變壓器電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)研制

劉 君，張華強(qiáng)，王 華，胡敏恒，李 波

(成都電業(yè)局，四川 成都 610041)

變壓器承擔(dān)著電壓的轉(zhuǎn)化及能量傳輸，是電力系統(tǒng)最重要設(shè)備之一，其絕緣狀態(tài)關(guān)系著牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及可靠性。變壓器長期經(jīng)受過負(fù)荷沖擊，絕緣故障(尤其是繞組變形等機(jī)械作用引起的絕緣故障)的發(fā)生頻率較高［1，2］。油紙絕緣狀態(tài)及其性能將嚴(yán)重影響變壓器絕緣的電氣壽命和機(jī)械壽命，如何對變壓器油紙絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估一直是業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的技術(shù)難題［3，4］。變壓器絕緣狀態(tài)評估傳統(tǒng)測試法(如絕緣電阻測量、介質(zhì)損耗正切測量等)局限于單個信息，提供的絕緣信息少，所受干擾因素多，難以建立絕緣狀態(tài)與測試結(jié)果對應(yīng)關(guān)系。電介質(zhì)響應(yīng)法作為一種新的絕緣測試方法，其研究始于20世紀(jì)80年代，90年代后回復(fù)電壓法、極化去極化電流法等時域電介質(zhì)響應(yīng)法陸續(xù)涌現(xiàn)［5，6］，而頻率響應(yīng)法由于所獲信息量大、測試電源電壓低而受到廣泛關(guān)注［7-9］。因此有必要開展電介質(zhì)頻率響應(yīng)法的變壓器絕緣狀態(tài)評估［9，10］。下面闡釋了電介質(zhì)頻率響應(yīng)原理，研制了微電流測試系統(tǒng)、信號采集、信號處理、上位機(jī)軟件等組成的電介質(zhì)頻率響應(yīng)系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場220 kV變壓器狀態(tài)測試評估。

1 電介質(zhì)頻率響應(yīng)原理

在平板電容兩端加上時變電壓U(t)，將產(chǎn)生空間均勻電場E(t)=U(t)/d，d為電極間距離。電極兩端產(chǎn)生電位移D(t)，由真空即時貢獻(xiàn)ε0E(t)(ε0為真空介電常數(shù))和慣量延遲的極化響應(yīng)P(t)所組成［11，12］，即

根據(jù)電介質(zhì)物理，極化響應(yīng)的傅里葉變換可表示為［19］

式中，ε∞為極高頻介電常數(shù);ω為角頻率;χ(ω)為頻率相關(guān)的復(fù)極化系數(shù)。

由于麥克斯韋方程式定義的全電流包括電導(dǎo)電流及位移電流［19］，即電流密度為

式中，σ0為直流電導(dǎo)率，式(3)的傅里葉變換為

式中，ε'(ω)為復(fù)介電常數(shù) ε(ω)實部;ε″(ω)為虛部;復(fù)極化常數(shù)的實部表示了位移電流與激勵電場垂直的部分，對損耗無貢獻(xiàn);而其虛部給出了位移電流與激勵電場同相位的部分，為損耗部分。因此，極化過程可以通過測試激勵電壓下的響應(yīng)電流幅值和相位來研究［11，12］。系統(tǒng)響應(yīng)電流為

式中，I(ω)為響應(yīng)電流;U(ω)為激勵電壓;C0為幾何電容;C'(ω)、C″(ω)分別為復(fù)電容 C(ω)的實部及虛部。在不同頻率范圍內(nèi)，油紙復(fù)合絕緣老化、溫度、微水含量將改變其值。

2 電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)

所研制的電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)包括微電流測試系統(tǒng)、信號采集、數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)軟件等，圖1為裝置系統(tǒng)圖。

圖1 電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)圖

2.1 微電流測試系統(tǒng)

