油浸式电力变压器在电网运行过程中占据着重要的地位，是十分重要的设备。油浸式电力变压器在运行时受内部化学反应及周围环境等因素的影响，其内部油纸绝缘会不断劣化，导致变压器发生故障。更有甚者，不仅会导致变压器的损坏，还会对电力供应产生影响，所以变压器的安全稳定运行是电网供电安全可靠的重要保障。

对于油浸式电力变压器来说，其内部绝缘主要由绝缘纸板和变压器油构成，因此变压器油是其重要的液体绝缘介质。国内外多年的研究表明变压器油虽然有灭弧、绝缘、冷却等作用，但却是变压器内部绝缘性能最薄弱的环节，因此变压器油的绝缘性能直接决定了变压器能否处于正常安全的运行状态。国内外的研究表明，水分与温度会对变压器油

的绝缘性能产生很大的影响。变压器油中水分含量的增大会改变变压器内部的电场分布，能够使变压器中油纸绝缘的电气强度快速下降，加快变压器油的老化，缩短变压器油的绝缘寿命。因此，水分是除了温度外对变压器油的电气性能影响最大的因素。

到目前为止，关于变压器油中水分的相关研究在国内外已有不少案例。祝景中分析了油中水分的来源及其在油中的存在状态，对油中的微水性质有了初步了解。ZhouLJ等根据菲克第二定律提出了水分扩散的暂态模型，研究了水分在油纸之间的平衡关系。Garcia 等提出了在线监测获取变压器油中含水量的理论，并用实验验证了该理论的可行性。廖瑞金等 分析了不同种类变压器油和油浸纸绝缘系统中水分对其介电性能的影响规律，以及在热老化过程中水分转移规律和水分含量变化趋势，提出基于整个老化过程中变压器油中水分含量等变量的油纸绝缘老化诊断方法。

近些年来随着科技的不断进步，无损检测技术更多地被用于在线监测及科学研究中，频域介电谱法( FDS) 就是其中代表性的测量方法之一。它描述介电常数和正弦交变电场频率的介电损耗因数的变率化，具有抗干扰能力强的特点。Ekanayake 等先提出了将频域介电谱法用于测量估算变压器油中的微水含量，并发现试验结果对测试温度十分敏感。

因此，在前人研究的基础上搭建了频域介电谱测试平台以及载流子迁移率测试平台，测量变压器油的频域介电谱、载流子迁移率和直流电导率。着重研究不同含水量下变压器油的频域介电谱、直流电导率以及载流子迁移率的变化规律，为变压器油的含水量诊断提供依据。

1、测量方法

1.1 频域介电谱方法

将交流电压施加在电介质的两端，其内部的载流子和偶极子等受到电场的作用而产生极化。当电介质内部存在松弛极化时，电感应强度D和电场强度E存在相位差δ。用复函数表示: 当外加电场E=Emejωt时，电感应强度为D=Dmej(ωt-δ) ，根据介电常数的定义，复介电常数可以表示为式中:ε* 为复介电常数；ε为复介电常数的实部，与电介质的相对介电常数有相同的意义，反映了介质束缚电荷的能力；ε"为复介电常数的虚部，表示介质中存在松弛极化时产生的能量损耗的大小。两者的比值即为介质的介电损耗因数，频域介电谱法就是通过改变外部施加电压的频率检测试样的复电容、复介电常数以及介质介电损耗因数 tanδ等参数随频率变化的规律，它是一种无损的测量诊断方法，具有优良的抗干扰性能。

1.2 载流子迁移率方法

电介质在电场作用下能产生电流是由于电介质中存在能自由迁移的带电质点( 载流子) 。在电场的作用下载流子沿电场方向获得一宏观平均速度v，其中正电荷沿电场方向，负电荷沿电场反方向。

在线性电介质中，宏观平均速度v与电场强度E存在正比关系，一般可写为:v=μE，式中:μ为电介质中载流子的漂移迁移率( 简称载流子迁移率) ，其表示着电介质中载流子在单位电场下的平均漂移速度，单位是m2/(V·s) 或 cm2/ (V·s)。变压器油的载流子迁移率一般都通过测量直流，极性反转电压下的瞬态电流来进行计算获得其直流极性反转电压下的瞬态电流变化示意图如图1所示。

测量开始时将一阶跃电压施加在试样两端，其幅值为Uc，该阶跃电压将逐渐把变压器油中处于无规则热运动的载流子聚集到电极表面附近，经过一定的加压时间后(即t=tc) 迅速反转电压的极性。

