CN103197171B - 基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其步骤：对系统的极化/去极化电流进行测量；对极化/去极化电流的等效电路进行仿真，计算出等效电路模型的电路参数得出去极化电流；对去极化电流进行平滑，拟合得到去极化电量；建立老化时间于去极化电量特征参量的函数关系；结合矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律的一阶动力学模型整合得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系。采用本发明不仅操作简单，而且灵敏度高，适合工程使用。

Description

基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法

技术领域

本发明涉及一种输电检测技术领域，尤其涉及的是一种基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法。

背景技术

换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备之一，其运行可靠性直接影响整个系统的安全运行。换流变压器的严重事故既会导致自身的损坏，还会中断电力供应，造成巨大的经济损失。运行中的换流变压器除承受交流电压、雷电冲击和操作过电压外，还要承受直流、交流叠加直流及极性反转电压的作用。在这些电压作用下，变压器内部电场分布、绝缘材料击穿特性、空间电荷的积聚与分布等都与普通变压器存在很大的差异。换流变的主绝缘更容易在长期承受电场、热等作用下发生劣化，引起换流变压器绝缘性能下降；此外换流变压器在直流电压长期作用下，绝缘纸板会积聚大量的空间电荷，引起内部场强的畸变，严重时将导致绝缘的异常放电与击穿。因此，利用现代测试技术和分析手段，深入研究能有效反映换流变压器内部油纸绝缘老化状态的特征参量，进而对变压器预期寿命进行评估；以及研究主绝缘在老化过程中，由直流电场作用下引发的绝缘纸板内部空间电荷积聚和消散特性，了解换流变压器老化过程中空间电荷的形成和发展，提高换流变压器安全运行可靠性，减小事故发生率，已经成为电力行业和相关研究部门关注的热点和迫切需要解决的技术难题。

工程上通常采用测量由绝缘系统老化而引起的理化和电气性能参数的变化来对变压器绝缘老化状态进行评估。理化参量主要包括绝缘纸聚合度 或拉伸强度、油中溶解CO、CO2生成总量及其比值、油中糠醛含量等，但这些方法在实际操作中都存在着不同的缺点及局限性，在实际工作中带来很大的不便。而对于电气参量，通常认为变压器绝缘老化后只会直接导致其机械性能的下降，而诸如工频介质损耗、工频、脉冲击穿电压强度等电气性能不会发生太大的变化。除此之外，国内外很多电力运行部门将绕组的热点温升作为评估变压器寿命的主要依据[15]。但变压器的老化状态和剩余寿命绝不仅仅取决于绕组的热点温度。到目前为止，还没有形成一套在现场实用的，能够有效、真实并综合地判断电力变压器主绝缘老化程度和剩余寿命的评估方法和系统。

以介电响应为基础的极化/去极化电流法(polarization and depolarization current，PDC)和频域介电谱法(frequency domain spectroscopy，FDS)是无损的电气诊断技术，具有环境干扰小、携带绝缘信息丰富以及实施起来简便易行等优点，能够弥补现有传统化学诊断方法的不足，更适合于变压器绝缘状态的现场诊断。但目前我国在应用介电响应技术的诊断研究方面，还仍然停留在对传统参数变化规律的分析层面，更为深入的研究尚未全面展开。此外由于换流变压器功能的特殊性，在运行中需要长期承受直流电压，绝缘纸板会积聚大量的空间电荷，它可以导致介质内部电场分布的畸变，对局部电场起到削弱或加强的作用，若电场畸变严重，将引起绝缘材料的击穿和老化，直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。已有的研究表明绝缘油性能、绝缘老化产物水分、测试温度等对油纸绝缘的FDS和PDC特性有很大影响。对油纸绝缘介质在老化过程中绝缘油与绝缘纸性能对空间电荷形成及迁移的影响程度如何，未见深入研究报道。作为油纸绝缘老化产物且直接危害变压器油纸绝缘性能的水分会对油纸介质的空间电荷产生何等影响，也尚未见研究报道。

