工程实践--基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术与系统研究

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第11期工程实践项目总结报告

项目名称 基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术

及系统研究

项目参加人 陈俊贤 学号：20102437 陈峰 学号：20103575 彭松 学号：20102462 林静英 学号：20102647 林莉 学号：20102638 指导教师 周利军

2010年 05月 20日

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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，国外有关资料指出：变压器的寿命实质就是绝缘材料的寿命。水是极性物质，水分对绝缘油的电性能和理化性能均有很大的危害。主要影响是使油的击穿电压降低和介质损耗因素增大，使固体绝缘遭到永久的破坏。油中水分含量越多，设备金属部件腐蚀速度就越快，它将影响设备的安全运行，并缩短设备的使用寿命。故测试绝缘油中的微水含量的目的是监测固体绝缘材料的受潮情况，对变压器的绝缘状况的诊断十分重要。

随着充油电气设备的日益增多，特别是500kv站的不断投运，油浸式变压器的使用越来越广泛。电力变压器的安全运行是避免电网重大事故的第一道防御系统，如果一台大型电力变压器在系统中运行时出现故障，可能引发大面积停电，其检修期一般要半年以上，给国民经济造成巨大的损失，给人民带来巨大不便。因此，整个油纸绝缘系统含水量的评估工作对变压器安全、稳定运行具有重要的意义。

本论文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，充分利用绝缘材料介电常数随电压频率变化而发生变化的这一固有特性，通过测试不同温度、不同微水含量试样的输出电压增益Ｍ和相位差相关特征参量，结合测试装置的等效电路进行数学计算，得出试样的复介电常数ε＊。分析油纸绝缘微水含量ｍ与复介电常数ε＊、温度Ｔ和施加电压频率ｆ之间相互影响的规律，再利用数学软件工具对测试数据的变化规律进行拟合处理，最终获得油纸绝缘微水含量ｍ与复介电常数ε＊、温度Ｔ和施加电压频率ｆ的通用函数关系式，最后利用此函数关系式从而实现对未知油纸绝缘微水含量的计算。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。

关键词：油纸绝缘 微水含量 电介质 频率响应 微电流测量 FDS

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目 录

第1章 绪论 ............................................................ 1

1．1 油纸绝缘电介质频率响应的研究意义 .............................................................. 1 1．2 变压器油纸绝缘系统 .......................................................................................... 2

1．2．1油纸绝缘的老化机理 ...................................... 2

1变压器油绝缘老化机理 .................................................................. 2 2纸绝缘的老化机理 .......................................................................... 3

1．3 油纸绝缘电介质频域谱法（FDS）诊断的研究现状 ....................................... 3

1．老化的影响 .................................... .4 2．温度的影响 .................................... .4 3．水分的影响 .................................... .4

1．4 本文研究的主要内容 ........................................................................................ .5 第2章 变压器油纸绝缘电介质响应的相关理论 .............................. 6

2．1 引言 ...................................................................................................................... 6 2．2 介质响应的基本概念 .......................................................................................... 6

2．2．1 复介电常数 ............................................................................................. 6 2．2．2 电介质的极化 ......................................................................................... 8 2．2．3 电介质的损耗 ......................................................................................... 9 2．3 频域介质响应法在变压器油纸绝缘诊断上的应用 ........................................ 10 第三章 频率响应特性的研究 ............................................ 12

3．1电介质频率响应法的介绍 ........................................ 12 3．2频率响应法的测试方法 .......................................... 12

3．2．1变压器油纸绝缘等效模型 ................................. 12 3．2．2测试原理 .............................................................................................................. 13 3．2．3测试系统组成部分 ....................................... 13 3．2．4工作原理和实验步骤 ....................................................................................... 15 3．3油纸绝缘状态和测试温度的关系 .................................. 15 3. 4变压器油纸绝缘系统检测电路的分析 .............................. 16

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第4章 油纸绝缘电介质频率响应测试技术的研究 ........................... 17

4．1 引言 .................................................................................................................... 17 4．2 FDS测试电路示意图 ......................................................................................... 17 4．3 FDS测试原理 ................................................................................................................... 17 4．4 FDS测试电路的微电流研究 ............................................................................. 18

4．4．1 微电流测量方法概述 ........................................................................... 18

1．开关电容积分法 ..................................... 18 2．运算放大器（+T型电阻网络+单片机） ................. 18 3．场效应管+运算放大器 ................................ 19

4．4．2 微电流测量电路设计的原理 ........................................................................ 19 4．4．3 运算放大器的选择 ............................................................................... 21 4．5 对设计电路应用Pspice仿真 .......................................................................... 21

4．5．1 绘制原理图 ........................................................................................... 22 4．5．2 对电路仿真分析 ................................................................................... 22 4．5．3 温度变化对电路性能的影响 ............................................................... 24 4．6 高频下微电流测量电路的研究 ........................................................................ 26

4．6．1 高频的电路原理图 ............................................................................... 26 4．6．2 仿真分析 ............................................................................................................. 27

总结与展望 ............................................................ 30 参考文献 .............................................................. 31

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第1章 绪论

1．1 油纸绝缘电介质频率响应的研究意义

我国水电资源蕴藏量达6.76亿kW，居世界首位。煤、石油、天然气资源也很丰富。煤的预测量约为45亿吨。可利用的风力资源约为1.6亿kW。这些丰富的自然资源为我国电力工业的发展提供了物质基础。经过50年的发展建设，至1999年底我国电力系统已建成500kV输电线22927km，500kV变电所变电容量8012万kVA；己建成330kV输电线7878km，330kV变电所变电容量1248万kVA；它们分别是以500kV为网架的东北、华北、华中、华东、川渝5大区域电网和广东、山东、广西、福建、云南、贵州6个省级电网；以330kV为网架的西北电网；220kV的海南、新疆电网；110kV的西藏电网。

目前，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，它的运行状况直接关系到电力系统的安全运行。如果一台大型电力变压器在系统中运行时出现故障，可能引发大面积停电，其检修期一般要半年以上，给国民经济造成巨大的损失，给人民带来巨大不便。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。

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，然而已用于变压器绝缘老化状态诊断的糠醛、聚合度、油中溶解气体等方法[1]由于需要取油样、纸样进行测量，给实际工作中带来很大的不便，并且本身也存在一定的缺陷[2，3]，故不能用来直接解决工程实际问题。

介电响应法作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点，因此，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（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和基于频域介电响应的频域谱法（FDS）。其中，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，测量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tan?、复容率等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS 具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，这一

