CN106093614A - 一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，首先分析回复电压初始斜率与变压器绝缘状态的关系，定义了快速极化初始斜率峰值比S_r1和缓慢极化初始斜率峰值比S_r2，缓慢极化初始斜率峰值比S_r2变大，而S_r1基本不变化，可以直接用来表征绝缘老化状态。快速极化初始斜率峰值比S_r1随着绝缘受潮的程度的增加而变大，而S_r2基本保持不变；然后在实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极结构，回复电压初始斜率采用采用6517B静电仪进行测量，分别制备不同的水分和老化样本，探究S_r1和S_r2与老化和水分之间的关系；最后根据实验数据结果分析，S_r1可用于分析绝缘受潮的程度，与绝缘介质的直流电导率有关；而S_r2主要受到热老化的影响，与介质的极化电导率有关。

Description

一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘老化与寿命预测技术领域，特别涉及一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法。

背景技术

电力设备的安全运行是保证电网安全的第一道防线，油浸式电力变压器是电力传输和分配的核心和枢纽,是电网中最重要、最昂贵的设备之一。变压器故障给电网带来的危害也是十分巨大的，它不仅影响到整个电网崩溃，造成难以估量的后果，而且一台大型变压器的造价也是十分昂贵。变压器的绝缘系统主要由油和纸两部分构成，在长时间的运行中由于受到温度，水分，机械力，电场等影响会逐渐老化，破坏绝缘结构而引起绝缘结构。据调查统计，85％以上的变压器事故都是由绝缘造成的，我国电网中的变压器基本都已经运行接近或超过20年，已经快处于变压器寿命的尽头，所以我们应该考虑对这些变压器的老化状态进行合理的评估，诊断变压器的绝缘状态，以便合理的处理这些变压器，有效的降低更换变压器的成本和减少变压器故障给我们带来的损失。

回复电压测试方法是一种基于介质响应的测量技术，它可以研究介质的缓慢极化过程，能有效的反应绝缘介质介电特性的变化，如受潮和老化将会导致介电特性的变化，因此通过监测变压器的回复电压特征量的变化即可以评估变压器的老化和受潮。回复电压方法已经成功的应用于电力变压器绝缘总体状态的评估，目前常用回复电压极化谱的主时间常数来量化评估变压器的受潮程度，进而评估变压器的总体绝缘状态。然而，一些研究结果表明，主时间常数对受潮和老化都十分敏感，可以有效的评估变压器的整体绝缘状况，但是它并不能区分变压器具体的老化和受潮程度。

与主时间常数特征量的研究相比，回复电压初始斜率特征量的研究较少，如何使用该特征量诊断绝缘老化仍是一个难题。本发明通过试验研究了变压器绝缘老化和受潮对初始斜率的影响并给出用于区分老化和受潮的两个特征量，为提出了利用初始斜率区分受潮和老化的方法提供新的研究思路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，定义了两个初始斜率S_r1和S_r2，并深入研究了它们随绝缘状态的变化规律，研究表明S_r2主要受到热老化的影响，对受潮反映不敏感，可以直接用来表征绝缘老化状态。而S_r1可用于分析绝缘受潮的程度，而对老化的影响非常小；在实验室中搭建实验平台，分别制备不同的水分和老化样本，探究S_r1和S_r2与水分和老化之间的关系；根据实验数据结果分析，结合理论分析讨论得出，S_r1可用于分析绝缘受潮的程度，与绝缘介质的直流电导率有关；而S_r2主要受到热老化的影响，与介质的极化电导率有关。

本发明所采用的技术方案是：

一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其包括以下步骤:

步骤1:本发明提出了快速极化初始斜率峰值比S_r1，经实验研究，S_r1的值对变压器绝缘受潮反映灵敏，而对热老化反映基本不变，因此可用于分析绝缘受潮的程度。

步骤2：定义缓慢极化初始斜率峰值比S_r2，实验结果表明，S_r2的值对绝缘热老化反映灵敏，可用于表征绝缘老化状态，而对受潮反映基本不变。因此可用S_r1和S_r2区分变压器绝缘状态中的老化和受潮。

步骤3：实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极结构，回复电压初始斜率采用采用6517B静电仪进行测量，分别制备不同的水分和老化样本，探究S_r1和S_r2与老化和水分之间的关系。

步骤4：根据实验数据结果分析，结合理论讨论得出，S_r1可用于分析绝缘受潮的程度，与绝缘介质的直流电导率有关；而S_r2主要受到热老化的影响，与介质的极化电导率有关，在外加电场恒定的情况下，S_r1和S_r2越小，表明变压器绝缘状态越好。

所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，步骤1)中，本文提出测量充电1000s，放电1s的回复电压初始斜率值，为S_d，快速极化初始斜率峰值比S_r1＝S_d/U_sd，U_sd为回复电压峰值，由于放电时间比较短，其值反映绝缘中快速极化过程的变化，这种快速极化主要对应绝缘介质中水分等强极性物质，可用于分析变压器油纸绝缘是否受潮。

