油紙絕緣變壓器極化等效電路分析及其老化評(píng)估

蔡金錠　劉永清　蔡　嘉

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院　福州　350108 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司物資分公司　福州　350103)

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油紙絕緣變壓器極化等效電路分析及其老化評(píng)估

蔡金錠1劉永清1蔡嘉2

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院福州350108 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司物資分公司福州350103)

提出一種判斷油紙絕緣設(shè)備弛豫響應(yīng)擴(kuò)展德拜等效電路極化支路數(shù)的方法。該方法應(yīng)用微分解譜法，對(duì)油紙絕緣設(shè)備測(cè)試獲得的回復(fù)電壓譜線進(jìn)行逐次解譜，將隱含在回復(fù)電壓譜線中的弛豫響應(yīng)特征以子譜線的形式展現(xiàn)出來(lái)。然后根據(jù)回復(fù)電壓微分子譜線的數(shù)量，判斷擴(kuò)展德拜等效電路的極化支路數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著油紙絕緣設(shè)備老化程度的不斷劣化，弛豫響應(yīng)極化支路及其松弛極化強(qiáng)度也伴隨之增大。如果油紙絕緣設(shè)備的絕緣狀況良好，則松弛極化強(qiáng)度值較小，反之油紙?jiān)O(shè)備的絕緣狀況越差，弛豫極化強(qiáng)度越強(qiáng)其值就越大。該方法為應(yīng)用弛豫響應(yīng)等效電路判別油紙絕緣設(shè)備老化狀況提供了一種有力的分析手段。

弛豫響應(yīng)回復(fù)電壓微分解譜等效電路松弛極化強(qiáng)度

0　引言

目前在油紙絕緣老化診斷研究領(lǐng)域中，通常應(yīng)用如圖1所示介質(zhì)極化弛豫響應(yīng)擴(kuò)展德拜等效電路模型對(duì)油紙絕緣設(shè)備老化狀況進(jìn)行分析和間接診斷[1-3]。

圖1　介質(zhì)極化擴(kuò)展德拜等效電路Fig.1　Extended Debye equivalent circuit of dielectric polarization

但迄今為止，在應(yīng)用擴(kuò)展德拜等效電路模型時(shí)，都沒(méi)有考慮油紙絕緣設(shè)備的不同老化狀況，在構(gòu)造擴(kuò)展德拜等效電路模型時(shí)都是任意假設(shè)等效電路中極化支路(如圖2虛線框內(nèi)(假設(shè)為“黑箱”)的支路數(shù))是由已知的若干條RC串聯(lián)支路并聯(lián)構(gòu)成的[4-7]。雖然這樣的假設(shè)也可以計(jì)算出弛豫響應(yīng)等效電路的參數(shù)值，但是這種假設(shè)不能真實(shí)地反映油紙絕緣設(shè)備實(shí)際老化狀況及絕緣內(nèi)部的實(shí)際極化情況。其計(jì)算結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際情況不吻合，如文獻(xiàn)[8]在計(jì)算檢修前后變壓器的兩種等效電路參數(shù)值時(shí)，均采用6條極化支路的擴(kuò)展德拜等效電路模型，結(jié)果造成回復(fù)電壓測(cè)量極化譜與計(jì)算極化譜之間的吻合度不高。此外，這種任意假設(shè)，除了計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間存在誤差之外，有時(shí)還會(huì)增加求解等效電路參數(shù)的難度，更為嚴(yán)重的后果是影響對(duì)油紙絕緣設(shè)備老化狀況判斷的準(zhǔn)確性。

那么，對(duì)于圖1等效電路“黑箱”內(nèi)的豫響應(yīng)極化支路到底是由多少條RC串聯(lián)支路并聯(lián)構(gòu)成的？目前，國(guó)內(nèi)外的多數(shù)學(xué)者采用試探法來(lái)研究擴(kuò)展徳拜等效電路，或從極化/去極化電流曲線表達(dá)式入手，粗略求解出擴(kuò)展徳拜等效電路參數(shù)。然而，迄今為止尚未有明確的判斷方法。為此，本文提出了一種應(yīng)用回復(fù)電壓譜函數(shù)解譜法判斷擴(kuò)展德拜等效電路極化支路數(shù)的理論和方法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證這個(gè)判別方法的正確性。研究成果為今后應(yīng)用擴(kuò)展德拜緣弛豫響應(yīng)等效電路和深入探討油紙絕緣設(shè)備老化診斷提供可靠、有力的分析手段。

