CN106950468A - 一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法 - Google Patents

Abstract

一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法。通过制备油纸绝缘水分和老化试品，利用绝缘诊断仪IDAX‑300测量5种不同温度下油纸绝缘试品某一频域段的介损累计值的特征量—频域介损积分。并获得0.1‑10Hz频率段油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积有最大值，并以介质损耗积分面积最大值为特征参量；将测量温度与频域介损积分面积最大值通过最小二乘法进行拟合，获得不同温度下频域介损积分与老化和受潮的表达式。本发明可有效不同温度下频域介损积分特征量的换算，实现准确分析的不同环境温度下变压器油纸绝缘系统频域介损积分的测试结果，消除测量温度对其频域介损积分特征量评估变压器绝缘状态的影响。

Description

一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法

技术领域

本发明涉及变压器油纸绝缘状态检测领域，具体涉及一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法。

背景技术

电力变压器作为电能传输和配送过程中的核心设备，其运行状况与整个电力系统的运行稳定性紧密相关。变压器主绝缘系统的主要组成部分为油纸绝缘系统。在变压器长期运行过程中，由于受到机械、水分、化学、热、电等多种因素的影响，油纸绝缘系统会逐渐劣化，从而导致油纸绝缘性能下降。传统诊断变压器油纸绝缘老化状态的试验方法主要有油中酸值分析、糠醛含量分析、溶解气体分析以及绝缘纸聚合度分析等。然而，在实际操作过程中，这几种方法会对油纸绝缘系统造成不同程度的损害，其评估准确性也会受到多种因素的影响。随着专家学者的不断研究，目前以电介质极化为理论基础的评估变压器油纸绝缘老化状态的新型无损诊断技术引起越来越多的关注，并得到了广泛应用。

作为一种油纸绝缘老化状态诊断的无损检测手段，频域介电谱法具有抗干扰能力强、测量频率范围广、携带信息丰富等特点。它可以检测变压器的老化程度、纸中水分含量等重要信息，同时也可以方便地用于变压器的现场检测。该方法使用交流低压电源，通过改变其测量频率，获取不同频率下的复电容和介质损耗，并获取这些特征量随频率变化的函数曲线。研究表明，复电容、介电常数、介电损耗等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。

目前，应用频域介电谱法评估温度对油纸绝缘系统的影响多以实验测得的介质损耗或复电容频域介电谱来进行，该方法不能够直观的呈现出温度对油纸绝缘系统测试结果的影响。为了能够更好地将频域介电谱法应用到实际工程中,细化并更清楚的掌握温度对油纸绝缘系统频域介电响应测试的影响,更准确的分析不同环境温度下变压器油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果,急需进一步研究温度对变压器油纸绝缘系统频域介电响应测试结果的影响特性，因此需要提出一个新的方法从而将不同温度下的频域介电测试结果转化到同一函数表达式内，并通过该函数表达式分析不同环境温度下的频域介电响应测试结果。

发明内容

针对不同温度环境对变压器油纸绝缘系统频域介电响应测试结果影响的问题，本发明的目的在于提供一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法。

本发明采取的技术方案为：

一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，包括以下步骤：

(1)：搭建实验平台与油纸绝缘水分和老化试品的制备，并在不同温度下对试品进行频域介电谱测量；

(2)：选取油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱的敏感频段，建立介质损耗积分方程，并求解得到两种试品在所取频域内的介质损耗积分面积变化曲线；

(3)：在频率10Hz、0.1Hz处油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积有最大值，并以介质损耗积分面积最大值为特征参量；

(4)：将测量温度与介质损耗积分面积最大值，通过最小二乘法进行拟合得到两者的关系曲线，并得到相关拟合函数表达式；

(5)通过得到的拟合函数表达式，分析不同温度环境下油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果。

