CN103698668A - 基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法 - Google Patents

Abstract

基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，步骤为：1）按仪器说明接线；2）参数设置；3）测试结束，通过解谱获取频域特征参数f_p；4）根据频域特征参数f_p和油纸绝缘温度T，带入指定公式，计算并判断其绝缘老化状态，即DP值；6）当油浸纸平均聚合度下降到500时，油纸绝缘电力设备整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，即可判定油纸绝缘电力设备寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度为零。本发明不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样，可以准确评估绝缘纸平均聚合度DP值，判断油纸绝缘老化状态。

Description

基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法

技术领域

本发明属于电力变压器的绝缘状态诊断与寿命评估领域，涉及一种基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法。 

背景技术

油纸复合绝缘是一种重要和优良的绝缘组合方式，一直被成功用于大型变压器、套管、互感器、电容器、电缆等电力设备。在油纸绝缘电力变压器行过程中，其油纸绝缘长期承受热、电、机械、化学等多种外部应力作用，导致自身绝缘和机械性能逐渐下降并可能造成故障。因此，准确诊断电力变压器油纸绝缘系统的老化状态，对预测电力变压器的寿命至关重要，也是实现变压器状态维护的前提和基础。 

为了维护电力变压器的安全运行，长期以来电力系统通过定期进行常规预防性试验的方法对设备的运行状态进行检测（DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》），该方法在几十年的应用过程中发挥了重要的作用。但近年来随着能源短缺、负荷增加以及维修费用减少等因素的影响，原有的预防性试验由于检修周期长、缺乏真实性，存在维修不足或超量现象，逐渐向状态维修体制转化，但在实际执行中，如何对设备的绝缘状况和剩余寿命进行很好的评估，仍存在不少问题。 

目前判断电力变压器绝缘老化的方法主要有：张应力测量、聚合度（DP）测量、溶解气体分析（DGA）检测法、糠醛判据等。张应力测量、聚合度测量都需要停电采集纸样，无法及时发现固体绝缘的老化趋势；DGA检测法也是IEC标准中推荐的方法之一，但是由于油经热分解后也会产生分解气体，并且油是由相对小的烷烃类物质组成的，更容易分解出气体成分，因此通常的做法是结合其它参数的测量对固体绝缘老化程度做出判断，以确定结果的准确性。糠醛判据是目前应用较为广泛的一种方法，电力设备预防性试验规程 DLT596-1996的修订说明中指出油中糠醛含量与代表绝缘纸老化的聚合度之间有较好的线性关系。值得注意的是，糠醛类物质是在纤维素发生各种复杂化学反应后生成的一种相对稳定的产物，并最终形成了一种在纸上、油中生成和分解的平衡状态，这种平衡状态很容易受到其它因素的影响而发生变化，特别是温度的影响。在油纸绝缘电力设备使用过程中，季节的不同、甚至负荷的变化，都会使其内部绝缘温度发生变化，进而导致糠醛质量浓度也发生变化。有些研究者发现在绝缘纸温度升高的初始阶段，糠醛质量浓度会发生较大变化，上述线性关系是在实验室严格模拟老化的基础上得出的，没有考虑电力变压器实际运行温度是经常变化波动的。 

现有的测试方法，电力变压器绝缘老化状态评估方法中需要将变压器进行吊芯处理才能提取绝缘纸样，操作程序复杂且可能破坏变压器绝缘，而且当绝缘纸样选取的区域不同会带来老化评估的误差的技术问题， 

本文基于所提的Havriliak-Negami模型，提出了能够反映绝缘状况的特征量，并给出了基于该特征量来判断被测设备的绝缘老化状态，其具体操作为：给被测试绝缘施加变频电压激励，同时测量电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的复电容，如附图1所示，利用本文所提Havriliak-Negami模型，得到对应的特征参数，利用该特征参数进一步获得被测绝缘的聚合度DP值，从而判断被测绝缘的老化状态。 