1　油紙絕緣回復(fù)電壓的微分解譜

1.1油紙絕緣回復(fù)電壓的測(cè)量

油紙絕緣設(shè)備回復(fù)電壓測(cè)量如圖2a所示。在絕緣設(shè)備兩端施加一個(gè)直流脈沖高電壓U(t)

(1)

在t=0～tc時(shí)間段內(nèi)，對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行充電，充電電壓U0的值在500～2 000 V，充電時(shí)間tc大約3 000 s內(nèi)，在這一時(shí)間內(nèi)稱為介質(zhì)極化階段。然后斷開(kāi)外加電壓并將油紙絕緣系統(tǒng)兩端短路，使絕緣系統(tǒng)內(nèi)部在td時(shí)間段內(nèi)放電，通常td的取tc/2。最后將短路線斷開(kāi)，用回復(fù)電壓測(cè)試儀連續(xù)測(cè)量油紙絕緣系統(tǒng)兩端的回復(fù)電壓值或回復(fù)電壓譜線ur=g(t)，直至回復(fù)電壓值逐漸趨近于零為止[9，10]。其測(cè)量過(guò)程如圖2b所示。

圖2　回復(fù)電壓測(cè)量過(guò)程Fig.2　Return voltage measurement

圖2中回復(fù)電壓ur反映了油紙絕緣設(shè)備內(nèi)部不同電介質(zhì)弛豫響應(yīng)的變化過(guò)程。假設(shè)圖1中 “黑箱”內(nèi)等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由N條RC串聯(lián)支路并聯(lián)構(gòu)成的，其回復(fù)電壓譜函數(shù)表達(dá)式為[11]

(2)

式中，pj為與弛豫響應(yīng)支路參數(shù)有關(guān)的負(fù)系數(shù)，j=1，2，…，m；m=N+1；Aj為

(3)

式中，Ucpi為第條i支路極化電容的殘余電壓，它與充電時(shí)間tc和放電時(shí)間td有關(guān)，i=1，2，…，N；Bji為僅與弛豫響應(yīng)支路參數(shù)值有關(guān)的系數(shù)。

在回復(fù)電壓譜函數(shù)中，它隱含了油紙絕緣設(shè)備內(nèi)部各種絕緣介質(zhì)，如絕緣油、絕緣紙及隔板和撐條等，除此之外還包含了油與紙界面以及與絕緣系統(tǒng)老化有關(guān)的各種產(chǎn)物，如微水、酸、醛、醇和酮等在介質(zhì)極化弛豫響應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的各種快慢響應(yīng)的子譜線疊加之和。若能將隱含在回復(fù)電壓譜線中的所有快慢響應(yīng)的子譜線一一分解展現(xiàn)出來(lái)，就能準(zhǔn)確地判別出油紙絕緣設(shè)備弛豫響應(yīng)等效電路中的極化支路數(shù)。

1.2回復(fù)電壓譜函數(shù)的微分解譜

如果對(duì)回復(fù)電壓譜函數(shù)式(2)進(jìn)行微分解譜[12，13]，然后乘以時(shí)間t，即可得到回復(fù)電壓微分譜函數(shù)表達(dá)式F(t，pj，Aj)為

(4)式中，φj(pj，t)為第j條微分子譜線函數(shù)，φj(pj，t)=pjtexp(-pjt)，其變化曲線如圖3所示。F(t，pj，Aj)的譜線如圖4所示。

圖3　第j條微分子譜線Fig.3　Differential sub-line of j-th

圖4　回復(fù)電壓微分時(shí)域譜函數(shù)譜線Fig.4　Differential time domain spectrum of return voltage

若對(duì)第j條微分子譜線函數(shù)φj(t)再次微分后可得

=pjexp(-pjt)(1-pjt)

由上式分析可見(jiàn)：

1)當(dāng)00，則微分子譜線函數(shù)φj(t)是單調(diào)遞增的。

2)當(dāng)1/pj

3)當(dāng)且僅t=1/pj時(shí)，dφj(t)/dt=0，則微分子譜線函數(shù)φj(t)有唯一的峰值點(diǎn)，且峰值為1/e。

根據(jù)以上分析，第j條微分子譜線函數(shù)φj(t)具有以下性質(zhì)：

1)微分子譜線函數(shù)φj(pj，t)是一個(gè)具有單一峰值的函數(shù)。當(dāng)時(shí)間t=1/pj時(shí)，達(dá)到峰值點(diǎn)。然后，在峰值點(diǎn)的兩側(cè)隨著時(shí)間的變化而逐漸衰減最后趨近于0。