所述步骤(1)中，油纸绝缘水分试品绝缘纸板的水分质量分数为2.7％，老化试品的热老化时间为49天，试品的受潮和热老化程度都属于中等，有利于提高频域介电谱测量的精确度。所述步骤(2)中，对步骤(1)测得的油纸绝缘水分和老化试品的频域介电谱进行观察分析，发现两种试品的介电频谱敏感频段不同，分别选取0.1mHz-10Hz和0.1mHz-0.1Hz两个介电频段建立介质损耗积分方程，其中油纸绝缘水分和老化试品的介质损耗积分方程如下式所示：

其中tanδ(f)为某频率处的介质损耗因数；Smc为油纸绝缘水分试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-10Hz之间；Sdp为油纸绝缘老化试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-0.1Hz之间。

所述步骤(3)中，根据步骤(2)建立的介质损耗积分面积方程可知：在频率10Hz、0.1Hz处油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积有最大值，以介质损耗积分面积最大值为特征参量，因其为某一具体数值，故更能准确反映油纸绝缘系统的绝缘状态。

所述步骤(4)中，油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积最大值，会随着温度的升高而增大，利用最小二乘法将温度与介质损耗积分面积最大值进行拟合得到两者相关的拟合曲线和拟合函数表达式，且拟合优度高达0.99，其中油纸绝缘水分与老化试品的拟合函数表达式如下所示：

Smcmax＝36.96*exp(-0.05231*T)+6.185*exp(0.03923*T) (3)

Sdpmax＝5.445*exp(-0.07689*T)+0.4209*exp(0.04465*T) (4)

其中Smcmax为水分试品介质损耗积分面积最大值，Sdpmax为老化试品介质损耗积分面积最大值，T为测量温度。

所述步骤(5)中，根据步骤(4)得到的拟合曲线，该曲线横坐标为温度，纵坐标为介质损耗积分面积最大值。本发明将不同温度下频域介电特征参量转化为同一与温度相关的函数表达式内,有利于更准确的分析不同环境温度下变压器油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果。通过油纸绝缘水分和老化试品模拟变压器的受潮和老化状态，而不是只对受潮或老化某一方面进行模拟研究，这样更能够全面的了解不同温度环境下的变压器油纸绝缘系统频域介电相应测量结果。

应用绝缘诊断仪IDAX-300分别对水分和老化试品进行频域介电谱测量，通过分析油纸绝缘系统在受潮和老化状态下温度对其的影响情况，从而全面了解不同温度环境对变压器油纸绝缘系统在受潮和热老化状态下频域响应测试结果的影响。

对实验测的油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱进行分析，选取不同的频段建立积分方程，区分水分和热老化在不同测量温度下对油纸绝缘系统的影响。

本发明一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，有益效果如下：

(1)本发明中通过提取试品介质损耗积分面积最大值作为特征参量，并将不同温度下变压器油纸绝缘频域介电特征参量转化为同一函数表达式，该方法能够直观的观察温度对油纸绝缘系统的影响，有利于更准确的分析不同环境温度下变压器油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果。

(2)本发明分别对油纸绝缘水分和老化试品进行频域介电谱测量，并提取水分和老化试品各自的介质损耗积分面积最大值，从受潮和热老化两种状态下分析温度对油纸绝缘系统的影响，从而全面的分析不同环境温度对变压器油纸绝缘系统频域介电相应测试结果的影响。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为油纸绝缘水分试品在五种不同测量温度下的介质损耗频域介电谱图像。

