交直流復(fù)合電壓下油紙絕緣典型缺陷局部放電發(fā)展階段評(píng)估

周遠(yuǎn)翔， 周仲柳， 沙彥超， 黃 欣， 聶 皓， 曾向君

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電機(jī)系， 北京 100084； 2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 北京 100045； 3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510080)

1 引言

特高壓直流輸電因其系統(tǒng)穩(wěn)定性高，調(diào)節(jié)迅速，以及在長(zhǎng)距離大容量傳輸方面的明顯優(yōu)勢(shì)[1]，近年來得到了長(zhǎng)足發(fā)展與進(jìn)步。作為特高壓直流輸電工程核心設(shè)備之一的換流變壓器，其運(yùn)行工況復(fù)雜，閥側(cè)繞組承受交直流復(fù)合電壓、諧波電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓與沖擊電壓等[2,3]，同時(shí)由于直流場(chǎng)下空間電荷的積聚，使得絕緣問題尤為突出。CIGRE統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，換流變壓器故障率高達(dá)交流變壓器的兩倍，其中絕緣故障又占了換流變壓器故障的50%[4]。

交流變壓器的設(shè)計(jì)制作與運(yùn)行維護(hù)相比于換流變壓器較為成熟，在局部放電試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則方面，長(zhǎng)期積累的工程歷史數(shù)據(jù)也表明了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)交流電壓下局部放電類型的判斷與絕緣狀況的評(píng)估開展了大量研究，提出了一系列診斷方法，如基于局部放電相位分布(PRPD)[5]、脈沖波形特征[6]、幅值圖譜(PAH)與脈沖相位圖譜(PPH)等放電圖譜特征參數(shù)的方法等[7,8]。換流變壓器的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則主要考察耐壓試驗(yàn)的最后30min內(nèi)超過2000pC以上的大幅值放電量不超過30個(gè)[9,10]，該準(zhǔn)則對(duì)絕緣狀態(tài)的評(píng)估和可靠性起到了一定的作用，但實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)水平較低但頻率較高的局部放電時(shí)，很可能存在絕緣故障隱患。交直流復(fù)合電壓油紙絕緣局部放電研究相對(duì)較晚，始于21世紀(jì)初，在交直流復(fù)合電壓下局部放電階段評(píng)估方面也開展了一些嘗試[11-14]。山東大學(xué)李清泉教授對(duì)實(shí)際運(yùn)行5年的換流變壓器油紙樣本進(jìn)行了交直流復(fù)合電壓針板電極局部放電試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著放電的發(fā)展其放電圖譜特征參數(shù)具有明顯的階段性質(zhì)[15]。

為提高換流變壓器絕緣狀態(tài)考核的準(zhǔn)確性，形成交直流復(fù)合電壓下油紙絕緣局部放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估依據(jù)，本文根據(jù)換流變壓器絕緣特點(diǎn)設(shè)計(jì)并制作了4種典型絕緣缺陷電極模型，分別開展了持續(xù)200h的局部放電試驗(yàn)，總結(jié)分析了各種缺陷各個(gè)發(fā)展階段的放電圖譜的特點(diǎn)與圖譜特征參數(shù)的變化趨勢(shì)。同時(shí)進(jìn)行了產(chǎn)氣特性的研究，給出了不同發(fā)展階段三比值編碼，旨在建立多信息融合的放電狀態(tài)評(píng)估依據(jù)，為換流變壓器的絕緣診斷提供參考。

2 試驗(yàn)平臺(tái)與分析方法

2.1 典型缺陷模型

為模擬換流變壓器實(shí)際局部放電情況，參照CIGRE Method II制作了4種典型絕緣缺陷模型，如圖1所示。圖1(a)為油紙復(fù)合絕緣針板電極模型，模擬變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)，由3層1mm厚的絕緣紙疊加而成，中間一層絕緣紙中心挖孔形成1mm油隙，針電極尖端曲率半徑小于100μm。圖1(b)為變壓器油隙針板電極模型，模擬油道中的尖端放電，即油中電暈型放電，高壓針尖電極距離地電極為5mm。由于變壓器的設(shè)計(jì)許用場(chǎng)強(qiáng)為均勻場(chǎng)下局部放電發(fā)生概率為1%的場(chǎng)強(qiáng)，圖1(c)采用變壓器油隙平行板電極模型，模擬均勻場(chǎng)下油中放電，油隙長(zhǎng)度為2.5mm。圖1(d)為油紙絕緣沿面放電電極模型，高壓電極與地電極間距2mm。絕緣紙板沿面放電可能向圍屏發(fā)展，引起圍屏爬電，甚至引起重瓦斯動(dòng)作導(dǎo)致變壓器箱體開裂等危險(xiǎn)事故，因此及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)沿面放電并診斷其發(fā)展?fàn)顟B(tài)是十分必要的。

