基于去極化電量時(shí)域微分譜線(xiàn)時(shí)域特征量的變壓器絕緣老化研究

王 嶺 蔡金錠

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基于去極化電量時(shí)域微分譜線(xiàn)時(shí)域特征量的變壓器絕緣老化研究

王 嶺 蔡金錠

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

本文依據(jù)時(shí)域介電譜理論，提出去極化電量時(shí)域微分譜線(xiàn)。應(yīng)用微分解譜法，對(duì)油紙絕緣去極化電量微分譜線(xiàn)進(jìn)行逐次解譜，求取去極化電量譜的參數(shù)，提取去極化電量譜時(shí)域特征量，利用去極化電量平均電量和平均極化響應(yīng)時(shí)間評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)。通過(guò)分析多組不同絕緣狀態(tài)變壓器的去極化電量微分譜線(xiàn)，得到如下結(jié)論：隨著變壓器絕緣狀態(tài)的劣化加劇，去極化平均電量逐漸增大，平均極化反應(yīng)時(shí)間逐漸減小。本文結(jié)論為正確評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)提供了一種新的思路。

油紙絕緣；介質(zhì)響應(yīng)；去極化電量譜線(xiàn)

電力變壓器是電力系統(tǒng)傳輸中最為重要的大型電氣設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況將會(huì)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[1]。變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，其油紙絕緣系統(tǒng)在電、熱和機(jī)械應(yīng)力等的聯(lián)合作用下，逐漸發(fā)生老化和降解[2]。電力變壓器老化是影響變壓器使用壽命的一個(gè)主要因素[3]。因此，有效評(píng)估電力變壓器的絕緣老化狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定、安全、可靠的工作具有重要的現(xiàn)實(shí) 意義。

隨著安全、準(zhǔn)確、無(wú)損診斷電力設(shè)備的要求，大量診斷技術(shù)被提出[4]。其中，極化/去極化電流測(cè)試法是一種簡(jiǎn)單有效、無(wú)損的絕緣診斷方法[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者利用PDC對(duì)油紙絕緣老化狀態(tài)的診斷，主要是基于介電現(xiàn)象的比較，沒(méi)有深入分析油紙絕緣內(nèi)部老化機(jī)構(gòu)的介電特性與絕緣老化的關(guān)系。

文獻(xiàn)[7]采用極化/去極化電流曲線(xiàn)研究油紙絕緣的老化，只是介電現(xiàn)象的一種簡(jiǎn)單比較，不能表現(xiàn)出內(nèi)部老化機(jī)構(gòu)介電特性與油紙絕緣老化關(guān)系。文獻(xiàn)[8]提出去極化能量譜線(xiàn)來(lái)診斷變壓器的受潮程度，但其所提出的譜線(xiàn)的實(shí)際含義需要進(jìn)一步探討。文獻(xiàn)[9]提出基于去極化電流的時(shí)域介電譜峰值大小分析油紙絕緣的熱老化程度，但由于時(shí)域介電譜峰值點(diǎn)是由各子譜線(xiàn)的疊加的結(jié)果，因而可能出現(xiàn)峰值點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，即峰值大小差別較小，因此該方法對(duì)油紙絕緣老化的評(píng)估仍需要進(jìn)一步討論。本文依據(jù)油紙絕緣的極化機(jī)理和時(shí)域介電譜，提取出去極化電量微分譜線(xiàn)，通過(guò)微分解譜法，確定極化機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)，提取能夠反映油紙絕緣內(nèi)部老化的時(shí)域特征量，并研究了特征量與油紙絕緣老化的關(guān)系，為正確評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)提供新的思路。

