CN102193052B - 一种多统计参量联合评估油纸绝缘状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种多统计参量联合评估油纸绝缘状态的方法，其特征是：通过使用超宽频带局部放电检测系统，对电力设备中的油纸绝缘进行局部放电检测，采集和提取出油纸绝缘局部放电统计参量，通过分析其中7个统计参量的变化趋势，评估电力设备中油纸绝缘的绝缘状态，如果NpSEC、Hn_Sk呈单调增加趋势且alfa、beta、Qmax、Hn_mean、Hqn_Kur呈单调减小趋势，则据此判断电力设备中的油纸绝缘处于劣化状态。本发明可以在绝缘尚未发生故障时对局部放电的危害程度进行预测。对绝缘故障防患于未然，减少因绝缘故障导致的电力设备故障可能性，准确度高，分散性小，且实现方便，不影响电力设备的运行。

Description

一种多统计参量联合评估油纸绝缘状态的方法

技术领域

本发明涉及电力设备状态评估技术，具体说是一种评估油纸绝缘状态的方法。

背景技术

在当前我国经济迅猛发展的大背景下，全社会对电力可靠性的要求越来越高，相应的，电力系统对电力设备特别是大型电力设备的安全可靠运行提出了越来越高的要求，电力系统运行维护方式由计划维修模式向状态检修过渡已成为必然趋势。

目前，大量电力设备采用油纸绝缘结构，尤其是电力变压器，作为电力系统中最昂贵、最关键的枢纽性设备之一，它的运行状况直接关系到系统的安全运行。其绝缘结构是由纤维纸-绝缘油组成的固液二相复合绝缘结构，大量资料表明，油浸式变压器的使用寿命一般取决于油纸绝缘寿命，导致变压器设备事故的主要原因是其绝缘性能劣化。因此，为保证各油浸设备可靠运行，迫切需要准确评估其油纸绝缘状态，对可修复缺陷进行处理，以避免绝缘故障过早发生。对于运行年久，老化程度较深的油纸绝缘，则要求对其老化程度及剩余寿命作出合理评估，以其在保证运行可靠性的同时最大限度地利用其使用寿命。

油纸绝缘状态评估方法及剩余寿命预测技术一直是国内外众多学者广泛关注和竞相研究的热点问题。局部放电是变压器内部油纸绝缘劣化的一个重要因素，局部放电在线监测作为固体绝缘劣化及输变电设备故障诊断中的一种重要方法而受到国内外广大研究人员的重视。

近年来，随着数字化测量技术的发展，国内外学者在局部放电测量、信号去噪、特征提取以及智能化模式识别等方面做了大量研究工作，并应用于电气设备的现代化诊断技术中。然而，多数研究都是关于诸如环氧、云母、聚乙烯等电机和电缆绝缘材料的局部放电特性，而对变压器的油纸绝缘系统，尤其是它们在不同老化程度下的局部放电特性还少见报道。

通过监测固体绝缘老化过程中的局部放电信号，并对不同老化时期信号的变化规律进行分析，结果表明：局部放电特征参量能够在一定程度上反映固体绝缘不同老化阶段的特性。但是，在研究油纸绝缘试品的老化过程中，由于受到各种因素的影响，要精确判断绝缘试品当前的剩余寿命是非常困难的。

老化过程中的局部放电研究取得了一定的成果，但仍然有待进一步研究，总结如下：

(1)目前还没有一种理想的判断老化程度及评估油纸绝缘剩余寿命的方法。

(2)目前还没有一种明确有效的诊断油纸绝缘状态的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提出一种多统计参量联合评估油纸绝缘状态的方法。

本发明通过使用超宽频带局部放电检测系统，对电力设备中的油纸绝缘进行局部放电检测，采集和提取出7个局部放电统计参量：NpSEC(放电重复频率)、Qmax(最大放电量)、Hn_mean(H_n(φ)谱图中按n取值加权的平均放电相位)、alfa(幅度分布的尺度参数)、beta(幅度分布的形状参数)和Hn_Sk(偏斜度)、Hqn_Kur(翘度)，分析这7个局部放电统计参量的变化趋势，如果NpSEC、Hn_Sk呈单调增加趋势且alfa、beta、Qmax、Hn_mean、Hqn_Kur呈单调减小趋势，则据此判断电力设备中的油纸绝缘正处于劣化状态。

本发明的主要原理为：通过使用超宽频带局部放电检测系统，对电力设备的油纸绝缘进行局部放电检测，通过持续对油纸绝缘的局部放电进行观测，可以绘制出几个重要的局部放电统计参量的变化趋势，这些参量包括NpSEC(放电重复频率)、Qmax(最大放电量)、Hn_mean(H_n(φ)谱图中按n取值加权的平均放电相位)、alfa(幅度分布的尺度参数)、beta(幅度分布的形状参数)和Hn_Sk(偏斜度)、Hqn_Kur(翘度)，这些量的变化趋势能够直接反应油纸绝缘的绝缘状态变化。各统计参量的详细介绍如下：

