基于去極化電流子譜線的 油紙絕緣老化評估

吳文宣 張孔林 蔡金錠 施廣宇 李安娜

（1.國家電網(wǎng)福建省電力公司，福州 350001；2.福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007； 3.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

油紙絕緣設備在長期運行過程中，受到電、熱、機械等因素的影響，其內(nèi)部絕緣材料的微觀分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時產(chǎn)生水、醛、酸、酮等強極性老化產(chǎn)物，使得油紙絕緣系統(tǒng)的介電特性發(fā)生改變[1]。目前用于油紙絕緣老化狀態(tài)評估方面的技術和方法眾多，在這些方法中有非電氣特征量分析方法和電氣特征量判別法[2-4]。近年來，基于時域介電響應理論的電氣特征量判別法頗受國內(nèi)外學者的關注，其中極化去極化電流（PDC）方法能有效地反應油紙絕緣老化狀態(tài)也廣受研究[5-6]。大多學者采用實驗方法研究去極化電流曲線與老化程度、溫度等的關系，但只是定性地分析在不同情況下去極化電流曲線的變化，而對去極化電流內(nèi)部弛豫特性與油紙絕緣老化狀況的關系少有研究。

針對上述文獻中出現(xiàn)的不足，本文研究去極化電流內(nèi)部弛豫特性，并提出去極化電流子譜線的油紙絕緣老化判別方法。該方法首先基于擴展德拜模型等效電路建立指數(shù)式衰減的去極化電流函數(shù)，從中提取子譜線和子譜線能量這兩個特征量。其次，探討子譜線能量與絕緣老化狀況的關系，從而得到油紙絕緣老化的判別方法，并進一步進行驗證。最后，研究子譜線與油紙絕緣成分的對應關系，為進一步區(qū)分油或紙的老化奠定良好的基礎。

1 等值電路模型及去極化電流函數(shù)

基于擴展debye 模型[7]的介質(zhì)響應等效電路常用來分析油紙絕緣系統(tǒng)的復雜極化過程，如圖1所示。

圖1 基于擴展debye 模型的介質(zhì)響應等效電路

Rg是油紙組合絕緣嚴格物理意義上的絕緣電阻，反映油紙組合絕緣的電導情況，Rg可以通過最大時間處極化電流與去極化電流之差與直流電壓的比值得到；Cg是絕緣系統(tǒng)的幾何電容，其為工頻下的測量電容；利用n條RC 串聯(lián)支路的并聯(lián)電路來等效極化電路。

將開關K 合在1 處，即在油紙絕緣設備的絕緣機構(gòu)兩極施加直流脈沖高電壓U0，在時間段tc內(nèi)對油紙絕緣設備充電，電介質(zhì)處于極化過程，此時流過電介質(zhì)的電流為極化電流ip；然后然后將開關K合在2 外，即油紙絕緣設備的兩極短路，放電td時間，此時電介質(zhì)處于去極化過程，測量流過電介質(zhì)中的反向去極化電流id，直至趨近于零為止。形成曲線如圖2所示。

去極化電流id反映了油紙絕緣設備內(nèi)部不同電介質(zhì)的弛豫響應變化過程，其函數(shù)表達式為[8]

圖2 極化去極化電流測試過程

式中，C0為真空電容值，n表示介質(zhì)中弛豫機構(gòu)的個數(shù)，也稱為極化支路數(shù)，τi為弛豫機構(gòu)的響應時間，Ai表示第i個弛豫機構(gòu)的權(quán)重系數(shù)，Bi=C0U0Ai，它表示第i項弛豫機構(gòu)對去極化電流的貢獻。

從式（1）可以看到，n條極化支路共同作用的去極化電流可以看成n個指數(shù)衰減項疊加而成，本文稱每個指數(shù)衰減項為去極化電流的子譜線idi，其表達式如下所示：

另外，引入一個新的特征量——子譜線能量Qi，其表達式如式（4）所示

Qi能說明各子譜線能量積累和釋放的過程，通過求取子譜線能量，可更好地獲悉各個子譜線變化的微觀過程。

而根據(jù)電介質(zhì)理論，去極化電流屬于介質(zhì)中的吸收電流，它與弛豫極化強度Pr的關系為[9]

S為吸收電流所流經(jīng)的介質(zhì)截面積，與介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)有關，它隨老化的的變化程度不大。

式（5）經(jīng)變換有

通過比較式（4）和式（6）可知，各弛豫機構(gòu)的子譜線能量與其相應的極化強度是相關的，因此 可以用子譜線能量Qi來表征絕緣介質(zhì)的極化強度， 其能更直觀的判別油紙絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)。

2 應用子譜線能量分析油紙絕緣老化狀況

2.1 子譜線能量與老化狀況關系

本文對多臺變壓器的去極化電流測試數(shù)據(jù)進行仿真和分析，由于篇幅限制，現(xiàn)以下面兩臺不同絕緣狀況的變壓器如表1所示為例，研究子譜線能量與不同老化狀況的關系。

表1 變壓器的基本信息

利用去極化電流測試法對上述兩臺變壓器進行測試，試驗回路示意圖如圖3所示。靜電計內(nèi)置直流高壓電源和高精度電流表，A 為高精度的測量儀表，能夠把微小的極化去極化電流數(shù)值記錄下來。開關1 和2 的功能與圖1的一致。

