變壓器絕緣老化模擬實驗設計與實現(xiàn)

曹海洋，楊 歡，沈建輝，嚴家明

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

0 引言

變壓器絕緣是“電氣設備故障診斷技術”課程教學中的重要部分。油紙絕緣是大型電力變壓器內(nèi)部絕緣的主要組成形式。熱環(huán)境會造成油紙絕緣性能的下降，表現(xiàn)為絕緣的破壞［1-3]。局部放電是引起絕緣老化的一個重要因素。為了研究絕緣熱老化過程中局部放電的發(fā)生規(guī)律，需對現(xiàn)場局部放電信號進行采集，分析其電氣特性的變化，根據(jù)熱老化過程中理化特征和電氣特征參數(shù)的對比研究，找出絕緣紙在不同時間段局部放電的發(fā)展規(guī)律［4-8]。

本文設計了一個模擬變壓器絕緣內(nèi)部老化的實驗平臺，在平臺上，對樣品局部放電信號進行數(shù)字化測量，然后將數(shù)據(jù)在Matlab軟件中分析其電氣特性的變化。

本文所涉及到的內(nèi)容對“電氣設備故障診斷技術”課程的日常教學和研究都有一定的幫助作用。

1 模擬實驗平臺設計

1.1 油紙絕緣系統(tǒng)設計

變壓器油的主要成分是以環(huán)烷烴、少量芳香烴和烷烴組成的一些分子量不同的碳氫類的混合物。固體絕緣材料包括層壓紙板、絕緣紙等，層壓紙板和絕緣紙都是以木漿作為原料制成的，一般情況下，纖維素中會伴隨著半纖維素或者是木質(zhì)素。本實驗采用牛皮紙，其纖維含量為100%，未經(jīng)漂白。

為了盡可能模擬真實的變壓器的內(nèi)部油紙絕緣系統(tǒng)，以使實驗得出的結(jié)論真實可靠。需對實驗樣品進行如下預處理:

(1)將變壓器絕緣紙裁剪為長寬一致的紙帶，每條絕緣紙帶質(zhì)量約為5克。

(2)將裁剪好的樣品置于真空箱中。在90攝氏度，50 Pa的環(huán)境下干燥48小時。然后在40攝氏度下真空浸油24小時。經(jīng)過上述處理，能有效排除絕緣紙中的空氣和水分。在制作時上下兩層是普通絕緣紙板(圖1-a中序號6所示)，絕緣紙板厚度為1毫米，在中間一層紙板中心裁剪出直徑為38毫米的圓孔，形成絕緣紙氣隙。

圖1 油紙絕緣系統(tǒng)模型

在實驗中，為了模擬變壓器環(huán)境，上述設計的模型要浸入密閉的裝有25號試驗油的有機玻璃容器中，同時為防止氣隙以外發(fā)生放電，上述三層絕緣紙板間都要用硅膠來進行密封處理。

1.2 實驗電路圖設計

本實驗采用脈沖電流法對局部放電信號進行測量，采用的局部放電測量裝置及接線如圖2所示。

圖2 局部放電測量系統(tǒng)

交流高壓電源由自耦調(diào)壓器和高壓實驗變壓器B構(gòu)成，靜電電壓表V監(jiān)視實驗電壓;水電阻R主要起短路保護作用;局部放電為高頻信號，采用耦合電容器Ck來耦合局部放電時的高頻脈沖電流;通過C2、C3分壓的方式來將局部放電所加高壓變成低壓信號，來測量局部放電時的電壓信號，Cx模擬變壓器局部放電的標準電極。所用儀器設備如表1所示。

表1 實驗主要儀器設備

實驗采用羅氏線圈作為電流傳感器，將其安裝在油紙絕緣系統(tǒng)末接地線處，檢測局部放電信號［9]。羅氏線圈具有良好的信號響應特性，示波器將耦合過來的局部放電信號進行顯示和存儲。

2 實驗數(shù)據(jù)測量

將1.1節(jié)介紹的經(jīng)過預處理過的油紙絕緣樣品放在老化箱中進行熱老化，按照0.2小時、0.5小時、0.9小時、1.4小時、2.8小時和4.2小時的時間間隔取出老化箱中的樣品并測量其各性能參數(shù)，用來模擬變壓器內(nèi)部絕緣6個老化階段(即:2天、5天、9天、14天、28天和42天)的氣隙放電信號。

實驗時將變壓器緩慢升壓，升壓過程中觀察示波器，當產(chǎn)生如圖3所示的穩(wěn)定局部放電信號后停止加壓［10-12]。

通過示波器觀察局部放電信號的特點，每個階段采集10組數(shù)據(jù)，每組1000個工頻周期，以完成實驗數(shù)據(jù)的測量。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

為了通過統(tǒng)計的方式獲得局部放電的特征量，需要構(gòu)造二維譜圖來發(fā)現(xiàn)局部放電的規(guī)律。采用Matlab軟件編程實現(xiàn)小波去噪，并將所有周期的放電信息統(tǒng)計在一個周期內(nèi)，橫坐標平均分成360個相位，統(tǒng)計每個相位中的放電量及其對應的相位，可以得到對應的φ－qmax譜圖、φ－qadv譜圖以及φ－n譜圖。