发明内容

针对电力变压器绝缘老化状态评估方法中需要将变压器进行吊芯处理才能提取绝缘纸样，操作程序复杂且可能破坏变压器绝缘，而且当绝缘纸样选取的区域不同会带来老化评估的误差的技术问题，本发明提供一种基于Havriliak-Negami模型的电力变压器频域介电谱绝缘老化状态评估方法，该法可在不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘老化状态，为准确评估电力变压器绝缘性能和预测剩余寿命提供可靠依据。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，包括如下步骤， 

1）测试设备参数设置，根据被测试设备的相关参数，选取和设置频域介电谱测试仪的参数，包括测试电源的交流电压峰值U_max，最高测试频率f_H和最低测试频率f_L； 

2）采样测量及解谱，测量采样自动进行，测量得到电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″，采用Havriliak-Negami模型方程，对实测得到的复介电常数进行拟合，进而从中提取所需特征量，Havriliak-Negami模型方程所表示的复介电常数如下式， 

${\mathrm{\ϵ}}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{hf}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{dc}}}{j{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ω}}+\frac{A}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^n}+\frac{X}{{[1+{\left(\mathrm{j\ω\τ}\right)}^{\mathrm{\α}}]}^{\mathrm{\β}}}$

式中， 

ε_hf——高频介电常数，单位：F/m； 

σ_dc——直流电导率，单位：S/m； 

ε₀——真空介电常数，取值为8.85×10^-12F/m； 

ω——测量角频率，单位：rad/s； 

A，n——表征跳跃电导过程，其中，A>0，0≤n≤1； 

X，τ，α，β——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α，β≤1。 

上式中，τ表示的是Havriliak-Negami模型中的弛豫时间，采用上式对实测的电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数进行拟合，从中提取τ这个参数，即可完成解谱过程； 

3）数据处理，根据提取的特征参数τ，求其倒数，得到对应的特征频率f_p，即可用来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为： 

$z=\sqrt{{(p_1+p_{2}x+p_3{x}^2+p_4{x}^3)}^2+{(p_{5}y+p_6{y}^2+p_7{y}^3)}^2}$

式中， 

x——取值为lgDP，而DP为纸板的聚合度； 

y——油纸绝缘的温度，单位为℃； 

z——取值为lgf_p，f_p为解谱得到的特征频率，单位为Hz； 

p₁-p₇——给定参数； 

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态； 

4）油浸纸老化状态评估，新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，电力变压器整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为变压器寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度为零。 

所述步骤1）中测试设备参数设置：设定交流电源电压峰值U_max=200V，最高测试频率f_H=5kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。 

所述步骤1）中测试设备参数设置：设定交流电源电压峰值U_max=100V，最高测试频率f_H=1kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。 

所述步骤3）中计算公式中p₁-p₇具体参数为：p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，P₅为-1.26×10^-1，P₆为6.8×10^-3，P₇为-1.01×10^-4。 

所述频域介电谱测试仪采用DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪。 

本发明基于Havriliak-Negami模型的电力变压器频域介电谱绝缘老化状态评估方法，利用OMICRON公司生产的DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪，获得不同频率下的复电容，再利用本文所提Havriliak-Negami模型，得到对应的特征参数，将该特征参数代入所提的获取绝缘纸板聚合度计算公式，从而得到被测绝缘的聚合度DP值，进而判断被测绝缘的老化状态，这种方法可以在不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘老化状态，为准确评估电力变压器绝缘性能和预测剩余寿命提供可靠依据。该方法不但可作为目前绝缘诊断方法的有益补充，而且将来很有可能成为油纸绝缘电力设备状态诊断领域的重要试验手段。 

附图说明

图1：本发明的频域介电谱测试原理图； 

图2：本发明评估油纸绝缘电力设备绝缘老化状态的操作流程图； 

图3：本发明测试油纸绝缘变压器的试验接线图； 

图4：本发明测试油纸绝缘变压器壳体的试验接线图。 

具体实施方式

如图1，本发明的频域介电谱测试原理图，本发明采用的是OMICRON公司生产的DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪，用于检测油纸绝缘电力设备的油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″。 

