CN105277857B - 一种在线监测变压器套管受潮缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种在线监测变压器套管绝缘受潮缺陷的新方法，利用套管上出现的暂态电压波u(t)和电流波i(t)，反推套管油纸绝缘介电常数ε_r随频率的变化特性以达到诊断套管是否受潮的目的。

Description

一种在线监测变压器套管受潮缺陷的方法

技术领域

本发明属于电力系统中变压器套管在线监测领域，涉及一种套管受潮缺陷测量的新方法。

背景技术

电容式套管是目前变压器套管中最常用的型式，在导杆和法兰之间的电容心子作为内绝缘，电容心子中有多层金属极板，以强迫控制套管内部和表面的电场使其均匀化；金属极板之间填充绝缘材料。电容套管的绝缘性能主要取决于电容心子。根据电容心子绝缘材料的不同，电容式套管分为胶纸绝缘套管和油纸绝缘套管。目前110kV及以上变压器套管通常采用电容式油纸绝缘套管。

套管绝缘状况的好坏决定了套管的运行稳定性、可靠性和经济性。套管的绝缘材料在运行中受到电、磁、外力和环境等的综合作用，会逐渐老化，其绝缘性能会逐渐降低，严重时甚至丧失绝缘的功能。其中绝缘受潮是一种常见的套管绝缘缺陷，其会使套管绝缘电阻降低，容易发生闪络，造成跳闸，同时闪络也会损坏套管表面；受潮还会导致泄漏电流增大，使套管发热并造成瓷质损坏甚至击穿。所以在线监测套管绝缘是否受潮具有重要的安全意义和经济效益。

目前在线监测电容式变压器套管是否受潮主要通过测量工频50Hz下介质损耗因数tanδ来判断。其基本的原理为：首先由电流传感器从变压器套管的末屏获取泄露电流信号，从母线电压互感器PT电压的二次侧获取电压信号，然后利用前端处理单元对信号整形、滤波、放大后送入A/D进行模数转换，得到数字化的电压、电流信号，然后将这两路电压、电流信号同时送入主控单元进行傅里叶变换，经过变换后就得到了套管上电压和末屏泄露电流的基波傅里叶系数，从而可以根据谐波分析法的相应公式求出电压、电流的基波相位差，最后就得到了我们所求的变压器套管介质损耗因数tanδ。

但是，在变电站实际在线测量套管介质损耗因数时存在以下问题，1)三相套管一般是成一条直线排列布置的。相与相之间存在电容耦合，相间的耦合电流会对被测套管的介质损耗因数产生影响。2)电力系统在实际运行中其电压信号的频率并不是固定的。电压的频率是以50Hz为中心上下波动。这就意味着如果以固定频率对被测信号进行采样就会因为栅栏效应和频谱泄漏而给测量结果带来较大的波动和误差。3)变压器套管末屏电流很小，只有毫安级，为了将微弱的电流信号转变为电压信号就必须引入放大电路，以提高信号的信噪比。但是引入放大环节后就可能会对信号产生延迟并由此引入角差。4)送至监测装置预处理电路的电压信号取自变电站电压互感器的二次侧，电压互感器一、二次电压间的角差会影响监测装置输出的介损值。以上几个问题严重制约变压器套管绝缘在线监测的稳定性和准确性，急需一种不受或可以滤除外界影响的套管受潮监测方法。

频域介电谱法是在被测品上施加电压，通过改变交流激励电压的频率，并测量复电容，介质损耗参数随频率的变化情况，用该参数的变化情况来评估绝缘材料或绝缘设备的绝缘状况。测得的复电容、相对介电常数随频率变化的曲线的不同部分包含着绝缘油和绝缘纸的不同信息，通过分析不同条件下曲线各段的变化情况，确定各段与油纸绝缘系统状态信息的关系，就可以对变压器油纸绝缘状态进行诊断。与其他绝缘检测法相比，频域介电谱法具有测量频带宽，抗干扰能力强，所需电源电压低，携带信息丰富等优点

目前频域介电谱法主要集中在变压器本体油纸绝缘状态的诊断上，并且频域介电谱法只用于变压器的离线监测中，专门外加频率可调的交流电压，来检测不同频率下的相对介电常数。

由于处于在线运行的变压器上，难以施加频率可调的交流电压，因而还未见到应用于变压器套管油纸绝缘在线监测的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线监测变压器套管绝缘受潮缺陷的新方法，利用套管上出现的暂态电压波u(t)和电流波i(t)，反推套管油纸绝缘介电常数ε_r随频率的变化特性以达到诊断套管是否受潮的目的(未做特别说明时，本发明中相对介电常数简称为介电常数)。变压器在运行中，经常会遇到操作过电压波、雷电过电压波，当电网发生短路事故时，变压器还会承受暂态电压波，这些电压波包含了丰富的高频分量和低频分量，可以用来获取套管绝缘的介电谱(介电常数随外加电压频率的变化曲线)。因此，本发明所述的暂态电压波u(t)是指施加在套管高压导杆和变压器外壳之间的暂态电压波，包括操作过电压波、雷电过电压波和故障引起的暂态电压波；暂态电流波是暂态电压波所引起的流过套管油纸绝缘的电流波。