虽然去极化电流与油纸绝缘老化状态有着直接的关系，但是，由于去极化电流随着老化时间逐渐增大，但在后期变化并不明显，因此为了探究 油纸绝缘样品的去极化电流与老化状态的关系，需要寻找一个对油纸绝缘老化反映灵敏的特征参量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，旨在解决现有技术中没有一个能够灵敏反映油纸绝缘老化的特征参量。

本发明的技术方案如下：

一种基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对系统的极化/去极化电流进行测量；

S2：对极化/去极化电流的等效电路进行仿真，计算出等效电路模型的电路参数得出去极化电流；

S3：对去极化电流进行平滑，拟合得到去极化电量；

S4：建立老化时间于去极化电量特征参量的函数关系；

S5：结合矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律的一阶动力学模型整合得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系。

所述的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，去极化电量为去极化电流对测量时间的积分，其拟合公式为：

$Q_{\mathrm{dp}}=C-\mathrm{Aexp}(-\frac{t}{B})$

其中，Qdp表示去极化电量，A、B、C为常数值，t为去极化电流的测量时间。

所述的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，所述的老化时间T与去极化电量特征参量A或C的函数关系式为：

T=f(A)=1.23×10⁹A-51.33；

T=f(C)=9.12×10⁸C-43.36。

所述的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，步骤S5中得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系式为：

$\frac{1}{\mathrm{DP}}-\frac{1}{{\mathrm{DP}}_0}=k_{A}f\left(A\right)=k_{C}f\left(C\right)$

式中DP为老化时间T时刻绝缘纸的聚合度，DP0为老化前绝缘纸的聚合度，k为老化速率。 

所述的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，在去极化电量测试之前要分别对绝缘油水分含量、电导率以及绝缘纸的水分含量分别进行测试。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种反映油纸绝缘老化状态的时域介电响应的特征参量，将其作为评估油纸绝缘热老化程度的特征参量。该方法不仅操作简单，而且灵敏度高，适合工程使用。

附图说明

图1为老化绝缘油的绝对含水量；

图2为老化绝缘油的酸值；

图3为老化绝缘纸的水分含量；

图4为老化不同状态油纸绝缘试品的极化电流；

图5为老化不同状态油纸绝缘试品的去极化电流；

图6为不同老化状态油纸绝缘试品的初始(t=2.5s)和长期(t=5000s)极化电流；

图7为不同老化状态油纸绝缘试品的初始(t=2.5s)和长期(t=5000s)去极化电流；

图8为扩展debye模型；

图9为新油浸绕组的去极化电流各个分支的指数拟合；

图10为仿真和实测新浸油绕组的去极化电流对比图；

图11为不同老化状态油纸绝缘试品的去极化电量；

图12为参数A、C与老化时间关系图；

图13为f(A)、f(C)与聚合度变化关系；

图14为本发明提供的评估方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

参见图14，本发明提供的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法的流程包括以下步骤：

步骤S1：对系统的极化/去极化电流进行测量；

步骤S2：对极化/去极化电流的等效电路进行仿真，计算出等效电路模型的电路参数得出去极化电流；

步骤S3：对去极化电流进行平滑，拟合得到去极化电量；

步骤S4：建立老化时间于去极化电量特征参量的函数关系；

步骤S5：结合矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律的一阶动力学模型整合得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系。

本发明提供的反映油纸绝缘老化状态的时域介电响应的特征参量，其采用去极化电量来作为评估油纸绝缘热老化程度的特征参量，由于对于现场测试到的PDC电流值往往含有较多噪声，在计算去极化电量Q_dp时需要首先计算出Debye模型电路参数，对去极化电流I_dp进行平滑并得到其表达式后，再带入下式进行计算：

$Q\left(t\right)={\∫}_1^{5000}{I}_{\mathrm{dep}}\left(t\right)\mathrm{dt},(1\≤t\≤5000s)$

