乏普适性。因此，需要对响应电流幅值进行归一化处理。
对于干燥油纸绝缘而言，在不同频率下均主要表现为容性，因此频率越小阻抗模值越大，其响应电流幅值也越小，将0.01 Hz下的响应电流幅值Im@0.01Hz作为基准值，可以将不同频率下的响应电流幅值进行归一化处理，得到
（5）
对于任何测试对象而言，以频率f为横坐标，I*为纵坐标，绘制而成的f-I*曲线可以表征响应电流基波幅值随频率变化的相对变化情况，不同测试对象间的测试结果也能够进行直接对比。
按照式（5）将表1中的响应电流幅值Im换算为I*，并绘制不同水分含量油纸绝缘样品的f-I*曲线如图5所示。当油纸绝缘水分含量为0.5%时，其f-I*曲线在双对数坐标下近似为一条直线，即随着激励电压频率的变化，其响应电流也呈现出等比例变化，50 Hz下的响应电流幅值为0.01 Hz下的4 950倍。这表明干燥的油纸绝缘在整个频率范围内均接近于纯容性，频率每减小一半，其阻抗模值相应增大一倍，响应电流也变为原来的一半。而随着受潮程度的逐渐加深，f-I*曲线逐渐下凹，从一条直线变为弯曲的曲线。4.5%水分含量样品的f-I*曲线表现最为明显，50 Hz下的响应电流幅值仅为0.01 Hz下的155倍。随着f的增大，I*先是缓慢增加，而后上升速度增大，在高频段最终也趋近于一条直线。这表明在高频区域，不同水分含量油纸绝缘的响应电流均由容性分量主导，响应电流随激励电压频率线性变化；而在低频段，随着受潮程度的加深，响应电流的阻性分量占比逐渐增大，最终占据主导，电阻值不受频率的影响，因此响应电流随频率的变化也很小。
图5 不同水分含量油纸绝缘样品的f-I*曲线
Fig.5 f-I* curves of the oil-paper insulation samples with varying moisture contents
本文同时测试了五个热老化样品的f-I*曲线，如图6所示，即使聚合度降低到新纸的一半，其f-I*曲线与新纸相比也没有差异，所有样品的测试结果基本重合，仍然为一条直线。由此可见，采用f-I*曲线评估油纸绝缘的水分含量时，不会受到绝缘纸聚合度下降的影响。
对于线性系统而言，响应电流会随着激励电压的增大而等倍增大，理论上经过归一化处理的f-I*曲线应该不受所施加电压的影响。但是已有的研究表明，受潮油纸绝缘系统并不是一个线性系统，尤其是在低频范围内，会表现出明显的非线性特征[17-18]。因此，本节研究了测试电压对f-I*曲线的影响，测试结果如图7所示。
图6 不同聚合度油纸绝缘样品的f-I*曲线
Fig.6 f-I* curves of the oil-paper insulation samples with different DPs
图7 不同激励电压下油纸绝缘样品的f-I*曲线
Fig.7 f-I* curves of the oil-paper insulation samples under different excitation voltages
由图7a可以看出，当水分含量很低时，f-I*曲线基本不受激励电压幅值变化的影响，在四个电压下几乎重合。而随着水分含量逐渐增加，f-I*曲线的右侧会随着激励电压的增大不断下移，在水分含量4.5%的样品上表现最为明显。该现象产生的原因就在于受潮油纸绝缘的响应电流在低频下会表现出非线性特性。表2给出了0.5%、2.5%、4.5%水分含量油纸绝缘样品在50 Hz和0.01 Hz频率下的响应电流幅值测试结果。为直观地观察激励电压倍增后响应电流的变化特性，以200 V下的响应电流作为基准值，对不同激励电压下的响应电流进行归一化，得到图8所示的U-I*曲线。由图8a可以看出，在50 Hz下，所有样品均未表现出非线性，响应电流随激励电压等倍变化。而在低频激励下，受潮油纸绝缘表现出了非线性特征，且受潮越严重，非线性越强，如图8b所示，尤其是4.5%水分含量的样品，当激励电压变为原来的8倍，响应电流变为原先的14倍。因此，受潮油纸绝缘在f-I*曲线上表现出了一定差异，随着激励电压的增加，高频电流线性增大，而低频电流非线性增大，经归一化处理后，高频下的I*值会减小，即曲线右侧会下移。但就整体情况而言，激励电压幅值对f-I*曲线的影响远远小于水分含量的影响。
表2 50 Hz与0.01 Hz电压激励下油纸绝缘的响应电流幅值
Tab.2 Response current amplitude of the oil-paper insulation under 50 Hz and 0.01 Hz voltage excitations
