CN107991584A - 一种基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，属于变压器套管老化诊断技术领域。所述方法通过分别在两个不同的极化电压下对停电后的被测套管在进行极化并记录极化电流ipol，然后对极化后的待测套管进行去极化并记录去极化电流idepol，根据测得的数据计算得到直流电导率σ0、非线性因子DONL和损耗因数tanδ并根据所得的指标综合评估被测套管的老化程度。利用极化去极化电流，经过分析处理，得到能有效评估变压器套管电气参数特征参量，从而实现对变压器套管老化程度的评估，最大限度的排除了测试环境和参数对测试结果准确度的影响，测试结果更精准。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器套管老化诊断技术，属于电力设备检测领域。
技术背景
在现代电网中，由于需要长距离输送和配送电力，特别是在我国电力资源分布不均需要大规模长距离输送电力的情况下，变压器作为电力输送和配送中至关重要的一环，其地位显得尤为重要。且由于变压器事故影响范围大，会造成电力供应中断等后果，造成的经济损失巨大。所以保证变压器的安全稳定运行至关重要。
变压器套管是变压器箱外的主要绝缘装置，其作用是引出变压器绕组的出线，使引出线与变压器外壳之间和引出线互相之间绝缘，同时也起到固定引出线的作用。从运行安全和运行的角度上讲，套管都是变压器非常重要的附件。根据一份CIGRE国际调查报告显示，最常见的变压器故障是由分接头转换器、变压器套管和油纸绝缘系统产生。其中，套管引起的变压器故障接近占总故障数的30％。而如今许多变压器套管都快到了设计使用年限，所以诊断它们的绝缘老化情况和分析它们还能否继续服役显得越来越重要。
根据国家DL/T596-2005标准《电力设备预防性试验规程》，高压电容式套管的检测主要手段为套管主绝缘及电容型套管对地末屏的绝缘电阻，介质损耗因数(tanδ)和其电容量。传统的诊断技术或多或少一些缺陷，比如在线检测手段不能实现对电容式套管油纸绝缘(OIP)内部水分影响检测；介质损耗正切角值tanδ法所运用的设备庞大，搬运不方便，需要对标准电容进行校准，抗干扰能力较差；谐波分量法无法消除系统本身谐波对测试造成的影响；直流耐压法导致经过试验后的部分绝缘不可预测的发生绝缘击穿事故。而极化去极化电流检测法(PDC)是一种有效的现场线下检测手段，其对油纸绝缘中水分影响套管绝缘较为敏感。
发明内容
本发明专利在总结几种方法各自的优缺点基础上，提出一种基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试新方法，该方法利用极化去极化电流，经过分析处理，得到能有效评估变压器套管电气参数特征参量，从而实现对变压器套管老化程度的评估，抗干扰性能好；测试电压较低，对绝缘没有破坏性，是一种非破坏性方法，最大限度的排除了测试环境和参数对测试结果准确度的影响，测试结果更精准，特别是在套管受潮老化方面有较高的灵敏性。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，分别在两个不同的极化电压下对停电后的被测套管在进行极化并记录极化电流ipol，然后对极化后的待测套管进行去极化并记录去极化电流idepol，根据测得的数据计算得到直流电导率σ0、非线性因子DONL和损耗因数tanδ并根据所得的指标综合评估被测套管的老化程度。采用多项指标综合准确评估套管老化程度，本发明所提出的指标有：直流电导率σ0，非线性因子DONL和损耗因数tanδ。变压器电容式套管的直流电导率σ0一般不应大于10-11级；非线性因子DONL不应大于1.3；0.1Hz低频介质损耗因数tanδ不应大于9％。由于变压器生产工艺限制、运输中操作不当、运行中密封不良和运行过程中油纸绝缘老化分解等因素，在变压器油纸绝缘中会始终存在一些水分。水分以溶解悬浮水和沉积水的形式存在。变压器正常运行时水分多以溶解态存在,在交流电场作用下定向排列形成小桥,并且形成气泡,降低了变压器油的击穿电压；而悬浮水对油的击穿电压和介电性能影响很大；沉积水在变压器重新投运时沉积水将被绝缘纸吸收,有一定的潜在危害。此外，纤维素分子链与水分和酸值发生水解反应使β-(1-4)糖苷键断裂,纤维素分子链“缩短”,大分子“变为”小分子,聚合度下降,拉伸强度降低。水分含量越高,绝缘纸老化降解越快。所以，套管油纸绝缘中水分对其直流电导率影响很大。其次，在高电压的影响下，套管油纸绝缘老化加快，绝缘纸降解加快，产生大量极性杂质。极性杂质在电压的作用下迅速沿电场排列。在这种情况下，绝缘的劣化和极性杂质的排列将导致电导率随外施电压的增加而突然上升，从而表现出非线性特性。此外，在绝缘预防性试验中，是一基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时，急剧上升。