CN107727939A - 用于油纸绝缘的三支路改进等效模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，在原扩展德拜模型等效电路中RC串联支路的两端并联若干个三元件支路，所述三元件支路包括第一电阻RI、第二电阻RII和一个电容CI，第二电阻RII与电容CI并联后再与第一电阻RI串联。本发明的改进等效模型解决扩展德拜模型在使用中存在的支路数过多，对实测结果匹配效果不佳的问题。

Description

用于油纸绝缘的三支路改进等效模型
技术领域
本发明涉及电气设备绝缘老化预测技术领域，具体涉及一种用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，还涉及此等效模型的应用过程。
背景技术
油纸复合绝缘结构是大多数高压电气设备的主要绝缘组成部分，绝缘性能的恶化是这类设备故障的主要原因。近年来，研究者们提出了基于介电响应理论的电气诊断方法，用于诊断设备绝缘状况的好坏，并制定合理的维护计划。常规的介电响应测量项目包括工频电容–tanδ测量和绝缘电阻测量。除此之外，还包括三项最重要的介电响应测量技术：回复电压(RVM)的测量，极化和去极化电流(PDC)的测量以及频域介电谱(FDS)的测量。
为了有效地将介电诊断方法应用于实际运行中的设备，必须挖掘出介电响应测量结果所携带的信息，才能准确地确定绝缘受潮及老化的状态。然而，目前发现，介电响应技术在理论和实际应用中，更多地关注于使用频域介电谱FDS对油纸绝缘状态进行定性描述，以及考虑来自温度，含水量，老化等因素对FDS曲线的影响规律。利用数学或物理模型解释频域介电谱曲线，并提出定量判据的相关研究则相对较少。目前使用较多的是扩展德拜模型等效电路，该模型对复合绝缘介质的介电响应能够在一定程度上进行解释，但随着设备的运行，将不可避免地产生各种老化产物，将使得材料内部的极化过程变得复杂，油纸绝缘材料除了自身内部产生极化外，还将同其他物质之间产生复杂的界面极化过程，传统的扩展德拜模型仅通过简单地并联多条电阻电容串联支路来模拟介质内部的弛豫极化过程，并联支路条数较多，且无法有效反映出油纸绝缘介质内部复杂的极化过程，具有很大的局限性，不利于基于模型分析提出定量判据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的油纸绝缘建模中常使用的扩展德拜模型对复杂极化过程进行反映的局限性，提供了一种用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，解决扩展德拜模型在使用中存在的支路数过多，对实测结果匹配效果不佳的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，在原扩展德拜模型等效电路中RC串联支路的两端并联若干个三元件支路，所述三元件支路包括第一电阻RI、第二电阻RII和一个电容CI，第二电阻RII与电容CI并联后再与第一电阻RI串联。
进一步的，所述的扩展德拜模型等效电路包括一个电阻R0和电容C0并联，再并联n个RC串联支路。
进一步的，n取值为5。
进一步的，所述三元件支路个数为一个。
进一步的，改进等效模型的复电容实部C′及虚部C″表达式如下：
式中，Ri、Ci串联支路等效不同弛豫时间的松弛极化，单位分别为GΩ、nF；n为RC串联支路数；ω为测试角频率。
进一步的，n取值为5。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出在传统的扩展德拜模型结构的基础上，加入电阻电容并联构成的三支路组件，并使用该电路模型拟合频域介电谱FDS复电容实部、虚部曲线，辨识得出电路中的各电阻、电容参数，实现对油纸绝缘频域介电响应的整体等效，解决传统德拜模型对于宽频FDS拟合效果不佳的问题。
附图说明
图1为本发明三支路改进等效模型的电路图；
图2是频域介电响应测量的示意图；
图3是油浸绝缘纸板进行频域介电谱测试获得的谱图及参数辨识结果的重构FDS曲线示意图(油浸纸板水分含量0.76％)；
图4是油浸绝缘纸板进行频域介电谱测试获得的谱图及参数辨识结果的重构FDS曲线示意图(油浸纸板水分含量1.2％)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
现有的扩展德拜模型等效电路，采用一个电阻R0和电容C0并联，再并联n个RC串联支路来等效，其中R0表征绝缘电阻，反映了油纸绝缘系统的电导现象；C0为几何电容，表征真空几何电容和无损极化的等效电容之和；RC串联支路反映油纸材料本身的极化过程。
但随着设备的运行，将不可避免地产生各种老化产物，将使得材料内部的极化过程变得复杂，油纸绝缘材料除了自身内部产生极化外，还将同其他物质之间产生复杂的界面极化过程。
因此，本发明的一种用于油纸绝缘的三支路改进等效模型为，如图1所示，在现有的扩展德拜模型等效电路基础上，在RC串联支路的两端并联若干个三元件支路，所述三元件支路包括第一电阻RI、第二电阻RII和一个电容CI，第二电阻RII与电容CI并联后再与第一电阻RI串联。
在原有的扩展德拜模型下，每条支路的时间常数用单一的电阻值和电容值来描述，然而考虑到油纸绝缘介质中不仅含有油和纤维素，还含有水和酸、醛、醇、酮等产物，它们在极化的过程中，本身将产生极化，同时还将与周围的绝缘物质相互作用形成复杂的界面极化，因此采用单一的RC串联来描述界面极化过程不确切，采用本专利提出的改进等效电路，其中三元件支路的时间常数不仅由第一电阻RI和第一电容CI决定，还由第二电阻RII决定，更能模拟复杂的极化过程。
在本发明的等效模型中，原有的RC串联支路用于模拟单一介质本身的极化过程，两个介质间的界面极化过程的影响由三元件支路进行模拟。
