應(yīng)用去極化能量譜評估變壓器絕緣老化受潮狀態(tài)

黃云程， 蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350108)

應(yīng)用去極化能量譜評估變壓器絕緣老化受潮狀態(tài)

黃云程， 蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350108)

近年來，極化/去極化電流法(PDC)作為一種研究電力變壓器絕緣老化狀態(tài)的非破壞性檢測方法得到了廣泛的應(yīng)用，但其中對于特征量的提取的研究還處在初步階段。本文基于時域介電譜理論提取出去極化能量譜，從中提取峰值能量和主時間常數(shù)兩個重要特征量。然后，利用擴(kuò)展德拜模型等效電路建立仿真模型，研究兩個特征量與老化受潮的關(guān)系，并分析能夠反映絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)與譜線的內(nèi)在聯(lián)系。仿真結(jié)果表明，不同極化電壓對特征量的提取不產(chǎn)生影響；隨著絕緣老化受潮程度的增加，譜線往左上方移動，峰值能量和主時間常數(shù)能有效、直觀和準(zhǔn)確地評估變壓器絕緣狀態(tài)；等效電路參數(shù)變化與主時間常數(shù)、峰值能量具有鮮明的內(nèi)在聯(lián)系，可輔助評估變壓器絕緣老化受潮狀態(tài)。

油紙絕緣； 極化/去極化電流； 時域； 介電譜； 特征量

1 引言

油紙絕緣變壓器是電力系統(tǒng)中的極其重要設(shè)備，它承擔(dān)著電能的輸送與電壓變換等重要任務(wù)，是電力系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)[1]。然而影響變壓器正常運(yùn)行的主要因素是油紙絕緣的老化與受潮，隨著老化受潮程度的不斷加重，將使變壓器的安全系數(shù)下降，從而影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[2]。目前，國內(nèi)外的大型電力變壓器已經(jīng)接近其運(yùn)行年限，因此能否準(zhǔn)確評估油紙絕緣老化受潮程度對于電力行業(yè)顯得極其重要[3]。

近幾年來，介質(zhì)響應(yīng)測量技術(shù)作為一種簡便、有效和無損的絕緣檢測方法，被廣泛應(yīng)用于電力變壓器油紙絕緣老化受潮狀態(tài)評估[4]。極化/去極化電流測量法(PDC)能準(zhǔn)確反映絕緣介質(zhì)在慢極化過程中的特性，評估油紙絕緣狀態(tài)[5]。目前，國內(nèi)外一些學(xué)者利用PDC對絕緣介質(zhì)響應(yīng)過程和特征量進(jìn)行研究，并建立基于擴(kuò)展德拜模型的油紙絕緣結(jié)構(gòu)介質(zhì)響應(yīng)電路模型，然而，其只針對于極化/去極化電流曲線進(jìn)行簡單討論，對于提取曲線特征量的研究不夠深入。

鑒于上述不足，本文基于時域介電譜[6,7]，提取出去極化能量譜，提取譜線上的峰值能量wmax和主時間常數(shù)tm兩個重要特征量,利用擴(kuò)展德拜模型等效電路建立仿真模型，研究兩個特征量與老化受潮的關(guān)系，并分析能夠反映絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)與譜線的內(nèi)在聯(lián)系。分析結(jié)果可為變壓器油紙絕緣狀態(tài)診斷提供理論依據(jù)。

2 極化/去極化電流法及等效電路模型

極化/去極化電流測試法能揭示絕緣介質(zhì)材料內(nèi)部極化作用過程，是一種不需要吊芯、無損的絕緣檢測方法[8]。該測試方法原理如下：首先在油紙絕緣設(shè)備的絕緣機(jī)構(gòu)兩端施加一個直流脈沖極化電壓U0，在tc時間內(nèi)對油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行充電，即電介質(zhì)極化過程，此時流過電介質(zhì)的電流稱為極化電流ip；然后斷開外加電壓并在td時間段內(nèi)把絕緣系統(tǒng)兩端短路，即電介質(zhì)去極化過程，此時有反向的去極化電流id通過電介質(zhì)。其測量過程如圖1所示。