因此，本发明选用直流电导率，非线性因子DONL和损耗因数来共同反应被测套管的老化程度。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述停电时间为200～400秒，优选为270秒。由于不同长度，不同截面，不同状态的套管去极化时间也不相同。所以需要根据实际情况选择不同的变压器停电时间。经过估算和大量的实验证明，本发明选择变压器电容式套管停电时间和去极化时间为270s。停电时间和去极化时间过短会导致残余电荷影响下次测量。而对于受潮后的套管，当其停运后油纸绝缘的其绝缘性能存在自愈合和自恢复现象。所以停电时间和去极化时间过长，会导致套管老化程度测试结果不准确。此外，还降低了测试效率。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述极化时间为200～400秒，优选为270秒。经过试验得出，在1kV的极化电压下，只要极化时间达到1分钟，套管油纸绝缘即可被较为充分的极化，将不再不影响套管油纸绝缘直流电导率的计算结果。270s的极化时间既保证绝缘诊断的可靠性、有效性又同时提高了诊断测试的效率。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述去极化时间均为200～400秒，优选为270秒。
作为可选方式，在上述测试方法中，在极化和去极化过程中在被测套管的导杆上安装铜屏蔽环，有利于均匀导杆附近电场，减小外界电磁干扰。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述两个不同的极化电压1kV至2.5kV区间选择，作为优选，所述两个不同的极化电压分别为1kV和2.5kV。极化去极化电流法是非破坏性的绝缘老化检测方法，通常所施加的极化电压不应超过套管额定电压的40％。通过反复实验得出极化电压在1kV至2.5kV区间内最为合适。选择1kV极化电压使得在保证准确度的前提下对绝缘的破坏性最小；选择2.5kV极化电压则可以与传统摇表测试绝缘电阻以评估老化水平的方法进行比对。
作为可选方式，在上述测试方法中，在数据处理过程中，利用Matlab中值滤波函数对测得的极化/去极化电流离散数据图像进行滤波。现场实际测量中，测试场所附近的带电设备将会引起电磁干扰。由于去极化电流曲线的切线斜率是至关重要的数据，所以任何会影响去极化电流曲线的切线斜率的滤波方法都是不可用的。在极化转向去极化时会有电流突变，这种电流突变不是噪声而是高压继电器开断产生的。因此在波形中像这种不连续的跳跃(边缘)必须在滤波中被保留。所以必须使用非线性滤波器。本方法使用中值滤波。由于中值滤波器可以保护信号的边缘，使其不被模糊。且当窗口宽度为2N+1时，信号序列中宽度不大于N的脉冲会被中值滤波清除。本方法采用中值滤波是适当的。
作为可选方式，在上述测试方法中，而当测量时间t达到足够长度后时，直流电导率σ0可以通过下式计算出：
式中，C0为被测套管的真空电容；ε0为真空介电常数，Up为所选择的极化电压，ipol(t)
为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流。
作为可选方式，在上述测试方法中，采用根据介质损耗因数测量仪测得的实际套管电容值来近似所述被测套管的真空电容C0。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述非线性因子DONL采用较高极化电压下的直流电导率除以较低极化电压下的直流电导率计算得到。非线性因子为表征套管油纸绝缘状态好坏的特征量。一般来说，非线性因子越接近1代表绝缘状态越好。进一步的，所述非线性因子定义如下：
式中，DONL为套管油纸绝缘非线性系数，其值等于极化电压为2.5kV的电导率除以极化电压为1kV的电导率；σ″0为极化电压为2.5kV时的直流电导率；σ'0为极化电压为1kV时的直流电导率。经过大量实验表明变压器电容式套管非线性因子大于1.3以后，绝缘劣化严重，继续工作存在很大风险。本发明提出DONL≤1.3作为判断变压器套管老化情况的参考指标。
作为可选方式，在上述测试方法中，所述损耗因数tanδ的计算方法如下：
(1)当极化时间tc达到合适的长度后，去极化电流与介质响应函呈现线性关系(介质响应函数为反映弛豫极化行为的响应函数)，根据不同时间的去极化电流按下式近似计算得出介质响应函数f(t)：
(2)对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到即为复极化率χ(ω)：
式中，χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；