相应的，本发明的基于该等效电路模型的参数辨识方法，即使用该电路模型拟合频域介电谱FDS复电容实部、虚部曲线，辨识得出电路中的各电阻、电容参数，实现对油纸绝缘频域介电响应的整体等效，主要包括以下步骤：
1)油纸绝缘试品的制备：使用25#环烷基矿物油以及牛皮绝缘纸板作为实验材料，将绝缘纸板和绝缘油分别在70℃真空环境下进行干燥24h，然后将绝缘纸浸入绝缘油中并放置于40℃真空干燥箱中24h。
2)受潮样本的模拟：将绝缘纸板制定不同的含水量百分数标准(本实施例中采用两种水分含量，分别为0.76％和1.2％)，对其进行吸潮处理，每次从相应老化阶段的油纸样品中取出待制备的纸板，将纸板表面擦干净以助于吸潮，然后将纸板置于精密电子天平上，并记录初始质量，计算吸潮到目标水分所需质量，打开加湿器，提高空气湿度，观察天平示数，一旦达到目标质量，迅速将纸板放入三电极测量系统中并在45℃下静置48h。
将此油浸绝缘纸板的等效电路设计如图1所示。已知随着支路数的增加，未知数也会增加，这将使参数计算更加困难，目前现有研究中的传统扩展德拜模型普遍使用的是5条支路，而三元件支路的个数的增加同样会增加模型的计算难度和计算量，因此，本发明实施例中提出的改进等效模型的形式为：为一个电阻R0和电容C0并联5个RC串联支路在RC串联支路的两端并联一个三元件支路来等效，，所述三元件支路包括第一电阻R6、第二电阻R7和一个电容C6，第二电阻R7与电容C6并联后再与第一电阻R6串联。
3)频域介电响应的测量：将制备的油浸绝缘纸板的频域介电响应测试在三电极系统平台展开，如图2所示，将油浸绝缘纸板置于高压电极与测量电极之间，使用频域介电测试仪连接测量系统，开展样本的频域介电响应测试(此过程属于现有技术，此处不多赘述)，试验温度控制在30℃，样品在恒温恒湿箱中静置6小时，待电极系统内外温度达到均衡后开始频域介电谱的测量，得出油浸纸板的复电容实部、虚部测量值，作为拟合本改进模型参数的数据源。
4)数据处理：利用上述样本的实测频域介电谱，针对以上所述的如图1所示的三支路改进模型，使用多参数非线性拟合优化算法识别得出本模型各条支路中的元件参数，通过拟合优度控制拟合效果。
首先，根据上述等效模型建立模型等效复电容实部C′及虚部C″表达式，以推导出复电容的实部和虚部拟合值，表达式如下：
式中，Ri、Ci串联支路等效不同弛豫时间的松弛极化，单位分别为GΩ、nF；n为RC串联支路数，本实施例中取n＝5；ω为测试角频率。
然后，根据前述的改进等效电路，建立模型的参数辨识目标函数为：
式中，C′测量(ω)和C″测量(ω)分别为油浸绝缘纸板频域介电谱测试得到的复电容实部和虚部值，单位：F；C′拟合(ω)和C″拟合(ω)分别为通过本模型参数推导的复电容实部和虚部值，单位：F，其通过本模型等效复电容实部C′及虚部C″表达式得到；m为频域介电谱测试的频率点个数；
在不同油浸纸板受潮百分数的情况下，采用本发明改进等效模型拟合得出复电容实部和虚部测量值及拟合值的曲线如图3和图4所示。图3是油浸纸板水分含量0.76％，图4是油浸纸板水分含量1.2％。图3和图4中的复电容实部和虚部曲线表明，实测值几乎全部落在计算曲线上，表明拟合效果良好。
最后，采用最小二乘法相结合的算法对上述扩展德拜模型参数辨识目标函数进行迭代求解，获得扩展德拜模型参数的最终解。
本实施例中参数辨识的结果如下表1所示。下表表示的是在不同油浸纸板受潮百分数的情况下，采用本发明改进等效模型拟合得出的模型中各电容、电阻元件的值。水分含量为0.76％情况下的模型的拟合优度R＝0.998934，水分含量为1.20％情况下模型的拟合优度R＝0.999651，在两组样本数据的情况下，本改进模型的拟合优度均大于0.99，表明本模型的拟合优度较高，拟合效果较好。
表1改进模型参数拟合结果
综上所述，本发明通过在传统的扩展德拜模型结构的基础上，并联上电阻电容构成的三元件支路，组成三支路改进等效模型，并使用该电路模型拟合频域介电谱FDS复电容实部、虚部曲线，辨识得出电路中的各电阻、电容参数，实现对油纸绝缘频域介电响应的整体等效，解决传统德拜模型对于宽频FDS拟合效果不佳的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，在原扩展德拜模型等效电路中RC串联支路的两端并联若干个三元件支路，所述三元件支路包括第一电阻RI、第二电阻RII和一个电容CI，第二电阻RII与电容CI并联后再与第一电阻RI串联。
2.根据权利要求1所述的用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，所述的原扩展德拜模型等效电路包括一个电阻R0和电容C0并联，再并联n个RC串联支路。
3.根据权利要求2所述的用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，n取值为5。
4.根据权利要求2或3所述的用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，所述三元件支路个数为一个。
5.根据权利要求1所述的用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，改进等效模型的复电容实部C′及虚部C″表达式如下：
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式中，Ri、Ci串联支路等效不同弛豫时间的松弛极化，单位分别为GΩ、nF；n为RC串联支路数；ω为测试角频率。
6.根据权利要求5所述的用于油纸绝缘的三支路改进等效模型，其特征是，n取值为5。
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