图3为油纸绝缘老化试品在五种不同测量温度下的介质损耗频域介电谱图像。

图4为油纸绝缘系统三电极实验装置结构示意图。

图5为油纸绝缘水分试品介质损耗积分面积与在指定频域内的相关变化曲线图。

图6为油纸绝缘老化试品介质损耗积分面积与在指定频域内的相关变化曲线图。

图7为油纸绝缘水分试品介质损耗积分面积最大值与测量温度的拟合曲线图。

图8为油纸绝缘老化试品介质损耗积分面积最大值与测量温度的拟合曲线图。

具体实施方式

一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，包括以下步骤：

步骤(1)：在实验室制备油纸绝缘水分与老化样本，其中所用材料为变压器25号绝缘油，普通变压器绝缘纸，直径为130mm；水分试品的水分含量为2.7％，老化试品的老化天数为21天，并完成实验平台的搭建工作；对于水分试品的制备，首先通过精密的称重仪器分别对五张绝缘纸板进行称重保证其质量基本相等；将5张绝缘纸放入干燥箱内在90度下干燥48小时；干燥完毕后，对绝缘纸板进行称重，质量记为M_a(5张绝缘纸板干燥后的总质量)；将称重后的五张绝缘纸摊开置于空气中使其进行自然均匀吸潮，吸潮适当时间后再次通过精密的称重仪器对其称重，质量记为M_b(5张绝缘纸板吸潮后的总质量)；最后将五张吸潮完毕后的绝缘纸板放入盛有绝缘油的容器中充分浸渍48小时。其中绝缘纸板中水分含量如式(3)所示，由此可得绝缘纸板的水分质量分数，并记为M_mc，在本发明中绝缘纸板的水分质量分数为2.7％。对于老化试品的制备，与水分试品制备相同，首先通过精密的称重仪器对分别五张绝缘纸板进行称重保证其质量基本相等；将5张绝缘纸放入干燥箱内在90度下干燥48小时；干燥完毕后，将五张绝缘纸板放入盛有绝缘油的容器中充分浸渍48小时；将油纸绝缘系统置于恒温老化箱中进行加速热老化，持续加热不同时间可得到不同老化状态的油纸绝缘试品。在发明中老化试品的老化时间为21天。

步骤(2)：利用绝缘诊断仪IDAX-300对制备的水分和老化试品分别在5种不同的温度下进行频域介电谱测量，电压源为140V低压交流电源，测量温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃。

步骤(3)：分别对油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱建立利用介质损耗积分面积方程，通过测量的多组油纸绝缘水分和老化试品的介质损耗频域介电谱建立方程如下所示:

其中tanδ(f)为某频率处的介质损耗因数；Smc为水分试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值(频率f在0.1mHz-10Hz之间)；Sdp为老化试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值(频率f在0.1mHz-0.1Hz之间)。

步骤(4)：利用Matlab软件对所建立的油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积分别进行求解，分别得到油纸绝缘水分与老化试品在5种测量温度下介质损耗积分面积随频率变化的关系曲线。

步骤(5)：根据得到的油纸绝缘水分与老化试品在5种测量温度下介质损耗积分面积随频率变化的关系曲线，其中油纸绝缘水分和老化试品分别在频率10Hz、0.1Hz处有介质损耗积分面积最大值，以介质损耗积分面积最大值为特征参量，通过最小二乘法对介质损耗积分面积最大值与测量温度进行拟合得到两者相关拟合曲线和拟合函数表达式。

Smcmax＝36.96*exp(-0.05231*T)+6.185*exp(0.03923*T) (8)

Sdpmax＝5.445*exp(-0.07689*T)+0.4209*exp(0.04465*T) (9)

其中Smcmax为水分试品介质损耗积分面积最大值，Sdpmax为老化试品介质损耗积分面积最大值，T为测量温度。

所述的不同温度下变压器油纸绝缘频域介电特征参量转化为同一函数表达式的方法，其特征在于，应用绝缘诊断仪IDAX-300分别对水分和老化试品进行频域介电谱测量，通过本发明提出的方法分析油纸绝缘系统在受潮和老化状态下温度对其的影响情况，从而全面了解不同温度环境对变压器油纸绝缘系统在受潮和热老化状态下频域响应测试结果的影响。

所述的不同温度下变压器油纸绝缘频域介电特征参量转化为同一函数表达式的方法，其特征在于，对实验测的油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱进行分析，选取不同的频段建立积分方程，区分水分和热老化在不同测量温度下对油纸绝缘系统的影响。

实施例：

如图1所示，本发明提供的将不同温度下变压器油纸绝缘频域介电特征参量转化为同一与温度相关函数表达式的方法，通过油纸绝缘水分和老化试品两种试品来检验不同测量温度对油纸绝缘系统的影响，从而更准确的分析不同环境温度对变压器油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果的影响。其具体步骤如下：