變壓器油使用克拉瑪依25#絕緣油，經(jīng)真空濾油機(jī)過濾、吸濕與脫氣處理后，再放入真空干燥箱60℃下靜置24h，保證其擊穿場(chǎng)強(qiáng)、微水含量、酸值與含氣量均符合GB/T 7595《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》的要求。

絕緣紙使用魏德曼絕緣紙，先在100℃真空環(huán)境下(氣壓小于10Pa)干燥24h，再在80℃真空環(huán)境下以緩慢速率將變壓器油注入容器，待絕緣紙完全浸沒后，在80℃真空環(huán)境下靜置48h，以保證絕緣紙的充分浸油。

2.2 局部放電測(cè)量

建立了一套適用于測(cè)量及分析交直流復(fù)合電壓下局部放電的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。為避免直流側(cè)與交流側(cè)電源發(fā)生環(huán)流現(xiàn)象，直流側(cè)使用大電阻對(duì)交流進(jìn)行阻隔，隔交電阻RDC=10MΩ，交流側(cè)使用電容對(duì)直流進(jìn)行阻隔，隔直電容C2=0.2μF。交直流復(fù)合電壓引線經(jīng)高壓套管接入高溫試驗(yàn)箱內(nèi)，所有試驗(yàn)在80℃環(huán)境下進(jìn)行，以模擬換流變壓器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際溫度。每項(xiàng)試驗(yàn)均有3組相同類型絕緣缺陷的模型作為對(duì)照組同時(shí)進(jìn)行，每項(xiàng)試驗(yàn)至少重復(fù)3次。局部放電測(cè)量系統(tǒng)分辨率為0.1pC，采取各項(xiàng)抗干擾措施后，實(shí)驗(yàn)室背景噪聲低于5pC。

圖1 換流變壓器典型絕緣缺陷模型Fig.1 Typical insulation defect models of convertor transformer

圖2 交直流復(fù)合電壓下油紙絕緣局部放電試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Platform of PD test of oil-paper insulation under combined AC-DC voltage

為獲取放電發(fā)展不同狀態(tài)的典型圖譜與特征參數(shù)，每項(xiàng)試驗(yàn)均在恒壓下進(jìn)行200h，每隔10h采集并存儲(chǔ)15min時(shí)長(zhǎng)的局部放電信號(hào)，采集速率為5MS/s。為獲得較為明顯而連續(xù)的局部放電信號(hào)，便于采集與分析，但電壓不至于選得太高使得放電過于劇烈而快速擊穿，選擇1.2UPDIV作為試驗(yàn)電壓，其中UPDIV為局部放電起始電壓。直流電壓比例選擇過大時(shí)，放電量較大，交流電壓比例選擇過大時(shí)，放電次數(shù)較多，為獲得相對(duì)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展的放電信號(hào)，從而便于對(duì)比分析發(fā)展各階段的特點(diǎn)，選擇的試驗(yàn)電壓如下：對(duì)油紙復(fù)合絕緣針板電極模型施加的電壓為UDC=1.2UPDIV=+39.8kV；對(duì)變壓器油隙針板電極模型施加的電壓為UAC=1.2UPDIV=15kV(峰值)，疊加直流電壓UDC=+7.5kV；對(duì)變壓器油隙平行板電極模型施加的電壓為UAC=1.2UPDIV=19.6kV，疊加直流電壓UDC=+10kV；對(duì)沿面放電電極模型施加的電壓為U=1.2[UPDIV(AC)+UPDIV(DC)]，其中UPDIV(AC)=14.8kV，UPDIV(DC)=+32.4kV。

2.3 放電圖譜及其特征參數(shù)

