CN101408579A - 变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明为油浸式电力变压器油纸绝缘电热老化研究提供一种用于局部放电检测的一体化试验装置，包括电热老化箱、试品电极系统和高压交流电源系统，试品电极系统设置于电热老化箱内并与高压交流电源系统连接，还包括局部放电信号采集系统，所述局部放电信号采集系统包括局部放电信号传感器、信号传输电缆和数据采集处理装置，局部放电信号传感器的输入端与试品电极系统连接，输出端通过信号传输电缆和数据采集处理装置连接；本发明的试验装置能采集油纸绝缘电热老化过程中的局部放电参量，为变压器油纸绝缘电热老化研究提供数据，在此研究基础上可进而实现对变压器油纸绝缘电热老化状态的在线监测。

Description

变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置

技术领域

本发明涉及电力设备绝缘老化与寿命预测技术领域，具体涉及一种变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置及试验方法。

背景技术

电力变压器是电能转换、传输的核心，是电网中最重要和最关键的设备。目前，世界各地电力行业的变压器有很大一部分已经达到其设计使用寿命的晚期。变压器的老化评估和寿命预测技术一直受到国内外众多学者的关注。大容量电力变压器内绝缘的主要构成形式是绝缘油-纤维纸组合绝缘系统，其在运行中因电、热、机械等多因素作用逐渐发生老化，加之遭受雷电、系统短路等外界因素的侵袭，使得老化程度进一步加深，随时都可能引发故障，导致大面积停电事故。通常用于诊断油纸绝缘老化的方法包括：油中溶解气体分析(DGA)，油中呋喃(Furan)衍生物含量测量，油纸绝缘聚合度(DP)和抗拉强度(TS)等。以上方法多是适用于离线判断变压器油纸绝缘老化的状态，局部放电测量是一种无损的在线监测方法，通过研究变压器油纸绝缘老化的局部放电参量，从而对其老化状态进行判断。

国内外关于电气设备绝缘老化方面的专利较少，且已有的专利文献多是关于大型电机或是变频电机等旋转设备，如公开号为CN02139423.7和CN200510022488.9的中国发明专利申请公布说明书，关于大型电力变压器绝缘老化的试验装置和方法未见公开；另外，关于局部放电测量方面的专利文献较多，诸如公开号为CN200510000496.3和CN00101178.2的中国发明专利申请公布说明书，该类专利文献均详细介绍了局部放电测量的相关装置和试验方法，但该类专利多是针对具体的电气设备进行的，未见有与绝缘老化评估相结合的公开报道。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明为油浸式电力变压器油纸绝缘电热老化研究提供一种用于局部放电检测的一体化试验装置。

本发明的目的是这样实现的，变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，包括电热老化箱、试品电极系统和高压交流电源系统，试品电极系统设置于电热老化箱内并与高压交流电源系统连接，还包括局部放电信号采集系统，所述局部放电信号采集系统包括局部放电信号传感器、信号传输电缆和数据采集处理装置，局部放电信号传感器的输入端与试品电极系统连接，输出端通过信号传输电缆与数据采集处理装置连接。

进一步，所述局部放电信号传感器采用脉冲电流法获取油纸绝缘局部放电信号；

进一步，所述局部放电信号传感器为罗可夫斯基线圈；

进一步，所述高压交流电源系统包括试验变压器，所述试验变压器通过高压引线与试品电极系统连接；

进一步，所述高压交流电源系统还包括电压控制装置，所述电压控制装置与试验变压器连接；

进一步，所述变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置还包括试品击穿保护电路，所述试品击穿保护电路与试品电极系统连接；

进一步，所述变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置还包括温度控制装置，所述温度控制装置与电热老化箱连接，控制电热老化箱内的温度；

进一步，所述试品电极系统包括一密闭容器，所述密闭容器内盛装绝缘油，并设置有接地电极和高压电极和压紧装置，所述压紧装置用于将绝缘油纸试品与电极压紧；

进一步，所述高压电极为球形电极，接地电极为板状电极，所述板状电极接地，球形电极通过铜导杆与高压引线连接，高压引线通过高压套管与试验变压器输出端连接；

进一步，所述压紧装置包括通过调节螺栓连接的两块压板，所述板状电极和球形电极分别设置于两块压板的内侧。

本发明的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置能采集油纸绝缘老化过程中的局部放电信号，为变压器油纸绝缘老化研究提供数据，在此研究基础上可进而实现对变压器油纸绝缘电热老化状态的在线监测；本试验装置结构简单，成本低廉，能模拟电-热条件下的油纸绝缘老化状态，采用了电压控制装置和温度控制装置，能对试验温度和电压进行调节，以模拟不同情况下的变压器油纸绝缘老化状态。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1示出了本发明变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置的结构示意图；

