油紙絕緣變壓器非標(biāo)準(zhǔn)極化譜的仿真研究

蔡金錠， 王凱

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州350108)

0 引言

油紙絕緣變壓器的絕緣狀況好壞不僅直接關(guān)系到其自身的正常運(yùn)行，更為重要的是其與全社會的安全穩(wěn)定發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，同時變壓器絕緣狀態(tài)在線無損檢測是絕緣診斷技術(shù)的研究趨勢，所以基于介質(zhì)響應(yīng)理論的回復(fù)電壓法應(yīng)運(yùn)而生，通過追蹤介質(zhì)極化特性的變化，將絕緣老化受潮情況與回復(fù)電壓特征參數(shù)與極化譜結(jié)合研究，確立之間的對應(yīng)關(guān)系，最終通過監(jiān)測這些參數(shù)的變化對變壓器的絕緣狀況進(jìn)行有效評估。

在回復(fù)電壓現(xiàn)場測試過程中，由于外界多種因素的影響，獲取的回復(fù)電壓極化譜可能出現(xiàn)畸變，如產(chǎn)生局部峰值等。而目前，國內(nèi)外許多文獻(xiàn)也都涉及到非標(biāo)準(zhǔn)極化譜的研究現(xiàn)狀，如文獻(xiàn)［1］中對影響回復(fù)電壓極化譜的多種外界因素(殘余電荷、溫度和環(huán)境干擾等)進(jìn)行研究，且通過與現(xiàn)場實(shí)際測試獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合，驗(yàn)證其對極化譜的畸變作用;M.H.Li等人在文獻(xiàn)［2］中也指出濕度、溫度等環(huán)境因素會對極化譜產(chǎn)生影響，同時指出通過回復(fù)電壓極化譜可有效評估絕緣老化和受潮狀況;J.P.Van Bolhuis等人的研究表明，油紙絕緣變壓器的絕緣狀態(tài)較差時，其回復(fù)電壓極化譜可呈現(xiàn)為非標(biāo)準(zhǔn)極化譜［3］。而對非標(biāo)準(zhǔn)極化譜所隱含的絕緣狀態(tài)信息的研究相對較少，本文則是在基于忽略外界因素干擾時，仍可測得含局部峰值的非標(biāo)準(zhǔn)極化譜情況進(jìn)行仿真研究，通過等值電路模型探討極化譜非標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)在原因。

1 回復(fù)電壓法測量法

回復(fù)電壓法以介質(zhì)響應(yīng)理論為基礎(chǔ)，通過在絕緣介質(zhì)兩端施加直流高壓，進(jìn)行充放電處理后，由于絕緣介質(zhì)的極化特性，可獲取絕緣兩端的回復(fù)電壓，研究其與老化受潮之間的對應(yīng)關(guān)系，從而建立回復(fù)電壓對絕緣狀態(tài)診斷的相關(guān)依據(jù)。

回復(fù)電壓法的一次測試流程包括充電、放電、測量和松弛四個階段，其測量示意圖如圖1所示。具體測試步驟如下:1)首先斷開開關(guān)S2、S3，閉合開關(guān)S1，直流電源U對變壓器進(jìn)行充電，絕緣介質(zhì)呈現(xiàn)極化反應(yīng)，在介質(zhì)兩端束縛大量電荷;2)經(jīng)過充電時間tc后，斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2，開關(guān)S3仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，對變壓器進(jìn)行放電，則其處于去極化過程，原兩極束縛電荷被釋放為自由電荷，產(chǎn)生去極化電流;3)當(dāng)放電時間達(dá)到td時，斷開開關(guān)S1、S2，接通開關(guān)S3，若去極化過程還在繼續(xù)，剩余的自由電荷將在兩極形成回復(fù)電壓，并對其回復(fù)電壓特征參數(shù)(回復(fù)電壓最大值Urmax、初始斜率Si以及中心時間常數(shù)tpeak)進(jìn)行記錄;4)將變壓器殘余電荷徹底放電，為下次測試做準(zhǔn)備［4］。

圖1 回復(fù)電壓測量示意圖Fig.1 Test circuit of return voltage measurement

逐步改變充電時間tc，循環(huán)進(jìn)行回復(fù)電壓測試，可獲取各充電時間下的回復(fù)電壓最大值Urmax，生成各次充電時間tc與回復(fù)電壓最大值Urmax之間的關(guān)系曲線，即回復(fù)電壓極化譜。具有唯一峰值的標(biāo)準(zhǔn)極化譜可準(zhǔn)確診斷變壓器絕緣狀況［5－6］，如圖2的(a)和(b)所示，但由于受到環(huán)境因素干擾、殘余電荷和變壓器絕緣狀態(tài)的改變等影響，回復(fù)電壓極化譜就可能出現(xiàn)畸變，即非標(biāo)準(zhǔn)極化譜，如圖2中的(c)與(d)分別為總體平坦和含局部峰值的非標(biāo)準(zhǔn)極化譜。

