信号采集和分析技术中的现代技术为变压器诊断提供了新工具。特别值得关注的是介电响应测量，可以在其中研究油/纸系统的绝缘性能。介电频率响应或DFR（也称为频域光谱法或FDS）于20多年前被引入，并已在许多研究项目和现场测试中得到评估，通常效果良好。DFR数据与油/纸绝缘材料的数学模型相结合，已被证明是水分评估的绝佳工具。由于建模理论包含温度的影响，因此DFR和建模也可以用于计算绝缘系统的温度依赖性。本文，由已故的Matz Ohlen和瑞典Megger的Peter Werelius共同提供，提供了DFR和绝缘模型的背景知识。它还说明了如何利用它们来增进对绝缘性能的理解，以及如何将其用于套管和仪表变压器的绝缘评估。
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绝缘条件对于确保变压器，发电机，电缆和其他高压设备的运行可靠性至关重要。水分含量高的变压器无法承受高负荷而不会增加风险。此外，高温下具有高耗散因数的套管和电缆会由于“热失控”而爆炸。另一方面，在老化的设备中识别“良好”的设备也很重要。将变压器或套管的预期寿命再加上几年，可以节省大量成本。
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50/60 Hz耗散因数测量
常见的绝缘诊断测试是在50/60 Hz时测量电容和损耗因子（DF）。这是在需要研究绝缘性能时执行的标准测试。DF测试通常在“任何”温度下使用大约30 V至大约10 kV的测试电压进行现场测试，并在工厂测量时达到标称电压。也有可变电压测试（升压/升压测试），以及在整个温度下测量损耗角正切的测试。分析基于标准，历史数据以及与工厂价值的比较。由于绝缘性能取决于温度，因此温度校正通常用于不在20°C下执行的测量。通常使用某些设备类别的温度校正表值来实现此目的。在IEEE C57.152中，
表1：典型的tanδ评估值[对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2017 11 24 at 15
表1：典型的tanδ评估值。
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图1：典型的耗散因数温度校正。
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典型的温度校正值如图1所示。
显然，给定值仅是近似准则。例如，IEEE C57.152指出：“ 虽然老式变压器的功率因数也将<0.5％（20°C），但0.5％至1.0％（20°C）之间的功率因数是可以接受的；此外，在IEEE C57.12.90-2006中进行了说明；但是，应研究功率因数> 1.0％（20°C）。“经验表明，功率因数随温度的变化很大且不稳定，因此，没有一条校正曲线能适合所有情况。”
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介电频率响应测量
1995年推出了第一台用于变压器，套管和电缆的DFR / FDS测量的现场仪器。从那时起，就对该技术进行了全面评估。实际上，一些国际项目/报告将介电响应测量与绝缘模型一起定义为测量电力变压器中纤维素绝缘的水分含量的首选方法。在DFR测试中，将测量电容和耗散/功率因数。测量原理和设置类似于传统的50/60 Hz DF测试，但不同之处在于，通常使用较低的测量电压（140至1400 V），并且绝缘性能不是在50/60 Hz的线路频率下进行测量在一个通常为1 mHz至1 kHz的频率范围内测量。结果表示为电容和/或损耗角正切/功率因数与频率的关系。测量设置如图2所示。
图2：DFR测量设置。 [对象对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2016 02 25 at 10
图2：DFR测量设置。
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图3：在不同温度下，水分含量为0.3％至3.4％的4个变压器的DFR测量。
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图3给出了在不同湿度条件下对变压器进行测量得到的典型DFR结果。
水分评估
DFR能够测量损耗因数随频率变化的能力，为用户提供了用于诊断测试的强大工具。水分评估是一个很好的例子。变压器中的高水分含量是一个严重的问题，因为它们限制了最大负载能力，并且加速了老化过程。要确定采取的纠正措施，更换/报废或将其重新放置到网络中具有降低负荷的其他位置的措施，必须准确了解变压器中的实际水分含量。在几篇论文和文章中详细介绍了使用DFR确定油浸式电力变压器内部油纸绝缘层中水分含量的方法，因此在此仅作简要概述。
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图：4：影响各种频率下的损耗因子的参数。
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相对于频率绘制的油/纸绝缘体的耗散因数显示出典型的倒S形曲线。随着温度的升高，曲线向更高的频率移动。水分主要影响低频和高频区域。曲线的中间部分具有陡峭的梯度，反映了油的电导率。图4描述了这些参数对参考曲线的影响。
使用DFR水分确定是基于变压器的一个模拟电介质响应（参考曲线）介电响应的比较。匹配算法重新安排了建模的介电响应，并提供了一条反映所测变压器的新响应曲线。测试结果显示了水分含量以及参考曲线的油电导率。仅需要输入绝缘温度（顶油温度和/或绕组温度）作为固定参数。
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图5：DFR水分分析。
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图6. 3种不同油质和水分含量的变压器的DFR分析。
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图6中显示了三种不同的变压器。这些单元具有相同的0.5％，50 Hz DF值，通常以“警告/警报”极限状态为特征，要求进行“调查”。这种调查是作为DFR分析进行的。
这三台变压器有很大的不同，它们的维护措施也将有所不同。变压器1的油很好，但需要干燥。变压器3的水分少，但需要换油或再生。变压器2处于正常使用状态。
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个别温度校正（ITC）