图2示出了本发明中试品电极系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，本优选实施例的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，包括电热老化箱5、试品电极系统6、老化箱温度控制装置1、高压交流电源系统和局部放电信号采集系统，电热老化箱5顶部设置有供高压引线穿入的高压套管4，试品电极系统6设置于电热老化箱5内，试品电极系统6可多个并联设置，试品电极系统6接地线穿过设置在电热老化箱5底部的低压套管11连接到继电保护控制系统8实现击穿保护，以保证某个或某几个试品击穿时不影响其他试品的正常老化；所述局部放电信号采集系统包括局部放电信号传感器7、信号传输电缆9和数据采集处理装置10，局部放电信号传感器7的输入端与试品电极系统6的接地线连接，输出端通过信号传输电缆9与数据采集处理装置10连接，本实施例中局部放电信号传感器7采用罗可夫斯基线圈，通过脉冲电流法获取油纸绝缘局部放电信号，数据采集处理装置10采用智能数字示波器，可对局部放电信号传感器7获取的信号进行采集、处理和存储；所述高压交流电源系统包括试验变压器3和电压控制装置2，所述试验变压器3通过高压引线与试品电极系统连接，所述电压控制装置2用以控制试验变压器3的输出电压；所述老化箱温度控制装置与电热老化箱连接，控制电热老化箱内的温度；

参见图2，所述试品电极系统包括一密闭容器68，所述密闭容器68内盛装绝缘油67，并设置有电极和压紧装置，所述压紧装置包括通过调节螺栓65连接的两块压板64，所述电极包括一板状电极62和一球形电极66，其中板状电极62接地，球形电极66通过铜导杆61与高压引线连接，高压引线与试验变压器3的输出端连接，所述板状电极62和球形电极66分别设置于两块压板64的内侧；所述压板材料选用环氧树脂，密闭容器为圆筒形，由不锈钢制成，其上盖69采用陶瓷材料，上盖69上设置有带耐高温绝缘垫圈的铜螺栓610，所述耐高温绝缘垫圈铜螺栓610下端与铜导杆61连接，上端用于与高压引线连接。

以下以人工气隙缺陷模型试品为例对本实施例的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置使用方法进行说明，包括如下步骤：

1)首先将绝缘纸经过变压器出厂之前同样工序的真空干燥、浸油预处理，裁剪一1mm厚的圆形绝缘纸板与0.1mm厚的环形绝缘纸，将它们重叠放置，用硅胶密封并粘合制成试品63；然后在试品63表面均匀涂上导电漆使得表面接触电阻最小，并将环形绝缘纸一面向下放置于板状电极62上，调节调节螺栓65进行压紧，使圆形绝缘纸板与电极62之间形成0.1mm的气隙；

2)通过电压控制装置2调节试验变压器3的输出电压，通过温度控制装置控制电热老化箱内的温度，模拟老化进程；

3)定期采集试品局部放电信号；采集前，首先降低试验电压至零，再缓慢上升试验电压，确定最大外施实验电压和起始局部放电电压，然后选取起始局部放电电压的1.2～1.5倍电压作为局部放电试验电压，以保证老化过程中所有试品在该电压下都有稳定局部放电信号并无瞬时击穿情况，此时试品电极系统会产生局部放电脉冲，罗可夫斯基线圈获取局部放电信号并传输至智能数字示波器中进行采集、处理和储存。

智能数字示波器的数据处理装置对获得的数据做如下处理：

1)局部放电信号传感器采集油纸绝缘的局部放电信号并传输到数据处理装置；

2)数据处理装置对局部放电信号进行分析，获取局部放电特征参量；具体包括：

21)数据处理装置根据局部放电信号中的局部放电发生的工频相位放电量幅值q和放电次数n，以相位为横坐标的放电谱图，按照设定的相位窗个数将相位分窗，以相位分窗为单位统计测量所得到的多个工频周期的各种局部放电参数。获得三种重要的基于相位分窗的放电谱图：最大放电量相位分布图谱

平均放电量相位分布图谱

放电次数相位分布图谱

除了三种以相位为横坐标的图谱以外，还获得了一种以放电量q为横坐标的放电次数放电量图谱H_n(q)。

22)数据处理装置提取最大放电量相位分布图谱

平均放电量相位分布图谱

和放电次数相位分布图谱

中的正负半周的偏斜度sk、陡峭度ku、峰值个数peak、不对称度Asy和相关系数cc，放电次数放电量图谱H_n(q)的偏斜度sk、陡峭度ku和峰值个数peaks作为局部放电特征参量；并组成原始特征量数据矩阵X，变量X_i(i＝1，2，...，p)顺序按照从图谱