圖2 4種常見極化譜Fig.2 Four common polarization spectrums

2 非標(biāo)準(zhǔn)極化譜建模與仿真

2.1 非標(biāo)準(zhǔn)極化譜建模

油紙絕緣變壓器的絕緣介質(zhì)主要由變壓器油和絕緣紙等組成，本文采用基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等值電路來作為仿真模型［7］，如圖3所示，其忽略絕緣的幾何結(jié)構(gòu)，可反映絕緣系統(tǒng)存在多種不同弛豫時間下的介質(zhì)響應(yīng)過程，其中Cg和Rg分別為變壓器的幾何電容與絕緣電阻，其在仿真中主要對極化譜的回復(fù)電壓幅值產(chǎn)生影響，各條RC支路將表征極化過程中不同的松弛環(huán)節(jié)，極化電阻Rpi、極化電容Cpi值與支路數(shù)N可作為絕緣系統(tǒng)的宏觀表征，且其將隨著絕緣系統(tǒng)狀態(tài)的不同而發(fā)生改變，下文的工作重點(diǎn)也是研究其與絕緣狀態(tài)、回復(fù)電壓極化譜之間的關(guān)系。

圖3 基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等值電路Fig.3 Dielectric response equivalent circuit based on extended Debye model

2.2 各時間支路對極化譜影響的仿真

2.2.1 時間常數(shù)對極化譜影響

保持幾何電容Cg和絕緣電阻Rg恒定，仿真分析支路數(shù)不變時，各支路中的極化電阻Rp和極化電容Cp變化對變壓器極化譜的影響，如圖4所示。

圖4(a)小時間常數(shù)支路參數(shù)發(fā)生變化時獲得的極化譜仿真圖，由圖可知，小時間支路主要對回復(fù)電壓極化譜前段產(chǎn)生影響，當(dāng)保持小時間常數(shù)RpCp為定值，隨著極化電阻Rp的下降，極化電容Cp的增加，極化譜前段的回復(fù)電壓最大值Urmax相應(yīng)增大，其它部分Urmax值基本不變，從而可形成局部峰值，但當(dāng)小時間常數(shù)增大時，達(dá)到該局部峰值所對應(yīng)的充電時間也增大，即局部峰值向右偏移，而此時極化譜主時間常數(shù)仍保持不變。而圖4(b)和(c)分別為中時間與大時間支路參數(shù)發(fā)生變化對極化譜的影響，中時間常數(shù)支路的變化主要對極化譜中段產(chǎn)生較大影響，而大時間常數(shù)支路的變化影響則主要相對于極化譜的末段，隨著各時間常數(shù)支路對應(yīng)的極化電阻Rp和極化電容Cp的改變，相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的極化譜將發(fā)生變化，不僅可出現(xiàn)局部峰值，且該峰值所對應(yīng)的充電時間tc將隨著絕緣系統(tǒng)弛豫時間的增大而增大，反之，則將減小。

綜上，各時間常數(shù)支路的極化電阻Rp與極化電容Cp的改變會使極化譜各對應(yīng)區(qū)段產(chǎn)生影響。當(dāng)其絕緣狀態(tài)變差時，油紙絕緣變壓器的等值極化電阻Rp會隨著電導(dǎo)率的提高而降低，極化電容Cp會隨著絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)增大而增大，通過上文仿真可知，所獲取的極化譜就可能出現(xiàn)局部峰值，且Cp與Rp的綜合效能可對局部峰值的縱向和橫向都產(chǎn)生作用。

圖4 極化電容Cp和極化電阻Rp變化時的極化譜Fig.4 Polarization spectrum of polarization capacitance Cpand polarization resistance Rpchanges

2.2.2 支路數(shù)對極化譜影響

基于同一變壓器等值模型分析支路數(shù)N對回復(fù)電壓極化譜的非標(biāo)準(zhǔn)化影響，如圖5所示。圖5分別為小時間常數(shù)支路、中時間常數(shù)支路和大時間常數(shù)支路各自對應(yīng)條數(shù)發(fā)生變化時的極化譜仿真圖，如從圖5(a)可見，隨著小時間常數(shù)支路條數(shù)的增加，極化譜前段的回復(fù)電壓最大值都有所提高，且條數(shù)越多，局部峰值越明顯，而為了便于觀察，所增加支路的參數(shù)值保持不變，所以此時條數(shù)只對極化譜局部峰值的大小產(chǎn)生影響，而若其所增加支路的時間常數(shù)也改變時，極化譜的局部峰值所對應(yīng)充電時間將隨之變動。而圖5(b)和(c)中的極化譜仿真亦有類似的規(guī)律，不再贅述。