2)由于pj的大小不同，則微分子譜線函數(shù)φj(t)的各個(gè)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間也不相同。pj值越小時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)時(shí)間tj就越大。故回復(fù)電壓微分譜函數(shù)F(t，pj，Aj)的譜線是由m條單一峰值且峰值位置各不相同的微分子譜線疊加之和。

3)pj的值越大，對(duì)應(yīng)的微分子譜線φj(t)衰減就越快，反之函數(shù)φj(t)衰減就越慢。所以pj值越小的子譜線對(duì)F(t，pj，Aj)譜線的末端貢獻(xiàn)就越大，反之貢獻(xiàn)就越小，故它對(duì)F(t，pj，Aj)譜線末端的影響可忽略不計(jì)。

2　弛豫極化支路數(shù)確定及其老化評(píng)估方法

2.1等效電路極化支路數(shù)的判斷

通過(guò)以上分析，油紙絕緣回復(fù)電壓譜函數(shù)經(jīng)過(guò)逐次微分解譜后，可將隱含在回復(fù)電壓譜線中的所有快慢響應(yīng)子譜線從微分譜函數(shù)F(t，pj，Aj)中分解出來(lái)，且每一條子譜線與RC串聯(lián)極化支路相關(guān)。據(jù)此，提出應(yīng)用微分解譜法判別油紙絕緣弛豫響應(yīng)擴(kuò)展德拜等效電路“黑箱”內(nèi)的極化支路數(shù)的確定方法。其微分解譜按以下步驟完成。

第1步：首先對(duì)回復(fù)電壓譜函數(shù)進(jìn)行微分，然后從微分譜線F(t，pj，Aj)的末端開(kāi)始，任意取兩點(diǎn)t1和t2(t2>t1)用解譜法建立方程組

(5)

由式(5)求出Aj和pj代入Ajφj(pj，t)，即可求出第1條子譜線L1。

第2步：將回復(fù)電壓微分譜線F(t，pj，Aj)減去第1條子譜曲線L1，得到剩余譜線Gi(*)，也稱Gi(*)為當(dāng)前剩余譜線。再?gòu)腉i(*)的末端開(kāi)始，任取兩點(diǎn)t1和t2(t2>t1)，按式(5)求出Aj和pj，然后再分別代入Ajφj(pj，t)中，求出第2條子譜線L2。

第3步：把Gi(*) 再減去第2條子譜線L2后，應(yīng)用以上解譜方法和步驟逐次求出第3條，第4條，…，直到第m條子譜線。當(dāng)且僅當(dāng)，若某一次解譜的Gi(*)中，最大峰點(diǎn)的絕對(duì)值小于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則終止解譜。

判據(jù)：油紙絕緣弛豫響應(yīng)等效電路 “黑箱”內(nèi)的極化支路數(shù)可用回復(fù)電壓微分譜線F(t，pj，Aj)分解出的子譜線來(lái)判別。倘若回復(fù)電壓譜函數(shù)經(jīng)過(guò)逐次微分解譜后分解出m條子譜線，則油紙絕緣弛豫響應(yīng)等效電路“黑箱”內(nèi)的極化支路就由有N(N=m-1)條RC串聯(lián)支路并聯(lián)組成。

2.2油紙絕緣設(shè)備的老化評(píng)估方法

根據(jù)電介質(zhì)物理學(xué)理論，油紙絕緣設(shè)備在恒定電場(chǎng)作用下的電介質(zhì)極化強(qiáng)度為[14]

P=P∞(t)+Pr(t)

(6)

式中，P∞(t)為瞬時(shí)極化強(qiáng)度；Pr(t)為弛豫極化強(qiáng)度。由于瞬時(shí)極化強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間極短(一般約為10-16～10-12s)，則其可忽略不計(jì)；而弛豫極化包含電介質(zhì)轉(zhuǎn)向極化、熱離子極化和界面極化等，在電場(chǎng)作用下要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即弛豫極化強(qiáng)度；Pr(t)可近似為

(7)

式中，f(t)為介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)，它描述在外加電場(chǎng)作用下絕緣介質(zhì)的極化行為[15]；E(t)為介質(zhì)中平均電場(chǎng)強(qiáng)度，恒定值。若將介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)用式(2)回復(fù)電壓響應(yīng)函數(shù)表示，即式(7)經(jīng)整理后為

(8)

倘若將介質(zhì)中平均電場(chǎng)強(qiáng)度E=C0U0/(ε0S)代入式(8)后得

(9)