f/HzU/V响应电流幅值Im/nA 0.5%2.5%4.5% 5020017 920.0519 169.4024 454.30 40035 879.9938 372.0248 973.21 80071 780.8576 762.8797 986.92 1 600143 687.48153 583.15196 089.55 0.012003.626.53158.14 4007.3213.62372.27 80014.6328.62898.40 1 60029.2560.442 233.72
图8 不同频率下油纸绝缘样品的非线性特性
Fig.8 Nonlinear characteristics of the oil-paper insulation samples at different frequencies
对于不同结构的油纸绝缘，FDS测试方法通常借助图9所示的等效X-Y模型，将绝缘纸和绝缘油分别进行集中处理，再借助式（6），通过整体的FDS谱图，计算出其中绝缘纸的FDS谱图[6,15]。
图9 变压器主绝缘的等效X-Y模型
Fig.9 Equivalent X-Y model of the transformers’ main insulation
（6）
式中，
为绝缘系统总的复相对介电常数；
为绝缘纸的复相对介电常数；
为绝缘油的复相对介电常数；X为隔板总厚度与主绝缘厚度之比；Y为撑条总宽度与绕组的平均周长之比。对于不同的变压器而言，其X、Y值一般也不相同。
为了研究绝缘结构是否会对f-I*曲线产生影响，设计了一种复合结构来模拟不同结构的绝缘系统，如图10所示。这种复合结构主要由绝缘油以及圆形和环形的绝缘纸板构成，将不同的纸板进行叠加可以获得不同X、Y值的复合绝缘。圆形纸板的厚度为1 mm，有效直径为113 mm。环形纸板与圆形纸板具有相同的厚度与外径，而其内径包括80 mm和100 mm两个尺寸，环形纸板中间填充绝缘油以模拟油道[6,18]。以下简称这四种结构分别为结构A、B、C、D，其X、Y值可以由式（7）和式（8）计算。四种结构的具体几何参数见表3。
图10 不同绝缘结构样品示意图
Fig.10 Schematic of the samples with different insulating structures
（7）
（8）
式中，t1为圆形绝缘纸板总厚度；t2为环形绝缘纸板总厚度；φ1为测量电极的外径（圆形纸板有效直径）；φ2为环形纸板的内径。
表3 不同绝缘结构的几何参数
Tab.3 Geometric parameters of the different insulation structures
结构t1/mmt2/mmφ1/mmφ2/mmXY A1010 B11113800.50.5 C111131000.50.22 D121131000.330.22
对于每一种结构，均采用与1.1节相同的流程制备了5个不同水分含量的样品。首先测试了绝缘结构对tanδ-f的影响，如图11a所示，绝缘系统整体的介质损耗角正切tanδtot受绝缘结构影响较大，尤其是在水分含量较低的时候，油道的引入显著改变了tanδtot-f曲线的形状；虽然在高水分含量的情况下，tanδtot-f曲线的整体趋势未有较大变化，但是在数值上存在一定差异。再根据X-Y模型，可以归算出各个绝缘结构中绝缘纸板的tanδpaper-f曲线。如果清楚地知道绝缘结构的X值和Y值，则可将0.5%水分含量下各个结构样品的tanδtot-f曲线归算为图11b中左图所示的tanδpaper-f曲线。可以看出，解析得出的tanδpaper在低频段仍会受到绝缘结构的较大影响，这主要是因为X-Y模型并未考虑油纸材料复合带来的界面极化。低频段的损耗主要由耗时较长的界面极化和电导损耗造成，对于水分含量较低的油纸绝缘，介质内自由离子和带电质点极少，电导损耗极低，低频段FDS曲线受界面极化影响较大，因此即使经过X-Y模型变换，得到的tanδpaper仍存在较大的误差；而高频段不存在界面极化，因此换算得到的tanδpaper吻合度较高。通常情况下，油纸绝缘设备内部的X值和Y值并不能准确获取，对于实际变压器，X值的范围一般为0.2～0.5，Y值的范围一般为0.15～0.25[21]，将0.5%水分含量结构D样品的tanδtot-f曲线按不同的X、Y值进行归算，所得tanδpaper结果在整个频段均有较大差异，如图11b右图所示。综上所述，即使已知油纸绝缘设备的具体结构，采用传统FDS方法对其绝缘受潮进行评估时，仍会不可避免地出现一定误差，而在未知具体结构的情况下，评估结果会更加偏离真实状态。
图11 绝缘结构对tanδ-f曲线的影响