圖5 支路數(shù)改變時的極化譜仿真圖Fig.5 Polarization spectrum of branch number changes

仿真結(jié)果表明，支路數(shù)的不同主要對各時間常數(shù)在極化譜的對應(yīng)區(qū)段有所影響，此與上節(jié)的仿真結(jié)論相吻合，且在油紙絕緣系統(tǒng)中，絕緣油代表著快速極化過程，絕緣紙代表著緩慢極化過程［8－9］，即回復(fù)電壓極化譜的前段應(yīng)該反映絕緣油的狀態(tài)，當(dāng)絕緣油受潮和老化時，小時間常數(shù)的極化電容Cp將增加，而極化電阻Rp降低，在充電時間tc較小時，去極化電流則將增大，回復(fù)電壓最大值也將相應(yīng)增大，此時極化譜前段將出現(xiàn)局部峰值，極化譜后段由于絕緣紙狀態(tài)變差同樣也可能產(chǎn)生局部峰值。此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，變壓器運(yùn)行年限越久或絕緣越差，在外電場作用下，絕緣介質(zhì)極化過程也更加復(fù)雜，則等值模型的支路數(shù)將相對增加，從而支路數(shù)N也可作為非標(biāo)準(zhǔn)極化譜的表征量。

3 試驗(yàn)研究

介質(zhì)響應(yīng)等值模型中，若極化電容Cp、極化電阻Rp和支路數(shù)N取值合理，可仿真出油紙絕緣變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)極化譜，為了對該思路進(jìn)行驗(yàn)證，本文引用一臺現(xiàn)場油紙絕緣變壓器T1的回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)來分析，該變壓器測試時已退出運(yùn)行，型號為SFZ－31500/110，其額定容量為31.5 MVA，測試時溫度為20℃，根據(jù)獲得的回復(fù)電壓特征參數(shù)對其進(jìn)行等值參數(shù)辨識，其中絕緣電阻Rg為3.414 3 GΩ，絕緣電容Cg值為58.395 5 nF，獲得的支路參數(shù)結(jié)果如表1所示。并根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)值求出回復(fù)電壓值［10］，生成計(jì)算所得的回復(fù)電壓極化譜，將二者進(jìn)行比較，如圖6所示。

表1 變壓器等值電路參數(shù)辨識結(jié)果Table 1 Equivalent circuit parameter of transformer

圖6 變壓器T1極化譜測量值與計(jì)算值比較Fig.6 Comparison of calculated and measured values on transformers T1

計(jì)算結(jié)果表明在充電時間為100 s的測量值與計(jì)算值有一定的誤差，且平均相對誤差為［11］

所以兩者的誤差在允許范圍之內(nèi)，實(shí)際測量與計(jì)算獲得的極化譜較為吻合。而測試前對變壓器充分放電，排除外界其它干擾因素，所以該獲得的非標(biāo)準(zhǔn)極化譜是變壓器T1油紙絕緣系統(tǒng)的真實(shí)反映，而前兩個回復(fù)電壓峰值處于極化譜的前段，其主要代表著絕緣油的含水量過多，由于受潮導(dǎo)致極化電阻Rp降低，而隨著其運(yùn)行年限越久，極化電容Cp和支路數(shù)N有所增大，根據(jù)仿真結(jié)果，極化譜前段可出現(xiàn)局部峰值。同時經(jīng)數(shù)據(jù)分析，第一個峰值對應(yīng)的水分含量為4.4%，第二個峰值則為2.7%，所以變壓器T1絕緣系統(tǒng)局部受潮;而與絕緣紙緩慢極化過程對應(yīng)的極化譜末段還未出現(xiàn)峰值，可認(rèn)為未知峰值對應(yīng)的充電時間更長，則絕緣紙的絕緣狀態(tài)良好。綜合分析表明，仿真分析結(jié)果與變壓器T1實(shí)際情況相符，其總體的絕緣狀態(tài)為局部受潮，但由于運(yùn)行年限已久，從安全考慮而退出運(yùn)行。

4 結(jié)語

外界環(huán)境干擾、殘余電荷等可導(dǎo)致回復(fù)電壓極化譜非標(biāo)準(zhǔn)化，然而變壓器自身絕緣情況也可影響極化譜有多個局部峰值，本文對該類型的非標(biāo)準(zhǔn)極化譜進(jìn)行仿真研究，絕緣介質(zhì)等值模型內(nèi)部參數(shù)(極化電容Cp、極化電阻Rp和支路數(shù)N)可對非標(biāo)準(zhǔn)極化譜有效表征，為局部峰值的產(chǎn)生機(jī)理提供仿真基礎(chǔ)，且仿真結(jié)果表明極化譜前段主要與絕緣油狀態(tài)相關(guān)，后段則主要受絕緣紙狀態(tài)的影響。因此，非標(biāo)準(zhǔn)極化譜亦可對絕緣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷，提高充分運(yùn)用回復(fù)電壓極化譜評估油紙絕緣變壓器絕緣狀態(tài)的效率。

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