(3)根据下式计算介质损耗因数tanδ：
式中，ε∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极化
部分。经过大量实验表明变压器电容式套管0.1Hz低频介损大于9％以后，绝缘劣化严重，
继续工作存在很大风险。本发明提出tanδ≤9％作为判断变压器套管老化情况的参考指标。
作为可选方式，在上述测试方法中，包括以下步骤：
1)对被测变压器电容式套管进行停电操作；
2)在被测套管的导杆上安装铜屏蔽环；
3)利用高压直流电源对被测套管导杆处加压并将套管油纸绝缘结构极化，皮安表记录极化电流ipol；
4)断开高压直流电源，并接通去极化回路，皮安表记录去极化电流idepol；
5)根据介质损耗因数测量仪测得的实际套管电容值来近似相同结构和尺寸的真空电容值；
6)通过下式计算出对应极化电压下的直流电导率σ0：
式中，C0为计算得到的真空电容；ε0为真空介电常数，Up为所选择的极化电压，ipol(t)为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流；
7)根据不同时间的去极化电流按下式近似计算得出介质响应函数f(t)：
8)对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到即为复极化率χ(ω)：
式中，χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；
9)根据下式计算介质损耗因数tanδ：
式中，ε∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极化部分；
10)采用较高极化电压下的直流电导率除以较低极化电压下的直流电导率计算得到套管油纸绝缘非线性因子DONL；
11)根据所得参数分析变压器电容式套管绝缘老化情况。
本发明还提供了一种用于上述测试方法的测试装置，包括高压直流发生器、上位机、皮安表、变压器电容式套管、绝缘支架、金属屏蔽罩。使用时，首先将变压器电容式套管放于绝缘支架之上，在套管导杆之上安装金属屏蔽罩以防止周围环境对套管上所计算电压的影响并均匀电场。随后将高压直流发生器与皮安表的接地端接地，确保实验仪器的安全。然后将高压直流发生器的高压输出端连接至套管导杆，作为测试高压端；将皮安表的测试端连接至套管的测试端子，作为试验的测试端(低压端)。最后将上位机与高压直流发生器和皮安表连接并建立通信，控制高压直流发生器和皮安表自动完成测试。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本发明的有益效果：
1、本发明所述方法抗干扰性能好；测试电压较低，对绝缘没有破坏性，是一种非破坏性方法，最大限度的排除了测试环境和参数对测试结果准确度的影响。
2、本发明所述方法考虑了极化电源电压高低对测试结果准确度的影响；考虑了极化时间长度对测试结果准确度的影响；考虑了变压器停电时间对测试结果准确度的影响；采用了多项指标综合准确评估套管老化程度，测试结果更精准，特别是在套管受潮老化方面有较高的灵敏性。
附图说明：
图1为本发明方法的测试流程示意图；
图2为本发明所述测试装置的连接示意图；
附图标记：1为高压直流发生器、2为上位机、3为皮安表、4为变压器电容式套管、5为绝缘支架、6为套管测试端子、7为套管导杆、8为金属屏蔽罩。
具体实施方式：
以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1
取被测套管，根据以下方法进行数据采集：
1)对被测变压器电容式套管进行停电操作；
2)在被测套管的导杆上安装铜屏蔽环；
3)利用高压直流电源对被测套管导杆处加压并将套管油纸绝缘结构极化，皮安表记录极
化电流ipol；
4)断开高压直流电源，并接通去极化回路，皮安表记录去极化电流idepol。
首先将被测套管停运。待其去极化电流稳定甚至消失后，将其测量端子用铜线接地。考察不同停电和去极化时间的影响，结果表明，停电和去极化时间在200～400秒时，可以兼顾测试的准确性和测试效率，进一步的，所述停电和去极化时间为270秒或360秒，更进一步的，所述停电和去极化时间为270秒。
在被测套管导杆处装上铜屏蔽环，均匀导杆处高压电场、减弱外界电磁干扰。进行端部防泄漏处理。紧接着将高压直流模块和电流测量模块进行合理布置。随后完成测试回路整体接线。以电流测量模块为中心节点，高压模块和上位机为周围节点完成上位机的控制及数据传输。
随后校零皮安表，设置好极化电压、极化时间、采样点数，接通高压直流电源进行极化去极化实验诊断电容式套管油纸绝缘老化程度。