Fig.11 Influence of insulation structure on the tanδ-f curves
本文测试了不同结构油纸绝缘的电压、电流波形如图12所示，同时测试了不同样品的f-I*曲线，如图13所示。虽然不同结构下绝缘系统的响应电流数值会有较大差异（见图12），但是经过归一化处理后，I*随f的变化规律和单层油浸纸板基本一致（见图13），当绝缘纸中的水分含量相同时，绝缘结构的差异对f-I*曲线的影响极小。表4以0.5%水分含量的样品为例，给出了分别采用FDS方法及本文所提方法测试时，50 Hz处与0.01 Hz处特征参量的比值，可以明显看到，绝缘结构对tanδ@50Hz/tanδ@0.01Hz的影响是显著的，当纸中水分含量相同时，结构A的tanδ@50Hz/tanδ@0.01Hz是结构D的4倍，而两者间的
/
仅相差0.5%。因此，本文所提方法在评估不同结构绝缘系统上具有更大优势。
图12 不同结构油纸绝缘的电压、电流波形
Fig.12 Voltage and current waveforms of the oil-paper insulation samples with different structures
图13 不同结构油纸绝缘样品的f-I*曲线
Fig.13 f-I* curves of the oil-paper insulation samples with different structures
表4 不同绝缘结构下的特征参量比值（纸中水分含量0.5%）
Tab.4 Characteristic covariance ratios for different insulation structures (0.5% paper moisture content)
结构tanδ@50Hz/tanδ@0.01Hz A0.1184 950.23 B0.0624 972.23 C0.0394 989.24 D0.0294 975.38
由2.3节可知，水分含量增加会显著影响油纸绝缘f-I*曲线在低频段的变化规律，受潮越严重，I*随频率降低而减小的速度会越慢，而在高频段I*基本随频率线性变化，受水分影响很小，最终使得高频与低频间I*的相对变化出现明显差异。因此，可以将50 Hz下的响应电流与0.01 Hz下的响应电流比值，即f-I*曲线中50 Hz处的I*值
作为特征参量，其表达式为
（9）
它们的相对变化反映了油纸绝缘的受潮程度。越大，油纸绝缘越干燥；越小，油纸绝缘水分含量越大。
由2.4节可知，随着受潮程度的加深，激励电压的幅值也会逐渐对f-I*曲线产生一定的影响，因此测得的也会随之改变，并且水分含量越高影响越大。由图8b可知，当水分含量为4.5%时，在低频0.01 Hz激励下，随着激励电压幅值每次倍增，响应电流分别变为前一个电压下的2.35倍、2.41倍、2.49倍。由此可见，低频响应电流的非线性会受到激励电压的影响，反映到油纸绝缘材料特性上即电场强度越大，非线性特性越强。不同设备的绝缘在相同激励电压下，其承受的电场强度可能会存在较大差异，导致相同水分含量下会因低频非线性程度不同影响测试结果。而由图8b可知，电压越低，响应电流随激励电压倍增的变化越接近2倍，即越接近于线性系统，电压变化带来的影响会减弱。因此，为使所提评估方法在油浸式电力设备上均具有更高的准确度，应尽量将测试电压降低。又由于油纸绝缘设备阻抗极大，为了保证现场测试所得响应电流具有较高的信噪比，激励电压不宜过低。因此，推荐选取200 V作为测试电压的幅值，并把200 V下的测试结果作为标准值，将和油纸绝缘的水分含量mc（moisture content）进行拟合。
针对实际情况进行考虑，若将绝对干燥的油纸绝缘视为理想电容，其不会大于5 000，而随着水分含量的增大，50 Hz下的响应电流也始终会大于0.01 Hz下的，不会无限减小，因此不能用简单的线性模型进行拟合，综合多种模型，最终采用的拟合公式为
（10）
其拟合优度大于0.99。
水分含量mc与间的拟合关系具体如图14所示，可见首尾段趋向于定值，中段变化较大，更加符合实际情况。由2.4节可知激励电压会影响评估结果，在受激励电压影响最大的情况下，即4.5%水分含量的油纸绝缘中，试验所得200 V和1 600 V激励下的分别为154.64和87.79，根据式（10）计算出水分含量的评估值分别为4.46%和4.58%，即对于相差700%的激励电压，水分含量的评估结果仅会产生0.12%的差别，当油纸绝缘的水分含量更低时，评估结果的差距会更小。因此，对于该方法而言，可以认为激励电压不会过于影响水分含量的评估结果，通过该方法可以实现油纸绝缘水分含量的快速评估。在现场测试时，只需分别施加一段50 Hz和0.01 Hz的正弦激励，花费约100 s的时间，即可简便、快速地推断出油纸绝缘的受潮程度。值得一提的是，当现场工频干扰严重时，以工频以外其他频率处的I*值作为特征参量，如