(1)NpSEC——放电重复频率，每秒发生的局放脉冲的个数，

N-总放电次数；

t_测量-测量持续时间。

(2)Qmax——最大放电量

                Qmax＝max(q_k)

(3)Hn_mean——H_n(φ)谱图中按n取值加权的平均放电相位，

H_n(φ)谱图是一个二维图，横轴为相位φ，纵轴为放电次数N。它将一个周期的相位(0°～360°)等分为w个相位窗，若把第i个相位窗的相位记为

且落在第i个相位窗中的放电有N_i个，则可以构成w个有序数对在平面上构成w个数据点。这些点便形成了H_n(φ)谱图，它反映了放电数量在相位上的分布情况。

-平均放电相位；

w-将360°分为w个相位窗；

n_i-第i个相位窗内的放电次数， $\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i=N;$

-第i个相位窗对应的相位。

(4)幅度weibull分布参数(alfa——尺度参数，beta——形状参数)

近年来的初步研究表明，某些类型局部放电的脉冲高度(指放电量)分布可由Weibull分布表达。单一类型的局部放电所产生的放电谱图通常可以用两参数Weibull分布来表示，放电量q的累积分布和概率密度函数分别为：

$F(q;\mathrm{\α},\mathrm{\β})=1-\exp \left[{-\left(\frac{q}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]$

和

$f(q;\mathrm{\α},\mathrm{\β})=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}\·{\left(\frac{q}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}\·\exp \left[{-\left(\frac{q}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]$

其中q＝q_m-q_s是局部放电测试仪器测得的放电量q_m与该量程下仪器最小可测放电量q_s之差，α称为尺度参数，β称为形状参数。

对Weibull分布函数的参数α和β，可以由足够时间段内q的实测数据，通过极大似然法(ML)或最小二乘法(LSM)等方法来进行数值估计。如果局部放电数据采集仪的量化级数为I，第i(i＝1，2，…，I)个量化级所检测到的放电脉冲数是n_i，则测得的放电脉冲总数

$N=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i$

而参数估计的质量可以由克莱姆法则(Cramer-Von-Mise，CVM)进行检验，使用的检验量为

$W^2=\frac{1}{12N}+\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{[F(q_1;\mathrm{\α},\mathrm{\β})-F^{\′}\left(q_i\right)]}^2$

式中F(q_i；α，β)为由试验数据统计得到的累积分布，F′(q_i)为由参数估计值计算得到的理论累积分布。一般可选α_t＝0.2作为CVM方法的拒绝阈值，即当W²＜0.2时认为参数估计满足要求。反之则拒绝。

对式进行变换可以得到：

            log[-ln(1-F)]＝β(logq-logα)

可见，log[-ln(1-F)]与logq之间应该呈线性关系。根据检测的数据，分别求出log[-ln(1-F)]与logq，然后通过极大似然法(ML)或最小二乘法(LSM)等方法来进行数值估计，求出尺度参数alfa和形状参数beta。

(5)偏斜度和翘度

偏斜度和翘度与平均值和方差类似，都是样本的矩特征。平均值为一阶矩、方差为二阶矩、偏斜度和翘度分别为三阶矩和四阶矩，它们定义如下

$S_k=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^3{P}_i\right)}{{\mathrm{\σ}}^3}$

$K_u=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^4{P}_i\right)}{{\mathrm{\σ}}^4}-3$

x_i-第i个统计变量的取值；

P_i-第i个统计变量出现的概率；

μ-统计变量的均值；

σ-统计变量的标准差

针对不同的分布函数，偏斜度和翘度的计算略有差别。例如对于Hn分布图，其偏斜度和翘度分别用Hn_Sk和Hn_Kur记，则有

对于Hqn分布图，其偏斜度和翘度分别用Hqn_Sk和Hqn_Kur记，则有

其中Hn_mean、Hn_Stnd、Hqn_mean、Hqn_Stnd的含义分别为：放电的Hn分布的相位平均值、放电的Hn分布的相位标准差、放电的Hqn分布的相位平均值、放电的Hqn分布的相位标准差。可见不管分布图的纵轴物理含义是什么，在计算偏斜度和翘度时，总把纵轴的量当做是分布的数量，其数量除以总量即为分布概率。

本发明的特点：

(1)本方法在目前还没有一种明确有效的诊断油纸绝缘状态的方法的情况下，基于超宽带局部放电检测系统，明确提出了根据7个局部放电统计参量的变化趋势判断油纸绝缘状态的方法。

(2)本方法是基于超宽带局部放电检测系统的绝缘诊断方法，超宽频带局部放电检测系统的一些技术特点使该方法能够方便地用于工程实践：不影响电力设备的运行方式；可以方便地绘制放电谱图并提取统计参量；分类、识别的功能可以进行辅助分析；在线自动监测功能可对设备进行长期监测；联网功能可以方便实现大规模联合监测。