利用高压直流电源对被测套管导杆处加压并将套管油纸绝缘结构极化，皮安表记录极化电流ipol，并通过串口将信号传上位机。极化去极化电流法是非破坏性的绝缘老化检测方法，通常所施加的极化电压不应超过套管额定电压的40％。通过反复实验得出极化电压在1kV至2.5kV区间内最为合适。本发明优选的两个极化电压分别为1kV和2.5kV，选择1kV极化电压使得在保证准确度的前提下对绝缘的破坏性最小；选择2.5kV极化电压则可以与传统摇表测试绝缘电阻以评估老化水平的方法进行比对。
考察不同停电和去极化时间的影响，结果显示，极化时间在200～400秒时，既可以保证绝缘诊断的可靠性、有效性又能提高诊断测试的效率。本发明优选选的极化时间为270秒或360，更优选为270秒。经过试验得出，在1kV的极化电压下，只要极化时间达到1分钟，套管油纸绝缘即可被充分被极化，将不再不影响套管油纸绝缘直流电导率的计算结果。270秒或360s的极化时间既保证套管油纸绝缘诊断的可靠性、有效性又同时提高了套管老化诊断测试的效率。
在极化去极化诊断测试完成后，将离散的测试数据在上位机中进行中值滤波。
将滤波后的去极化电流数据通过编程进行傅里叶变换和一系列计算得出能综合反映套管老化程度的损耗因数、电导率、非线性系数的数据。具体计算方法如下：
估计被测套管对应尺寸结构的真空电容。根据介质损耗因数测量仪测得的实际套管电容值来近似相同结构和尺寸的真空电容值。
然后计算对应极化电压下的直流电导率。当极化时间tc达到合适的长度后，去极化电流与介质响应函呈现线性关系(介质响应函数为反映弛豫极化行为的响应函数)，即：而当测量时间t达到足够长度后时，直流电导率可以通过下式计算出：式中，C0为计算得到的真空电容；ipol(t)为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对用的去极化电流。
随后计算介质损耗因数。对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到即为复极化率式中，χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；f(t)为求得的介电响应函数，其反映慢极化行为。介质损耗因数为：式中，ε∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极化部分。
最后计算非线性因子，非线性因子为表征套管油纸绝缘状态好坏的特征量。一般来说，非线性因子越接近1代表绝缘状态越好。非线性因子定义如下：
式中，DONL为套管油纸绝缘非线性系数，其值等于极化电压为2kV的电导率除以极化电压为1kV的电导率；σ″0为极化电压为2.5kV时的直流电导率；σ'0为极化电压为1kV时的直流电导率。
完成上述步骤后可就该套管的损耗因数、直流电导率、非线性系数根据本发明所提出指标来对其老化情况进行诊断。
本实施例选取了20个不同老化程度的变压器电容式套管采用上述方法进行绝缘老化检测，然后采用破坏性检测方法对检测结果进行验证，结果显示本发明所述方案对变压器电容式套管绝缘老化检测的准确性高达100％，且作为一种非破坏性方法，抗干扰性能好；测试电压较低，对绝缘没有破坏性，能够在非常短的时间内准确评估变压器套管的绝缘情况；测试操作方便快捷，有广阔的实际应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，分别在两个不同的极化电压下对停电后的被测套管在进行极化并记录极化电流ipol，然后对极化后的待测套管进行去极化并记录去极化电流idepol，根据测得的数据计算得到直流电导率σ0、非线性因子DONL和损耗因数tanδ并根据所得的指标综合评估被测套管的老化程度。
2.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，所述停电时间、极化时间和去极化时间均为200～400秒，优选为270秒。
3.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，在极化和去极化过程中在被测套管的导杆上安装铜屏蔽环。
4.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，所述两个不同的极化电压1kV至2.5kV区间选择，作为优选，所述两个不同的极化电压分别为1kV和2.5kV。
5.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，在数据处理过程中，利用Matlab中值滤波函数对测得的极化/去极化电流离散数据图像进行滤波。
6.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，所述直流电导率σ0按下式计算：