图谱的特征量的顺序从sk+→sk-→ku+→ku-→peaks+→peaks-→Asy→cc；H_n(q)图谱特征量的顺序从sk→ku→peaks。

3)数据处理装置对步骤2)获取的局部放电特征参量提取主成分因子；具体包括以下步骤：

31)数据处理装置对局部放电特征参量组成的原始特征量数据矩阵进行标准化变化，具体的变换式如下所示：

$Z_{\mathrm{ij}}=\frac{X_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{X_i}}{S_i}$

式中：X_ij为局部放电特征量原始数据，Z_ij为标准化后的数据，X_i和S_i分别表示第i个特征量的平均值和标准差。

32)数据处理装置对局部放电特征参量标准化数据进行相关性的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验，若KMO检验值大于0.5，则进行下一步处理，否则直接将此局部放电特征参量标准化变化前的原始变量作为主成分因子直接作为步骤4)的输入，KMO值ε_KMO的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{KMO}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j(i\≠j)}{\mathrm{\Σ}}{r_{\mathrm{ij}}}^2}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j(i\≠j)}{\mathrm{\Σ}}{r_{\mathrm{ij}}}^2+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j(i\≠j)}{\mathrm{\Σ}}{s_{\mathrm{ij}}}^2}$

式中r_ij为局部放电特征量X_ij的相关系数，s_ij为局部放电特征量X_ij的偏相关系数；

33)数据处理装置对步骤32)筛选过的局部放电特征参量标准化数据求解协方差，获得协方差矩阵；协方差矩阵和原始变量的相关矩阵R相等，即

$r_{\mathrm{ij}}=s_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{\mathrm{ti}}-{\stackrel{\‾}{Z}}_i)(Z_{\mathrm{tj}}-{\stackrel{\‾}{Z}}_j)}{\sqrt{\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Z_{\mathrm{ti}}-{\stackrel{\‾}{Z}}_i)}^2\sqrt{\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Z_{\mathrm{tj}}-{\stackrel{\‾}{Z}}_j)}^2}}}$

式中：Z_ti和Z_tj分别为标准化后的数据，Z_i和Z_j分别为标准化后的第i个特征量的平均值；

34)数据处理装置对原始数据相关矩阵相关矩阵R，进行主成分分析：

相关矩阵R的特征根为λ₁≥λ₂≥λ₃≥...≥λp＞0，对应的特征向量矩阵U＝[u₁u₂...u_p]，根据Y＝U^T×Z即得到了另外一组不相关的变量所组成的数据矩阵Y。选择特征根值大于1的特征根对应的变量进行分析，并计算各主成分的贡献率及累计贡献率，主成分的贡献率按照 ${\mathrm{\μ}}_j={\mathrm{\λ}}_j/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_1$ 计算。本发明取累计贡献率超过90％所对应的m个变量作为主成分因子。

35)将原始数据矩阵X转化为主成分因子数据矩阵F；

36)数据处理装置对主成分因子进行载荷计算：

对数据矩阵Y进行下式的变换：

$Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ \mathrm{\Λ}\\ Y_p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& 0& \mathrm{\Λ}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& O& M\\ M& O& O& 0\\ 0& \mathrm{\Λ}& 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Y}_1/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}\\ Y_2/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}\\ M\\ Y_p/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\end{array}\right]$

令 $F_1=Y_1/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1},$ $F_2=Y_2/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2},\mathrm{\Λ},$ $F_p=Y_p/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_p},$ 于是得到：

$Z=\mathrm{UY}={\left[\begin{array}{cccc}{u}_1& u_2& \mathrm{\Λ}& u_p\end{array}\right]}_{p\×p}\×\left[\begin{array}{cccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& 0& \mathrm{\Λ}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& O& M\\ M& O& O& 0\\ 0& \mathrm{\Λ}& 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ M\\ F_p\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{12}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{1p}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\\ u_{21}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{22}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{2p}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\\ M& M& & M\\ u_{p1}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{p2}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{\mathrm{pp}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ M\\ F_p\end{array}\right]=A\×\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ M\\ F_p\end{array}\right]$

矩阵A为p个主成分向量的因子载荷矩阵，提取的前m个主成分因子所对应的主因子载荷矩阵为：

$A_m=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{12}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{1m}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_m}\\ u_{21}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{22}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{2m}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_m}\\ M& M& & M\\ u_{p1}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& u_{p2}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& \mathrm{\Λ}& u_{\mathrm{pm}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_m}\end{array}\right]$