，其仍会与水分含量间存在一定的相关关系，同时也可以有效避免工频信号的干扰。
图14 水分含量mc与
间的拟合关系
Fig.14 Fitting relationship between moisture content and
3.2.1 绝缘纸板的水分含量评估
以厚度为1 mm、有效直径为113 mm的绝缘纸板为试验对象，验证3.1节所提水分含量评估方法应用于绝缘纸板时的有效性。将绝缘纸板按照1.1节中的流程干燥，再取出干燥后的绝缘纸板，在室温下自然吸潮12、24、36、48 h，以制备不同受潮程度的油浸绝缘纸板样品，测得四个样品的f-I*曲线如图15所示。测试完成后，分别取绝缘纸板边缘和中心两处，通过卡尔费休滴定法测试其水分含量，取两者平均值作为样品水分含量的实测值，同时根据测得的，计算出水分含量评估值见表5，可以看出评估值与实测值差异较小。
图15 不同吸潮时间油纸绝缘的f-I*曲线
Fig.15 f-I* curves of the oil-paper insulation samples under different moisture absorption times
表5 不同吸潮时间样品的评估和实测水分含量
Tab.5 Evaluated and measured moisture content of the samples under different moisture absorption times
吸潮时间/h水分含量(%) 评估值实测值绝对误差 124 523.611.211.17+0.04 243 654.091.901.97-0.07 362 705.452.512.54-0.03 481 742.393.103.19-0.09
3.2.2 油浸式设备的水分含量评估
按照上述方法对表6所示的两根套管和两台试验变压器进行了f-I*曲线测试和水分含量评估。试验在装有空调的电磁屏蔽室内进行，室内温度始终保持在20℃±1℃，待设备内部温度充分平衡后开展试验。测试接线如图16所示，电压输出对应图1中的高压电极端，电流输入对应图1中的测量电极端。测试套管时，将底部插于绝缘油罐中，模拟实际变压器套管运行环境，对顶部导电杆施加激励电压，在套管末屏引线处测量响应电流信号，法兰盘保持接地。测试试验变压器时，首先将变压器本体与其他器件断开连接，再分别将高低压绕组短接、外壳接地，激励电压施加在高压绕组，低压绕组作为响应电流测量端，测试高低压绕组间的绝缘状态。
表6 油纸绝缘设备型号及具体情况
Tab.6 Model and specific conditions of the oil-immersed equipment
设备型号生产年份备注 油浸纸套管BR3140-12022年正常装配，未经过任何吸潮过程 BR3140-22022年其电容芯体在干燥、浸油后再在室温下静置192 h后装配 试验变压器YDW-50/502005年实验室内运行，投运后未经过防潮处理 YDTW-50/1002005年实验室内运行，投运后未经过防潮处理
图16 实际油纸绝缘设备测试接线图
Fig.16 Test wiring diagram of actual oil-paper insulation equipment
测试结果如图17和表7所示。BR3140-1为崭新的油浸纸套管，生产日期不足一年，水分含量最低，绝缘状态最好；BR3140-2的电容芯体虽然经过了192 h的自然吸潮，但水分含量只是略微上升，推测是因为套管的电容芯体是由上百层的油浸纸紧密缠绕卷制而成，并且中间还有多层铝箔极板隔绝了水分侵入，因此并未吸入过多的水分。试验变压器YDW-50/50和YDTW-50/100在实验室内已使用了17年，虽然是在室内运行，但从未进行过任何防潮处理，其主绝缘受到了严重的潮气侵蚀，受潮情况非常严重。
图17 实际油纸绝缘设备的f-I*曲线
Fig.17 f-I* curves of the actual oil-immersed equipment
表7 实际油纸绝缘设备的
值和评估水分含量
Tab.7 and evaluated moisture content of the actual oil-immersed equipment