圖1 極化/去極化電流測量過程Fig.1 PDC measurement process

變壓器油紙絕緣系統(tǒng)由絕緣油、紙板和撐條等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。如若采用單一極化等效電路，勢必?zé)o法準(zhǔn)確描述各組成部分的極化過程，因此對于油紙絕緣系統(tǒng)的復(fù)雜極化過程，應(yīng)采用擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等效電路來分析[9]。該等效電路由幾何等效電路和極化等效電路組成，如圖3所示。幾何等效電路中Rg和Cg分別為油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣電阻和幾何電容，主要和變壓器的結(jié)構(gòu)有關(guān)；極化等效電路中，采用n條極化電阻R和極化電容C串聯(lián)支路并聯(lián)來模擬絕緣內(nèi)部不同弛豫時間τi=RpiCpi下的介質(zhì)極化現(xiàn)象，且弛豫時間隨絕緣狀態(tài)不同而變化[10]。

圖2 變壓器絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of transformer insulation

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

3 去極化能量譜及其特征量

油紙絕緣復(fù)合介質(zhì)(包含絕緣油、絕緣紙)的弛豫響應(yīng)過程可以用分布函數(shù)描述，即基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)[11]為：

(1)

式中，n為電介質(zhì)弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)；Ai為第i個弛豫過程在總弛豫環(huán)節(jié)中的權(quán)重系數(shù)；τi為第i個機(jī)構(gòu)的弛豫時間常數(shù)。

根據(jù)電介質(zhì)在外加電場下的響應(yīng)，可以推導(dǎo)出去極化電流的表達(dá)式為

(2)

式中，C0為真空電容值；U0為極化電壓值；εr為相對介電常數(shù)；δ(t)函數(shù)為沖激函數(shù)，僅在t=0時作用，可忽略不計[12]；t為去極化時間；tc為極化時間。由于f(t)為指數(shù)衰減函數(shù)，且當(dāng)tc足夠長時，則有f(t)>>f(t+tc)，此時式(2)可簡化為：

(3)

按照時域介電譜理論以及能量譜的計算，此時有：

(4)

定義W(t，τ)為去極化能量譜,其實(shí)際物理意義為對變壓器油紙絕緣施加一直流電壓U0后，介質(zhì)去極化過程所蘊(yùn)含的廣義能量值，表征去極化過程的快慢。去極化能量譜有以下特征：①當(dāng)t0，即函數(shù)單調(diào)遞增；②當(dāng)t>tm時，dW(t,τ)/dt<0，即函數(shù)單調(diào)遞減；③當(dāng)t=tm時，dW(t,τ)/dt=0，即為極大值點(diǎn)。因此，去極化能量譜為單一峰值的函數(shù)，如圖4所示。

圖4 去極化能量譜Fig.4 Depolarization energy spectrum

從圖4可以看出，去極化能量譜存在單一峰值，且存在峰值能量wmax和主時間常數(shù)tm兩個特征量。下面借助這兩個特征量進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 去極化能量譜特性仿真分析

通過計算和擬合得到基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等效電路模型中的各個參數(shù)，從而建立仿真模型[13]。本文通過建立仿真模型，探討變壓器老化和受潮對去極化能量譜兩個特征量的關(guān)系。

4.1 極化電壓與譜線特征量的關(guān)系

在實(shí)際現(xiàn)場中，存在一些不利于測量的因素，尤其對于大型電力變壓器，施加不同大小的極化電壓所獲得效果不同，因此有必要對不同極化電壓大小下的去極化能量譜進(jìn)行研究。選取一臺電力變壓器分別施加2000V、1500V和1000V直流極化電壓，獲得的去極化能量譜如圖5所示。

圖5 不同極化電壓下的去極化能量譜Fig.5 Depolarization energy spectrum under different polarization voltages

4.2 變壓器老化與譜線特征量的關(guān)系

變壓器隨著運(yùn)行年限的增加，油紙絕緣受到溫度、水分、電場、酸及各種氣體等應(yīng)力的影響，從而引起絕緣材料介電特性變化[14]。因此，絕緣老化狀態(tài)的不同會導(dǎo)致去極化能量譜特征量發(fā)生變化?，F(xiàn)選取3臺微水含量值分別為0.095%、0.104%和0.121%的變壓器進(jìn)行仿真建模，在相同試驗條件下獲得試驗測試數(shù)據(jù)，同時對實(shí)測變壓器進(jìn)行糠醛含量試驗，利用試驗報告以及《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的規(guī)定，即可得到變壓器的絕緣老化狀態(tài)。變壓器的基本信息見表1，仿真建模后得到的去極化能量譜如圖6所示。

表1 三臺不同老化程度的變壓器

圖6 三臺不同老化程度變壓器的去極化能量譜Fig.6 Depolarization energy spectrum of three transformers with different degrees of aging

