CN108828413B - 基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法，其主要技术特点是：对被测变压器取油，将油样试品送至实验室测试；进行现场的变压器介电谱测量；计算特定频率下变压器的介损因数；通过频域响应介电谱测试方法测量不同绝缘纸试品的介电谱；建立XY模型；计算不同老化程度变压器的整体介电谱；拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系；计算绝缘纸板老化程度。本发明设计合理，其测量和计算方便，结果准确，实现了不吊罩取样条件下的变压器绝缘纸板老化情况定量评估功能，有助于运维、试验、检修等人员准确把握变压器运行状态，实现精准分析和设备管理功能。

Description

基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法

技术领域

本发明属于变压器试验技术领域，尤其是一种基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法。

背景技术

油纸绝缘系统是油浸式变压器的主要绝缘结构。在油纸绝缘系统中，由于绝缘油的样品易于获取，绝缘油的分析技术成熟，因此绝缘油的老化情况可以方便测得。但是绝缘纸固定于变压器内部，要想获得绝缘纸样品只能通过吊罩、吊芯等方法，费时费力。同时，绝缘纸老化对变压器安全运行存在重大影响，绝缘纸在老化过程中，其聚合度和抗拉强度将逐渐降低，并生成水分、CO、CO2、氢气等特征气体，以及糠醛(呋喃甲醛)等特征老化产物。这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿场强和体积电阻率降低、抗拉强度下降、介损增大，甚至能够腐蚀设备中的金属材料。因此，如何便捷、准确地对变压器绝缘纸板老化情况进行定量评估是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且方便快捷的基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法，包括以下步骤：

步骤1、现场测试步骤：对被测变压器取油，将油样试品送至实验室测试；进行现场的变压器介电谱测量；计算特定频率下变压器的介损因数；

步骤2、实验室测试步骤：对现场测试提供的油样试品；制备不同老化程度的绝缘纸试品；通过频域响应介电谱测试方法，测量不同绝缘纸试品的介电谱；

步骤3、仿真计算步骤：获取变压器绝缘纸板层数、厚度、油道距离、垫块和撑条数量并建立XY模型；计算不同老化程度变压器的整体介电谱；拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系；根据现场测得该频率下的变压器介损因数及特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系，计算绝缘纸板老化程度。

所述变压器介电谱测量的方法为：采用频域介电响应技术，通过测量不同频率电场下变压器高低压侧之间的电压和流过变压器的电流，绘制介损因数的频率响应特性曲线。

所述计算特定频率下变压器的介损因数的方法为：

在变压器高低压侧之间施加角频率为ω＝2πf的交流电压U＝U₀e^iωt时，考虑变压器油纸绝缘系统的电容C和电导G，流过变压器的电流I为：

C^*(ω)＝C'(ω)-jC”(ω)

上式中，j表示虚数部分，C^*为油纸绝缘系统等效复电容，C'和C”分别为C^*的实部和虚部，ε'和ε”分别为复介电常数的实部和虚部，tanδ为介损因数。

所述制备不同老化程度的绝缘纸试品的方法为：将绝缘纸板裁剪成若干相同大小的样品，放在鼓风干燥箱中干燥，后浸于干燥绝缘油中进行加速老化实验，形成不同老化程度的绝缘纸试品，并通过“六度法则”换算为实际老化时间。

所述XY模型包括纸筒、油道和撑条，其中，X值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比。

所述XY模型的理论介电谱由下式计算：

其中，j表示虚数部分，ω为角频率，T为油纸绝缘系统温度；ε*_tot(ω)为油纸绝缘系统总的复介电常数频域谱；ε*_oil(ω)为绝缘油的复介电常数频域谱；ε*_PB(ω)为绝缘纸板的复介电常数频域谱；σ(T)为绝缘油在温度T下的直流电导率；ε₀为真空介电常数，且ε₀＝8.85e^-12F/m。

所述拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系的方法为：选择低频位置的介损因数，构建变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的函数关系。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其在获取变压器结构尺寸等相关参数和绝缘油样的条件下，通过现场测量变压器介电谱快速计算绝缘纸板老化程度，其测量和计算方便，结果准确，实现了不吊罩取样条件下的变压器绝缘纸板老化情况定量评估功能，有助于运维、试验、检修等人员准确把握变压器运行状态，实现精准分析和设备管理功能。

附图说明

图1是本发明处理流程图；

图2是频域介电谱测试原理图；

图3是变压器油纸绝缘结构图；

图4是变压器油纸绝缘结构的简化模型；

图5是绝缘板试品制备流程图；

图6是本实施例得到的介损因数与频率的曲线；

图7是本实施例得到的介损因数与老化程度的曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法，如图1所示，由现场测试、仿真计算和实验室测试三部分组成，分别对应图1中A列、B列和C列中的步骤，下面对三个部分分别进行说明：

步骤1、现场测试步骤，包括以下过程：

(1)对被测变压器取油，将油样试品送至实验室测试。

(2)然后进行现场的变压器介电谱测量。变压器的介电谱测量采用频域介电响应技术，通过测量不同频率电场下变压器高低压侧之间的电压和流过变压器的电流，绘制介损因数tanδ的频率响应特性曲线。频域介电谱测试原理如图2所示。

(3)计算特定频率下变压器的介损因数。

在变压器高低压侧之间施加角频率为ω＝2πf的交流电压U＝U₀e^iωt时，考虑变压器油纸绝缘系统的电容C和电导G，流过变压器的电流I为：

C^*(ω)＝C'(ω)-jC”(ω)