DFR测量和分析以及绝缘系统的建模也包括温度依赖性。一种获得专利的新方法是执行DFR测量，并将结果转换为50 Hz下随温度变化的耗散因数。该技术在简化套管测量方面具有主要优势。代替耗时的套管加热/冷却并在各种温度下进行多次测量，可以执行一次DFR测量，并将结果转换为50 Hz tanδ值作为温度的函数。该方法基于以下事实：在特定频率和温度下的特定损耗因子测量值对应于在不同温度和不同频率下进行的测量值。转换计算基于阿伦尼乌斯定律/方程，
κ=κ 0 ·EXP（ - w ^ 一个 / K Ť）
活化能为W a，玻尔兹曼常数为k。图7中描述了单材料绝缘和三种不同活化能的这种关系。
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图7：在不同温度下获得的不同频率下的功率因数值之间的关系。
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温度校正表（例如，IEEE C57.12.90中的表）给出的平均值是假设“平均”条件的，对于单个变压器或套管而言，它们是不正确的。这在现场实验中得到了证实，一些公用事业公司建议通过在狭窄的温度范围内进行测量来避免应用温度校正。示例在图1和2中示出。参见图8和9。耗散因数是在10 kV下对4台变压器和3个不同年龄，条件和温度的套管进行测量的。变压器和套管的温度依赖性非常不同，使用标准温度校正表将无法给出20°C参考值的正确值。
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图8：tanδ值作为用于4个不同的变压器温度的函数（℃）。
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图9：3种不同套管的Tan delta值与温度（ºC）的关系。 [对象对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2017 11 24 at 15
图9：3种不同套管的Tan delta值与温度（ºC）的关系。
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使用DFR和用于将数据转换为温度相关性的技术，可以进行准确的个性化温度校正（正在申请专利）。对于“良好”的组件，温度依赖性很弱。当组件变老和/或变质时，温度校正系数变得更大，即温度依赖性是老化状态的函数。这一观察结果符合几个项目和研究。
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图10：干牛皮纸的耗散因数与频率的关系。
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图11：干牛皮纸在50Hz时的tanδ与温度的关系。
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使用该技术的一个例子在图1和2中示出。参见图10和11。在不同温度下测量了具有不同水分含量的牛皮纸样品。干纸的介电响应（含水量<0.5％）如图10所示。
使用DFR技术仅基于一个温度下的测量值来估计温度依赖性，结果如图11所示。可以看出，计算出的温度依赖性与不同温度下实际测得的耗散因数紧密匹配。
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套管诊断
50/60 Hz DF测量是对套管执行的最常见的绝缘诊断测试。C1（UST）是一项常见测试，评估C1耗散因数的典型准则如下：
•在铭牌正切角和最多两次铭牌正切角之间–套管可以接受
•在两次铭牌正切增量之间和最多3次铭牌正切增量之间–密切监视套管
•3倍以上的铭牌棕褐色–更换衬套
查看表1和上述指南，可以确定油浸纸（OIP）衬套的典型基准值，如表2所示。
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表2：典型OIP套管的Tan增量值
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在高温下（尤其是在高温下）测量套管可提供有关绝缘状况的更多信息，并指示老化/高水分含量（见图12）。在较高温度下，耗散因数增加是衬套问题的良好指示。较高温度下的高耗散因数会导致套管发热增加，进而增加损耗，导致额外的热量，进而进一步增加损耗，直到套管最终爆炸。
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图12.不同水分含量的OIP套管的耗散因数（％）与温度的关系。
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GE U型–加速老化测试
GE U型衬套的性能记录较差，并为公用事业提供了重大资产更换问题。在加拿大前安大略水电公司（现为HydroOne）和美国太平洋燃气公司发起的一项研究项目中，对6 x 155 kV U型套管进行了加速老化程序，其中涉及对套管进行各种诊断测试。套管同时经受热和电老化。
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图13：6个GE U型套管在20°C时的耗散系数（％）。
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在老化程序中，对套管施加了66 kV（标称线对地电压）。热老化是通过循环通过套管的工频电流实现的，始于1200 A，然后逐渐增加至2000A。在老化程序中，两个套管（＃3＆＃4）在电流升高（1900 A）时发生故障。根据tanδ（功率因数）测量结果选择套管进行测试。两个单位的价值较低，两个单位的价值较高，两个单位的价值为“中间”（见图13）。铭牌DF假定为0.25％。在老化过程中，进行了定期和连续的诊断测试，即Tan增量，电容，DFR，PD，DGA等。传统测试方法的结果在其他地方已有报道，本文仅关注DFR测量结果。
DFR测量
在程序开始时执行DFR测量。在各种电压下（耐压测试）和温度下对套管进行了测试（请参见表3）。绝缘温度是根据在环境温度下使用DFR数据确定温度依赖性（ITC）得出的。
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表3：GE U型衬套的DFR测量。
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图14：在0.13 kV和环境温度下测得的Tanδ与频率的关系。 点击放大[object object]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2017 11 24 at 15
图14：在0.13 kV和环境温度下测得的Tanδ与频率的关系。