去极化电量为去极化电流I_dp对测量时间t的积分，其拟合公式为：

$Q_{\mathrm{dp}}=C-\mathrm{Aexp}(-\frac{t}{B}),$

其中，Q_dp表示去极化电量，A、B、C为常数值，t为PDC电流的测量时间。通过用极化电量表示油纸绝缘热老化程度。

所述的老化时间T可以表示为去极化电量特征参量A或C的函数，其公式为：

T=f(A)=1.23×10⁹A-51.33；

T=f(C)=9.12×10⁸C-43.36。

Emsley和Stevens等提出矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律可以表示为下式所示的一阶动力学模型：

$\frac{1}{K_{\mathrm{DPT}}}-\frac{1}{K_{\mathrm{DP}0}}=\mathrm{kT}$

通过上三个公式的整合可以得到聚合度变化规律与去极化电量参数A、C的关系：

$\frac{1}{\mathrm{DP}}-\frac{1}{{\mathrm{DP}}_0}=k_{A}f\left(A\right)=k_{C}f\left(C\right)$

式中DP为老化时间T时刻绝缘纸的聚合度，DP₀为老化前绝缘纸的聚合度，k为老化速率。

可以看出，函数f(A)和f(C)与聚合度之间满足一阶动力学模型关系，K_A和K_C分别为3.28×10^-12和1.78×10^-12。可以采用去极化电量参数A、C作为评估油纸绝缘热老化程度的特征参量。

为了验证本发明的技术效果，进行了以下实验：

针对热老化对油纸绝缘理化特性和极化/去极化电流特性的影响提供以下实施例：

首先对于变压器油纸绝缘试品的部分理化特性，本发明在试验过程中，对不同老化阶段的绝缘纸试品测量聚合度（DP）以表征油纸绝缘的热老化 程度。同时，由于水分和低分子酸等老化产物会对PDC的测试结果造成较大影响，为便于分析PDC的变化特性，在PDC测试之前还分别对绝缘油水分含量、电导率以及绝缘纸的水分含量分别进行测试。

①绝缘油水分和酸值

变压器油纸绝缘老化伴随着水分的生成，但水分在油纸间的动态平衡是异常复杂的。加速热老化中，绝缘油水分含量的变化如图1所示。绝缘油水分含量在老化初期略有减小，之后随着老化的进行，绝缘油水分含量逐渐增大。

绝缘油酸值的变化如图2所示。绝缘油酸值增加会提高油品的导电性，降低油的绝缘性能。老化过程中，绝缘油酸值逐渐增大，绝缘油的电导率（如表1所示）也成增大趋势，尤其是老化后期。

②绝缘纸水分含量

老化初期，由于油纸老化产生水分，绝缘纸纸中水分含量逐渐增大。但由于水分在绝缘纸、绝缘油、以及烧瓶中的空气三相介质中存在动态平衡。老化温度越高，水分越容易转移到绝缘油中，而且当绝缘油的相对湿度大于外围空气的时候，绝缘油中的水分会逐渐转移到空气中，使得绝缘油中的水分含量减少，绝缘纸中的水分逐渐向油中转移，因此，绝缘纸中的水分含量在老化93天取样时，观察到下降趋势，如图3所示。

表1老化绝缘油的电导率

本发明还对不同热老化状态变压器油纸绝缘试品的极化/去极化电流特性提供一下实施例：

在110℃下老化不同程度的变压器油纸绝缘试品的PDC特性如图2所示。图6表明，每个变压器油纸绝缘试品的极化电流随测量时间的增加，先快速 下降，直至平稳。在0-58天的老化过程中，样品的极化电流逐渐增大。但在第93天取样时，样品的极化电流明显降低。绝缘纸在取样93天测试时，其水分含量已呈下降趋势，如图4、图5所示，除水分以外，绝缘纸老化越严重，绝缘纸中积聚的低分子酸等极性产物也越多，这些产物也会对极化电流贡献很大，所以老化至第120天时，样品的极化电流达到了最大值。