由于电压极性反转的时间远远小于载流子迁移到电极一端的时间，聚集在电极表面的载流子开始向另一侧迁移，所以载流子迁移率能通过迁移时间(time of flight，简称TOF，可用tTOF 替代)来表示，因此tTOF可从极性反转后流过测试电极的暂态电流峰值ITOF对应的时间读出。所以，油离子迁移率μ可以表示。

式中: d 为高低压电极之间的间隙距离，mm; tTOF为迁移时间，s; Uc 为施加于油隙上的阶跃电压值，V。

图1 中 tTOF 代表正离子的迁移时间，可经计算得到正离子的迁移率μ，其单位为m2/(V·s) 。

2 试样制备与测试平台

2.1 不同含水量及老化程度变压器油的制备实验的研究对象为新疆克拉玛依生产的45#变压器油。参照国标GB /T 7595—2008《运行中变压器油质量》对变压器油使用真空滤油机进行脱气、脱水、过滤杂质的处理，处理后的变压器油含水小于10 mg /L。

试样制备过程如下: 准备4组含水量相同的变压器油，将其中3组进行老化处理，即放入真空老化箱中在130的温度下老化，等到其老化7、15、20d时，分别取出1组试样。然后在4组试样中分别取适量的变压器油并注入一定水分，搅拌均匀后置入烘箱中加热至60使水分充分溶解于变压器油中，然后冷却至室温并进行抽真空处理，使油样中不存在空气。所有实验油样均用库伦微水仪对其含水量进行标定。配制好的油样倒入密封容器内储存。考虑到空气中水分对油样的影响，在对油样进行试验前，再次测量含水率，并以此为最终含水量。

2.2 测试平台

2.2.1 频域介电谱测试平台

变压器油的频域介电谱测试系统如图 2 所示，该系统是由液体电极、真空干燥箱、IDAX－300以及采集数据的上位机组成。

IDAX－300的基本原理是把绝缘系统置于较宽的频率范围，测量其在不同频率下和温度下的介质响应，可以获得较为全面的介电性能与绝缘状态评估。该装置可以直接测得材料的介质损耗角正切值，经过输入测试电极尺寸后，可以通过测得的电容量计算出材料的相对介电常数。其损耗测量范围0～100频率范围为10-4～104Hz且具有较强的抗干扰能力。

试验时将试验试样(约40mL变压器油)倒入液体电极中，随后放入真空干燥箱。真空干燥箱起保持干燥的测试环境和屏蔽干扰信号的作用。用IDAX-300进行测量，并用上位机采集与保存测试数据。频域介电谱测试试验的测试频段是 10 － 3 ～104 Hz， 测试电压是140V。

2.2.2 载流子迁移率测试平台

变压器油载流子迁移率测试系统如图3所示，变压器油迁移率测试系统由液体电极、开关系统、接线屏蔽盒、试样屏蔽盒、静电计6517B以及采集数据的上位机组成，其中开关系统是由时间继电器以及为其供电的直流电源组成。开关系统起控制线路开断的作用，可以设置施加直流电压的时间。

静电计 6517B 比其他同类型的仪表具有更高的精度和灵敏度指标。它最大电阻测量值可达1016Ω，测量电流的范围为1fA～20mA，内置±1kV电源，独特的高电阻测量电压反接方法等优点。由于静电计6517B配备内置电源且测试所需电压较低，可使用静电计的内置电源控制直流电压的极性反转。因此测试开始以及极性反转时的直流电压均可视为阶跃电压。

测试变压器油的载流子迁移率时，先将试验油样(约40mL变压器油)倒入液体电极中，然后放入试样屏蔽盒。设置施加直流电压的幅值与时间，本文中施加的直流电压幅值为80V，测量时间为2h(电压反转时间设为1h)，为了提高数据的准确度采样时间间隔设为0.1s。随后打开开关系统，使用静电计6517B检测电流，最后用上位机收集与保存实验数据。

3 试验结果与分析

3.1 含水量对变压器油介电损耗因数的影响

图4为25时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的介电损耗因数示意图。如图4所示，在双对数坐标系下，变压器油的介电损耗因数tanδ与频率f总体上呈线性关系；随着变压器油中含水量的不断增大，其介电损耗因数曲线向右上平移；介电损耗因数在高频处(1000Hz左右)会出现一个拐点，随着变压器油中水分含量的增加，其拐点会逐渐消失。

出现上述现象的原因是: 电介质在交变电场作用下的能量损耗由电导损耗及松弛极化损耗构成。电导损耗存在于频域介电谱的所有频率段，因此电介质的电导损耗随着频率的增加而减小。由于频率较低时松弛极化都能完全建立，电介质中仅存在电导损耗。随着频率不断增大，松弛极化损耗开始产生并不断增大。当频率很大时，电介质的损耗以松

