CN103809086A - 基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法 - Google Patents

Abstract

基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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，带入指定公式，计算得到绝缘纸板的含水量；6）当绝缘纸板含水量在1%以下为正常，1.3%~2%为受潮；2%以上为重度受潮。本发明基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备受潮检测方法，不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样，可以准确评估绝缘纸含水量，判断油纸绝缘受潮状态。

Description

基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法

技术领域

本发明属于油纸绝缘电力设备的绝缘状态诊断检测与寿命评估领域，具体涉及基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法。

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。在油纸绝缘电力设备行过程中，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，准确诊断油纸绝缘系统的受潮状态，对预测油纸绝缘电力设备的寿命至关重要，也是实现油纸绝缘电力设备状态维护的前提和基础。

为了维护油纸绝缘设备的安全运行，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。

变压器是电力系统输变电的关键设备，变压器的安全稳定运行对保障电力系统的可靠性十分重要。目前我国几乎全部110kV及以上等级变压器均采用油纸绝缘，在长期运行过程中，受潮和受潮会使油纸绝缘含水量增加，含水量增加不仅影响油纸绝缘的绝缘强度，还会进一步加速绝缘受潮，降低设备的机械寿命和电气寿命，影响设备的安全运行。截至2010年，我国运行超过10年的10kV及以上等级变压器数量所占比例不到1／4，变压器运行年限整体偏小，在未来相当一段时间，大量变压器会进入受潮期，受潮状态的检测将成为变压器状态检修的重点之一，油纸绝缘含水量作为评估变压器绝缘状态和受潮状态的重要指标，对确保变压器的安全稳定运行意义重大。

介质响应技术是检测油纸绝缘含水量的一种无损诊断技术，该技术通过油纸绝缘的介质响应曲线判断其含水量：当电场作用在电介质上时，可观察到两种介电响应现象：电导和极化。电导是由于载流子即电子和离子的不断移动而形成的，而极化是由于电介质内部沿电场方向出现宏观偶极矩而形成。介质的极化过程相当复杂，它与介质的受潮、劣化和受潮等状态密不可分。

发明内容

为了解决现有技术中油纸绝缘电力设备绝缘受潮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的问题，本发明提供了一种基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法。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受潮状态，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：一种基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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Cole-Davidson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。Cole-Davidson模型方程所表示的复介电常数如下所示，

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

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——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α≤1；

上式中，τ表示的是Cole-Davidson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，来判断油纸绝缘的受潮状态，其计算公式为：

lgτ＝3.8268-0.8773M

式中，τ——特征参数(s)；M——含水量(%)。

将测试所得数据带入上述公式，就可以计算得到被测油纸绝缘设备绝缘纸板的含水量，从而得到其绝缘的受潮状况。

4）当绝缘纸板含水量在1%以下为正常，1.3%～2%为受潮；2%以上为重度受潮。

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。

所述频域介电谱测试仪采用DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪。

本发明基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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受潮状态，为准确评估油纸绝缘电力设备绝缘性能提供可靠依据。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受潮状态的操作流程图；

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

实施例1

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受潮状态的操作流程图，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，当按照上述参数无法完成预定试验时，改用第二组参数设置，即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；

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，即可用来判断油纸绝缘的受潮状态，其计算公式为：

lgτ＝3.8268-0.8773M

式中，τ——特征参数(s)；M——含水量(%)。

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受潮状态；

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受潮状态的操作流程图，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，当按照上述参数无法完成预定试验时，改用第二组参数设置，即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；

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，即可用来判断油纸绝缘的受潮状态，其计算公式为：

lgτ＝3.8268-0.8773M

式中，τ——特征参数(s)；M——含水量(%)。

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受潮状态；

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 (4)

1.一种基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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Cole-Davidson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。Cole-Davidson模型方程所表示的复介电常数如下所示，

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

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——表征第一个极化弛豫过程的参数，其中，X>0，τ>0，0≤α≤1；

上式中，τ表示的是Cole-Davidson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，来判断油纸绝缘的受潮状态，其计算公式为：

lgτ＝3.8268-0.8773M

式中，τ——所提取的特征参数(s)；M——含水量(%)。

将测试所得数据带入上述公式，就可以计算得到被测油纸绝缘设备绝缘纸板的含水量，从而得到其绝缘的受潮状况。

4）当绝缘纸板含水量在1%以下为正常，1.3%～2%为受潮；2%以上为重度受潮。

2.根据权利要求1所述的基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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所述的基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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所述的基于频域Cole-Davidson模型的电力变压器受潮检测方法，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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