西南交通大学重点实验室项目报告书 第2页 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[4]。

本文采用以电介质响应为理论基础的介电频谱法（FDS），借助实验室的仪器和设备，搭建油纸绝缘介质响应测试的实验平台，模拟变压器实际运行中复杂多变的外界条件，并通过实验室加速热老化试验模拟变压器油纸绝缘的老化，研究油纸绝缘介电频谱在不同温度、不同微水含量条件下的变化规律；通过对油纸绝缘介电特性的分析，得出其微水含量信息，从而对正确诊断变压器绝缘状况，评估变压器剩余寿命和提高供电可靠性提供重要依据。

1．2 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。油浸式电力变压器,是以油作为变压器主要绝缘手段.用于两级电网之间、两区域电网之间联络。油浸式变压器依靠油作冷却介质，如油浸自冷，油浸风冷，油浸水冷及强迫油循环等。一般升压站的主变都是油浸式的，变比20KV/500KV，或20KV/220KV，一般发电厂用于带动带自身负载的厂用变压器也是油浸式变压器，它的变比是20KV/6KV。

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；内绝缘又分为主绝缘和纵绝缘两类。主绝缘是指绕组对地之间、相间和同一相而不同电压等级的绕组之间的绝缘；纵绝缘 是指同一电压等级的一个绕组，其不同部位之间，层间、匝间、绕组对静电屏之间的绝缘。

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[5]。

1．2．1油纸绝缘的老化机理

油浸式变压器的绝缘系统主要由变压器油、纸绝缘构成。由于纸绝缘的老化过程是不可逆的，因此变压器寿命主要取决于纸绝缘的寿命。变压器的实际寿命除跟制造质量有关外，与运行条件关系密切。 1．变压器油绝缘老化机理

变压器油主要由许多不同分子量的碳氢化合物组成混合物，基本以烷烃、环烷烃和少部分芳香烃为主。

在正常运行温度下，油不会产生热分解，油的老化主要是氧化导致，铜是催化剂。实际上对不能与氧气完全隔离的油纸绝缘设备，即使长期不运行，也同样存在老化问题。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第3页 油中吸收氧在水分、温度作用下使老化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最终析出油泥。油氧化反应形成少量的CO，CO2，随着运行中气体的积累，CO，CO2，将成为油中气体的主要组分，还有少量H2，和低分子的烃类气体。烃类气体的迅速增加是在非正常的油温下产生的。电或热故障可以使某些C—H键和C—C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这砦氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体(如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等)，随着不同故障能量和时间的作用，也可能生成碳氢聚合物及固体碳粒。 2．纸绝缘的老化机理

变压器的纸绝缘属于纤维素绝缘材料，它是由大约90％的纤维素，10％的半纤维素及极少量的木素等构成。纸绝缘在热的作用下，将会发生热解、水解、氧化三种降解反应，并有可能同时存在。三种降解的机理分别如下：

(1)热解降解

热解使纤维素分子链发生解环或断裂，而解环和断裂可以在纤维W素的任何部位发生。热解也可能只发生在分子链的尾端，把最后一环链解开，产生CO、CO2等气体，以及糖醛及其他呋喃化合物等液体。在200℃及以下，CO，CO2增加较快，但不会产生大量烃类气体。

(2)水解降解

水解足热解的后续反应。油纸氧化所产生的酸是水解作用的催化剂，纤维绝缘材料中所含的水分越多，纤维素的水解速度就越快。

(3)氧化降解

氧化降解足热解和水解的连续反应。氧化归根到底是热解和水解导致的纤维素链发生断裂。

纤维素降解三个关键因素：温度、含水量、含氧量。

1．3 油纸绝缘电介质频域谱法（FDS）诊断的研究现状

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，有微水分析，中溶解气体分析（DGA，绝缘纸聚合度测试（DP），油中糠醛含量分析等；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。

到目前为止，传统的变压器绝缘状态诊断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 Spectroscopy－FDS）。

介电响应法始于20世纪90年代，作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点，因此，应法是一种很好的诊断工具。它包括基

西南交通大学重点实验室项目报告书 第4页 于时域介电响应技术的回复电压法（RVM）、极化去极化电流法（PDC）和基于频域介电响应的频域谱法（FDS）。其中，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，测量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tan?、复容率等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS 具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，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.Poovamma[6]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tan?有最大值。Omar Hassanl[7]等发现随老化时间的增加，tan?增大。在高、中频带tan?和功率因数cos?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.Yew[8]等对25 oC、50 oC、58 oC、70oC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加。随着频率的增大，不同温度下复电容都趋于定值。而且随着温度升高，电容实部、虚部的交叉点向高频区移动，交叉点频率和温度之间关系基本呈指数关系。另外，随温度升高，tan?曲线右移，同时低频区的曲线峰值消失，在高频下曲线趋于定值。P.K.Poovamma[9]等在27oC和90oC分别对新油和老化油进行测量，发现从100Hz到0.1Hz，tan?呈一直线。新油介电损耗对温度变化不大，老化油在100Hz到0.1Hz内对温度较敏感，tan?曲线上移。两种油的相对介电常数在高频下恒定且重合，低频区发散性较大。随温度升高，低频区相对介电常数增大。Stanislaw M.Gubanski[10]等研究认温度，水分，老化对纸板直流电导率有影响，且直流电导率对于温度的敏感度高于水分；且为避免非线性，外加电压不宜太高。 3．水分的影响

P.K.Poovamma等讨论了不同纸中水分，油电导率下tan?与频率关系曲线的不同：低频下tan?有最大值，高频下tan?有最小值，且随水分增加，最大值向高频区转移；水分增加到一定值，低频最大值消失。J.H.Yew等对含水量为0.2%和2%变压器绝缘纸进行试验，发现复合电容的实部和虚部随含水量的增加而增大，不过虚部增加的幅度较大。L.E.Lundgaard[11]等对含水量为1.2%、3.4%和5%的油纸样品测量，发现随含水量增

西南交通大学重点实验室项目报告书 第5页 加，相对介电常数的实部和虚部在低频区随之增大，高频区不同含水量的曲线重合。

综上所述，对FDS用于变压器油纸绝缘诊断方面的研究虽然取得了一定的成果，但仍存在许多问题，主要表现在：

（1）研究表明，影响FDS反映油纸绝缘状态信息的因素较多，但是其影响因素对FDS各参数的具体影响并不明确，已有的研究只是定性的指明了影响因素对FDS参数的影响。

（2）目前关于FDS的测量结果多是对其现象的描述，还不能进行圆满的解释，更没有从电介质极化理论的本质上对其原因进行深入分析。要将频域谱法诊断油纸绝缘的状态信息应用于实际，必须进行大量试验和理论分析，进一步研究、总结规律，并对其结果进行合理解释。