图2为评估油纸绝缘电力设备绝缘老化状态的操作流程图，包括如下步骤： 

1）电力变压器及频域介电谱测试仪准备：将电力变压器与线路断开连接；频域介电谱测试仪要可靠接地； 

2）根据现场被测试设备的相关参数，合理选取和设置频域介电谱测试仪的参数，包括测试电源的交流电压峰值U_max=200V，最高测试频率f_H=5kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。 

3）测量采样自动进行，无需人为参与，测量得到电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″。采用本文所提的Havriliak-Negami模型方程，该方程中包含了表征被测油纸复合绝缘极化过程的特征量，再对实测得到的复介电常数进行拟合，进而从中提取所需特征量。Havriliak-Negami模型方程所表示的复介电常数如下所示， 

${\mathrm{\ϵ}}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{hf}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{dc}}}{j{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ω}}+\frac{A}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^n}+\frac{X}{{[1+{\left(\mathrm{j\ω\τ}\right)}^{\mathrm{\α}}]}^{\mathrm{\β}}}$

式中， 

ε_hf——高频介电常数，单位：F/m； 

σ_dc——直流电导率，单位：S/m； 

ε₀——真空介电常数，取值为8.85×10^-12F/m； 

ω——测量角频率，单位：rad/s； 

A，n——表征跳跃电导过程，其中，A>0，0≤n≤1； 

X，τ，α，β——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α，β≤1。 

上式中，τ表示的是Cole-Davidson模型中的弛豫时间，具有明确的物理意义，所以选择这个参数作为表征油纸绝缘极化过程的特征参数。采用上式对实测的电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数进行拟合，从中提取τ这个参数，即可完成解谱过程。 

4）数据处理方法为，根据提取的特征参数τ，求其倒数，得到对应的特征频率f_p，即可用来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为： 

$z=\sqrt{{(p_1+p_{2}x+p_3{x}^2+p_4{x}^3)}^2+{(p_{5}y+p_6{y}^2+p_7{y}^3)}^2}$

式中， 

x——取值为lgDP，而DP为纸板的聚合度； 

y——油纸绝缘的温度，单位为℃； 

z——取值为lgf_p，f_p为解谱得到的特征频率，单位为Hz； 

p₁-p₇——给定参数，p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，P₅为-1.26×10^-1，P₆为6.8×10^-3，P₇为-1.01×10^-4。 

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态； 

5）新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，电力变压器整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为变压器寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。 

图3是现有技术中测试变压器高压绕组对低压绕组绝缘的频域介电谱试验接线图。测试前，三相高压绕组和三相低压绕组均需短接。当测量高压绕组对低压绕组绝缘时，将Output端接高压绕组，将CH1端接低压绕组，CH2端悬空。至此，完成所有接线。 

实施例2 

如图1，本发明的频域介电谱测试原理图，本发明采用的是OMICRON公司生产的DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪，用于检测油纸绝缘电力设备的油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″。 

图2为评估油纸绝缘电力设备绝缘老化状态的操作流程图，包括如下步骤： 

1）电力变压器及频域介电谱测试仪准备：将电力变压器与线路断开连接；频域介电谱测试仪要可靠接地； 

2）根据现场被测试设备的相关参数，合理选取和设置频域介电谱测试仪的参数，包括设定测试交流电源电压峰值U_max=100V，最高测试频率f_H=1kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。 

3）测量采样自动进行，无需人为参与，测量得到电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″。采用本文所提的Havriliak-Negami模型方程，该方程中包含了表征被测油纸复合绝缘极化过程的特征量，再对实测得到的复介电常数进行拟合，进而从中提取所需特征量。Havriliak-Negami模型方程所表示的复介电常数如下所示， 

${\mathrm{\ϵ}}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{hf}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{dc}}}{j{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ω}}+\frac{A}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^n}+\frac{X}{{[1+{\left(\mathrm{j\ω\τ}\right)}^{\mathrm{\α}}]}^{\mathrm{\β}}}$

式中， 

ε_hf——高频介电常数，单位：F/m； 

σ_dc——直流电导率，单位：S/m； 

ε₀——真空介电常数，取值为8.85×10^-12F/m； 

ω——测量角频率，单位：rad/s； 

A，n——表征跳跃电导过程，其中，A>0，0≤n≤1； 

X，τ，α，β——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α，β≤1。 

上式中，τ表示的是Cole-Davidson模型中的弛豫时间，具有明确的物理意义，所以选择这个参数作为表征油纸绝缘极化过程的特征参 数。采用上式对实测的电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数进行拟合，从中提取τ这个参数，即可完成解谱过程。 