37)数据处理装置对主成分因子进行旋转分析：

选择如下所示的正交阵T_kj对m个主成分因子的每两个因子进行旋转角度

使得旋转后的因子载荷的总方差到最大。

即：通过 $A_m\stackrel{T_{\mathrm{kj}}}{\→}{B}_m$ 正交变换使 $v=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{({b_{\mathrm{ij}}}^2-\frac{1}{p}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\left({b_{\mathrm{ij}}}^2\right))}^2$ 达到最大。经过因子旋转后，使每个因子上的载荷尽量拉开，一部分载荷趋于1，另一部分趋于0。

38)数据处理装置计算主成分因子得分：

根据因子载荷矩阵A_m将各因子表示成变量X与因子得分系数矩阵γ的线性形式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_1={\mathrm{\γ}}_{11}{X}_{11}+{\mathrm{\γ}}_{12}{X}_{12}+\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\γ}}_{1p}{X}_{1p}\\ F_2={\mathrm{\γ}}_{21}{X}_{21}+{\mathrm{\γ}}_{22}{X}_{22}+\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\γ}}_{2p}{X}_{2p}\\ \mathrm{\Λ}\\ F_m={\mathrm{\γ}}_{m1}{X}_{m1}+{\mathrm{\γ}}_{m2}{X}_{m2}+\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mp}}{X}_{\mathrm{mp}}\end{array}\right.$

4)数据处理装置利用步骤3)获得的主成分因子，通过三层反向传播(BackPropagation)神经网络构建油纸绝缘老化评估模型，评估油纸绝缘的老化状态。

将聚合度作为输出表示油纸绝缘的老化状态，考虑到聚合度较大的数值，因此首先将聚合度作如下线性变换：

$\mathrm{Ag}=\frac{1200}{950}-\frac{1}{950}\mathrm{DP}$

那么Ag＝0表示未老化，Ag＝1则表示完全老化。根据聚合度值将老化状态划分为A～E五个阶段，每个老化阶段的聚合度区间分别为DP_A～DP_E，对应的不同老化阶段的Ag区间分别为Ag_A～Ag_E。试验获得的不同老化阶段样本的Ag值分别为Ag₁～Ag₅。选择人工神经网络中的反向传播(Back Propagation)网络建立模型，将试验获得的老化局部放电样本分为训练样本S-train和测试样本S-test，选取S-train和Ag₁～Ag₅作为的输出来训练神经网络。根据不同老化阶段的判别区间Ag_A～Ag_E，使用训练完成的BP网络对测试样本进行评估，结果能够很好地识别油纸绝缘的老化状态。具体的评估模型结构如图2所示。

评估模型采用三层反向传播(Back Propagation)神经网络，输入为提取的局部放电主成分因子，输出为表示油纸绝缘老化状态的Ag，网络训练采用L-M(Levenberg-Marquardt)算法，输入数据之前首先对数据进行归一化预处理，隐含层传递函数选择双曲正切S型函数，保证网络的非线性特征，输出层激活函数选择对数S型函数，保证网络输出在[0，1]之间。输入神经元数n₁为提取的主成分因子的个数，输出层神经元数为1，隐含层神经元数n₂根据公式n₂＝2n₁+1确定。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，包括电热老化箱、试品电极系统和高压交流电源系统，试品电极系统设置于电热老化箱内并与高压交流电源系统连接，其特征在于：还包括局部放电信号采集系统，所述局部放电信号采集系统包括局部放电信号传感器、信号传输电缆和数据采集处理装置，局部放电信号传感器的输入端与试品电极系统连接，输出端通过信号传输电缆和数据采集处理装置连接。

2.如权利要求1所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述局部放电信号传感器采用脉冲电流法获取油纸绝缘局部放电信号。

3.如权利要求2所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述局部放电信号传感器为罗可夫斯基线圈。

4.如权利要求1所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述高压交流电源系统包括试验变压器，所述试验变压器通过高压引线与试品电极系统连接。

5.如权利要求4所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述高压交流电源系统还包括电压控制装置，所述电压控制装置与试验变压器连接。

6.如权利要求1所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置还包括试品击穿保护电路，所述试品击穿保护电路与试品电极系统连接。

7.如权利要求1所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置还包括温度控制装置，所述温度控制装置与电热老化箱连接，控制电热老化箱内的温度。

8.如权利要求1至7中任一项所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述试品电极系统包括一密闭容器，所述密闭容器内盛装绝缘油，并设置有接地电极、高压电极和压紧装置，所述压紧装置用于将绝缘油纸试品与电极压紧。

9.如权利要求8所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述高压电极为球形电极，接地电极为板状电极，所述板状电极接地，球形电极通过铜导杆与高压引线连接，高压引线通过高压套管与试验变压器输出端连接。

10.如权利要求9所述的变压器油纸绝缘电热老化试验及局部放电一体化检测装置，其特征在于：所述压紧装置包括通过调节螺栓连接的两块压板，所述板状电极和球形电极分别设置于两块压板的内侧。

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