由圖6中可見，根據(jù)變壓器老化程度的不同，去極化能量譜會相應(yīng)地發(fā)生改變。隨變壓器老化程度的增加，極化電阻降低，等值極化電容增加，且電阻減少的幅度小于電容增加的幅度，導(dǎo)致主時間常數(shù)tm變小，峰值能量wmax逐漸增大，絕緣狀態(tài)變差。因此，利用去極化能量譜的主時間常數(shù)tm，峰值能量wmax能有效、準(zhǔn)確地反映變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，為變壓器絕緣狀態(tài)診斷提供依據(jù)。

4.3 變壓器微水含量與譜線特征量的關(guān)系

變壓器長期運(yùn)行老化后，內(nèi)部會有水分生成，這也是紙板老化的直接產(chǎn)物。水分子作為一種強(qiáng)極性分子，會影響油紙絕緣介質(zhì)的弛豫極化過程，導(dǎo)致去極化譜線的不同?，F(xiàn)選取3臺糠醛含量值分別為0.12mg/L、0.09mg/L和0.08mg/L的變壓器進(jìn)行仿真建模，在相同試驗條件下獲得試驗測試數(shù)據(jù)，同時對實(shí)測變壓器進(jìn)行微水含量試驗，利用試驗報告以及《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的規(guī)定，即可得到變壓器的絕緣受潮情況。變壓器的基本信息見表2，仿真建模后得到的去極化能量譜如圖7所示。

表2 三臺不同微水含量的變壓器

圖7 三臺不同微水含量變壓器的去極化能量譜Fig.7 Depolarization energy spectrum of three transformers with different moisture

從圖7中T4、T5、T6的對比分析可明顯看出，主時間常數(shù)隨著微水含量的增加而變小，峰值能量wmax變大。因此，由仿真結(jié)論可知，隨著微水含量的增加，極化電容也相應(yīng)增加，而極化電阻急劇下降，且下降幅度比電容增加幅度大，從而導(dǎo)致主時間常數(shù)的下降；在微水作用下，絕緣電導(dǎo)率上升，去極化電流增加，從而造成峰值能量的增加。由此可見，利用去極化能量譜特征量可獲取變壓器油紙絕緣微水含量的狀況，從而能更加有效地對變壓器的受潮狀態(tài)進(jìn)行診斷。

5 絕緣內(nèi)部狀態(tài)對譜線特征量影響的仿真

基于擴(kuò)展德拜模型建立的變壓器油紙絕緣等效電路，通過能夠反映絕緣內(nèi)部狀態(tài)的等效電路參數(shù)來準(zhǔn)確地模擬變壓器絕緣狀態(tài)[15]。為研究去極化能量譜特征量與變壓器絕緣內(nèi)部狀態(tài)的關(guān)系，選取T2變壓器通過建立仿真模型、改變等效電路參數(shù)觀測譜線的變化。

5.1 等效極化支路的時間常數(shù)保持不變

在各個極化等效支路時間常數(shù)不變的情況下，同時改變極化電阻和極化電容進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，等效支路時間常數(shù)不變時，不同極化電阻和極化電容下的譜線主時間常數(shù)相同；極化電阻大，極化電容小，則峰值能量wmax小，衰減為零的速度快。由此可見，相同等效極化支路時間常數(shù)的變壓器，去極化能量譜的主時間常數(shù)相同，峰值能量wmax越小，絕緣狀態(tài)越差。

圖8 時間常數(shù)不變下的去極化能量譜1Fig.8 Depolarization energy spectrum 1 under same time constant

保持等效極化支路的時間常數(shù)，減小極化電阻并提高相應(yīng)倍數(shù)的極化電容，得到的去極化能量譜如圖9所示。通過圖9可以明顯的得到與圖8相同的結(jié)論。

圖9 時間常數(shù)不變下的去極化能量譜2Fig.9 Depolarization energy spectrum 2 under same time constant

圖8和圖9表明，極化支路時間常數(shù)相同，得到的去極化能量譜的主時間常數(shù)相同，此時可以通過峰值能量wmax來反映絕緣的內(nèi)部狀態(tài)，極化電阻大或極化電容小，峰值能量小，因此，譜線峰值能量可以有效、準(zhǔn)確地判斷相同極化支路時間常數(shù)下的絕緣內(nèi)部狀態(tài)。

5.2 不同等效極化支路的時間常數(shù)