1:在实验室内完成实验平台的搭建和油纸绝缘水分和老化试品的制备，为减小实验误差每张绝缘纸

板的质量基本相等，本发明中油纸绝缘水分试品中绝缘纸板的水分含量为2.7％，油纸绝缘老化试品的老化时间为21天。

2:利用绝缘诊断仪IDAX-300分别对制备的油纸绝缘水分和老化试品进行频域介电谱测量，且测量温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，所得油纸绝缘水分和老化试品的频域介电谱图像如图2、3所示，其中所加电压源为交流低压电源140V、频率测量范围为0.1mHz-1KHz；为避免受到残余电荷等因素的影响，测量之前需将装有油纸绝缘试品的三电极实验装置，如图4所示。其三相引出端短接并通过接地短路放电释放残余电荷，并且尽量保持测量时周围环境温度稳定、空气湿度小。通过对图2、3进行研究观察发现，油纸绝缘水分试品在0.1mHz-10Hz范围内对温度比较敏感，而油纸绝缘老化试品在0.1mHz-0.1Hz范围内对温度比较敏感，故分别对油纸绝缘水分和老化试品建立介质损耗积分面积方程，所建立的油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积的方程如下式所示：

其中tanδ(f)为某频率处的介质损耗因数；Smc为水分试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-10Hz之间；Sdp为老化试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-0.1Hz之间。

3:利用Matlab软件对所建立的油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积分别进行求解，分别得到油纸绝缘水分与老化试品在5种测量温度下介质损耗积分面积随频率变化的关系曲线，最终得到的图像如图5、6所示；

4:根据得到油纸绝缘水分与老化试品在5种测量温度下介质损耗积分面积随频率变化的关系曲线，其中油纸绝缘水分和老化试品分别在频率10Hz、0.1Hz处有介质损耗积分面积最大值。水分试品在10Hz频率处介质损耗积分面积有最大值，且每个测量温度T所对应的试品介质损耗积分面积最大值如表1所示。

表1油纸绝缘水分试品介质损耗积分面积最大值对应的测量温度

测量温度/℃	30	35	40	45	50
						最大积分面积/％	27.78	30.26	34.39	39.57	46.7

老化试品在0.1Hz频率处介质损耗积分面积有最大值，且每个测量温度T所对应的试品介质损耗积分面积最大值如表2所示。

表2油纸绝缘老化试品介质损耗积分面积最大值对应的测量温度

测量温度/℃	30	35	40	45	50
						最大积分面积/％	2.148	2.382	2.755	3.315	4.039

5:通过表1、2中每个测量温度所对应的介质损耗积分面积最大值的数据，并以介质损耗积分面积最大值为特征参量，通过最小二乘法对介质损耗积分面积最大值与测量温度进行拟合得到两者的拟合曲线图像，如图7、8所示分别为油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积与测量温度的拟合关系曲线，相应的拟合函数表达式如下式所示:

Smcmax＝36.96*exp(-0.05231*T)+6.185*exp(0.03923*T) (12)

Sdpmax＝5.445*exp(-0.07689*T)+0.4209*exp(0.04465*T) (13)

其中Smcmax为水分试品介质损耗积分面积最大值，Sdpmax为老化试品介质损耗积分面积最大值，T为测量温度。

6:通过得到的拟合函数表达式，在特定频域内油纸绝缘水分和老化试品的介质损耗积分面积最大值与测试温度呈指数函数关系。由油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积最大值与测量温度的拟合关系曲线图7、8可知，随着温度的升高，油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积最大值逐渐增大，且增长斜率不断增大。这主要是因为：绝缘油纸的介质损耗主要包括电导损耗，界面极化损耗和偶极转向极化损耗，随着温度的升高使得导电粒子平均动能增大，分子热运动能力和转向能力增强，从而使得油纸绝缘试品介质损耗及介质损耗增长速率逐渐增大。通过该方法可以对待测油纸绝缘试品进行频域介电谱测量，将不同温度下测量得到的频域介电谱转化为温度与介质损耗积分面积最大值的拟合函数表达式和拟合曲线，通过该方法分析并预测温度对变压器油纸绝缘系统的影响。