上式中，j表示虚数部分，C^*为油纸绝缘系统等效复电容，C'和C”分别为C^*的实部和虚部，ε'和ε”分别为复介电常数的实部和虚部，tanδ为介损因数。

步骤2、实验室测试步骤，包括以下过程：

(1)对现场测试提供的油样试品，测量变压器绝缘油样的直流电导率。

(2)制备不同老化程度的绝缘纸试品，具体方法为：不同老化程度的绝缘纸试品的制备方法为：把绝缘纸板裁剪成若干相同大小的样品，放在鼓风干燥箱中干燥，后浸于干燥绝缘油中进行加速老化实验，形成不同老化程度的绝缘纸试品，并通过“六度法则”换算为实际老化时间。

(3)通过上述频域响应介电谱测试方法，测量不同绝缘纸试品的介电谱。

步骤3、仿真计算步骤，包括以下过程：

(1)获取变压器绝缘纸板层数、厚度、油道距离、垫块和撑条数量等相关结构和电气参数，建立XY模型。

XY模型是将变压器油纸绝缘结构(如图3所示)进行简化，即将所有纸筒、油道和撑条分别集成，得到如图4所示的变压器主绝缘结构的简化模型。其中，X值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比。

(2)计算不同老化程度变压器的整体介电谱。XY模型的理论介电谱可由下式计算：

其中j表示虚数部分，ω为角频率，T为油纸绝缘系统温度；ε*_tot(ω)为油纸绝缘系统总的复介电常数频域谱，即变压器介电谱；ε*_oil(ω)为绝缘油的复介电常数频域谱；ε*_PB(ω)为绝缘纸板的复介电常数频域谱，通过上述实验室测试部分得到；σ(T)为绝缘油在温度T下的直流电导率，同样可以通过实验室测试部分得到；ε₀为真空介电常数，且ε₀＝8.85e^-12F/m。

(3)拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系。

变压器介损因数tanδ的频响曲线与绝缘纸老化程度关系密切，尤其是在低频段。典型的介损因数频响曲线如图5所示。选择某低频位置(如0.001Hz)的介损因数，构建变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的函数关系。

(4)根据现场测得该频率下的变压器介损因数及特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系，即可计算绝缘纸板老化程度。

在本实施例中，在制备不同老化程度的绝缘纸板时，可以把绝缘纸板(厚度为1mm)裁剪成边长为60mm的正方形板，放入温度为105℃的鼓风干燥箱中干燥48h；同时在真空干燥箱中设定温度为85℃、真空度为50Pa，对变压器油进行真空干燥48h；然后将预处理后的绝缘纸试品按照油纸质量比为10:1迅速放入绝缘油，保持温度和真空度不变，在真空干燥箱中干燥48h；冷却至室温静置24h，再往瓶内充入氮气并密封好，即得到若干个试验样品。试品制备流程图如图5所示。

将所得到的试验样品放入温度为130℃的老化箱中进行加速热老化试验。为了在实验室的环境中模拟变压器整个老化阶段，以目前公认的“六度法则”为依据，在加速热老化的第0天、10天、20天、30天、35天、40天分别取样，从而模拟实际中新投运、运行7年、运行14年、运行21年、运行24.5年、运行28年的变压器绝缘纸板老化水平。对上述试品测量介电响应特性，其介损因数与频率的曲线即为图6。

在图6的低频段选取0.001Hz下的点，得到介损因数与老化程度的曲线如图7所示，拟合其与老化程度的对应关系如下式所示：

tanδ＝0.11531+0.0052e^0.14664d。

从而准确地实现了基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估功能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于介电响应特性的变压器绝缘纸板老化定量评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、现场测试步骤：对被测变压器取油，将油样试品送至实验室测试；进行现场的变压器介电谱测量；计算特定频率下变压器的介损因数；

所述变压器介电谱测量的方法为：采用频域介电响应技术，通过测量不同频率电场下变压器高低压侧之间的电压和流过变压器的电流，绘制介损因数的频率响应特性曲线；

所述计算特定频率下变压器的介损因数的方法为：

在变压器高低压侧之间施加角频率为ω＝2πf的交流电压U＝U₀e^iωt时，考虑变压器油纸绝缘系统的电容C和电导G，流过变压器的电流I为：

C^*(ω)＝C'(ω)-jC”(ω)

上式中，j表示虚数部分，C^*为油纸绝缘系统等效复电容，C'和C”分别为C^*的实部和虚部，ε'和ε”分别为复介电常数的实部和虚部，tanδ为介损因数；

步骤2、实验室测试步骤：对现场测试提供的油样试品；制备不同老化程度的绝缘纸试品；通过频域响应介电谱测试方法，测量不同绝缘纸试品的介电谱；

所述制备不同老化程度的绝缘纸试品的方法为：将绝缘纸板裁剪成若干相同大小的样品，放在鼓风干燥箱中干燥，后浸于干燥绝缘油中进行加速老化实验，形成不同老化程度的绝缘纸试品，并通过“六度法则”换算为实际老化时间；

步骤3、仿真计算步骤：获取变压器绝缘纸板层数、厚度、油道距离、垫块和撑条数量并建立XY模型；计算不同老化程度变压器的整体介电谱；拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系；根据现场测得该频率下的变压器介损因数及特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系，计算绝缘纸板老化程度；

所述XY模型包括纸筒、油道和撑条，其中，X值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比；

所述XY模型的理论介电谱由下式计算：

其中，j表示虚数部分，ω为角频率，T为油纸绝缘系统温度；ε*_tot(ω)为油纸绝缘系统总的复介电常数频域谱；ε*_oil(ω)为绝缘油的复介电常数频域谱；ε*_PB(ω)为绝缘纸板的复介电常数频域谱；σ(T)为绝缘油在温度T下的直流电导率；ε₀为真空介电常数，且ε₀＝8.85e^-12F/m；

所述拟合特定频率下变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的关系的方法为：选择低频位置的介损因数，构建变压器介损因数与绝缘纸板老化程度的函数关系。

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