改變極化電阻、保持極化電容或改變極化電容、保持極化電阻，兩者均能改變等效極化支路的時間常數(shù)，所得譜線如圖10和圖11所示。由圖10譜線可知，等效極化支路時間常數(shù)減小，譜線的主時間常數(shù)也減?。桓淖儤O化電阻，極化電容不變時，譜線峰值能量變化較小，隨著極化電阻大幅度減小，峰值能量下降較小，由此可見，絕緣內(nèi)部極化電容不變，極化電阻改變時，利用主時間常數(shù)可以準(zhǔn)確區(qū)分不同極化電阻下的變壓器，而峰值能量靈敏性較低。從圖11可以看出，極化電阻不變，極化電容減小時，譜線的主時間常數(shù)和峰值能量均能靈敏地做出相應(yīng)的變化，尤其是峰值能量的變化幅度較大，因此，絕緣內(nèi)部極化電阻不變，極化電容改變時，可利用峰值能量作為主要判斷依據(jù)，用主時間常數(shù)作為輔助判據(jù)。

圖10 不同時間常數(shù)下的去極化能量譜1Fig.10 Depolarization energy spectrum 1 under different time constants

圖11 不同時間常數(shù)下的去極化能量譜2Fig.11 Depolarization energy spectrum 2 under different time constants

從圖10和圖11可以得出結(jié)論，對于等效極化支路時間常數(shù)不同，去極化能量譜的特征量能準(zhǔn)確區(qū)分不同時間常數(shù)下的變壓器。極化電容相同，極化電阻不同時，主時間常數(shù)可以靈敏地診斷出絕緣內(nèi)部的狀態(tài)；極化電阻相同，極化電容不同時，峰值能量能準(zhǔn)確地區(qū)分不同極化電容下的變壓器。

6 結(jié)論

極化/去極化電流法(PDC)作為一種無損的變壓器油紙絕緣老化受潮狀態(tài)評估技術(shù)，目前對于特征量提取的研究還不成熟。本文依據(jù)時域介質(zhì)譜理論，提出去極化能量譜，提取譜線上的峰值能量wmax和主時間常數(shù)tm兩個重要特征量,利用擴(kuò)展德拜模型等效電路仿真探討兩個特征量與老化受潮的關(guān)系，有如下結(jié)論：①變壓器絕緣老化受潮程度增加，譜線的主時間常數(shù)變小，峰值能量增大，即譜線往左上方移動；②不同極化電壓下，譜線具有良好的線性關(guān)系，不會影響反映絕緣信息的提取。

此外，本文利用擴(kuò)展德拜等效電路建立仿真模型來分析能夠反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)與譜線的內(nèi)在聯(lián)系。仿真結(jié)果表明：①主時間常數(shù)與等效極化支路的時間常數(shù)具有線性關(guān)系，即主時間常數(shù)隨極化支路時間常數(shù)增大而變大；②峰值能量隨著極化電阻的減小或極化電容的增加而變大；③不同極化支路時間常數(shù)下，保持極化電阻不變，峰值能量相比于主時間常數(shù)顯現(xiàn)出更高的靈敏度，而保持極化電容不變時，主時間常數(shù)較峰值能量敏感。

從本文提出的去極化能量譜中提取的峰值能量和主時間常數(shù)兩個特征量，能有效、直觀和準(zhǔn)確地反映變壓器油紙絕緣內(nèi)部狀態(tài)的變化，并對絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估。

[1] 李元龍 (Li Yuanlong). 變壓器故障綜合診斷及工程應(yīng)用研究(Engineering application research on power transformer fault analysis and diagnosis) [J]. 電力科學(xué)與工程 (Electric Power Science and Engineering)，2009，25(12): 66-68.

[2] P M Mitchinson, P L Lewin, G C Chen, et al. An experiment for evaluating the scale effect of moisture on high voltage transformer insulation [A]. Conference Record of the 2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation [C]. 2006. 218-221.

[3] 王財勝, 周志芳, 陳金法 (Wang Caisheng, Zhou Zhifang, Chen Jinfa). 電力變壓器油紙絕緣總體狀態(tài)現(xiàn)場檢測的新方法 (A new method for field detection of general status of oil-paper insulation system in power transformer) [J]. 高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering)，2000，26(3): 72-73.

[4] Tapan K Saha, Prithwiraj Purkait, Frank Muller. Deriving an equivalent circuit of transformers insulation for understanding the dielectric response measurements [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(1): 149-157.

[5] Saha T K. Review of time-domain polarization measurements for assessing insulation condition in aged transformers [J]. IEEE Transactions on Power Dielectrics, 2003, 18(4): 1293-1301.

[6] 李景德，曹萬強(qiáng)，李向前，等 (Li Jingde, Cao Wanqiang, Li Xiangqian, et al.). 時域介電譜方法及其應(yīng)用 (Time domain dielectric spectroscopy method and its application) [J]. 物理學(xué)報 (Acta Physica Sinica)，1996，45(7): 1225-1231.