型号评估水分含量(%) 本文方法IDAX-300 BR3140-14 862.310.790.6 BR3140-24 521.731.211.0 YDW-50/501 029.323.593.9 YDTW-50/10072.084.625.2
同时使用商用绝缘诊断分析仪IDAX-300对各设备受潮情况进行诊断，结果如图18所示，同时列于表7中。虽然水分含量的最终评估结果与本文所提方法存在一定的差异，但整体规律相符。总体而言，应用特征参量评估得到的油纸绝缘设备水分含量较为合理，且测试高效。
图18 实际油纸绝缘设备的tanδ-f曲线
Fig.18 tanδ-f curves of the actual oil-immersed equipment
本文重点研究了油纸绝缘在受潮后其响应电流幅值随频率的变化特性，主要得出以下结论：
1）测试了0.01～50 Hz正弦激励电压下受潮油纸绝缘响应电流幅值随频率的变化特性，对电流幅值按照其最小值进行归一化处理可得到f-I*曲线。 f-I*曲线与油纸绝缘的受潮状态密切相关，油纸绝缘干燥时其f-I*曲线为一条直线，而受潮后其f-I*曲线低频段的变化规律会发生显著改变，曲线整体转变为一条下凹的曲线。
2）f-I*曲线的测试结果基本不受绝缘结构和绝缘纸聚合度的影响，相较于受绝缘结构影响较大的FDS测试方法更具优势。由于受潮油纸绝缘的低频响应电流存在非线性特性，在受潮较为严重时激励电压幅值会影响f-I*曲线，但远小于水分含量变化所带来的影响。
3）提出将f-I*曲线中50 Hz处的I*值作为评估油纸绝缘受潮的特征参量，其测试时间仅需约100 s。建立了与油纸绝缘水分含量间的定量关系，并对实际油纸绝缘套管和变压器进行了测试，验证了该方法评估油纸绝缘设备水分含量的有效性。
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Abstract Moisture in the oil-paper insulation is an important cause of performance degradation in power transformers, and accurate assessment of the moisture state of the insulation inside the equipments is important to ensure its safe operation. At present, the method of projecting the moisture content of insulating paper according to the moisture content in oil has led to great errors in field application due to the complicated influencing factors. In recent years, the insulation condition diagnosis technology based on dielectric response test method has received wide attention,and some characteristic parameters and evaluation methods have been proposed, but the accuracy of the evaluation results is greatly influenced by the differences in transformer insulation structures and cannot yet meet the needs of practical engineering applications.Based on the previous research results, this paper further explores the influence of moisture on the response current characteristics of oil-paper insulation, and aims to propose an efficient evaluation and diagnosis method of insulation moisture state that is less affected by the difference of insulation structure and easy to implement in the field.
