基于介电响应技术的变压器油纸绝缘含水率数值评估方法
哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室 、哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培育基地、黑龙江电力科学研究院的研究人员张明泽、刘骥等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，变压器绝缘纸板中的含水率是评估变压器内部绝缘老化的重要指标。
为了运用介电响应技术测量变压器绝缘纸板含水率，首先对变压器XY等效模型及复合介质介电常数算法进行理论推导，得到绝缘纸板中含水率与XY等效模型介质损耗因数之间的关系，同时结合实验测试数据与频温叠加的基本思想，得出关于纯新油浸纸板复介电常数实部、虚部的具体表达式，将其代入绝缘纸板含水率与损耗因数的关系式中，得到迭代拟合算法。
为进一步验证上述含水率拟合算法有效性，现阶段本文在实验室条件下制备了三种不同比例的XY等效模型，在不同温度条件下进行模型损耗因数测试，应用IDAX300绝缘纸板含水率测试软件与本文迭代算法对测试结果分别进行拟合计算，发现试验中本文迭代拟合算法计算含水率平均误差为4.83%。
变压器是电网运行中的重要设备之一，其出现严重事故不仅会导致自身损坏，还会中断电力供应，故变压器的安全稳定运行是供电安全可靠的重要保障[1,2]。变压器处于工作状态时，外部潮气的进入会使内部含水率大大升高，加速内绝缘老化，绝缘纸板聚合度进一步下降，绝缘性能削弱。所以可以将绝缘纸板含水率看作评估绝缘老化状态的重要指标之一，研究含水率问题对变压器安全运行具有重要意义[3-6]。
传统的含水率检测法仍然为吊芯取样检测，应用Karl Fischer滴定法测含水率，此方法固然具有较好的准确性，但操作复杂，用于现场检测的可能性很小。现阶段，为获取表征油纸绝缘老化状态特征量，以介电响应技术为代表的无损诊断方法被广泛应用在变压器油纸绝缘老化状态评估的研究上，该方法可以提供准确、有价值的参考，且无需吊芯的特点无疑为现场测试提供了更好的途径[7-10]。
微电流测量技术及电子技术的不断进步，使得介质响应技术在国内外油纸绝缘研究日益广泛，但大多研究拘束于实验室条件下[11-13]探究含水量、温度、绝缘结构等因素对油纸绝缘介质响应特性的影响，而关于实际变压器中油纸绝缘含水率与频域介电谱曲线关系的定量分析[14-16]较少。
近年来关于绝缘纸板微水含量的研究中，张冠军教授指出温度对于绝缘纸板含水率及老化状态影响较大，如不考虑温度因素，则不能保证介电响应评估法的准确性，导致结果失真[17,18]；杨丽君教授基于“频温叠加”（分子运动是一个松弛过程，可以在较高温度下，较短时间内观察到，也可以在较低且较长温度下观察到，因此升高温度与延长时间是等效的，可将不同温度下的应力松弛数据、介电测试数据，沿时间轴平移至一条曲线）的思想提出：伴随温度上升，油纸绝缘系统的频域谱在外形上几乎无变化，但其幅值会有所增大，且有倾向于高频率方向移动的趋势[19,20]；
国内外众多研究学者常利用另一个参量——介质损耗因数tan的最小值（tanmin），对绝缘纸含水率进行评估，该值通常存在于高频部分，尤其是含水量较高时[21]，但实验过程中由于人为因素和环境因素的不同，使得tanmin与绝缘纸板含水率的关系并未确定和统一[22]；
M. Koch等开发的介电响应分析仪（DIRANA）主要将现场实测数据与基于XY模型建立的数据库进行比对，从而实现对变压器主绝缘含水率的定量评估[23]；Megger公司开发的IDAX系列绝缘诊断分析仪可以根据自身软件算法拟合变压器中绝缘纸板含水率，但其评估方法及原理处于技术保密；在国内对于油纸绝缘中含水量的计算方法也适用于实验室，并无工程应用。
本文以与变压器等效的XY模型为基础，测试得到不同温度下的多组XY模型的介电谱，并应用频率平移变换的方法得到归一化的基础测试数据曲线，同时结合油纸复合介质介电常数分布规律及XY模型的介电响应频率特性，经循环迭代计算，可得到任意温度下与实测损耗曲线拟合误差最小的计算曲线及相应油纸绝缘系统中绝缘纸板含水率。
本文实现了基于实际变压器XY模型系统中绝缘纸板含水率的定量诊断技术，同时不需要大量实验或仿真分析并建立不同温度、绝缘纸板含水率的XY模型数据库，这对实现变压器含水率无损检测设备研发具有指导价值。
图1 变压器XY模型等效示意图
图3 试验设备连接
本文根据理论分析与计算并结合试验的方式，得到主要结论如下：
1）本文基于变压器XY等效模型与复合介质介电模型，提出了一种变压器绝缘老化或吸潮后油浸纸板含水率的数值迭代计算方法。该方法可得到任意温度下，油纸绝缘系统中油浸纸板的含水率，实现了基于频域介电响应曲线的变压器油纸绝缘含水量定量计算。
2）在不同测试温度下，根据三组不同比例XY模型含水率测试结果发现，采用本文含水率数值迭代计算方法分析所得到的绝缘纸板含水率，与应用IDAX300绝缘诊断分析仪测得含水率之间的平均误差为4.83%，验证了本文算法的正确性。
为进一步验证本文提出的油浸纸板含水量评估算法的准确性，试验后期将制备更多比例的XY等效模型，更接近于实际变压器比例，分别进行不同吸潮时间及不同老化时间，室温条件下测试并计算其绝缘纸板中含水量，同时应用传统的化学滴定法更为严格的分析其绝缘纸板的含水量，实现准确的对比分析；
对于算法改进而言，试验后期将对XY模型其频谱曲线的频温平移的计算方式上进行分析，使得计算结果更加准确，符合实际变压器；
对于变压器结构模型的研究而言，本文仅考虑变压器主绝缘的简化XY模型研究，后续的研究工作中应进一步考虑铁心外隔板，高压绕组外隔板等对本文研究的高低压绕组内隔板撑条等主绝缘的影响。