圖3 油紙絕緣局部放電實驗波形

(1)φ－qmax譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi)，發(fā)生的視在放電電荷最大值的分布圖，用以表示在外加電壓的不同相位上，放電電荷量大小的分布情況。如圖4所示:

圖4 不同時間段的φ－qmax譜圖

從該分布譜圖可以看出:在不同的老化階段中，在第一象限和第三象限放電比較明顯。初前期在第三象限放電更為明顯，而在第二、四象限幾乎沒有放電現(xiàn)象發(fā)生。在中期，第一、三象限放電由相似轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝幌笙薷鼮槊黠@，到后期二者都有所較低，放電最大量相同。

(2)φ-qadv譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi)，發(fā)生的視在放電電荷平均值的分布圖，用以表示在外加電壓的不同相位上，放電電荷量大小的分布情況。如圖5所示:

平均放電量的大小、相位不僅與最大放電量的大小、相位有關，還和放電次數(shù)的大小、相位有關。從平均放電量相位分布φ-qadv譜圖可以看出:在放電初前期放電比較明顯，中后期稍微減弱。

圖5 不同時間段的φ-qadv譜圖

(3)φ-n譜圖:是不同相位區(qū)間內(nèi)放電次數(shù)總數(shù)的分布圖。用以表示在外加電壓不同的相位上，放電次數(shù)的分布。如圖6所示:

圖6 不同時間段的φ-n譜圖

從φ-n譜圖可以看出:在老化過程中隨著老化時間的加長，放電次數(shù)的值整體上也不斷變化。在老化前期，放電次數(shù)的大小在穩(wěn)固地上升，而且變化的速度很快。這是因為從新紙開始的油紙絕緣的老化特征十分明顯，受到熱老化的影響很突出。在老化中期，放電次數(shù)的大小處于一個平穩(wěn)期，相對比較平衡，這是因為經(jīng)歷一個老化前期之后，油紙絕緣性能開始穩(wěn)定，而放電次數(shù)會隨著這種穩(wěn)定而飽和。但是在老化的后期，油紙的絕緣性能因為長期受電、熱和機械等多因素的影響而變?nèi)?，所以放電次?shù)突然變大。

4 結(jié)語

本文通過設計油紙絕緣局部放電實驗模型，并對六個時間段熱老化狀態(tài)下的氣隙放電信號數(shù)據(jù)進行分析來研究變壓器內(nèi)部絕緣老化。利用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，并繪制φ-qmax譜圖、φqadv譜圖以及φ-n譜圖，研究人員可以通過這些譜圖提取相關統(tǒng)計特征量做進一步的變壓器內(nèi)部絕緣老化故障識別分析。

［1] 朱德恒，嚴璋，談克雄.電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術在線檢測和狀態(tài)檢測［M] .北京:水利電力出版社，2009.3

［2] L.Satish，W.S，Zaengl，Can Fractal Features be Used for Recognizing 3-Partial Discharge Patterns，IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，Vol.2，No.3:352-359.

［3] 王曉蓉，胡龍龍，張冠軍，等.局部放電對絕緣紙性能的影響［J] .武漢:高電壓技術，2001，27(2):9-10.

［4] 張建文.電氣設備故障診斷技術［M] .北京:中國水利水電出版社，2006.

［5] Simoni L.General equation of the decline in the electric strength for combined thermal and electrical stresses［J] .Electrical Insulation，IEEE Transactions on，1984(1):45-52.

［6] Simoni L.A general approach to the endurance of electrical insulation under temperature and voltage［J] .Electrical Insulation，IEEE Transactions on，1981(4):277-289.

［7] Salama M M A，Bartnikas R.Determination of neural-network topology for partial discharge pulse pattern recognition［J] .Neural Networks，IEEE Transactions on，2002，13(2):446-456.

［8] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T417-2006《電力設備局部放電現(xiàn)場測量導則》［D] .成都:四川電力試驗研究院.2007.3.1.

［9] 吳廣寧，謝恒笙.典型電機局部放電監(jiān)測用寬頻電流傳感器及其應用的研究［J] .西安:西安交通大學學報，1996，30(6):8-13

［10] 高寧，朱德恒，談克雄，變壓器局部放電在線監(jiān)測信號中的電磁干擾及抑制［J] ，北京:電工電能新技術，1999，No.4:23-27

［11] 徐淑珍，秦松林，朱子述等，變壓器局部放電在線監(jiān)測中實用抗干擾技術［J] ，南京:電力系統(tǒng)自動化，2000，Vol.11，No.10:49-50.

［12] MATLAB 6.X的系統(tǒng)分析與設計--小波分析［M] .西安:西安電子科技大學出版社，2004.1.

［13] 孫才新，李新，楊永明.從白噪聲中提取局部放電信號的小波變換方法研究［J] .北京:電工技術學報，1999，14(3):47-50

［14] 高紅武.變壓器局部放電超高頻信號傳播特性及小波包去噪方法的研究［D] .重慶:重慶大學，2008.

［15] 嚴家明.油浸絕緣紙局部放電損傷特性研究［D] .重慶:重慶大學，2011.