弛极化损耗为主。因此，介电损耗因数在高频处会出现一个拐点。随着变压器油中水分含量的增加，使得参与电介质极化的粒子数增多。并且水分子是极性分子，通过电离过程得到的离子会使电导损耗快速增大，也会使电介质的损耗在高频段下降的趋势变缓。因此，随着变压器油中含水量的不断增大，其介电损耗因数曲线向右上平移，高频段的拐点会逐渐消失。

3.2 含水量对变压器油相对介电常数的影响

图5 为 25 时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的复介电常数实部示意图。

如图 5 所示，在高频范围内，变压器油复介电常数实部基本不会改变; 而在低频范围内，变压器油复介电常数实部会随着油中含水量的增大而增加，并且频率越低增加的越大。

变压器油的复介电常数实部随频率变化的原因是: 在低频范围内，变压器油中的极化主要是杂质引，起的空间电荷极化随着测试电压的频率不断增大，空间电荷极化来不及完成，因此变压器油的复介电常数实部逐渐变小。当电场频率较大时，变压器油中主要存在的极化为电子位移极化，而电子位移极化完成极化所需时间较短，在测试频率范围内能

充分完成，因此变压器油的复介电常数实部没有什么改变。

3.3 含水量对变压器油载流子迁移率的影响

根据式(4)可知，变压器油载流子迁移率的计算受试样两端的阶跃电压、电极间的距离及载流子迁移时间等影响。表 1列出了变压器油载流子迁移率的影响因素。

在上述因素的影响下，依据式(4)可计算出不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的载流子迁移率，如图6所示。

根据表1和图6可知，在其他影响因素不变的情况下，变压器油载流子的迁移时间随微水含量的增加而变小，并且其迁移率随微水含量的增加而变大；变压器油的载流子迁移率随着微水含量增加而升高的速率也越来越大。

产生上述变化的原因是: 水是弱电解质，在外电场以及电离平衡的作用下会电离出正负离子(H+、OH－)。随着变压器油中微水含量不断增加，电离出的正负离子不断增多，使得变压器油中的载流子增多，加强了变压器油的导电性能。测试开始时阶跃电压把变压器油中处于无规则热运动的载流子聚集到电极表面附近，当电压极性反转时由于变压器

油的导电性能因载流子的增加而增强，聚集在电极表面的载流子能更快向对面电极迁移，即载流子的迁移时间减少。因此变压器油的去极化时间减少，

导致变压器油的载流子迁移率增大。

3.4 含水量对变压器油直流电导率的影响

使用ZC36 型高绝缘电阻测量仪测量液体电极中变压器油在1kV直流电压下的绝缘电阻，测试过程中当电阻值不再变化时记录下来(约为2min)，并通过下述公式可计算出变压器油的直流电导率σ0:

图7为25时不同老化程度变压器油在不同含水量下测试的直流电导率示意图。

如图 7 所示，不同老化程度的变压器油的直流电导率都随着含水量的增加而不断增大; 并且随着老化程度的不断加剧，变压器油的直流电导率受含水率的影响而变大的速率也越来越大。

变压器油的直流电导率改变的原因是: 变压器油中微水含量增大时，为了达到电离平衡变压器油中会产生更多的正负离子(H+、OH－)，使得变压器油中的离子增多。根据绝缘电介质直流电导率σ0与离子浓度n0 和载流子迁移率μ的关系:σ0 = 2eμn0(6)

变压器油微水含量的增加不仅使离子浓度增加还使载流子迁移率变大。因此变压器油的直流电导率随着微水含量的增加而增大。

4、结论

研究了老化程度和含水量对变压器油介电性能的影响规律，得到以下结论:

1) 实验表明，老化程度相同的情况下，在高频范围内介电损耗因数曲线高频上的拐点会随着水分含量的增加逐渐消失。

2) 变压器油中微水含量对载流子迁移率的变化具有明显影响。变压器油中水分含量增大时，载流子在恒定电场条件下的迁移时间减少，导致载流子迁移率增大。

3) 变压器油的直流电导率受油中离子浓度以及载流子迁移率的影响。变压器油中微水含量增大时，油中离子浓度以及载流子迁移率都增大，导致其直流电导率变大。因此变压器油的直流电导率随着含水量的增加而不断增大，并且随着老化程度的不断加剧，变压器油的直流电导率增大的速率随微水含量的增加而增加。

实验结果对油纸绝缘的微水含量评估具有一定的意义，可以结合其他的测量方法减少测量误差。

但仍存在一些不足，尤其在在不同老化程度微水含量相同的情况下变压器油介电与理化性能的变化尚有研究空间。