通過對(duì)各種放電圖譜的對(duì)比，選取了6種典型放電圖譜，及18個(gè)由放電圖譜衍生的特征參數(shù)(見表1)作為放電類型與狀態(tài)評(píng)估判據(jù)提取的來源。

表1 交直流復(fù)合電壓下局部放電圖譜及特征參數(shù)選取Tab.1 Selection of pattern and characteristic parameter of PD under combined AC-DC voltage

Sk為圖譜的偏斜度參數(shù)，表征圖譜相對(duì)于正態(tài)分布的偏移度，Sk>0時(shí)圖譜相對(duì)于正態(tài)分布左偏，Sk<0時(shí)圖譜相對(duì)于正態(tài)分布右偏[16,17]。其表達(dá)式為：

(1)

式中，xi為圖譜橫坐標(biāo)的離散值；n為xi的數(shù)目；f(xi)為x的概率；u為均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)

式中，yi為xi對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的值。

Ku為圖譜的陡峭度參數(shù)，表征圖譜相對(duì)于正態(tài)分布的尖銳程度，Ku>0時(shí)圖譜比正態(tài)分布尖銳，Ku<0時(shí)圖譜比正態(tài)分布平坦。其表達(dá)式為：

(3)

Asy為不對(duì)稱度，Asy>1時(shí)圖譜Δtsuc范圍內(nèi)放電量幅值的平均值大于Δtpre范圍的平均值，Asy<1時(shí)圖譜Δtpre范圍內(nèi)放電量幅值的平均值大于Δtsuc范圍的平均值。

(4)

式中，符號(hào)“+”、“﹣”分別表示Δtpre和Δtsuc范圍內(nèi)的相應(yīng)變量；N1和N2分別為Δt為正值或負(fù)值的放電次數(shù)。

Cc為相關(guān)度，表征圖譜中Δtpre與Δtsuc范圍內(nèi)放電量幅值分布輪廓的相似程度，Cc趨向于1則分布越相似；Cc趨向于0，則分布差異越大。其表達(dá)式為：

(5)

式中，xi為Δtpre范圍內(nèi)第i個(gè)時(shí)間間隔的放電量；yi為Δtsuc范圍內(nèi)第i個(gè)時(shí)間間隔的放電量；n為時(shí)間間隔的總個(gè)數(shù)。

n-Q分布符合雙參數(shù)威布爾分布，累積概率函數(shù)為：

(6)

式中，Q為放電量；γ為測(cè)量系統(tǒng)靈敏度；α為尺度參數(shù)；β為概率分布的形狀參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同缺陷不同階段圖譜特征

根據(jù)局部放電測(cè)量與分析系統(tǒng)的錄波數(shù)據(jù)，分別繪制4種典型缺陷模型在加壓0h、30h、80h、140h和200h的放電圖譜Q-Δtpre、Qmean-Δtpre、n-Δtpre和n-Q圖，共計(jì)80幅圖譜，選取部分如圖3所示。不同缺陷模型在不同加壓時(shí)間有著不同的放電機(jī)理，其放電圖譜也呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。各圖譜橫、縱坐標(biāo)量的差異，不同發(fā)展階段之間變化趨勢(shì)的差異，可成為放電類型劃分、發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估的依據(jù)。

圖3 變壓器油隙平行板電極不同加壓時(shí)間下局部放電圖譜(部分)Fig.3 PD pattern of oil gap between parallel plates at different time (part)

油紙復(fù)合絕緣針板電極模型局部放電各階段圖譜特征為：①發(fā)展前期，Q-Δtpre圖中Qmax<1000pC；發(fā)展中期，Qmax約1200～1500pC，局部放電程度加劇，對(duì)絕緣紙的破壞更強(qiáng)；發(fā)展后期，Qmax>2000pC，絕緣性能急劇下降，瀕臨擊穿；②發(fā)展前期，n-Δtpre圖中Δtpre主要分布在0.5s以內(nèi)，發(fā)展中期分布在0.15s以內(nèi)，發(fā)展后期分布在0.6s以內(nèi)，說明放電頻率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，前期頻率上升是由于絕緣性能逐漸劣化加速了放電的發(fā)展，后期頻率下降是由于大幅值放電量的增多；③發(fā)展前期，n-Q圖譜中Q主要分布在0～600pC，發(fā)展中期，Q主要分布在0～1200pC，發(fā)展后期，Q主要分布在0～2000pC。