（3）利用仿真与试验相结合的手段对FDS进行研究目前还鲜有报道。

（4）如何将频域谱法与时域的回复电压法、极化去极化电流法相结合，建立三种方法综合的油纸绝缘老化无损评估模型，获得评估变压器老化的介电响应综合特征参量。

因此，为了更好的用频域谱法诊断变压器油纸绝缘的状态信息，解决目前FDS存在的问题和不足，对其进一步深入研究具有重要的理论和实际意义。

1．4 本文研究的主要内容

（1）本文首先介绍了油纸绝缘系统。

（2）其次分析变压器油纸绝缘的老化机理，阐述了油纸绝缘电介质基于频率响应的频域谱法(FDS)的研究现状。

（3）介绍变压器油纸绝缘介电响应相关理论，对介电理论的一些概念进行阐述。 （4）研究基于电介质频率响应的频域谱法（FDS），重点研究油纸绝缘电介质频率响应测试中的微电流测量。

（5）针对油纸绝缘电介质频率响应测试中的微电流测量，对其进行放大电路的设计，并运用Pspice仿真软件对电路进行仿真分析，为电路放大器、各电阻、电容的选择提供参考，仿真分析了不同温度下对电路的影响。

（6）在实验室条件下，模拟变压器油纸绝缘系统，进行频率响测试实验，并对实验结果提出改进方法。

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第2章 变压器油纸绝缘电介质响应的相关理论

2．1 引言

介质响应理论主要是揭示电介质基本特性（电极化、电导、介质损耗以及电介质击穿）的物理本质，探讨电介质在电场作用下所发生的物理过程与电介质的结构、组成 之间关系的规律性。变压器油纸绝缘是一种复合电介质，油纸绝缘的老化会引起油纸绝缘体系介电特性的变化，故电介质理论对其是适用的。但由于变压器是由绝缘纸和绝缘油两种介质组成的油-纸复合绝缘系统，其极化过程与单一电介质的极化过程不同。因此有必要先对电介质的相关理论进行分析。

2．2 介质响应的基本概念

2．2．1 复介电常数

在外加电场作用下，介质的介电常数是综合反映介质极化微观过程的宏观物理量。

电介质的介电常数?又称为电容率，如果在平行平板式电极间充满相对介电常数为? 的电介质，其电容量为

质厚度。

如果在该电容器电极加上角频率为??2?f的正弦交流电压

j?t （2-2） u?Ue0

C0??0Sd （2-1）

式中?0为真空的介电常数，?0的大小等于8.85?10?12F/m，S为极板面积，d为电介

则在电极上出现的电荷量为

Q?C0u （2-3）

在外电路上的电流为电荷Q对时间的导数：

Ic?dQ?j?C0u （2-4） dt此时电流相位超前电压90o。

当电容器填充某种电介质时，则其电容量为：

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C?C0

?' ?C? r （2-5）0?0式中?r为该介质的相对介电常数，即

?r?Cx （2-6） C0 如果考虑到填充电介质是弱导电性，或是一种极性的，或者兼有这2种特性的材料，

那么，电容量就不再是理想的电容器，电流对电压的相位就不会恰好相差90o。因为此时增加了一个与电压具有相同相位的电导分量Il?Gu，故总的电流为两部分电流的和： （j?C?G）u （2-7） I?Ic?Il?如果把电介质试样看成一个复数电容C，则式(2-7)中的电导可以写成

?C?'G??j?C?j?0???j0???0??C0?

?C?j?0?0??'????j????C'j??0???0?j\??C （2-8） j?0 * ??0式中的?*??'?j?\为电介质的复介电常数，?\称为损耗因子。 损耗角正切又可以表示为

?\?tan??'? （2- 9） '???

角频率与损耗因子的乘积等于介质的电导率

\ ???? （2-10）

该电导率为所有损耗的总和，它包括由载流子迁移造成的直流电导、电偶极子取向以及其他极化所造成的损耗。

从直流到高频，?'可以与?、?\、tan?中任何一个配对描述电介质在电场中的性能。即

?*??'?j?\???'1?jta?n????'j? （2-11） ?作为绝缘部件，特别是对于高频、高压绝缘，要求相对介电常数和损耗系数都要小，这是因为绝缘材料的发热量，即功率损耗P与电压U的平方、角频率?、相对介电常数

?r和和损耗角正切tan?成正比：

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2 P?U?C?rtan? （2-12）

式中C为绝缘部件的几何电容。

通过测量?r和tan?，可以判断绝缘材料的电绝缘强度、水分含量以及老化程度。

2．2．2 电介质的极化

电介质极化是在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷的现象。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。

极化机制：把电介质看成大量微观带电粒子组成的电荷体系，从电磁学的基本公式出发，利用矢量分析和电动力学的有关公式，通过定量计算得出单个原子在空间某处

产生的电势相当于一个电偶极子的势，从理论层次说明分子或原子固有电矩的存在、电介质分子的分类、电介质在外电场中的极化模型及电介质极化的规律。

在介质理论中，常用偶极矩的大小来表示组成介质分子所具有的极化特性。一般分子偶极矩u的大小取决于有效电场E，并与之成正比关系，即表示为

u??E （2-13）

式中，?为比例系数，它的物理含义是每单位电场强度的分子偶极矩，称为极化率。这是描述分子极化特性的一个重要的微观物理量，?越大，分子的极化能力越强。

若单位体积内极化质点总数为N，则可把宏观的极化强度P与微观的极化率?联系起来，得到

???E （2-14） P?N电介质的极化形式较多，基本类型有电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、热离子极化和界面极化。

1．电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离I形成电偶极矩pe=el(l由负电中心指向正电中心，e是电荷量，见电偶极子)。当电场不太强时，电偶极矩pe同有效电场成正比，pe=αeE，式中αe称为电子极化率。极化建立所需的时间极短（10?14~10?15s），不产生能量损耗，同时电子极化率与温度无关。任何电介质都要发生电子位移极化。

2．离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。pa与有效电场成正比，pa=αaE，?a称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。离子位移极化建立所需时间为10?12~10?13s，在极化过程中不伴随有能量消耗，离子极化率只与离子的结构参数有关，而与温度无关。

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3．固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。这种极化同温度的关系密切。偶极子转向极化的建立需要较长的时间，约10?6?10?2s，极化过程伴随有能量的损耗。偶极子转向极化是一种与热运动有关的极化方式，可以推断，反映极性分子极化的极化率与温度有关。

4．界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质的介电性能。 电介质的极化是这四种极化机制的宏观总效果。这种与热运动有关的极化，其建立时间较长，在电场频率较高的情况下，极化会有滞后现象发生，从这个意义上，热离子极化常被称为松弛极化。

2．2．3 电介质的损耗

电介质中在交变电场作用下转换成热能的能量，这些热会使电介质升温并可能引起热击穿，因此，研究电介质的损耗问题，实质上就是研究能量转换问题。根据介质理论关于介质损耗的定义，它是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能而消耗的能量。