从图中可以看出，随着试品老化程度的加重，试品的“长期稳定去极化电流”(t>2000s)不断增大，但其增大趋势微弱。

图8为不同老化程度油纸样品的初始极化/去极化电流和末期极化/去极化电流与老化时间的关系。极化/去极化电流的初始值主要取决于绝缘油的状态，由绝缘油的电导率决定。而极化/去极化电流的末期值，主要取决于绝缘纸的状态，由绝缘纸的电导率决定。本章电流初始值提取2.5s时刻的值，电流末期值提取5000s时刻的值。

图6表明，样品的初始极化电流先下降，然后一直上升；而样品的末期极化电流在0-58天老化过程中一直上升，在第93天取样时有所下降，而到第120天取样时，样品的末期极化电流达到最大值。图7表明，样品的初始去极化电流变化规律与初始极化电流相似，而样品的末期去极化电流，在样品老化过程中一直增大，但其增大趋势微弱。

本发明应用去极化电量评估变压器油纸缘老化状态的具体实施例为：

首先对极化/去极化电流的Debye等效电路进行仿真。

PDC测试技术极易受现场噪音干扰，使得测得的电流曲线出现很多波动，电流曲线不平滑，因此提出了对油纸试品的去极化电流进行多项指数拟合，获得其Debye电路参数，通过获得的Debye电路参数仿真去极化电流，这样不仅可以消除噪音等因素给测试结果带来的影响，使得电流曲线平滑，还可以通过获得的去极化电流表达式求取PDC特征参量-去极化电量。

多层油纸绝缘结构可用一系列电阻和电容串并联组成的扩展Debye电路模型表示，如图8所示。几何电容C_g为工频下的测量电容，绝缘电阻R_g 由最大测量时间处的极化电流与去极化电流之和确定。R_i、C_i可通过拟合极化或去极化电流得到，电路模型中的Ri和Ci以及时间常数τi可以利用以下公式通过拟合去极化电流得到：

$i_{\mathrm{pol}}=\frac{U_0}{R_g}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_0\frac{\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)}{R_i}---\left(2.1\right)$

$i_{\mathrm{dep}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)---\left(2.2\right)$

$A_i=U_0\frac{[1-\exp (-T_p/{\mathrm{\τ}}_i)]}{R_i}---\left(2.3\right)$

τ_i=R_i×C_i                              (2.4) 

通过Matlab编程，根据式（2.1—2.4）拟合极化电流或去极化电流，可以得到各个时间常数的分支参数。以图5老化0天的去极化电流曲线为例，拟合得到9组R-C串联支路，各仿真分支求解及其参数见图9和表2。最后根据表2所示数据，根据式（2.2）和（2.3）可计算得到各时间常数分支的去极化电流，这些分支电流的总和即去极化电流。为了验证了利用Debye电路参数求取去极化电流的正确性，将仿真得到的去极化曲线与实际测量的曲线对比，如图11所示，两者能很好地吻合。

表2新浸油绕组的Debye电路参数

得到去极化电量后，确定去极化电量与绝缘老化状态的关系。

为了探究油纸绝缘样品的去极化电流与老化状态的关系，需要寻找一个对油纸绝缘老化反映灵敏的特征参量，由于去极化电流随着老化时间逐渐增大，但在后期变化并不明显，因此引入一个新的特征参量去极化电量Q_dp，并将其定义为去极化电流I_dp对测量时间t的积分，由于对于现场测试到的PDC电流值往往含有较多噪声，在计算Q_dp时需要首先计算出Debye模型电路参数，对I_dp进行平滑并得到其表达式后，再带入式(2.14)进行计算。

$Q\left(t\right)={\∫}_1^{5000}{I}_{\mathrm{dep}}\left(t\right)\mathrm{dt},(1\≤t\≤5000s)---\left(2.5\right)$

图11为计算得到的不同老化时间的去极化电量变化值，分析发现可以采用式（2.6）所示指数函数对其进行拟合：

$Q_{\mathrm{dp}}=C-\mathrm{Aexp}(-\frac{t}{B})---\left(2.6\right)$

式中t为PDC电流的测量时间，A、B、C为常数值。表3中给出了各个老化时间下的参数值。可以看出，其中指前函数A和最大值C均随着老化天数的增加成增长趋势，且与老化时间t之间满足如图12所示线性关系。