變頻驅(qū)動系統(tǒng)采用XD5A超低頻信號發(fā)生器，頻率范圍為0.001～1000 Hz，誤差為＜1.5%，最大輸出電壓/電流為100 V/50 mA，正弦信號失真度為＜0.2%。如果測試對象的電容為1000 pF，根據(jù)歐姆定律，流過試樣電流為

在0.001 Hz，驅(qū)動電壓100 V情況下，流過的電流為0.628×10-9A。因此，響應(yīng)信號非常微弱，測得的信號非常容易受到外界噪聲干擾。因此，對信號提取以及信號調(diào)理電路要求非常高。

(1)信號提取

根據(jù)圖1所示的電介質(zhì)頻率響應(yīng)現(xiàn)場測試系統(tǒng)圖，測試對象為流過待測試樣的微電流。為方便測量，通過I-V轉(zhuǎn)換電流將待測電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。反饋電流放大型測量電路在頻率響應(yīng)特性及轉(zhuǎn)換線性方面的優(yōu)異性能，測量電路的設(shè)計是基于反饋式電流放大器型I-V轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。根據(jù)電路原理，可以得出

圖2 I-V轉(zhuǎn)換電路原理

根據(jù)需要放大倍數(shù)，通過選取適當(dāng)?shù)腞f值即可實現(xiàn)。微電流測試時，運(yùn)放的輸出誤差還受失調(diào)電壓VOS、偏置電流Ib影響，選擇的運(yùn)放需滿足:偏置電流Ib＜被測電流Is，輸入阻抗Ri＞＞反饋電阻Rf;增益、共模抑制比高;失調(diào)電壓及漂移小;噪聲小。因此，根據(jù)以上所提到的對運(yùn)放的要求，該測試儀選用TI公司的OPA128LM低噪聲放大器。

(2)信號放大

由于Rf一般達(dá)到M級，其雜散電容使測試信號產(chǎn)生畸變。圖3所示的電路為雜散電容消除電路，其中Cf為電路中的雜散電容，R1與C1為外加的RC網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)整電阻R1和電容C1的取值，使其滿足

從而達(dá)到消除寄生電容的影響。

圖3 雜散電容消除電路

由于待測電流信號為10-9A，所需放大倍數(shù)較高，設(shè)計兩級放大電路。系統(tǒng)電路如圖4所示，通過一個500 MΩ電阻和120 pF的電容的并聯(lián)電路作為油紙復(fù)合絕緣的模型，Rf為10 MΩ，其引入的雜散電容通常為0.5 pF，則根據(jù)式(5)～(3)選取R1為5 kΩ，C1為1 nF配合組成雜散電容消除電路;在第二級放大電路中，放大倍數(shù)為R3/R2=10，其阻值分別為100 kΩ和10 kΩ，由于這兩個電阻為kΩ級，故其雜散電容可忽略不計，微電流測試電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是采用NETVI-4712型8通道數(shù)據(jù)采集儀。其采樣頻率為2.5 K～50 M，A/D分辨率為12 bit，直流精度為±0.2%(FS)，交流精度為 ±0.5%(1000 Hz)，通道間相差 ＜1°(3 ×105Hz)，輸入信號帶寬為0～15 MHz。采集軟件是基于DaqView 2.11為基層軟件開發(fā)，系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌l率條件下的介質(zhì)響應(yīng)信號采集，其采集界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集界面

2.3 上位機(jī)軟件

采用C++builder編制上位機(jī)軟件，對采集信號進(jìn)行處理。通過幾何可換算為復(fù)介電常數(shù)，通過測試輸出電壓與微電流幅值及相角差來計算待測對象復(fù)電容的實部及虛部，并可通過幾何C0按式(6)換算為復(fù)介電常數(shù)。輸出電壓與微電流之間的相角利用過零比較法得到，上位機(jī)界面如圖6所示。