1 極化/去極化電流的測(cè)量

極化/去極化電流法是一種蘊(yùn)含大量變壓器油紙絕緣老化信息的常用的油紙絕緣無(wú)損診斷法[10-12]。該測(cè)試方法原理如下：首先在油紙絕緣變壓器兩端加一個(gè)直流脈沖極化電壓0，持續(xù)充電時(shí)間為p，在該充電過(guò)程中變壓器油紙絕緣系統(tǒng)開(kāi)始極化，并產(chǎn)生極化電流p。然后，斷開(kāi)外施電壓0并將油紙絕緣變壓器短路，并維持時(shí)間d，此時(shí)將產(chǎn)生與之前極化過(guò)程相反的去極化電流d。一般設(shè)置適當(dāng)?shù)某潆姾头烹姇r(shí)間，記錄產(chǎn)生極化電流p和去極化電流d和時(shí)間的關(guān)系的關(guān)系曲線(xiàn)，即極化/去極化電流曲線(xiàn)。其測(cè)量過(guò)程如圖1所示。

圖1 極化/去極化電流曲線(xiàn)

2 去極化電量譜及其微分解譜

2.1 去極化電量微分時(shí)域譜

電介質(zhì)在外施電場(chǎng)的作用下，表面將感應(yīng)出束縛電荷，電介質(zhì)在外施電場(chǎng)下極化程度越強(qiáng)，則表面束縛電荷的面密度就越大。根據(jù)時(shí)域介電譜理 論[8,13]，電介質(zhì)在外部電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部極化機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)是有限的，且有不同的極化響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)電解質(zhì)外施電壓時(shí)間足夠長(zhǎng)，電介質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電荷量將會(huì)達(dá)到平衡。當(dāng)撤去外施電場(chǎng)時(shí)且短路時(shí)，儲(chǔ)存的電荷將隨時(shí)間衰減，衰減表達(dá)式可表示為

式中，0為電介質(zhì)在施電場(chǎng)下達(dá)到平衡時(shí)內(nèi)部的總電荷量，()為某時(shí)刻電介質(zhì)的電荷量，為極化機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)，、分別為第個(gè)極化機(jī)構(gòu)的極化響應(yīng)時(shí)間和極化電量，即

式中，()為絕緣機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存的電荷量釋放時(shí)的電流，即絕緣介質(zhì)的去極化電流。

圖2 去極化電量譜

2.2 去極化電量微分譜線(xiàn)的數(shù)學(xué)解析

通過(guò)對(duì)上式分析，得去極化電量譜子譜線(xiàn)的性質(zhì)如下。

2.3 去極化電量譜解譜

根據(jù)去極化電量譜子譜線(xiàn)的特性，去極化電量譜的解譜步驟如下。

第1步：測(cè)量變壓器去極化電流數(shù)據(jù)。

第2步：根據(jù)去極化電量時(shí)域微分譜線(xiàn)組成部分——指數(shù)型衰減函數(shù)末端可忽略前一項(xiàng)-1（?。?duì)后一項(xiàng)的影響，在去極化電量曲線(xiàn)末端任意取兩點(diǎn)2、1（2＞1），可求出當(dāng)前曲線(xiàn)最大弛豫時(shí)間下的衰減函數(shù)，方程組如下：

若去極化電量譜線(xiàn)經(jīng)過(guò)逐次解譜后解出條子譜線(xiàn)，則油紙絕緣極化機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)為（=-1）。

3 油紙絕緣老化評(píng)估

不同極化支路反應(yīng)時(shí)間描述了絕緣材料介質(zhì)內(nèi)部不同極化過(guò)程，如絕緣油、絕緣紙、油紙絕緣界面等[15]。極化反應(yīng)時(shí)間只與絕緣介質(zhì)老化或受潮有關(guān)，與絕緣材料介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)成無(wú)關(guān)，隨著絕緣介質(zhì)不斷劣化，導(dǎo)致絕緣性能下降，絕緣介質(zhì)響應(yīng)速度變快，極化反應(yīng)時(shí)間值減小，因此可以用極化反應(yīng)時(shí)間評(píng)估絕緣材料介質(zhì)的劣化狀況。然而，對(duì)于劣化程度不同的油紙絕緣變壓器，極化機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)不同，得到的個(gè)極化反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，難以通過(guò)其中某個(gè)值來(lái)直接作出絕緣狀態(tài)評(píng)判，因此，在求得多條極化支路時(shí)間基礎(chǔ)上，引上了均值化極化反應(yīng)時(shí)間，該值可以全面表征不同絕緣材料介質(zhì)的極化過(guò)程，即