表3不同老化状态油纸绝缘试品的去极化电量与测量时间的关系

因此，老化时间T可以表示为去极化电量特征参量A或C的函数：

T=f(A)=1.23×10⁹A-51.33         （2.7）

T=f(C)=9.12×10⁸C-43.36           （2.8）

Emsley和Stevens等提出矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律可以表示为式（2.9）所示的一阶动力学模型：

$\frac{1}{K_{\mathrm{DPT}}}-\frac{1}{K_{\mathrm{DP}0}}=\mathrm{kT}---\left(2.9\right)$

式中DP为老化时间T时刻绝缘纸的聚合度，DP₀为老化前绝缘纸的聚合度，k为老化速率。

将式(2.7)、(2.8)带入式(2.9)中，可以得到聚合度变化规律与去极化电量参数A、C的关系，如图13及式(2.10)所示。

$\frac{1}{\mathrm{DP}}-\frac{1}{{\mathrm{DP}}_0}=k_{A}f\left(A\right)=k_{C}f\left(C\right)---\left(2.10\right)$

可以看出，函数f(A)和f(C)与聚合度之间满足一阶动力学模型关系，K_A和K_C分别为3.28×10^-12和1.78×10^-12。可以采用去极化电量参数A、C作为评估油纸绝缘热老化程度的特征参量。

通过对不同热老化程度变压器油纸绝缘试品的PDC特性进行分析，得到了对绝缘老化状态反应敏感的时域介电特征参量，并建立了该特征参量与绝缘老化状态的关系，最后探讨了温度对极化/去极化电流特性的影响，所得结论如下：

(1)在变压器油纸绝缘试品老化过程中，试品的去极化电流随试品老化程度的加深而不断增大，但其增大趋势微弱；通过各个试品Debye电路参数计算得到的去极化电量对试品绝缘老化状态反应极为敏感；

(2)去极化电量曲线随测量时间程指数关系变化，由去极化电量曲线 提取的特征参量A、C与老化时间程线性关系，且其函数f(A)和f(C)与聚合度DP的变化满足一阶动力学模型关系式，可以用作评估油纸绝缘老化状态的特征参量。

本发明引入了一个新的特征参量，去极化电量，该特征参量的函数f(A)和f(C)与聚合度之间满足一阶动力学模型关系，因此可以采用去极化电量参数A、C作为评估油纸绝缘热老化程度的特征参量。本发明方法简单，容易实施，所采用的装置结构合理，应用效果好。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对系统的极化/去极化电流进行测量；

S2：对极化/去极化电流的等效电路进行仿真，计算出等效电路模型的电路参数得出去极化电流；

S3：对去极化电流进行平滑，拟合得到去极化电量；

S4：建立老化时间于去极化电量特征参量的函数关系；

S5：结合矿物油纸绝缘加速热老化的聚合度变化规律的一阶动力学模型整合得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系；

去极化电量为去极化电流对测量时间的积分，其拟合公式为：

$Q_{\mathrm{dp}}=C-\mathrm{Aexp}(-\frac{t}{B})$

其中，Q_dp表示去极化电量，A、B、C为去极化电量特征参量，t为去极化电流的测量时间；

所述的老化时间T与去极化电量特征参量A或C的函数关系式为：

T＝f(A)＝1.23×10⁹A-51.33；

T＝f(C)＝9.12×10⁸C-43.36；

步骤S5中得到聚合度变化规律与去极化电量参数的关系式为：

$\frac{1}{\mathrm{DP}}-\frac{1}{{\mathrm{DP}}_0}=k_{A}f\left(A\right)=k_{C}f\left(C\right)$

式中DP为老化时间T时刻绝缘纸的聚合度，DP0为老化前绝缘纸的聚合度，k为老化速率。

2.根据权利要求1所述的基于时域介电响应的特征参量评估油纸绝缘老化状态的方法，其特征在于，在去极化电量测试之前要分别对绝缘油水分含量、电导率以及绝缘纸的水分含量分别进行测试。