工程实际中，常以正弦电压作用下通过介质的有功电流与无功电流之比，或有功损耗与无功损耗之比，即介质损耗角正切值（tan?）作为介质损耗的特征参数。tan?为电流有功分量和无功分量之比，而电流的有功分量引起介质中的能量的损耗，所以tan?的值能反映介质损耗的大小；tan?仅取决于材料特性而与材料的尺寸、形状无关，其

*值可以直接由实验测定。此外，还可以用复介电常数?（的虚部?\来表征介?*??'-j?\）质损耗，?\称为介质损耗因数。

电介质在交变电场中与频率和温度等因素有关，电介质损耗按其形成机理可分为弛豫损耗、共振损耗和电导损耗。前两者分别与电介质的弛豫极化和共振极化过程有关 。对于弛豫损耗，当交变电场的频率 ω＝1／τ时，介质损耗达到极大值，τ为组成电介质的极性分子和热离子的弛豫时间。对于共振损耗，当电场频率等于电介质振子固有频率（共振）时，损失能量最大。电导损耗则是由贯穿电介质的电导电流引起，属焦耳损耗，与电场频率无关。 1．电导损耗

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任何电介质都不可能是理想的绝缘体，不可避免地存在一些弱联系的导电载流子。在电场作用下，这些导电载流子将作定向漂移，形成传导电流。这部分传导电流以发热的形式消耗掉，我们把它称之为电导损耗。电导损耗与电场频率无关，但随着温度的升高而急剧增加。 2．弛豫极化损耗

当交变电场E 改变其大小和方向时，电介质极化的大小和方向随着改变。如电介质

为极性分子组成(极性电介质)或含有弱束缚离子（这类偶极子和离子极化由于热运动造成,分别称为偶极子和热离子）,转向或位移极化需要一定时间（弛豫时间），电介质极化与电场就产生了相位差，由这种相位差而产生了电介质弛豫损耗Wg。

电介质在电场中发生极化都需要建立一定的时间，其中有的极化形式，如电子位移极化和离子位移极化需时极短（10?15?10?12s），但另外一些极化需时较长，例如偶极子转向极化，一般需要经历10?6s甚至更长的时间。因此此类极化在外施电场频率较高时，就有可能跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性，产生弛豫现象。致使电介质的极化强度P滞后于外施电场强度E，并且随着外电场频率的升高，电介质的介电常数?下降;当外施电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，其介电常数随频率的上升而下降至零，这时电介质的介电常数只由位移极化提供，而趋于光频介电常数??，这一过程也消耗部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为弛豫极化损耗。 3．共振损耗

对于电子位移极化和离子位移极化,电介质可以看成是许多振子的集合,这些振子在电场作用下作受迫振动，并最终以热能方式损耗。当电场频率比振子频率高得多或低得多时，损失能量很少。只有当电场频率等于振子固有频率（共振）时，损失能量最大，故称电介质共振损耗。

2．3 频域介质响应法在变压器油纸绝缘诊断上的应用

介电响应理论从提出至今已有几十年历史，但对介电响应理论的应用主要集中于对电介质材料的应用研究，如应用于高介陶瓷、以铁电性能为基础的铁电薄膜等，以改善这些材料的性能。介电响应理论用于变压器油纸绝缘状况的研究，在近十几年才逐渐发展起来。实践中发现，介电响应法作为一种无损检测手段，它具有抗干扰能力强、携带信息丰富等特点。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，介质响应法是一种很好的诊断工具。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第11页

变压器油纸绝缘本身就是一种复合电介质，在温度、水分、老化、机械应力等因素作用下，其介电特性必将发生变化，介质响应法就是基于这样的原理来诊断变压器油纸绝缘的状况。介质响应法根据激励源的不同分为时域和频域介质响应两种，前者又包括回复电压法（RVM）和极化去极化电流法（PDC）两种；频域介质响应法即频域谱法（FDS）。

对于频域谱法，通过正弦交流激励对单一频率下的油纸绝缘系统进行介质响应测量有时并不能够得到绝缘系统的全面状态。为得到更多信息，在低压下，通过改变交流激励的频率，并采用复介电常数，复电容，介质损耗，功率因素等作为频率的函数，用该函数的变化情况来评估运行中变压器绝缘老化状况。测得的复电容、相对介电常数等曲线的不同部分包含着绝缘油和绝缘纸的不同信息，通过分析不同条件下曲线各段的变化情况，确定各段与油纸绝缘系统状态信息的关系，就可以对变压器油纸绝缘状态进行诊断。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第12页

第三章 频率响应特性的研究

3.1 电介质频率响应法的介绍

电介质响应法作为新的绝缘测试方法, 其研究始于20世纪80年代, 20世纪90年代后回复电压法、极化去极化电流法等时域电介质响应法陆续涌现.。频率响应法由于所获信息量大、测试电源电压低而受到广泛关注.。频率响应法是在宽频范围内(如10-4~ 106 H z)测试油纸绝缘复介电常数实部Ec、虚部(介质损耗) Ed曲线, 通过分析其幅值、形状的变化趋势评估油纸绝缘所处温度、微量、老化程度等绝缘状况.目前, 对电介质响应法的研究还处在起始阶段。

频率响应法为表征变压器油纸绝缘的老化状态及微水含量提供了新的手段, 但环境因素尤其是温度对测试结果有严重的影响. 为更准确的理解测试结果, 对不同温度下油纸绝缘频率响应的研究显得十分重要. 本文对电介质响应法进行分析建模, 搭建了实验平台, 测试了油纸绝缘的频率响应,讨论了油隙对测试结果的影响, 分析了温度与油纸绝缘频率响应的关联关系。

3.2 频率响应法的测试方法

3.2.1 变压器油纸绝缘等效模型

变压器主绝缘系统由一系列纸筒压板、油隙以及对纸筒起支撑作用的撑条构成。将变压器中绝缘

油和绝缘纸的电阻、电容进行合并，可简化得到图1所示的变压器油纸绝缘扩展Debye等效模型图中：Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻；Cg为真空几何电容和无损极化的等效电容之和；Ri、Ci代表油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化。根据变压器油纸绝缘扩展Debye 等效模型，可得到变压器油纸绝缘频域介电响应参数复电容的表达式

[12]

，如式(6)和式(7)所示。本文利用一台45 MVA 变压器的扩展Debye 等效模型的具体

参数值[13]，按照式(6)和式(7)，通过Matlab 编程仿真Rg = 2.5 GΩ、Cg =10.2 nF以及Ri-Ci 分支电路参数的变化对油纸绝缘系统复电容频域介电谱的影响规律。

变压器油纸绝缘扩展Debye 等效电路模型仿真了油纸绝缘的频域介电谱特性R1 变压器油纸绝缘扩展Debye 等效模型。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第13页 3.2.2 测试原理