4）数据处理方法为，根据提取的特征参数τ，求其倒数，得到对应的特征频率f_p，即可用来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为： 

$z=\sqrt{{(p_1+p_{2}x+p_3{x}^2+p_4{x}^3)}^2+{(p_{5}y+p_6{y}^2+p_7{y}^3)}^2}$

式中， 

x——取值为lgDP，而DP为纸板的聚合度； 

y——油纸绝缘的温度，单位为℃； 

z——取值为lgf_p，f_p为解谱得到的特征频率，单位为Hz； 

p₁-p₇——给定参数，p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，P₅为-1.26×10^-1，P₆为6.8×10^-3，P₇为-1.01×10^-4。 

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态； 

5）新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，电力变压器整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为变压器寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。 

图4是现有技术中测试高压绕组和低压绕组分别对变压器壳体的绝缘测试图测试前，三相高压绕组和三相低压绕组均需短接。当测量高压绕组和低压绕组分别对变压器壳体的绝缘时，将Output端接变压器壳体，将CH1端端和CH2端分别接低压绕组和高压绕组，至此，完成所有接线。 

Claims (5)

1.基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）测试设备参数设置，根据被测试设备的相关参数，选取和设置频域介电谱测试仪的参数，包括测试电源的交流电压峰值U_max，最高测试频率f_H和最低测试频率f_L；

2）采样测量及解谱，测量采样自动进行，测量得到电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数，包括复介电常数的实部ε′和虚部ε″，采用Havriliak-Negami模型方程，对实测得到的复介电常数进行拟合，进而从中提取所需特征量，Havriliak-Negami模型方程所表示的复介电常数如下式，

${\mathrm{\ϵ}}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{hf}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{dc}}}{j{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ω}}+\frac{A}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^n}+\frac{X}{{[1+{\left(\mathrm{j\ω\τ}\right)}^{\mathrm{\α}}]}^{\mathrm{\β}}}$

式中，

ε_hf——高频介电常数，单位：F/m；

σ_dc——直流电导率，单位：S/m；

ε₀——真空介电常数，取值为8.85×10^-12F/m；

ω——测量角频率，单位：rad/s；

A，n——表征跳跃电导过程，其中，A>0，0≤n≤1；

X，τ，α，β——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α，β≤1。

上式中，τ表示的是Havriliak-Negami模型中的弛豫时间，采用上式对实测的电力变压器油纸复合绝缘的复介电常数进行拟合，从中提取τ这个参数，即可完成解谱过程；

3）数据处理，根据提取的特征参数τ，求其倒数，得到对应的特征频率f_p，即可用来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为：

$z=\sqrt{{(p_1+p_{2}x+p_3{x}^2+p_4{x}^3)}^2+{(p_{5}y+p_6{y}^2+p_7{y}^3)}^2}$

式中，

x——取值为lgDP，而DP为纸板的聚合度；

y—油纸绝缘的温度，单位为℃；

z——取值为lgf_p，f_p为解谱得到的特征频率，单位为Hz；

p₁-p₇——给定参数；

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态；

4）油浸纸老化状态评估，新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，电力变压器整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为变压器寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度为零。

2.根据权利要求1所述的基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述步骤1）中测试设备参数设置：设定交流电源电压峰值U_max=200V，最高测试频率f_H=5kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。

3.根据权利要求1所述的基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述步骤1）中测试设备参数设置：设定交流电源电压峰值U_max=100V，最高测试频率f_H=1kHz，最低测试频率f_L=1mHz，即可完成测试工作。

4.根据权利要求1所述的基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述步骤3）中计算公式中p₁-p₇具体参数为：p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，P₅为-1.26×10^-1，P₆为6.8×10^-3，P₇为-1.01×10^-4。

5.根据权利要求1所述的基于Havriliak-Negami模型的油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述频域介电谱测试仪采用DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪。

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