式中，C0、U0和S分別為真空中的等效電容、外加直流脈沖電壓和介質(zhì)弛豫極化截面積，它們均與絕緣老化程度無(wú)關(guān)且為常數(shù)。

(10)

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大量的油紙變壓器測(cè)試的回復(fù)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷得出的結(jié)果與上述分析結(jié)論是一致的。

3　變壓器油紙絕緣等效電路確定及其老化評(píng)估

應(yīng)用本文提出的擴(kuò)展德拜等效電路極化支路數(shù)判據(jù)和油紙絕緣老化評(píng)估方法和步驟，對(duì)不同型號(hào)、電壓等級(jí)和不同容量的油紙變壓器近50多個(gè)絕緣程度不同的繞組測(cè)試的回復(fù)電壓極化譜進(jìn)行分析和驗(yàn)證。因篇幅限制，現(xiàn)僅列出其中部分變壓器的分析診斷結(jié)果，見(jiàn)表1。

由表1診斷結(jié)果可見(jiàn)：油紙絕緣老化嚴(yán)重的變壓器P′r(∞)的計(jì)算值較大；油紙絕緣良好的變壓器，P′r(∞)計(jì)算值較小。如表1中有21臺(tái)油紙絕緣良好的變壓器，其中19臺(tái)變壓器的P′r(∞)計(jì)算值均在4以下，約占總臺(tái)數(shù)的90.48%。這為我們今后評(píng)估油紙絕緣老化狀況提供一個(gè)重要的參考判斷依據(jù)?，F(xiàn)以表2中T1和T2兩臺(tái)變壓器為例，詳細(xì)闡述文中提出的判別方法及其分析步驟。

首先按照?qǐng)D2回復(fù)電壓的測(cè)量方法和步驟，分別在兩臺(tái)變壓器的絕緣繞組兩端施加2 000 V直流脈沖電壓、充電時(shí)間均為1 000 s，測(cè)量出兩臺(tái)變壓器的回復(fù)電壓譜線如圖5所示。

然后應(yīng)用式(2)～式(5)，按照微分解譜法的操作步驟1～步驟3，從T1變壓器的回復(fù)電壓微分譜函數(shù)F(t，pj，Aj)的末端開(kāi)始，逐次分解出隱含在回復(fù)電壓譜線中的各條子譜線。若當(dāng)前剩余譜線Gi(*)中最大峰值點(diǎn)的絕對(duì)值小于預(yù)先設(shè)定的微分譜線中最大峰值點(diǎn)絕對(duì)值的5%時(shí)，則終止解譜。故從T1變壓器的回復(fù)電壓譜線中可分解出6子譜線的參數(shù)值和曲線以及當(dāng)前剩余譜線，如表3和圖6所示。

表1　油紙變壓器分析診斷結(jié)果Tab.1　The diagnosis of oil-paper transformer

表2　T1和T2變壓器基本信息Tab.2　The basic information of transformer T1 and T2

圖5　T1和T2變壓器回復(fù)電壓測(cè)量曲線Fig.5　Rerurn voltage curves of transformer T1 and T2

序號(hào)參數(shù)pjAj14883.4000201.03022702.8916-245.25213415.680568.21884167.9858-93.70435125.912789.5040676.6984-19.8821

圖6　T1變壓器解譜出的子譜線和當(dāng)前剩余譜線Fig.6　The sub-lines and the current surplus line of transformer T1

根據(jù)文中提出的等效電路極化支路數(shù)判據(jù)，T1變壓器弛豫響應(yīng)等效電路極化支路有5(N=6-1)條。

按照同樣的方法也可以分解出隱含在T2變壓器回復(fù)電壓譜線中的8條子譜線的參數(shù)值和曲線以及當(dāng)前剩余譜線Gi(*)，如表4和圖7所示。

表4　T2變壓器子譜線的系數(shù)Tab.4　The sub-line factors of transformer T2

同理，也可判斷出T2變壓器的弛豫響應(yīng)等效電路極化支路有7(N=8-1)條。

為了進(jìn)一步證實(shí)這兩臺(tái)變壓器所確定的等效電路極化支路數(shù)正確，現(xiàn)分別假設(shè)兩臺(tái)變壓器的極化支路數(shù)是5、6和7條，然后由擴(kuò)展德拜等效電路算出電路參數(shù)值和計(jì)算的回復(fù)電壓極化譜，然后再與實(shí)際測(cè)量極化譜進(jìn)行比較[16，17]，如圖8和9所示。