油隙及温度对频率响应特性影响：频率响应法为表征变压器油纸绝缘的老化状态及微水含量提供了新的手段,但环境因素尤其是温度对测试结果有严重的影响.为研究不同温度下油纸绝缘频率响应变化规律,利用频率响应法对油纸绝缘进行物理建模,建立了时域响应函数及其频域响应函数,搭建了油纸绝缘频率响应测试系统,应用该系统对比测试了不同温度下油纸绝缘体系频率响应,并计算了单独油浸纸频率响应.结果表明:油隙对测试结果的影响较小,最大误差在10%以内;油纸绝缘介质损耗在低频段随频率增大而减小,在高频段变化不大;随着温度升高,油纸绝缘介质响应幅值增大,其形状基本不变,并向高频率方向移动;频率一定时,油纸绝缘复介电常数与温度的倒数成线性比例。

3.2.3 测试系统组成部分

测试装置：

测量材料介电常数和电导率的最简便方法是将其放置在一对平行电极之间,电极面积和间距已知。这种测试单元的模型可以由一个电阻和一个与之匹配的电容组成。平板传感器便是由这种简便的方法发展而来,其结构如图3.1 所示。容性结构主要由驱动电极和测试电极组成。测试电极左右是保护电极, 其周围还必须有一层接地电极,与保护电极相连接接地电极消除了平行寄生电容和电阻,起到了屏蔽外部电场对测试电极的干扰作用。同时还使得电场保持高度一致,基本上没有边缘场效应。绝缘纸板试样的面积小于感应电极,因此使得几乎全部磁力线都能穿过试样。整个结构依靠驱动电极顶部铁块和自身重量紧密连接在一起。

图3.1 频率响应测试装置示意图

西南交通大学重点实验室项目报告书 第14页

实验中, 将绝缘纸板置于电极之间, 并浸于变压器油中,测试其电介质响应。实验电极及等效电路如图3.2 所示。从图3.2中可以看出,绝缘纸板与上下电极之间,存在油隙,构成油/油浸纸板/油体系。根据Maxwell-Wagner理论分析，当具有复介电常数为Ep的均质油浸纸板,将两个具有相同复介电常数为Eo的变压器油隔开时,油/油浸纸板/油体系可表示为如图3.3所示的等效两相绝缘体系。

油隙及温度对频率响应特性影响：

针对图3.3所示的等效两相绝缘体系,整体复介电常数与绝缘油、绝缘纸复介电常数的关系为：

式中: C 为整个体系复电容;Co 为油隙复电容;Cp 为油浸纸复电容.

（6）

（7）

图3.2 实验电极及其等效电路图

图3.3 等效两相绝缘体系

西南交通大学重点实验室项目报告书 第15页

图3.4 油隙绝缘体系

3.2.4 工作原理和实验步骤

图3.5 测试装置等效电路图

测试时, 闭合测试系统开关K 1、K 3,断开K 2,烘箱内温度控制在130摄氏度 ,对试样进行老化800 h。烘箱内的温度应保持均匀,并用红外探测仪进行测量。为获得相同老化程度,在烘箱内的测试容器位置须进行有规律的变动。试样老化完成后,通过底部阀门将油注入油缸,放置一段时间,至少3 个月,以保证系统微水达到平衡状态。

对油纸绝缘系统进行了建模测试,分析了不同微水含量油纸绝缘体系在不同温度下的介电谱,并建立了油纸绝缘复介电常数与微水、温度之间的函数关系。测试结果表明频率响应法能够有效的分析油纸绝缘系统的微水含量状态, 在温度和驱动频率一定时,测量油纸绝缘复介电常数的实部或虚部都能较准确的获得其微水质量分数。复介电常数的实部变化说明微水对干燥绝缘纸板相对介电常数的影响, 虚部变化代表微水的微弱导电性产生的损耗。

3.3 油纸绝缘状态和测试温度的关系

不同测试温度下油纸绝缘试品的频域介电谱温度对油纸绝缘试品频域介电谱的影响很大。在10-3~106Hz范围内，油纸绝缘试品的ε'r 在频率小于100Hz时随温度的升高而增大，而在100Hz以上却相反。油纸绝缘试品的ε'r'和tanδ值在10-3~102Hz 范围内

西南交通大学重点实验室项目报告书 第16页 随温度升高而增大，而在102~106Hz 范围内却随温度升高而减小。

ε'r'和tanδ产生上述变化的原因是：低温时电导损耗很小，介质损耗主要由松弛极化损耗决定，而松弛极化损耗与e?E/kT 成正比[12](E 为外加交变电场有效值；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度)，在10-3~102Hz 范围内，温度增加，油纸绝缘试品的松弛极化损耗增大，即ε'r'和tanδ值增大。此外，当温度增加时，松弛极化时间常数减小，建立极化速度更快，温度越高，对应反常弥散区的频率也越高[12]，因此随着温度增高，ε'r'和tanδ曲线会向高频方向移动，使得ε'r'和tanδ在102~106

Hz 范围内随温度升高而减小。可见，使用频域介电谱法评估油纸绝缘状态时，要保证测试温度的同一性。

根据不同温度下油纸绝缘频率响应, 以绝对温度的倒数为横坐标, lg( (E-'E])/E0) 和lg(E\为纵坐标,频率为变化参量,研究频率响应与温度的关系,如图所示。可以看出,在单频率下,随着温度升高,油纸绝缘复介电常数增大,lg E与1/T成线性比例。 实验表明：

( 1)整个系统的频率响应与计算所得单独油浸纸的频率响应十分接近, 最大误差在10% 以内;测试分析过程中可忽略油隙对油纸绝缘频率响应的影响。

( 2)在低频段,油纸绝缘的介质损耗体现出频率依存性;在高频段,油纸绝缘的频率响应取决Hariliak-Negami模型,变化不大。

( 3)随着温度升高,油纸绝缘体系中的微水更多地溶解在油中,使得整个油纸绝缘介质响应增大,在电场作用下的损耗增大。

( 4)不同温度下油纸绝缘频率响应形状基本不变,油纸绝缘复介电常数虚部随着温度升高向高频率方向移动,所体现的弛豫中心频率增大。

( 5) 频率一定时，油纸绝缘复介电常数与温度的倒数成线性比例。

3.4变压器油纸绝缘系统检测电路的分析

检测电路尽量使用选频滤波，使通频带宽尽可能窄；电路中信号的地线、其他可能造成干扰的电路地线要分开接等等。

通过带有WinDETA分析软件的宽频介电谱仪，测试被测试样的FDS特性，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tan?、复电容（率）等与频率有关的极化参数的变化情况，这些参数与变压器油纸绝缘状态如老化程度、含微水量等信息密切相关，研究他们之间的关系，才能用于油纸绝缘状态的诊断，研究研究微水、温度等因素对变压器油纸绝缘系统的影响并以此作变压器寿命的评估。