[7] 李景德，雷德銘 (Li Jingde, Lei Deming). 電介質(zhì)材料物理和應(yīng)用 (Physical principles and applications of dielectric materials) [M]. 廣州：中山大學(xué)出版社 (Guangzhou: Sun Yat-sen University Press), 1992.

[8] Gilbert R, Jalbert J, Duchesne S, et al. Kinetics of the production of chain-end groups and methanol from the depolymerization of cellulose during the ageing of paper/oil systems, part 2: thermally upgraded insulating papers [J]. Cellulose, 2010, 17(2): 253-269.

[9] 張濤, 蔡金錠 (Zhang Tao, Cai Jinding). 油紙絕緣變壓器介質(zhì)響應(yīng)電路參數(shù)辨識的研究 (Research on parameters identification for dielectric response equivalent circuit of transformers with oil-paper insulation) [J]. 電工電能新技術(shù) (Advanced Technology of Electrical Engineering & Energy)，2010，29(4): 35-39.

[10] 廖瑞金, 孫會剛, 袁泉, 等 (Liao Ruijin, Sun Huigang, Yuan Quan, et al.). 采用回復(fù)電壓法分析油紙絕緣老化特征量 (Analysis of oil-paper insulation aging characteristics using recovery voltage method) [J].高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering), 2011, 37(1): 136-142.

[11] 方俊鑫，殷之文 (Fang Junxin, Yin Zhiwen). 電介質(zhì)物理學(xué) (Dielectric physics) [M]. 北京：科學(xué)出版社 (Beijing: Science Press)，1989.

[12] 李功新，江修波，蔡金錠，等 (Li Gongxin, Jiang Xiubo, Cai Jinding, et al.). 采用微分去極化電流法解析變壓器油紙絕緣的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù) (Dielectric response function for transformer oil-paper insulation solved by the method of differential depolarization current) [J]. 高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering), 2012, 38(8): 1930-1936.

[13] 李軍浩，胡泉偉，吳磊，等 (Li Junhao, Hu Quanwei, Wu Lei, et al.). 極化/去極化電流測試技術(shù)的仿真研究 (Simulation study of polarization and depolarization current measurements technology) [J]. 陜西電力(Shaanxi Electric Power)，2011，39(4): 1-5.

[14] 鄧鵬 (Deng Peng). 變壓器絕緣故障預(yù)測診斷的方法(Prediction and diagnosis method for insulation failure of transformer) [J]. 四川電力技術(shù) (Sichuan Electric Power Technology)，2006，29(4): 4-6.

[15] 彭積城，蔡金錠 (Peng Jicheng, Cai Jinding). 油紙絕緣變壓器老化特征分析 (Analysis on aging characteristics of oil-paper insulated transformer) [J]. 電子測量與儀器學(xué)報 (Journal of Electronic Measurement and Instrumentation)，2014，28(7): 763-769.

Diagnosis of insulation condition of transformers by using depolarization energy spectrum

HUANG Yun-cheng, CAI Jin-ding

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In recent years, the polarization/depolarization current method (PDC) as a non-destructive testing method for power transformer insulation condition has been widely used, but the study of characteristics which are extracted from PDC is still in a preliminary stage. In this paper, the depolarization energy spectrum based on the time-domain dielectric spectroscopy theory was proposed, and the two important characteristics which are extracted from depolarization energy spectrum are peak energy and dominant time constant. Then, the extended Debye model equivalent circuit simulation model was built to study the relationship between the two characteristics with insulation condition, and the two characteristics were analyzed to find the intrinsic link with the equivalent circuit parameters which could reflect the internal structure of the insulation. The simulation results show that extraction of the characteristics is not affected under different polarization voltages. With the deterioration of the insulation condition, the depolarizing line moves to the upper left, and the peak energy and the dominant time constant can effectively, intuitionally and accurately diagnose the insulation condition of transformer. The equivalent circuit parameters has a distinct intrinsic link with the dominant time constant and peak energy, and can be an aid in the assessment of insulation condition of transformers.

oil-paper insulation; PDC; time domain; dielectric spectroscopy; characteristic parameter

2014-11-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(61174117)

黃云程(1990-), 男, 福建籍, 碩士研究生， 研究方向為電氣設(shè)備絕緣監(jiān)測與故障診斷; 蔡金錠(1954-), 男, 福建籍, 教授, 博士, 研究方向為電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計、 電力系統(tǒng)及電力變壓器故障的智能診斷。

TM411

A

1003-3076(2016)01-0053-07