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式中，C0为被测套管的真空电容；ε0为真空介电常数，Up为所选择的极化电压，ipol(t)为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流。
7.根据权利要求6所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，采用根据介质损耗因数测量仪测得的实际套管电容值来近似所述被测套管的真空电容C0。
8.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，所述非线性因子DONL采用较高极化电压下的直流电导率除以较低极化电压下的直流电导率计算得到。
9.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，所述损耗因数tanδ的计算方法如下：
(1)根据不同时间的去极化电流按下式近似计算得出介质响应函数f(t)：
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(2)对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到即为复极化率χ(ω)：
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式中，χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；
(3)根据下式计算介质损耗因数tanδ：
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</mfrac>
</mrow>
式中，ε∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极
化部分。
10.根据权利要求1所述的基于极化/去极化电流的变压器电容式套管绝缘老化测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对被测变压器电容式套管进行停电操作；
2)在被测套管的导杆上安装铜屏蔽环；
3)利用高压直流电源对被测套管导杆处加压并将套管油纸绝缘结构极化，皮安表记录极化电流ipol；
4)断开高压直流电源，并接通去极化回路，皮安表记录去极化电流idepol；
5)根据介质损耗因数测量仪测得的实际套管电容值来近似相同结构和尺寸的真空电容值；
6)通过下式计算出对应极化电压下的直流电导率σ0：
<mrow>
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式中，C0为计算得到的真空电容；ε0为真空介电常数，Up为所选择的极化电压，ipol(t)
为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流；
7)根据不同时间的去极化电流按下式近似计算得出介质响应函数f(t)：
<mrow>
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<msub>
<mi>U</mi>
<mi>p</mi>
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</mrow>
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<mo>,</mo>
</mrow>
8)对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到即为复极化率χ(ω)：
<mrow>
<mi>&chi;</mi>
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</mrow>
<mo>=</mo>
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</mrow>
式中，χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；
9)根据下式计算介质损耗因数tanδ：
<mrow>
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</mrow>
式中，ε∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极化部分；
10)采用较高极化电压下的直流电导率除以较低极化电压下的直流电导率计算得到套管油纸绝缘非线性因子DONL；
11)根据所得参数分析变压器电容式套管绝缘老化情况。
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