频域介电谱法既可准确评估绝缘纸含水量和油纸绝缘试品老化程度，又能反映油纸绝缘试品的介电性能；用频域介电谱法评估油纸绝缘状态要保证测试温度的同一性。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第17页

第4章 油纸绝缘电介质频率响应测试技术的研究

4．1 引言

本文研究基于频率响应的变压器油纸绝缘系统电介质响应测试技术，突破性地对基于电介质频率响应的频域谱法（FDS）测量电路中微电流测量进行研究。重点解决FDS测量电路的测量电流问题，对微电流测量进行电路设计，并通过Pspice仿真软件对运放、各电阻、电容值参数的选择进行仿真，以便更合理地对设计电路进行解释。

4．2 FDS测试电路示意图

图4.1为FDS的基本测试电路。通过外加正弦电压，测量流过试样的电流峰值和相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tan?、复电容（率）等与频率有关的极化参数的变化情况，这些参数与变压器油纸绝缘状态如老化程度、含微水量等信息密切相关，研究他们之间的关系，就可以对变压器的绝缘状态进行诊断。测得的数据通过控制电路传入带有WinDETA分析软件的介电谱仪中，测量结果会在WinDETA分析软件显示出来。被测样品Z实际是一个油纸绝缘系统。

控制电压测量电压测量电流电压源Z介电谱仪VA

图4.1 FDS基本测试电路

4．3 FDS测试原理

FDS测量正弦电压下流过测试系统的电流I???的幅值和相位，由于一次只能考虑单一的频率，电流I???为

?????'\ I????j?C0??????j???U??j?C??jC????????????U????j?C???U???（4-1）?????12????0????

式中，C'???、C\???分别为复电容C???的实部和虚部；U???为所加正弦电压；

西南交通大学重点实验室项目报告书 第18页

??为高频下的介电常数；?0为真空介电常数，其大小等于8.85?10?12F/m；?为被测试

样的电导率，?为角频率。实部?1???给出了极化的幅值，跟激励电场相位相同；虚部

?2???表示电场正交的方向。若被测试样的电容C0已知，则可通过测试电流的幅值和相

位计算介质的复介电常数?*。油纸绝缘的复介电常数?*??'?j?\是温度、微水和频率的函数。?'为其实部，对应于电容项；?\为虚部，对应于损耗项。则有

?\tan??' （4-2）

?

4．4 FDS测试电路的微电流研究

由图4.1FDS的基本测试电路可以看出，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，测量流过被测试样的电流幅值和相位，从而得到油纸绝缘电介质的复介电常数?*、介质损耗角正切值tan?、复电容等与频率有关的极化参数的变化情况。但我们知道，流过油纸绝缘系统中被测试样的电流很小，用一般仪表很难测出来，针对这种情况，本文研究基于频率响应的变压器油纸绝缘系统电介质响应测试技术，设计了微电流测量电路，对实验室条件下模拟的油纸绝缘系统进行频率响应测试实验。

4．4．1 微电流测量方法概述

在测量微电流时，一般是将它通过一定方式转换成电压。根据转换方式将所有的直流放大器可分为两类：第一类是把输入电流转换成己知电阻两端的电压降；第二类是输入电流对放大器中已知电容充电，然后观察放大器输出的电压。电流转换为电压后，电压很小，很难被后续电路处理，通过多级放大才能实现。典型的微电流测量方法开关电容积分法、运算放大器（+T型电阻网络+单片机）、场效应管+运算放大器等。 1．开关电容积分法

开关电容式微电流测量方法的前级是在利用开关电容实现电流向电压转换的同时对电压信号进行调制和放大，达到微伏级；后级电路通过选频放大电路实现微伏级电压的放大，再利用开关式相敏检波电路解调得到与被测微电流有一定比例关系的伏特级电压。

2．运算放大器（+T型电阻网络+单片机）

此类测量方法的前级都是运用较高精度的运算放大器直接进行I/V转换。此种方法可以放大的微电流的级别视运算放大器的综合性能而定，但一般不能精确放大pA级及更微弱的电流信号。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第19页 3．场效应管+运算放大器

场效应管的等效输入电流噪声也相对很小，而其等效输入电压噪声与晶体三极管相当或略高，这使得场效应管的最佳源电阻较大；而且，场效应管的低频1/f噪声只出现在等效输入电压噪声中，而不出现在等效输入电流噪声中。

一般地，金属氧化物场效应管(MOSFET)的1/f噪声要大于结型场效应管(JFET)，所以，微弱信号检测的前置放大器通常选用跨导高、输入电阻大、栅源电容小的结型场效应管。

该测量方法前置放大器选用结型场效应管的电路，通常都是使用低噪声结型场效应管组成差动放大电路，并结合高精度运算放大器，实现前置级的I/V转换并有一定程度的放大。

4．4．2 微电流测量电路设计的原理

本测量电路设计由于考虑到提高测量精度、操作简单，降低设备成本，同时为有效降低各种噪声的干扰等多方面的要求，这里采用的是基于I/V变换的微电流测量方法。

基于I/V变换的微电流测量方法是常用的弱电流检测方法，其中的反馈电流放大型测量电路结构较简单，转换的线性较好，电路频率响应特性较好，在加入有效的硬件和软件抗干扰措施后，可以提高测量精度和稳定性。因此测量的电路是按照基于反馈式电流放大器型I/V 转换原理进行设计，其基本电路如图4.2所示。

图4.2 I-V转换电路

假定运放为理想运放，利用运算放大器的虚地概念和结点电流代数和为0的定律得出

V0??ISRf （4-3）

式中Rf为反馈电阻；IS为测量电流；V0为输出电压。

输出电压V0 与测量电流Is成线性比例关系，比例系数为Rf，因此根据放大要求选取反馈电阻Rf 值即可获得所需的放大倍数。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第20页

但在实际应用中，完全理想的运算放大器是没有的，由于集成电路制造技术及工艺的影响，必然会产生诸如输人失调电压、偏置电流等。放大器的开环增益也不可能无穷大，实际的输入输出关系由公式（4-4）表示

V?VO??ISRf??Vos?OA?