该方法由下列步骤组成：

第一步：从套管次屏获取暂态电压波形；所述的暂态电压波形是指施加在套管高压导杆和变压器外壳之间的暂态电压波，包括操作过电压波、雷电过电压波和故障引起的暂态电压波；

第二步：从套管末屏接地线上获取暂态电流波；所述的暂态电流波是暂态电压波所引起的流过套管油纸绝缘的电流波；

第三步：计算暂态电压波和暂态电流波的傅里叶变换：

第四步：计算各频率下的套管绝缘导纳：

Y(ω)＝I(e^jωT)/U(e^jωT) (3)

第五步：计算各频率下的套管绝缘的相对介电常数：

ε_r(ω)＝Y(ω)/jωC₀ (4)

其中C₀是套管的真空电容；

第六步：按照下列规则判断套管绝缘是否受潮：

若0.1Hz、1Hz、10Hz下的相对介电常数绝对幅值均大于参考值2.6，则套管绝缘受潮。

现有研究表明，在0.001-1Hz范围内，复相对介电常数实部随水分质量分数增大而增大，而超过100Hz复相对介电常数实部差别很小。水为极性分子，水分含量增加将导致油浸绝缘纸中单位体积内参与极化的分子目增多，油纸绝缘极化程度增加，故其复相对介电常数在低频区随水分含量增加而增大。本发明选用0.1Hz、1Hz、10Hz作为表征油浸绝缘纸水分含量的复相对介电常数特征频率。上述特征频率下复相对介电常数的绝对幅值选取参考值2.6，若复相对介电常数ε_r在这三个频率上均大于参考值，那么可以判断油纸绝缘受潮。

此外，暂态电压波形从套管次屏获取。套管的次屏与套管高压导杆、套管末屏之间均存在电容，形成了电容分压。利用这种电容分压获取套管上的暂态高电压波形，克服了以往利用电压互感器测量电压波形的缺点：电压互感器不但远离变压器，导致互感器上的暂态电压波形与变压器套管上的暂态电压波形差异很大；而且电压互感器仅仅在50Hz附近性能良好，在小于1Hz的低频和高于1kHz的高频范围内的性能较差，对暂态电压波形畸变很大。同时，套管的次屏与套管高压导杆、套管末屏之间的电容，绝缘材料及环境温度等影响因素一致，因此能够在各种环境条件下获得稳定的分压比，也是其优于其它暂态电压测量方式的地方。

暂态电流波从套管末屏接地线，可以采用50串联电阻来获取电流波形，也可以采用测量频带可达0.1Hz～100Hz的罗果夫斯基线圈型电流传感器。

本发明的优点在于：利用暂态过电压的丰富频谱，实现了套管绝缘的在线监测；并且利用介电谱进行诊断，克服了单一使用50Hz下介质损耗因数tanδ来判断变压器套管是否受潮所遇到的误差大的缺点，降低了外界环境对测量稳定性和准确性的影响且抗干扰能力强。

附图说明

图1为发明具体实施例的现场应用示意图；

具体实施方式

附图1为发明具体实施例的现场应用示意图，1为变压器套管次屏5电压测量模块，2为变压器套管末屏6的接地线电流测量模块，这两个模块将电压和电流信号输出到信号采集模块3，信号采集模块3经A/D转换之后，传输至计算机4，由计算机4计算变压器套管油纸绝缘的介电谱，进而判断套管是否受潮。7为50欧姆电阻，串联在末屏6的接地线中，用于感应电流信号，并将输出传送给电流测量模块2。电压测量模块1和电流测量模块2包含常规的过电压保护电路、放大器和电平转换器。

所监测到的暂态电压波形u(t)和电流波形i(t)经过下列数学处理获得套管的介电谱ε_r：

Y(ω)＝I(e^jωT)/U(e^jωT) (7)

ε_r(ω)＝Y(ω)/jωC₀ (8)

其中C₀是套管的真空电容(可以通过查阅套管结构尺寸，利用常规计算公式获得)。

最后，若0.1Hz、1Hz、10Hz下的相对介电常数ε_r的绝对值均大于参考2.6，则套管绝缘受潮。

Claims (1)

1.一种在线监测变压器套管受潮缺陷的方法。其特征在于该方法由下列步骤组成：

第一步：从套管次屏获取暂态电压波形；所述的暂态电压波形是指施加在套管高压导杆和变压器外壳之间的暂态电压波，包括操作过电压波、雷电过电压波和故障引起的暂态电压波；

第二步：从套管末屏接地线上获取暂态电流波；所述的暂态电流波是暂态电压波所引起的流过套管油纸绝缘的电流波；

第三步：计算暂态电压波和暂态电流波的傅里叶变换：

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第四步：计算各频率下的套管绝缘导纳：

Y(ω)＝I(e^jωT)/U(e^jωT) (3)

第五步：计算各频率下的套管绝缘的相对介电常数：

ε_r(ω)＝Y(ω)/jωC₀ (4)

其中C₀是套管的真空电容；

第六步：按照下列规则判断套管绝缘是否受潮：

若0.1Hz、1Hz、10Hz下的相对介电常数绝对幅值均大于参考值2.6，则套管绝缘受潮。