First, oil-paper insulation samples with different moisture contents and different polymerization degrees were prepared. In order to measure the response current signals of the oil-paper insulation under voltage excitation of different frequencies and amplitudes, a response current test system for oil-paper insulation was built. The response currents of the samples were tested in the frequency range of 0.01 Hz to 50 Hz. The response current amplitude at 0.01 Hz was used as the reference value, and the response current amplitude at different frequencies was normalized to obtain the f-I* curve. The f-I* curve of oil–paper insulation will change from a straight line when dry to a concave curve as the moisture content in the paper increases, while the f-I* curves of oil–paper insulation with different polymerization degrees basically overlap. When the moisture content is low, the f-I* curve basically does not change with the voltage amplitude, but when the moisture content is large the voltage increase will cause the right side of the f-I* curve to shift down slightly. Oil-paper composite insulation systems with different structures were made using circular cardboard and ring cardboard, and the test results showed that the FDS method is significantly affected by the insulation structure, while the difference in insulation structure has minimal effect on the f-I* curve when the moisture content in the insulation paper is the same. Finally, 
(i.e., the I* value at 50 Hz) was proposed as a characteristic parameter to quantify the moisture content of the transformer oil–paper insulation, and a fitting equation between it and the moisture content of oil-paper insulation was established. For oil-impregnated insulated cardboard with different times of natural moisture absorption, the absolute error between the evaluation results and the actual measurement results of the Karl Fischer instrument was less than 0.09%. For actual oil-paper insulated bushings and transformers, the evaluation results were reasonable and consistent with the overall pattern of the results obtained by commercial insulation diagnostic analyzers.
The following conclusions can be drawn from the experimental results: (1) The f-I* curve is closely related to the damp state of the oil-paper insulation. When the oil–paper insulation is dry, its f-I* curve is a straight line. However, the rise law of the f-I* curve in the low-frequency band will significantly change after the insulation is damp, and the whole curve will turn into a concave curve. (2) The test results of the f-I* curves are basically not affected by the insulation structure and insulation aging. This mechanism has more advantages compared with the FDS test method, which is greatly affected by the insulation structure. (3) This study proposed to take , wherein the I* value at 50 Hz in the f-I* curve is used as the characteristic parameter to evaluate the dampness of the oil-paper insulation, and the test time is only approximately 100 s. The effectiveness of this method to evaluate the moisture content of oil-immersed equipment is verified by testing the actual oil-paper insulation bushings and transformers.
keywords：Oil-paper insulation, frequency, response current, moisture content
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230513
中图分类号：TM855
国家电网公司总部科技项目资助（5200-202155590A-0-5-GC）。
收稿日期 2023-04-22
改稿日期 2023-05-23
夏 源 男，1997年生，硕士研究生，研究方向电气设备在线检测与绝缘故障诊断。E-mail：xiayuan@cqu.edu.cn
杨丽君 女，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为高压设备绝缘状态和故障诊断的在线监测，以及电力变压器和电缆的老化机理和诊断等。E-mail：yljcqu@cqu.edu.cn （通信作者）
（编辑 李 冰）