? b f （4-4）??IR?式中，Vos、Ib、A分别为运算放大器的失调电压、输人偏置电流和开环增益。 在实际应用中,运放的输出误差受失调电压VOS、偏置电流Ib 的影响，因此要实现微电流测量，运算放大器要满足:偏置电流Ib<被测电流Is；输入阻抗Ri?反馈电阻Rf；增益、共模抑制比高；失调电压及漂移小；噪声小。公式（4-4）的结果才能趋近于公式（4-3）。而满足这些条件，必然对运算放大器的性能及参数提出更高要求，这正是由电流/电压变换器实现微电流测量的关键。

由于待测电流信号为微电流（小于10?6A），所需放大倍数较高，若采用一级放大，则需要Rf为M?级别以上。当Rf过大时会产生较大的电阻热噪声电流，增大了分布电容，同时要求运放的输入电阻更大以减小分流；根据公式(4-3)，一级放大后信号与输入为反相，所以采用两级放大电路，这样可以通过调整每一级放大倍数来选择阻值适当的

Rf，减小由Rf引起的误差；并通过两次电压反相,使放大电路的最终输出电压与输入信号同相，两级放大电路如图4.3所示。

图4.3 两级放大电路

为减小噪声干扰和运算放大器负担，通常要求输出电压应比运算放大器的噪声电压值至少大两个数量级或更高；但输出电压太大，必然要增大Rf，同时增大对运算放大器性能的要求。所以第一级放大器输出电压应设计为50~100 mV，由公式(4-3)，Rf 应为1M?。图4.3中Cf 表示Rf引入的杂散电容，通常为0.5 pF。当Rf 为1M? 时，电路的截止频率约为0.3kHz，严重影响放大电路的频率响应特性。为改进频率响应，可以引入补偿电容C来消除Cf的影响。根据运算放大器以及流入节点电流与流出节点电流相等特性，得出

西南交通大学重点实验室项目报告书 第21页

IS??VO1dVXVX?VO1dV ?Cf??CX （4-5）

RfdtRdt

由于Rf为k?级电阻，其杂散电容可忽略，可得

VO1??VO R1 （4-6）

Rf1

代入公式（4-5），拉式变换并消去VX?s?后，得出传递函数为

VO?s?Rf1?1?RCs? ??R?Rf? （4-7）

IS?s?R1?1?RfCfs?

为消除寄生电容Cf影响，取RC?RfCf，得

VO?s?Rf1 ??R?Rf? （4-8）

IS?s?R1由图4.3，第二级放大电路将第一级输出电压信号进一步放大，并反向输出，保证最终电压输出与检测的电流输入同相。第二级放大倍数为10倍，由公式（4-7）， 取为10。

假设输入的测量电流为0.5uA，反馈电阻Rf为1M?，Rf1为10k?，R1为1k?，可计算出VO=5V。由此可见, 虽然输入电流很微弱, 但通过转换电路却得到了与输入电流成正比的可容易观测的输出电压信号。

Rf1R14．4．3 运算放大器的选择

运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足前面的假设条件，这就要求其开环放大倍数和输入电阻应为无穷大，这才能保证输入端工作电流为0，也要求输出电阻应为无穷小，这才能保证输出电压不随下级负载而变；同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大器件。运算放大器最好选零点偏移小，无外部调零的器件。本电路选择MAXIM公司生产的MAX419CPD超低失调/漂移、低噪声、高精度放大器。

4．5 对设计电路应用Pspice仿真

Cadence公司的OrCAD软件,是世界上应用最广的EDA软件之一,从早期版本工作于DOS环境的OrCAD4.0发展到现在最新的OrCAD10.5。OrCAD软件集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能。PSpice是Cadence

西南交通大学重点实验室项目报告书 第22页 公司的Orcad家族产品中的一员。PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。在OrCAD PSpice中，根据对电路的不同要求，它可以对电路进行直流分析、交流分析、噪声分析、瞬态分析、蒙托卡诺统计分析、最坏情况分析、参数扫描分析和温度分析。本文通过Pspice9.2软件对电路进行仿真和分析，以便对电路的运放、各电阻、电容值参数进行合理的选择，对理论计算提出合理的解释。

4．5．1 绘制原理图

运用0rCAD9.2的的原理图编辑器Capture CIS的Schematic窗口绘制原理图。 1．创建电路图文件

进入Capture CIS，在菜单栏选择file>new>Project，在Project类型选择Analog or Mixed-signal Circuit，方便以后对电路图进行数/模混合仿真 2．开始绘制原理图

新建Project后，进入Schematic窗口，点击Place part按钮，按照设计电路放置元器件，并对元器件参数进行编辑。以输入0.5uA交流电流为例，选择好元件参数，绘制的原理图如图4.4所示。

图4.4 电路原理图

4．5．2 对电路仿真分析

点击PSpice>Edit Simulation profile，调出Simulation Setting对话框，在Analysis type（分析类型）中选择AC Sweep/Noise（交流/噪声分析），在Options中选中General

西南交通大学重点实验室项目报告书 第23页 Settings，设置参数如图4.5所示：

图4.5 设置仿真参数

AC Sweep的分析频率在0.001Hz到1GHz范围内，采用十倍频增量进行递增，采样点100个。经交流分析，仿真出来的输出电压波形如图4.6所示。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第24页

图4.6 输出电压波形图

从图4.6可以看出，仿真电路在频率0.001Hz~100Hz范围内得出输出电压为5V，跟理论计算结果相同。在频率100Hz~1kHz范围内有一定幅度的上升，但从1kHz开始，输出电压波形在下降，明显衰减得很快。所以从仿真结果可以看出，电路在中低频范围内很好体现电路特性，实现应有的放大倍数。对于高频电路的实现，可能需要从专门针对高频的运放芯片本身以及电路进一步改进上着手。本设计电路为在后面的关于高频电路设计提供很好的参考。

4．5．3 温度变化对电路性能的影响

原理图中所有的元件参数和模型参数都设定为其常温下的值（常温隐含值为27SpiceoC），在进行仿真结果分析的时候，可以用温度分析来指定不同的电路工作温度，通过对温度参数变化进行设置来研究温度的变化对电路性能的有何影响。

点击PSpice>Edit Simulation profile，调出Simulation Setting对话框，在Analysis type中选择AC Sweep/Noise，在Options中选中Temperature (Sweep)，在指定的一系列温度下进行分析，如图4.7所示：

西南交通大学重点实验室项目报告书 第25页

图4.7 温度参数的设置

如图4.7所示，同时指定0oC、27oC、125oC3个不同的工作温度对电路进行相应的温度分析，仿真结果如下图所示。

5.04V5.02V5.00V4.98V4.96V4.94V0Hz0.1KHzV(U2:OUT)0.2KHz0.3KHz0.4KHz0.5KHz Frequency0.6KHz0.7KHz0.8KHz0.9KHz1.0KHz