變壓器油隙針板電極模型局部放電各階段圖譜特征為：①發(fā)展前期，Q-Δtpre圖中Qmax約1000pC，發(fā)展中期，Qmax約3000pC，發(fā)展后期Qmax>4000pC；②發(fā)展前期與中期，n-Δtpre圖中Δtpre主要分布在0.6s以內(nèi)，發(fā)展后期主要分布在0.4s以內(nèi)，說明放電頻率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；③發(fā)展前期，n-Q圖譜呈雙峰分布，左側(cè)峰值小于150，發(fā)展中期，呈雙峰分布，左側(cè)峰值大于600，發(fā)展后期，呈單峰分布，峰值小于500。

變壓器油隙平行板電極模型局部放電各階段圖譜特征為：①發(fā)展前期，Q-Δtpre圖中Qmax約100pC，發(fā)展中期，Qmax約300pC，發(fā)展后期，Qmax約500pC；②發(fā)展各階段，n-Δtpre圖中Δtpre主要分布在0.05s以內(nèi)，發(fā)展前期，峰值小于60，發(fā)展中期，峰值約100，發(fā)展后期峰值約300。

油紙絕緣沿面放電電極模型局部放電各階段圖譜特征為：①發(fā)展前期，Q-Δtpre圖中超過4000pC的大幅值放電量分布在Δtpre軸的0.005s以內(nèi)，發(fā)展中期，大幅值放電量分布在0.01s以內(nèi)，發(fā)展后期，分布在0.02s內(nèi)；②發(fā)展前期，n-Q圖譜中超過4000pC的大幅值放電量數(shù)目小于100，發(fā)展中期，大幅值放電量數(shù)目約為4000，發(fā)展后期，大幅值放電量數(shù)目約為15000。

3.2 不同缺陷不同階段特征參數(shù)

3.1節(jié)給出了基于放電圖譜特征對(duì)局部放電類型與發(fā)展?fàn)顟B(tài)劃分的依據(jù)，以下給出基于圖譜特征參數(shù)進(jìn)行劃分的方法。計(jì)算出表1中所列出的18項(xiàng)特征參數(shù)，其中變壓器油隙尖板電極、油隙平行板電極模型局部放電在不同加壓時(shí)間下的特征參數(shù)變化趨勢(shì)分別如圖4、圖5所示，t為加壓時(shí)間。

圖4 變壓器油隙尖板電極局部放電圖譜特征參數(shù)Fig.4 Characteristic parameters of PD pattern of pin-plate electrode in transformer oil

圖5 變壓器油隙平行板電極局部放電圖譜特征參數(shù)Fig.5 Characteristic parameters of PD pattern of parallel plate electrode in transformer oil

根據(jù)特征參數(shù)作出不同缺陷不同發(fā)展階段的“指紋”標(biāo)識(shí)圖，其中油紙復(fù)合絕緣針板、沿面放電電極模型在加壓0h、80h和200h的指紋圖如圖6所示,number為特征參數(shù)序號(hào)，value為特征參數(shù)數(shù)值。特征參數(shù)較大值對(duì)應(yīng)的參數(shù)序號(hào)、各參數(shù)的分布情況、變化趨勢(shì)可作為診斷的依據(jù)。油紙復(fù)合絕緣針板電極模型局部放電發(fā)展前期，Q-Δtpre、Q-Δtmean的Sk、Ku呈快速減小趨勢(shì)，中期后趨于穩(wěn)定；發(fā)展中期，n-Q的Ku逐漸減??；發(fā)展后期，各特征參數(shù)均小于5。變壓器油隙針板電極模型局部放電發(fā)展前期，n-Q的α逐漸減小，β逐漸增大；發(fā)展中期，n-Δtpre的Sk、Ku呈明顯增大趨勢(shì)；發(fā)展后期，各參數(shù)無明顯變化，需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)該階段做出判斷。變壓器油隙平行板電極模型局部放電發(fā)展前期，Q-Δtpre、Qmean-Δtpre的Ku值較高，約為2000；發(fā)展中期，Q-Δtpre、Qmean-Δtpre的Ku快速減小，n-Q的β逐漸增加；發(fā)展后期，n-Q的α和Q-Δtpre的Ku呈明顯增加趨勢(shì)。油紙絕緣沿面放電電極模型局部放電發(fā)展前期，Q-Δtpre、n-Δtpre的Ku逐漸減小，處于60～120區(qū)間；發(fā)展中期與后期，n-Q的β均逐漸增加，但后期增速是中期的2倍以上，Q-Δtpre的Ku逐漸減小，但中期減小速度是后期的5倍以上。