(3)本方法采用局部放电统计参量代替直接的局部放电观测量，可在统计层面对局部放电的特性进行分析，防止随机干扰带来的影响，减小了误判的可能性。

(4)本方法使用多个局部放电统计参量作为判据，而不是使用单一的判据，准确度高，分散性小，提高了判断的可靠性。

该发明的有益效果是：通过对油纸绝缘的电力设备进行在线的局部放电测量，分析局部放电统计参量的变化趋势，进而判断油纸绝缘的状态变化，可以在绝缘尚未发生故障时对局部放电的危害程度进行预测。对绝缘故障防患于未然，减少因绝缘故障导致的电力设备故障可能性，最大程度地减小损失。

附图说明

图1是本发明方法试验测试接线示例图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：通过业界通常使用的超宽频带局部放电检测系统，对油纸绝缘的电力设备进行在线的局部放电测量，得到绝缘油纸局部放电的7个主要统计参量：NpSEC、Qmax、Hn_mean、alfa、beta和Hn_Sk、Hqn_Kur；连续监测电力设备油纸绝缘的局部放电统计参量，如果发现在一段时间内NpSEC、Hn_Sk呈单调递增的变化趋势、且Qmax、Hn_mean、alfa、beta和Hqn_Kur呈单调递减的变化趋势，则可以判断油纸绝缘正在因局部放电的作用而持续老化；据此，通过多统计参量联合评估油纸绝缘状态。

为了证明本发明所提出的观点，进行了一系列实验室试验，具体内容如下：

(1)试验回路如图1所示。

(2)实验被试品为电力设备中广泛使用的绝缘纸板，裁剪为25mm×25mm×1mm的规格，真空浸油后静置24小时，然后放入恒温老化箱中在140℃下进行老化。

(3)将纸板固定在电极上，浸在油中施加电压。通过试验电极，在油纸绝缘上施加恒定电场来产生局部放电，为加速其老化过程，施加的恒定电压为被试纸板额定电压的1.2倍。用恒定加压的时间来表示绝缘劣化的程度，加压时间越长的纸板，其绝缘劣化程度越高。

(4)在局部放电的发展过程中，每隔一段时间就进行一次局部放电的测量。通过超宽频带局部放电检测系统，提取试品局部放电特征参数：NpSEC、Hn_Sk、alfa、beta、Qmax、Hn_mean和Hqn_Kur，得到一系列的局部放电参量随放电时间的变化关系。

(5)为提高实验的普适性和可信度，对试品作不同情况的处理：

对绝缘纸板进行不同时间的老化，根据老化时间的不同，分别制备两组纸板。第1组老化时间为80小时，绝缘纸板数量为10片；第2组老化时间为200小时，绝缘纸板数量为15片。采用不同的加压电极，使用柱-柱电极和球-柱电极。

(6)实验条件的组合如表1所示。

表1 实验编号及其实验条件列表

实验编号	纸板在140℃下老化时间	电极类型
			1	80小时	柱-柱
2	80小时	柱-柱
			3	80小时	柱-柱
4	80小时	柱-柱
			5	80小时	球-柱
6	80小时	球-柱
			7	80小时	球-柱

8	80小时	球-柱
			9	200小时	柱-柱
10	200小时	柱-柱
			11	200小时	柱-柱
12	200小时	柱-柱
			13	200小时	柱-柱
14	200小时	柱-柱
			15	200小时	柱-柱
16	200小时	柱-柱
			17	200小时	柱-柱
18	200小时	球-柱
			19	200小时	球-柱
20	200小时	球-柱
			21	200小时	球-柱
22	200小时	球-柱
			23	200小时	球-柱
24	200小时	球-柱
			25	200小时	球-柱

(7)表2列出了25片绝缘纸板的局部放电特征参数的变化趋势，表中“↗”表示对应实验条件下局放参数随电老化时间呈增加趋势，而“↘”表示对应实验条件下局放参数随的电老化时间呈减小趋势。表中空白部分表示局放参数的变化规律不明显，主要原因是实验误差。

表2 实验结果统计

(8)结果证明，NpSEC和Hn_Sk随电老化时间呈增加趋势，而alfa、beta、Qmax、Hn_mean、Hqn_Kur等随电老化时间呈减小趋势。本实例证明了本发明的正确性和有效性。

本发明的意义是判断设备是否正在劣化，是一个判断绝缘是否劣化的判据，如果不符合这个规律的，不能断然判断其处于劣化。实际应用中，无需将绝缘油纸取出，对电力设备作公知的现场局放检测，得到绝缘油纸局部放电的7个主要统计参量：NpSEC、Qmax、Hn_mean、alfa、beta和Hn_Sk、Hqn_Kur；符合以上所述规律的，可以判断设备正在劣化。

Claims (1)

1.一种多统计参量联合评估油纸绝缘状态的方法，其特征是：包括以下步骤：一)、使用超宽频带局部放电检测系统，对电力设备中的绝缘油纸进行局部放电检测；

二)、采集或提取7个局部放电统计参量：NpSEC、Hn_Sk、alfa、beta、Qmax、Hn_mean和Hqn_Kur；

三)、分析这7个局部放电统计参量的变化趋势，如果NpSEC、Hn_Sk呈单调增加趋势且alfa、beta、Qmax、Hn_mean、Hqn_Kur呈单调减小趋势，则据此判断电力设备中的油纸绝缘处于劣化状态。

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