式中，為2.3節(jié)中去極化電量譜解譜求得的極化機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)，為不同極化支路反應(yīng)時(shí)間。求得的均值化的極化反應(yīng)時(shí)間與極化反應(yīng)時(shí)間對(duì)油紙絕緣劣化判斷具有相同的規(guī)律：無(wú)論電力變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致，均值化的極化反應(yīng)時(shí)間值較大者，油紙絕緣狀況較好；均值化的極化反應(yīng)時(shí)間較小者，油紙絕緣狀況較差。但對(duì)于一些容量和電壓等級(jí)較大的電力變壓器，直接通過(guò)值大小進(jìn)行比較，難以給出準(zhǔn)確的判斷，并且單指標(biāo)進(jìn)行絕緣狀態(tài)判斷時(shí)，所得出的狀態(tài)難免會(huì)有誤差或與其他方法（比如糠醛含量等方法）確定的狀態(tài)相悖。

根據(jù)電路理論極化機(jī)構(gòu)電量Q與極化機(jī)構(gòu)去極化電流d()關(guān)系式為

（6）

即根據(jù)電介質(zhì)理論相關(guān)知識(shí)，介質(zhì)弛豫極化強(qiáng)度ri()與各極化支路電流di()存在關(guān)系式為

（7）

式中，為絕緣材料介質(zhì)截面積；不隨油紙絕緣劣化發(fā)生變化，因此，式（6）和式（7）通過(guò)各極化機(jī)構(gòu)電流將極化機(jī)構(gòu)電量與弛豫極化強(qiáng)度ri()聯(lián)系起來(lái)，可知等價(jià)為ri()，即用來(lái)表征油紙絕緣狀況的。同樣情況，油紙絕緣狀況不同變壓器，對(duì)應(yīng)的極化支路數(shù)有差異，且去極化電量測(cè)量易受到試驗(yàn)條件和測(cè)試環(huán)境的影響，為了使去極化電量對(duì)油紙絕緣劣化反映的靈敏度更高，盡可能消除測(cè)量誤差的影響，引入均值化去極化電量，表達(dá)式為

4 舉例

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，獲得3臺(tái)變壓器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)得相應(yīng)的糠醛含量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和3臺(tái)不同絕緣狀態(tài)變壓器為例，基本信息見(jiàn)表1。在進(jìn)行極化/去極化測(cè)試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行油中糠醛含量的試驗(yàn)，并根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，得到3臺(tái)不同老化狀態(tài)的變壓器，見(jiàn)表1。仿真建模后得到的去極化電量譜如圖3所示。

表1 三臺(tái)不同老化程度的變壓器

圖3 三臺(tái)不同老化程度的去極化電量譜線(xiàn)

然后按照去極化電量譜的解譜步驟1至步驟4，從T1變壓器的去極化電量譜函數(shù)末端開(kāi)始，逐次解出去極化電量譜線(xiàn)中隱含的各條子譜線(xiàn)，并求得各極化機(jī)構(gòu)的參數(shù)即第個(gè)極化機(jī)構(gòu)貢獻(xiàn)電量和極化反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)最后油紙絕緣老化評(píng)估判據(jù)，評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)。

從T1變壓器中可以解出6條去極化電量子譜線(xiàn)的參數(shù)值和曲線(xiàn)，求解結(jié)果和過(guò)程如表2和圖4 所示。

表2 T1變壓器子譜線(xiàn)的系數(shù)

（a）第一個(gè)條子譜線(xiàn)

（b）第二條子譜線(xiàn)

（c）第三條子譜線(xiàn)

（d）第四條子譜線(xiàn)

（e）第五條子譜線(xiàn)

（f）第六條子譜線(xiàn)

圖4 T1變壓器解譜過(guò)程

根據(jù)變壓器T1的各子譜線(xiàn)的參數(shù)，可求得判斷變壓器T1老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時(shí)間為58.3597和平均去極化電量為4.3056×10-5。

按照T1變壓器的求解方法也可以分解出隱含在T2變壓器去極化電量譜線(xiàn)中的4條子譜線(xiàn)的參數(shù)值和曲線(xiàn)以及當(dāng)前剩余譜線(xiàn)，求解結(jié)果見(jiàn)表3解譜過(guò)程如圖5所示。