3.3 不同缺陷不同階段產(chǎn)氣特性

圖6 典型絕緣缺陷局部放電圖譜特征參數(shù)指紋圖(部分)Fig.6 Finger print pattern based on characteristic parameter of PD pattern (part)

變壓器油溶解氣體分析是變壓器各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目中所需檢驗(yàn)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，也是診斷絕緣故障類型與發(fā)展?fàn)顟B(tài)的重要依據(jù)之一，利用產(chǎn)氣特性對(duì)交流電壓設(shè)備進(jìn)行故障評(píng)估有不少研究[18-20]。換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)、電壓形式、電場(chǎng)分布與交流變壓器不同，導(dǎo)致局部放電發(fā)生發(fā)展機(jī)理不同，引起氣體產(chǎn)生與積聚的不同[21]。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明，換流變壓器的產(chǎn)氣特性與交流變壓器之間存在差異。表2～表4為不同絕緣缺陷在不同加壓時(shí)間下的產(chǎn)氣特性，以及根據(jù)GB/T 7252 《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》進(jìn)行的三比值編碼[22]。局部放電發(fā)展初期，除沿面放電外，其他3種電極模型產(chǎn)氣編碼為102、110、102，屬于低能量密度放電，沿面放電產(chǎn)氣編碼為211，這是由于沿面放電較易形成電弧通道，單次放電量較大，高溫使油分解生成較多C2H2。局部放電發(fā)展中期，油隙平行板電極為稍不均勻場(chǎng)，發(fā)展緩慢，產(chǎn)氣編碼仍為對(duì)應(yīng)能量密度較低的102；除此之外，其他3種電極模型產(chǎn)氣編碼為200、202、212，說明放電均已發(fā)展到電弧故障狀態(tài)。局部放電發(fā)展后期，4種電極模型產(chǎn)氣編碼為200、211、201、201，放電均為劇烈狀態(tài)，對(duì)絕緣性能威脅較大。

表2 4種典型絕緣缺陷模型加壓10h下產(chǎn)氣特性Tab.2 Gas production characteristics of four models of typical insulation defect after applying voltage for 10h

表3 4種典型絕緣缺陷模型加壓80h下產(chǎn)氣特性Tab.3 Gas production characteristics of four models of typical insulation defect after applying voltage for 80h

表4 4種典型絕緣缺陷模型加壓200h下產(chǎn)氣特性Tab.4 Gas production characteristics of four models of typical insulation defect after applying voltage for 200h

4 結(jié)論

(1)本文開展了4種典型絕緣缺陷模型在交直流復(fù)合電壓下持續(xù)200h的局部放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明各種缺陷模型在局部放電的不同發(fā)展階段均有著可作為判斷依據(jù)的明顯差異特征，為形成多信息融合判據(jù)提供了條件。

(2)基于放電圖譜的特點(diǎn)，給出了放電類型與發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估的依據(jù)。隨著放電的發(fā)展，各類型放電Qmax均逐漸增加，但所屬區(qū)間各有不同；表征放電頻率的Δtpre主要范圍及其變化趨勢(shì)不同；n-Q圖譜的峰值各有不同。

(3)基于放電圖譜的偏斜度Sk、峭度Ku、不對(duì)稱度Asy與相關(guān)度Cc等18項(xiàng)指紋特征參數(shù)，給出了放電類型與發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估的依據(jù)。

(4)基于產(chǎn)氣特性，給出了放電類型與發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估的依據(jù)。發(fā)展初期，除了沿面放電其他模型均為低能量密度放電；發(fā)展中期，除了油隙平行板其他模型均出現(xiàn)電弧放電；發(fā)展后期，各個(gè)缺陷模型的三比值編碼均對(duì)應(yīng)劇烈放電。

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