Claims (9)

1.一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)：搭建实验平台与油纸绝缘水分和老化试品的制备，并在不同温度下对试品进行频域介电谱测量；

(2)：选取油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱的敏感频段，建立介质损耗积分方程，并求解得到两种试品在所取频域内的介质损耗积分面积变化曲线；

(3)：在频率10Hz、0.1Hz处油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积有最大值，并以介质损耗积分面积最大值为特征参量；

(4)：将测量温度与介质损耗积分面积最大值，通过最小二乘法进行拟合得到两者的关系曲线，并得到相关拟合函数表达式；

(5)通过得到的拟合函数表达式，分析不同温度环境下油纸绝缘系统频域介电响应的测试结果。

2.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，油纸绝缘水分试品绝缘纸板的水分质量分数为2.7％，老化试品的热老化时间为49天，试品的受潮和热老化程度都属于中等，有利于提高频域介电谱测量的精确度。

3.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：所述步骤(2)中，对步骤(1)测得的油纸绝缘水分和老化试品的频域介电谱进行观察分析，发现两种试品的介电频谱敏感频段不同，分别选取0.1mHz-10Hz和0.1mHz-0.1Hz两个介电频段建立介质损耗积分方程，其中油纸绝缘水分和老化试品的介质损耗积分方程如下式所示：

$Smc={\∫}_{{10}^{-4}}^{f}tan\mathrm{\δ}\left(f\right)df,{10}^{-4}\≤f\≤{10}^1---\left(1\right)$

$Sdp={\∫}_{{10}^{-4}}^{f}tan\mathrm{\δ}\left(f\right)df,{10}^{-4}\≤f\≤{10}^{-1}---\left(2\right)$

其中tanδ(f)为某频率处的介质损耗因数；Smc为油纸绝缘水分试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-10Hz之间；Sdp为油纸绝缘老化试品在某频率f处试品介质损耗积分面积值，频率f在0.1mHz-0.1Hz之间。

4.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据步骤(2)建立的介质损耗积分面积方程可知：在频率10Hz、0.1Hz处油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积有最大值，以介质损耗积分面积最大值为特征参量，因其为某一具体数值，故更能准确反映油纸绝缘系统的绝缘状态。

5.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：所述步骤(4)中，油纸绝缘水分和老化试品介质损耗积分面积最大值，会随着温度的升高而增大，利用最小二乘法将温度与介质损耗积分面积最大值进行拟合得到两者相关的拟合曲线和拟合函数表达式，且拟合优度高达0.99，其中油纸绝缘水分与老化试品的拟合函数表达式如下所示：

Smcmax＝36.96*exp(-0.05231*T)+6.185*exp(0.03923*T) (3)

Sdpmax＝5.445*exp(-0.07689*T)+0.4209*exp(0.04465*T) (4)

其中Smcmax为水分试品介质损耗积分面积最大值，Sdpmax为老化试品介质损耗积分面积最大值，T为测量温度。

6.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据步骤(4)得到的拟合曲线，该曲线横坐标为温度，纵坐标为介质损耗积分面积最大值。

7.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：通过油纸绝缘水分和老化试品模拟变压器的受潮和老化状态，而不是只对受潮或老化某一方面进行模拟研究，这样更能够全面的了解不同温度环境下的变压器油纸绝缘系统频域介电相应测量结果。

8.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：应用绝缘诊断仪IDAX-300分别对水分和老化试品进行频域介电谱测量，通过分析油纸绝缘系统在受潮和老化状态下温度对其的影响情况，从而全面了解不同温度环境对变压器油纸绝缘系统在受潮和热老化状态下频域响应测试结果的影响。

9.根据权利要求1所述一种不同温度下变压器油纸绝缘频域介损积分的归算方法，其特征在于：对实验测的油纸绝缘水分和老化试品频域介电谱进行分析，选取不同的频段建立积分方程，区分水分和热老化在不同测量温度下对油纸绝缘系统的影响。