所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，步骤2)中，定义充放电比为2：1的回复电压初始斜率值为S_r，缓慢极化初始斜率峰值比S_r2＝S_r/U_sr，U_sr为回复电压峰值，由于放电时间较长，其值反映绝缘中缓慢极化过程的变化，这部分主要是绝缘介质中的夹层极化，与绝缘介质的热老化特性有着密切联系。

所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，步骤3)中，实验中采用三电极结构的变压器模型，测量仪器选用keithley公司生产6517B静电仪，激励电压为1000V，环境温度均在30℃；样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径110mm的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，得到含水量为1％和3％的不同的样本，以及含水量为0.3％老化14天、21天的短期的热老化样本和含水量为0.7％老化56天、63天的长期的热老化样本。

根据权利要求1所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于:所述步骤4)中，快速极化初始斜率和直流电导率之间有如下关系

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，γ为直流电导率，单位A/V·s，相对介电常数ε₀＝8.86×10^-14[A·sV/cm]，U₀为充电电压。结合S_r1，可以得到

$S_{r1}{U}_{sd}=\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，S_r1为快速极化初始斜率峰值比，U_sd为回复电压峰值。

综上所述，可以得到不同状态下的直流电导率γ。

缓慢极化初始斜率与极化电导率的关系如下

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\βU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，β为极化电导率，单位A/V·s，是描述极化过程强度的特性，它是在绝缘介质去极化过程中产生的去极化场域电流密度之间的关系，同理，可得到

$S_{r2}{U}_{sr}=\frac{dU}{dt}={\mathrm{\βU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，S_r2为缓慢极化初始斜率峰值比，U_sr为回复电压峰值。

同样，可得到S_r2与极化电导率β的关系，能够计算出不同老化状态下β的值。

本发明一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，优点在于：

该方法提出两个回复电压初始斜率S_r1和S_r2，研究表明随着绝缘纸的热老化程度的加深，缓慢极化初始斜率峰值比S_r2变大，而S_r1基本不变化，可以直接用来表征绝缘老化状态。快速极化初始斜率峰值比S_r1随着绝缘受潮的程度的增加而变大，而S_r2基本保持不变。本发明可用于评估变压器绝缘状态的老化和受潮程度，为提出了利用初始斜率区分受潮和老化的方法提供新的研究思路。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为回复电压的测量过程图；

图3为三电极系统结构图；

图4为不同水分状态的初始斜率值；

图5为不同老化装填的初始斜率值。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清晰，下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

图1为本发明提供的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法流程图，包括以下步骤：

图2为回复电压测量原理图，t_c为充电时间，t_d为放电时间，U₀为直流电压，在回复电压测量过程中绝缘介质两端之间出现了一个电势差，称为回复电压。回复电压在极板间电压增加的速率的初始值dU_r/dt为初始斜率。

水分样本的制备：对已干燥的绝缘纸板用保鲜膜密封，称重，称重所用的精度为万分之一，将其暴漏在空气中吸潮，每隔一段时间用相同的保鲜膜密封在次称量，控制水分和纸板的质量比，以此制备出1％和3％含水量的实验样本。

老化样本的制备：为了确保含水量相同，分别将含水量为0.3％和0.7％两组样本真空浸入处理后的变压器油中48小时，放入130℃恒温老化箱中进行老化，含水量为0.3％样本用于获取14天和21天短期热老化样本，而将含水量0.7％的样本获取56天和63天长期的热老化样本。

搭建实验平台，变压器模型采用三电极，如图3所示，测量仪器选用6517B型静电计，输出电压为0～1000V，测量电压峰值±200V，采集速率0.1s。为防止外界温度的干扰，实验均在30℃恒温箱中进行，实验开始前都要在恒温箱中预热2h以上，确保测试样本内部也达到30℃，每次测量完毕后都要放电2h以上，以完全消除剩余极化电荷。

水分对初始斜率的影响：

图4为不同含水量测得的初始斜率数据，由图可见，绝缘介质中水分由1％增加到3％，快速极化初始斜率峰值比S_r1由0.1179上升到0.1706，近似增大了50％，而缓慢极化初始斜率峰值比S_r2的值都在0.03左右，基本没有变化。

老化对初始斜率的影响：

图5为不同老化状态测得的初始斜率数据，由图可见，在第一组短期老化样本中，随着老化时间的增加，缓慢极化斜率峰值比S_r2由0.040增加到0.261，将近变大了6倍，而S_r1由0.231减小到0.221，变化非常小；相同的，第二组老化56天到63天，缓慢极化斜率峰值比S_r2由0.030上升到0.089，变化较大，而S_r1基本没有变化。

由于水分受快速极化过程的影响，与直流电导率有关，下面探讨其与直流电导率的关系。

快速极化初始斜率和直流电导率之间有如下关系

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，γ为直流电导率，单位A/V·s，相对介电常数ε₀＝8.86×10^-14[A·sV/cm]，U₀为充电电压。结合S_r1，可以得到

$S_{r1}{U}_{sd}=\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，S_r1为快速极化初始斜率峰值比，U_sd为回复电压峰值。