所建立的電介質(zhì)頻率響應(yīng)現(xiàn)場測試系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)測試頻率范圍為0.001～1000 Hz，最大輸出電壓/電流為100 V/50 mA，測試對象范圍為100 pF ～100 μF。

圖6 測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面

圖7 電介質(zhì)響應(yīng)現(xiàn)場測試系統(tǒng)

3 變壓器電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試

基于電介質(zhì)響應(yīng)的基本原理，選取兩臺220 kV油浸式變壓器進(jìn)行電介質(zhì)響應(yīng)測試，進(jìn)行電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試評估。1號變壓器投運(yùn)時間為2009年9月，2號變壓器投運(yùn)時間為2004年8月。變壓器停電后，解除連接在變壓器高低壓套管的所有引線，將變壓器整體隔離，低壓側(cè)套管并聯(lián)，高壓側(cè)套管并聯(lián)，對高低壓套管間變壓器主絕緣進(jìn)行電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試，接線方式如圖8所示，測試結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，所研制的變壓器電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)能有效地測試出220 kV變壓器主絕緣電介質(zhì)頻率響應(yīng)。由于1號主變壓器投運(yùn)時間較2號主變壓器晚5年，測試結(jié)果能反映出1號主變壓器絕緣狀態(tài)優(yōu)于2號主變壓器。

圖8 現(xiàn)場接線原理圖

圖9 變壓器高低壓繞組主絕緣電介質(zhì)頻率響應(yīng)

4 結(jié)論

根據(jù)電介質(zhì)理論，闡釋了電介質(zhì)頻率響應(yīng)原理，研制了微電流測試系統(tǒng)、信號采集、信號處理、上位機(jī)軟件等組成的電介質(zhì)頻率響應(yīng)系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場220 kV變壓器主絕緣電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試。所研制的變壓器電介質(zhì)頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)能有效地測試出220 kV變壓器主絕緣電介質(zhì)頻率響應(yīng)。測試結(jié)果能反映其絕緣狀態(tài)。

［1］M.Wang，A.J.Vandermaar，K.D.Srivastava.Review of Condition Assessment of Power Transformers in Service［J］.IEEE Elec.Insul.Mag.，2002，18(6):12-25.

［2］L.E.Lundgaard，W.Hansen，D.Linhjell，T.J.Painter.Aging of Oil-impregnated Paper in Power Transformers［J］.IEEE Trans.Power.2004，19(1):230-239.

［3］劉君，吳廣寧，周利軍，等.油紙絕緣體系微水?dāng)U散的分子模擬［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(12):2907-2912.

［4］T.K.Saha，Z.T.Yao.Experience with Return Voltage Measurements for Assessing Insulation Conditions in Service-aged Transformers［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2003，18(1):128-135.

［5］T.K.Saha，P.Purkait.Investigation of Polarization and Depolarization Current Measurements for the Assessment of Oil-paper Insulation of Aged Transformers［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11(1):144-154.

［6］Linhjell D，Lundgaard L.Dielectric Response of Mineral Oil Impregnated Cellulose and the Impact of Aging［J］.IEEE Trans.on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(1):156-169.

［7］Jun Liu，Lijun Zhou，Guangning Wu，et al.Dielectric Frequency Response of Oil-paper Composite Insulation Modified by Nanoparticles［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.2012，19(2):510-520.

［8］S.L.M.Berleze，R.Robert.Response Functions and After-effect in Dielectrics［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，10(4):665-669.

［9］J.Blennow，S.M.Gubanski.Field Experiences with Measurements of Dielectric Response in Frequency Domain for Power Transformer Diagnostics［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.2006，21(2):681-688.

［10］L.J.Zhou，G.N.Wu，J.Liu，Modeling of Transient Moisture Equilibrium in Oil-paper Insulation［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(3):872-878.

［11］Jonscher A K.Dielectric Relaxation in Solids［M］.London:Dielectrics Press Limited，1996:66-110.

［12］殷之文.電介質(zhì)物理學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:57-65.