圖3 試驗回路示意圖

在充電電壓為2000V，充電時間和放電時間都為1000s 時，測試得到的去極化電流曲線如圖4所示。

圖4 不同老化程度的去極化電流測試曲線

在去極化電流測量數(shù)據(jù)的情況下，采用最小二乘擬合法可以求解出各支路參數(shù)、時間常數(shù)和對去極化電流的貢獻Bi。

隨著支路數(shù)的增加，未知數(shù)也會增加，這將使參數(shù)計算更加困難。文獻[10]采用6 條極化支路時的計算結(jié)果已能較準確地吻合試驗數(shù)據(jù)，因此，筆者采用6 條極化支路進行計算分析。下面利用最小二乘擬合法[11]，求解出T1和T2變壓器的參數(shù)如表2和表3所示。

表2 T1 變壓器的等效電路參數(shù)

表3 T2 變壓器的等效電路參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有判別方法：去極化電流的Debye 模型中最大和最小時間常數(shù)對應的R、C可作為表征油紙絕緣老化程度的特征量[12]，再結(jié)合表2和表3結(jié)果，可以判斷T1的絕緣情況比T2的好。

根據(jù)式（4），子譜線能量Qi=Biτi，可以得到三臺變壓器的子譜線能量見表4。

表4 不同變壓器的子譜線能量

從表4可以看到，T2變壓器絕緣老化嚴重，其子譜線能量比T1變壓器大。子譜線能量Qi隨絕緣水平的降低而顯著增加，因此它可以作為老化診斷的新特征量。與現(xiàn)有判別方法對比，子譜線能量對老化變化更加靈敏，不同老化程度的子譜線能量差別大。為說明該結(jié)論的正確性，下面進行進一步驗證。

2.2 結(jié)論驗證

為證實子譜線能量可以作為老化診斷的新特征量，本文另取文獻[4]的三條不同老化程度絕緣系統(tǒng)的去極化電流曲線進行分析，如圖5所示。

圖5 不同老化程度的去極化電流測試曲線

采用上述求解方法，可以得到不同老化程度的去極化電流子譜線能量見表5。

表5 不同老化程度的子譜線能量

根據(jù)表5的分析結(jié)果，應用子譜線能量隨絕緣水平的降低而顯著增加這一結(jié)論，則可分別判斷出三條去極化電流代表的絕緣狀況：DP=1221 的子譜線能量最低，DP=1221 的老化程度比 DP=520、DP=156 輕，絕緣狀況最好；而在三者中DP=156 的子譜線能量最高，則其老化程度比 DP=1221、DP=520 嚴重，絕緣狀況最差。

以上分析判斷結(jié)果，與三條去極化電流代表的絕緣實際情況是相吻合的。這同時驗證了本文提出的老化判別方法的正確性和可行性。

3 油紙絕緣成分與子譜線的對應關系

油紙絕緣介質(zhì)的去極化電流是介質(zhì)中各項弛豫機構(gòu)共同作用的結(jié)果，許多學者已通過實驗證實了變壓器油、紙對去極化電流的不同影響。由此，尋找絕緣不同成分與去極化電流變化的關系，以及導致去極化電流產(chǎn)生相應變化的子譜線，既可建立絕緣不同成分與子譜線的對應關系。

絕緣油在電場作用下以電子位移極化為主，其極化時間短，對應的時間常數(shù)小，其產(chǎn)生的極化電流衰減較快，主要影響去極化電流的初始部分；而絕緣紙在電場作用下以偶極子轉(zhuǎn)向極化為主，其極化時間較長，對應的時間常數(shù)大，主要影響去極化電流的末端部分[13]。

以上述的T1變壓器為研究對象，將電路參數(shù)中6 條子譜線分為兩組，這兩組時間常數(shù)分別反映了不同絕緣介質(zhì)極化特性。一組為時間常數(shù)較大的子譜線（時間常數(shù)大于100s，對應于表2中的子譜線1）；一組為時間常數(shù)較小的子譜線（時間常數(shù)小于100s，對應于表2中的子譜線2、3、4、5 和6），它們反映絕緣介質(zhì)的緩慢極化過程。下面仿真分析模型子譜線變化時對去極化電流產(chǎn)生的影響，如圖6所示。

圖6 子譜線改變的去極化電流仿真圖

圖6（a）可見，當濾除原有模型中的大時間子譜線后，去極化電流末段發(fā)生塌陷，所以去極化電流末端主要由大時間常數(shù)子譜線支持。而圖6（b）為小時間常數(shù)子譜線對去極化電流的影響，小時間常數(shù)子譜線主要作用于去極化電流的前段。

結(jié)合油紙絕緣成分與去極化電流曲線的關系和各時間常數(shù)子譜線對去極化電流的影響可以得到結(jié)論如下：

1）絕緣油的狀態(tài)與小時間常數(shù)子譜線相關，對應去極化電流曲線的初始部分。

2）絕緣紙的狀態(tài)與大時間常數(shù)子譜線相關，對應去極化電流曲線的末端部分。

4 結(jié)論

本文不再只是定性地分析在不同情況下去極化

電流曲線的變化，而是從去極化電流內(nèi)在弛豫特性進行分析，從中挖掘老化診斷的新特征量，具有一定的應用價值。研究結(jié)果如下：

1）n條極化支路共同作用的去極化電流含有n條子譜線。

2）子譜線能量對老化變化靈敏，它隨絕緣水平的降低而顯著增加，因此它可以作為老化診斷的新特征量。

3）油紙絕緣成分與子譜線關系密切，絕緣油的狀態(tài)與小時間常數(shù)子譜線相關，絕緣紙的狀態(tài)與大時間常數(shù)子譜線相關。

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