图4.8 温度变化对电路输出电压的影响

从图4.8可以看出，温度对电路输出电压波形有一定影响。随着电路工作温度的升高，电路的输出电压在降低。所以在测量微电流的时候，应该要尽量保持温度在一恒定值，

西南交通大学重点实验室项目报告书 第26页 以减少实验时的误差。

4．6 高频下微电流测量电路的研究

前面对电路的仿真结果显示，电路在0.001Hz~1MHz频率范围内的输出电压基本和理论计算值相等，由此可以证明，该电路是在中低频范围可以正常工作，那么对于高频测量，又该如何实现呢？

高频下微电流测量电路的实现，主要要解决电路高频带来的噪声干扰问题。因为在电路中，除了电阻部分，还包含容抗和感抗部分，特别是感抗，随着频率的增高，电感部分是产生噪声的主要因素。对于这种高频噪声问题，要设计有针对性的低通滤波电路。

低通滤波可以实现让某一频率范围内的信号通过，有效地过滤掉高频噪声信号。电路如图4.9所示。

图4.9 低通滤波电路

4．6．1 高频的电路原理图

在Capture CIS的Schematic窗口绘制的电路原理图如图4.10所示，各元件参数如下，其中输入端为幅值为0.5uA的交流电流，经过放大器两级放大，利用Pspice的AC Sweep/Noise（交流/噪声分析），得出电路的输出端Vout的电压随信号频率改变的波形。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第27页

图4.10 电路原理图

4．6．2 仿真分析

仿真参数对Simulation Setting进行设置，设置如图4.11。

图4.11 仿真参数的设置

从图4.11可以看到，设置的扫描类型为对数，扫描频率从1000kHz至1GHz，取值点1000个，波形图如图4.12所示。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第28页

图4.12 输出电压波形图

从图4.12仿真结果可以看出，电路在1MHz~1.5MHz频率范围内输出电压约为10V，和理论计算值基本一致。但是随着频率的升高，输出电压波形在衰减，到10MHz左右电压衰减至0V。所以，电路对频率范围有一定的要求，超出该范围就不能测量输出电压的波形。

1、绝缘纸与电极之间的油隙对介电测试会造成影响。软件仿真结果显示，在绝缘 纸板和驱动电极之间，绝缘纸和感应电极之间均有一小电流分量与电极平面平行流过， 它可能会干扰测量结果。频率越高流过的电流更大。分析对比测试结果和数学计算结 果，当油隙较小（低于2mm）时，整个系统的频率响应与计算所得油纸绝缘的频率响 应十分接近，最大的误差在10%以内，因此当油隙较小时可以忽略其对油纸绝缘频率 响应测试的影响。

2、当测试频率在0.01Hz~100Hz 范围内时，油纸绝缘微水含量相同时的老化绝缘 纸板的复介电常数大大高于新绝缘纸板，但老化后的油纸绝缘介电频谱与新的油纸绝 缘介电频谱相比，形状并未发生太大变化。如果不考虑老化产生的传导性物质对介电 测量影响的话，将会造成对油纸绝缘微水含量的评估结果比实际微水含量高的影响。

3、当测试频率低于100Hz 时，随着温度的升高油纸绝缘的复介电常数增大；而在 高频(频率大于1000Hz)范围内，上述的这种现象并不明显。总体而言，油纸绝缘的介 电频谱受温度的影响很大。但对大多数材料而言，包括油浸纸板，只要是结构没有因 温度超出范围发生改变，其响应的频谱形状不会随温度而变化。其中复介电常数的实

西南交通大学重点实验室项目报告书 第29页 部符合于双指数函数曲线分布，而虚部更符合于单指数函数曲线分布。

4、不同微水含量油纸绝缘试样的复介电常数实部在频率低于100Hz 范围时，随着 微水含量增大而显著增大。但当频率大于100Hz 时，没有此趋势，其值基本没有发生 变化。而不同微水含量油纸绝缘试样的复介电常数的虚部在0.01Hz~1kHz 频率范围内， 其值随着微水含量增大而显著增大，当超出1kHz 范围时虚部值基本不随微水含量增加

而增大。此外，微水含量高(2%~4%)的试样在低频范围内(低于100Hz)复介电常数的实部和虚部均增长较快，说明微水含量越高时对复介电常数的影响越大。

除了电路本身的需要改进外，放大器芯片的选择也很重要。采用针对高频的放大器，如MAX472 等新型集成的电流/电压转换芯片可克服上述检测方法的缺点, 实现高频微电流电路的高精度测量。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第30页

总结与展望

本论文首先了解油浸式变压器的油纸绝缘系统，分析总结目前油纸绝缘状态的诊断技术，说明当今国内外研究现状和进展，然后学习变压器油纸绝缘的电介质响应法，研究基于电介质频率响应的频域谱法（FDS），重点研究油纸绝缘电介质频率响应测试中的微电流测量，对其进行放大电路的设计，并运用Pspice仿真软件对电路进行仿真分析，为电路放大器、各电阻、电容的选择提供参考，仿真分析了不同温度下对电路的影响。在实验室条件下，模拟变压器油纸绝缘系统，根据电路搭建电路模型，进行频率响测试实验，并对实验结果提出改进方法。

在论文研究基础上，今后还可以进一步开展的工作有：

本实验的微电流测量电路是在参考有关文献的基础上设计出来的，根据Pspice的仿真结果，我们将完成硬件电路的搭建、测试及改进。 总结：

2011年的寒假，我们组就开始了重点实验室项目设计工作，时至今日，历时将近半年的时间，实验理论设计基本完成。想想这段难忘的岁月，从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个实验过程难以用语言来表达。从最初的无从下手的茫然，到周老师点拨后的得豁然开朗，有了研究方向；刚开始接触PSPICE仿真软件时就像披了一层浓浓的迷雾，于是我们借图书参阅、网上查找资料、小组成员之间相互交流探讨、向学长请教，慢慢开始了解电路图的设计、绘制、参数设定，当在PSPICE上进行一次次仿真后，当设计经过一次次的修改后，基本成形的时候，我们倍感快乐，满满的小成就。

通过这次工程实践我明白了自己原来知识还比较欠缺，要加强动手实践能力。自己要学习的东西还太多，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。注重理论与实践的相结合。

通过这次实验，我们学到了很多。在最初的查阅相关文献，搜集相关资料中，我们了解到了基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术及系统研究的深奥，引起了我们探讨研究的兴趣。在油纸绝缘电介质响应相关理论的学习中，虽然屡屡受挫，但是在不断地进步中我们学到了知识，学到了团队的合作，更学到了科研的精神---锲而不舍，勇于钻研。随着仿真的进行，虽然由于时间紧迫，没有进行硬件电路的实际操作，但是我们会在日后的学习中不断思考，将科研进行到底！！！

最后，感谢周立军老师百忙之中的指导及王晓剑学长的点拨，感谢全体小组成员的积极参与配合。

西南交通大学重点实验室项目报告书 第31页

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m5z7.html