综上所述，可以得到不同水分下的直流电导率γ，如表3所示：

水分含量	0.4％	0.7％
			γ	1.5E-12	2.8E-12

表中可见，水分由0.4％上升到0.7％，直流电导率γ明显的增大，绝缘介质的电阻率变小，整体的绝缘状态变差，快速极化过程变强，快速极化初始斜率峰值比S_r1也响应的变大。

由于老化受缓慢极化过程的影响，与极化电导率有关，下面探讨其与极化电导率的关系。

缓慢极化初始斜率与极化电导率的关系如下

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\βU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，β为极化电导率，单位A/V·s，是描述极化过程强度的特性，它是在绝缘介质去极化过程中产生的去极化场域电流密度之间的关系，同理，可得到

式中，S_r2为缓慢极化初始斜率峰值比，U_sr为回复电压峰值。

同样，可得到不同老化状态的极化电导率β的值，如表4所示：

由表可见，对于两组老化样本，含水量相同的情况下，随着老化天数的增加，极化电导率β都明显的增大。老化天数越深，固体绝缘介质劣化越严重，缓慢极化就越强，S_r2也会相应的变大。

本发明研究初始斜率随绝缘状态而变化的规律，揭示其与绝缘老化和受潮了的关系，根据实验室试验结果可见，两种初始斜率可以分别测量，所以电导和极化可以独立研究。绝缘纸的缓慢极化初始斜率峰值比S_r2主要受到热老化的影响，可以直接用来作为表征绝缘状态。而快速极化初始斜率峰值比S_r1可用于分析绝缘受潮的程度。在外加电场恒定的情况下，S_r1和S_r2越小，表明变压器绝缘状态越好。本发明为进一步提出利用初始斜率特征量的诊断绝缘状态提供了新的研究思路。

Claims (5)

1.一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、定义快速极化初始斜率峰值比S_r1，S_r1的值对变压器绝缘受潮反映灵敏，而对热老化反映基本不变，用于分析绝缘受潮的程度；

2)、定义缓慢极化初始斜率峰值比S_r2，S_r2的值对绝缘热老化反映灵敏，而对受潮反映基本不变，用于表征绝缘老化状态；可用S_r1和S_r2区分变压器绝缘状态中的受潮和老化；

3)、实验室中搭建实验平台，分别制备不同的水分和老化样本，变压器模型采用三电极结构，回复电压初始斜率采用采用静电仪进行测量，探究S_r1和S_r2与老化和水分之间的关系；

4)、根据实验数据结果分析，S_r1可用于分析绝缘受潮的程度，与绝缘介质的直流电导率有关；而S_r2主要受到热老化的影响，与介质的极化电导率有关，在外加电场恒定的情况下，S_r1和S_r2越小，表明变压器绝缘状态越好。

2.根据权利要求1所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于：所述步骤1)中，测量充电1000s，放电1s的回复电压初始斜率值为S_d，快速极化初始斜率峰值比S_r1＝S_d/U_sd，U_sd为回复电压峰值，由于放电时间比较短，其值反映绝缘中快速极化过程的变化，这种快速极化主要对应绝缘介质中水分等强极性物质，用于分析变压器油纸绝缘是否受潮。

3.根据权利要求1所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于：所述步骤2)中，定义充放电比为2：1的回复电压初始斜率值为S_r，缓慢极化初始斜率峰值比S_r2＝S_r/U_sr，U_sr为回复电压峰值，由于放电时间较长，其值反映绝缘中缓慢极化过程的变化，这部分主要是绝缘介质中的夹层极化，与绝缘介质的热老化特性有着密切联系。

4.根据权利要求1所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于：所述步骤3)中，实验中采用三电极结构的变压器模型，测量仪器选用静电仪，激励电压为1000V，环境温度均在30℃；样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径110mm的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，得到含水量为1％和3％的不同的样本，以及含水量为0.3％老化14天、21天的短期的热老化样本和含水量为0.7％老化56天、63天的长期的热老化样本。

5.根据权利要求1所述的一种回复电压初始斜率评估变压器绝缘状态的方法，其特征在于：所述步骤4)中，快速极化初始斜率和直流电导率之间有如下关系：

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，γ为直流电导率，单位A/V.s，相对介电常数ε₀＝8.86×10^-14[A·sV/cm]，U₀为充电电压，结合S_r1，可以得到：

$S_{r1}{U}_{sd}=\frac{dU}{dt}={\mathrm{\γU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，S_r1为快速极化初始斜率峰值比，U_sd为回复电压峰值。

综上所述，可以得到不同状态下的直流电导率γ；

缓慢极化初始斜率与极化电导率的关系如下：

$\frac{dU}{dt}={\mathrm{\βU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，β为极化电导率，单位A/V·s，是描述极化过程强度的特性，它是在绝缘介质去极化过程中产生的去极化场域电流密度之间的关系，同理，可得到：

$S_{r2}{U}_{sr}=\frac{dU}{dt}={\mathrm{\βU}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0$

式中，S_r2为缓慢极化初始斜率峰值比，U_sr为回复电压峰值。

同样，可得到S_r2与极化电导率β的关系，能够计算出不同老化状态下β的值。