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低压DFR结果如图14所示。与60 Hz的值相比，低频情况下套管之间的耗散因数差异更大。
温度依赖性
使用所描述的技术，DFR数据可用于估计温度依赖性。结果在图15中显示为6个套管的正切增量温度依赖性。套管＃5和＃6的温度相关性对应于表明这些套管处于良好状态的工厂数据。其他套管具有更高的温度依赖性。分类为M /“中级”的＃2套管与在加速老化测试中失败的“坏”套管（＃3和＃4）具有相同的温度依赖性。
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图15：6个套管的Tanδ温度依赖性（相对tanδ）（x轴上的温度）。
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图3和图4给出了两个套管在3个温度下的DFR测量结果。16和17。
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图16：在不同温度下对＃1套管的DFR测量。
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图17.不同温度下5号套管上的DFR测量。
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加速测量
在图1和图2中示出了两个补给结果。18和19。
图18：＃3衬套（'坏'）的DFR倾斜测量。 [对象对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2016 02 25 at 11
图18：＃3衬套（'坏'）的DFR倾斜测量。
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图19：在5号衬套（“良好”）上进行DFR倾斜测量。 [对象对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2016 02 25 at 11
图19：在5号衬套（“良好”）上进行DFR倾斜测量。
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60 Hz tanδ值几乎与测试电压无关，并且对老化效果不敏感。在较低的频率下，对于“良好”的衬套，有一个“向下倾角”效应，该效应非常小。
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电流互感器诊断
在进行中的项目中，仪表变压器也获得了类似的经验。在一个实验中，例如，在25°C至50°C的温度范围内测量了6个相同类型但在各种条件下的电流互感器。表4总结了CT单位：
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表4：电流互感器测量
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图20：不同温度下CT＃1的DFR结果。 数值调整为25°C，活化能为0.9 eV。 [对象对象]使用介电频率响应评估衬套＆＃038; 仪器变压器绝缘截屏2016 02 25 at 11
图20：不同温度下CT＃1的DFR结果。数值调整为25°C，活化能为0.9 eV。
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第一项分析是要确认绝缘材料的性能是否符合预期，并确定该材料的活化能。结果表明，活化能为0.9，对于6个单位非常相似（示例如图20所示）。
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基于这些积极的结果，可以探讨为单位的温度依赖性。示例显示在表5和6中。CT7是“好”单元，在这种情况下，表校正使其更“好”。CT 3是一个“不良”设备，工作台校正甚至使其“更糟”。ITC估计所有实际温度的正确20°C值。
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表5：7 CT，温度校正的数据
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表6：CT 3，温度校正数据。
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图21：26个电流互感器的1 Hz和50 Hz tan增量值。
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如一些出版物中所述，在低温下，较大的温度依赖性通常与高耗散因数对齐。在本次调查的CT中也可以看到这一点。在图21中，绘制了4个系列的电流互感器测量的1 Hz和50 Hz值-总共26个单位。
不出所料，具有50 Hz tanδ高值（> 1％）的CT也具有1 Hz的高值。但是，当查看1 Hz值时，tanδ在“可接受”范围为0.2-0.4％的单位可能会显着不同。这证实了低频数据和/或损耗角正切温度依赖性是比传统50 Hz值更好的诊断参数-特别是在寻找绝缘劣化的早期迹象时。
讨论区
在将相之间的测量结果与先前的测试或出厂值进行比较时，需要考虑绝缘材料耗散因数的温度依赖性。历史上，这是使用平均温度校正表完成的。结果令人失望，资产所有者因此宁愿在特定（狭窄）温度范围内执行诊断测量。使用频率数据并估计实际组件的温度依赖性的新方法为等待“正确”温度，然后进行测试提供了一种替代方法。它可以提供正确的20°C参考值，并且还可以与其他绝缘温度下先前测量的未校正数据进行正确比较。温度依赖性也可以用作套管和仪表变压器的分析方法。将测得的温度依赖性与制造商的数据进行温度校正进行比较，将可以得知设备的状态是否良好。在绝缘诊断中，低频下的高损耗角正切值和较大的损耗角正切温度依赖性（高温下的耗散因数增加）是绝缘劣化的良好指标。
总结与结论
介电频率响应（DFR / FDS）测量是一种用于常规绝缘测试和诊断的技术。与50/60 Hz损耗因子测量相比，DFR测量具有以下优点：
•能够对各种温度下测得的50/60 Hz耗散因数进行单独的温度校正，达到参考温度20°C的值。
•能够估算对象的温度依赖性，并基于在特定温度下测得的耗散因数，计算在不同温度下的耗散因数。
•能够估算电源，仪表变压器和套管中油浸纤维素绝缘层的水分含量。
•能够普遍调查功率组件中损耗因数增加的原因。
绝缘特性对于确定电力系统组件的状况非常重要。了解情况有助于避免潜在的灾难性故障，并确定“良好”的设备并决定正确的维护，这可因推迟的投资成本而节省大量资金。