由圖8和圖9中可知，T1變壓器的弛豫響應(yīng)等效電路若由5條極化支路構(gòu)成的擴(kuò)展德拜等效電路，其計(jì)算的極化譜與實(shí)測(cè)極化譜比較，兩者是完全吻合。若采用6條或7條極化支路時(shí)，其計(jì)算極化譜與實(shí)測(cè)極化譜比較，兩者的吻合度都很差。T2變壓器的弛豫響應(yīng)等效電路若由7條極化支路構(gòu)成的，則計(jì)算極化譜與實(shí)測(cè)極化譜比較，兩者也完全吻合。若采用5條或6條極化支路時(shí)，其計(jì)算極化譜與實(shí)測(cè)極化譜比較，兩者的吻合度都很差。由此可見(jiàn)，由這兩臺(tái)變壓器判斷出的極化支路數(shù)是可靠的。

圖7　T2變壓器解譜出的子譜線和當(dāng)前剩余譜線Fig.7　The sub-lines and the current surplus line of transformer T2

圖8　T1變壓器實(shí)測(cè)極化譜與計(jì)算極化譜對(duì)比Fig.8　The comparison of tested polarization spectrum and calculated polarization spectrum of transformer T1

現(xiàn)將微分解譜后得到的子譜線參數(shù)值(如表3和表4)，分別代入式(10)中計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果對(duì)變壓器老化狀況進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表5所示。

以上是應(yīng)用文中提出的弛豫響應(yīng)極化支路數(shù)判別方法、求解微分子譜線參數(shù)和計(jì)算等值弛豫極化強(qiáng)度P′r(∞)值的變壓器油紙絕緣老化狀況評(píng)估分析過(guò)程。并

圖9　T2變壓器實(shí)測(cè)極化譜與計(jì)算極化譜對(duì)比Fig.9　The comparison of tested polarization spectrum and calculated polarization spectrum of transformer T2

序號(hào)變壓器型號(hào)P'r(∞)值/(C·m-2)絕緣評(píng)估結(jié)果T1S11-5000/220/1102.082絕緣良好T2SFL-24000/22024.823老化嚴(yán)重

將診斷結(jié)果與變壓器油紙絕緣實(shí)際狀況進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了文中提出的理論和方法在工程中具有應(yīng)用價(jià)值。

4　結(jié)論

時(shí)域和頻域介電譜特征參量已廣泛應(yīng)用于電力變壓器油紙絕緣狀況的研究[18-20]，本文應(yīng)用油紙絕緣回復(fù)電壓譜函數(shù)微分解譜法，提出一種判斷油紙絕緣弛豫響應(yīng)等效電路極化支路數(shù)的理論和方法以及油紙絕緣變壓器老化程度的評(píng)估方法。并通過(guò)對(duì)多臺(tái)不同老化狀況的變壓器回復(fù)電壓測(cè)量值來(lái)分析和驗(yàn)證了這種理論和判別方法的正確性。研究成果為今后應(yīng)用擴(kuò)展德拜等效電路，深入探討絕緣變壓器老化的評(píng)估提供可靠、有力的分析手段，它在工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Analysis of Equivalent Circuit of Oil-Paper Insulation Transformer Relaxation Response and Aging Evaluation

Cai Jinding1Liu Yongqing1Cai Jia2

(1.College of Electrical Engineering and AutomationFuzhou UniversityFuzhou350108China 2.Supplies Sub-CompanyState Grid Fujian Provincial Electric Power Co.Ltd. Fuzhou350103China)

A judgment method for the polarization branches number of the equivalent circuit of oil-paper insulation equipment is proposed.The differential dielectric spectroscopy method is applied to gradually decomposing the measured return voltage curves.In this way，all the sub-lines which are implicit in the internal relaxation response of the return voltage curves could be presented.Then the polarization branches number of extended Debye model is judged by the number of sub-lines.Results show that the more aging seriousness of the transformer oil-paper insulation is，the more numbers of the polarization branches and the higher relaxation polarization will be.The value of the relaxation polarization is small when the oil-paper insulation is in good condition.Otherwise，the value is greater.The proposed method is an effective way to evaluate the oil-paper aging using the equivalent circuit of relaxation response.

Relaxationresponse，returnvoltage，differentialdielectric spectrum，equivalent circuit，relaxationpolarization

2015-08-03改稿日期2016-04-23

TH183；TM411

蔡金錠男，1954年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)在電力工程和電氣設(shè)備故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用等。

E-mail：1282112940@qq.com(通信作者)

劉永清男，1971年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸變電技術(shù)及故障診斷等。

E-mail：xmdllyq@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174117)。