表3 T2變壓器子譜線(xiàn)的系數(shù)

（a）第一條子譜線(xiàn)

（b）第二條子譜線(xiàn)

（c）第三條子譜線(xiàn)

（d）第四條子譜線(xiàn)

圖5 T2變壓器解譜過(guò)程

根據(jù)變壓器T2的各子譜線(xiàn)的參數(shù)，可求得判斷變壓器T2老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時(shí)間為247.1983和平均去極化電量為9.3883×10-6。

按照上述同樣的方法解出T3變壓器去極化電量譜線(xiàn)中的5條子譜線(xiàn)的參數(shù)值和曲線(xiàn)以及當(dāng)前剩余譜線(xiàn)，求解結(jié)果和過(guò)程如表4和圖6所示。

表4 T3變壓器子譜線(xiàn)的系數(shù)

根據(jù)變壓器T3的各子譜線(xiàn)的參數(shù)，可求得判斷變壓器T3老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時(shí)間為138.2657和平均去極化電量為3.2932×10-5。

（a）第一條子譜線(xiàn)

（b）第二條子譜線(xiàn)

（c）第三條子譜線(xiàn)

（d）第四條子譜線(xiàn)

（e）第五條子譜線(xiàn)

根據(jù)以上計(jì)算，可得T1、T2、T3變壓器的平均去極化電量和平均極化反應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 三臺(tái)變壓器的平均去極化電量和極化反應(yīng)時(shí)間

根據(jù)油紙絕緣老化狀態(tài)的評(píng)判規(guī)律可知，T2變壓器絕緣良好，T1變壓器絕緣老化嚴(yán)重，T3變壓器老化較嚴(yán)重。

5 結(jié)論

去極化電流法作為一種無(wú)損的變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，目前對(duì)于提取表征油紙絕緣老化的特征參量還有待研究。本文基于時(shí)域介電響應(yīng)原理和時(shí)域介電譜理論，利用去極化電流測(cè)量過(guò)程蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)信息，挖掘出一種能夠真實(shí)反映變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的新的特征參量平均去極化電量和平均極化反應(yīng)時(shí)間，并利用實(shí)例驗(yàn)證了所提出診斷油紙絕緣老化特征量的正確性，得出如下結(jié)論。

1）通過(guò)時(shí)域介電譜理論和油紙絕緣系統(tǒng)的介電特性，構(gòu)建了能夠反映油紙絕緣內(nèi)部極化過(guò)程的去極化電量譜函數(shù)表達(dá)式。

2）利用油紙絕緣系統(tǒng)的去極化電量譜線(xiàn)，提取了能夠反映油紙絕緣老化狀態(tài)的新的特征參量平均去極化電量和平均去極化反應(yīng)時(shí)間：絕緣狀態(tài)越差，油紙絕緣系統(tǒng)的平均去極化電量越大，極化反應(yīng)時(shí)間越短。

3）利用實(shí)例3臺(tái)老化程度不同的變壓器油紙絕緣，驗(yàn)證了本文提出的判斷油紙絕緣老化特征參量的正確性。

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Differential Time-Domain Spectroscopy based on Depolarization Charge Measurement for Diagnosis of Oil-paper Insulation Condition

Wang Ling Cai Jinding

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper proposes a judgment method of Differential dielectric spectroscopy method for the polarization branches number of equivalent circuit of oil-paper insulation.In order to better assess the state of the transformer oil-paper insulation aging,this paper put forward depolarization quantity of electricity models to assess the state of the transformer oil-paper insulation based on the theory of dielectric and Equivalent Circuit Method. The depolarization current curve for different insulation status is different, so several characteristics are proposed. They include the polarization branches number, polarization component, atypical linear and polarization response time. Based on the multiple sets of transformer depolarization current curve, the polarization response time will be smaller and the others will be biger with the deterioration of insulating state. This method provides a new way for the accurate assessment of oil-paper insulation.

oil-paper insulation; dielectric response; depolarization charge spectroscopy