福州大学邹阳、黄煜 等：基于微分解谱的油纸绝缘多弛豫频温机理与归一化研究

阅读提示：本文约 2400 字

频域介电谱法(Frequency domain spectroscopy, FDS)因无损、抗干扰、可在线监测等优势，成为变压器油纸绝缘评估热点。但温度变化影响测试曲线，未修正数据难以对比。本研究提出频温归一化策略，消除温度差异偏差，为油纸绝缘精准诊断提供依据。

研究背景

电力变压器是电网关键设备，其油纸绝缘老化直接影响运行安全。传统“吊芯”检查已逐渐被无损检测取代，频域介电谱法因抗干扰强、电压低且有望在线监测，成为研究热点。

FDS通过宽频带电场测量介电参数，敏感反映绝缘状态。但现场测试中，环境温度因气候、负载差异而变化，导致水分与酸性产物迁移，FDS图谱对温度高度敏感。若不校正，温差将误导评估。本研究提出基于微分解谱的频温归一化策略，消除温度误差，为油纸绝缘精准诊断提供依据。

论文所解决的问题及意义

传统FDS温度归一化多采用“主曲线”法，利用统一活化能提取频移因子对整体图谱进行归一化处理，虽在特定条件下可行，但忽略了高低频误差（图1），难以应对多弛豫耦合介质的频移偏差，难以满足复杂系统下的归一化精度需求。

研究团队基于复电容实部一阶微分特征划分油纸绝缘多弛豫区间，提出针对各区段独立频温平移的归一化策略，从机理层面提升频温归一精度，显著减小测试曲线偏差，兼顾不同老化状态下的适应性与现场应用的实用性。

图1 复电容虚部主曲线频温平移结果

论文方法及创新点

1、多频段多弛豫分解

为了揭示不同弛豫过程的温度特性，研究团队采用微分解谱技术，对宽频带FDS曲线按频段进行分解。首先通过Kramers-Kronig变换从介电响应中分离出几何电容和电导等与极化无关的分量。随后，将宽频段划分出三类弛豫区间：低频弛豫、中低频弛豫和高频弛豫区间。在中低频段，利用复电容实部一阶微分方法识别出重叠的多个弛豫峰值。基于微分谱线计算每个弛豫过程的特征频率，从而有效分离处于叠加隐藏状态的弛豫过程（图2）。

图2 多弛豫分离过程

2、频温归一化策略

针对分离出的各弛豫过程，利用Arrhenius关系计算各弛豫过程的活化能，揭示介质内部各弛豫过程对温度的响应规律；根据不同活化能等级计算不同的频温平移因子，频移不同弛豫过程分量，叠加重构出标准温度下的整体FDS介电图谱。

3、结果分析与试验验证

通过计算各弛豫活化能并提取频温频移因子，将测试图谱归一至标准温度。结果表明，传统“主曲线”法在高频段与低频段出现明显误差，而本文方法有效消除了温度误差。

老化20天试样归一化结果如图3所示，采用本文策略归一化后虚部极化分量与实际测试曲线拟合优度达98.7%。试验分析验证了该方法对多弛豫过程的分离能力及适用性，为现场油纸绝缘状态评估提供了可靠支持。

图3 老化20天试样归一化策略与主曲线法的对比

结论

1）相较传统方法，本研究所提温度归一化策略具有严谨的频温机理解释，以多弛豫活化能差异性分析为基础的归一化策略是达到高精度修正图谱的有效路径。

2）低频弛豫区、中低频区与高频弛豫区的活化能差异明显。其中，中低频段各弛豫间活化能亦有区别，呈现出随频率升高逐渐降低的趋势。

3）所提策略适用于不同老化状态样品，随老化加深，各区间弛豫活化能下降不一，反映弛豫过程对老化的敏感性差异，为绝缘老化诊断提供理论支撑。

该成果对现场绝缘状态评估具有重要价值。一方面，通过新策略可将不同环境温度下的FDS数据统一换算到标准温度，显著提高不同测试结果的可比性，避免温度因素干扰诊断判断。运维人员无需严格恒温测量，只需在不同温度下进行少量测试，即可校正数据，准确评估绝缘状态。

另一方面，不同弛豫活化能随老化的变化为绝缘寿命评估提供了新思路。例如，可以将各弛豫活化能的下降幅度作为老化程度的判据，有望提出新的老化指标。未来，该方法可与智能诊断算法结合，进一步提高油纸绝缘在线监测的准确性和智能化水平。

团队介绍

本课题组长期致力于新型电力系统关键技术研究与应用，聚焦电气主设备智能化故障诊断、交直流混合配电网运行优化、新型储能博弈技术等领域，推进产学研深度融合，助力科研成果转化。

近年来，团队与国网福建电力有限公司等多家单位联合开展科技项目合作，研究内容涵盖变压器绝缘状态评估、新型储能市场化交易模式、低碳转型策略等方面，取得一定研究成果及其应用实践，为新型电力系统的构建和安全稳定运行贡献力量。

邹阳

副教授，博士，硕士研究生导师，研究方向为电气主设备智能化故障诊断、交直流混合配电网运行优化、新型储能博弈技术等新型电力系统技术研究。

黄煜

硕士研究生，研究方向为电气系统智能化故障诊断。

本工作成果发表在2025年第5期《电工技术学报》，论文标题为“基于微分解谱的油纸绝缘多弛豫频温机理与归一化研究“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

邹阳, 黄煜, 方梦泓, 姚雨佳, 金涛. 基于微分解谱的油纸绝缘多弛豫频温机理与归一化研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(5): 1575-1586. Zou Yang, Huang Yu, Fang Menghong, Yao Yujia, Jin Tao. Study on the Mechanism and Normalization of Multi-Relaxation Frequency Temperature of Oil-Paper Insulation Based on Microdecomposition Spectrum. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(5): 1575-1586.

阅读全文

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

大赛官方微信

☎️ “电工技术学报”微信号运营编辑：13121222619（微信同号）

☎️ “CES电气”微信号运营编辑：18500877291（微信同号）

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：dgjsxb@vip.126.com

☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：dianqijishu@126.com

☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》：电话：010-63256823；邮箱：cestems@126.com

☎️ 编务：010-63256994

☎️ 订阅：010-63256817