CN109342798A - 一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，包括：交流电压施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流；根据交流电压和电流计算电气设备绝缘的复电容；直流电压施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流幅值；根据直流电压和电流幅值计算电气设备绝缘的直流电阻；根据电气设备绝缘的复电容和直流电阻，获取极化去极化电流。本发明通过测量绝缘的复电容和直流电阻，由于复电容和直流电阻的是绝缘稳态下的介质响应特性，受直流和交流干扰的影响较小，因此，抗干扰能力强；本发明在基于绝缘的复电容和直流电阻推导极化去极化电流的过程中，去除了体电容的充放电电流，因此不受体电容的充放电电流影响。

Description

一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法

技术领域

本发明属于电气设备绝缘介电响应诊断领域，更具体地，涉及一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法。

背景技术

电气设备绝缘时域的介电响应诊断方法，一般为极化去极化电流(Polarizationand Depolarization Current，PDC)法，作为一种无损的诊断方法，被广泛的利用在各种电气设备绝缘状态的诊断中，如电力变压器，交联聚乙烯电缆，高压套管等。基于PDC的绝缘诊断方法是根据的电气设备绝缘的极化去极化电流，提取出能够反映绝缘状态的参数，结合已有研究的判据，对绝缘状态进行评估。因此，获得准确的极化去极化电流，对于提高基于PDC的绝缘诊断方法的有效性和准确性有很大的意义。

目前主要采用直接测量的方法去获得电气设备绝缘的极化去极化电流。根据极化去极化电流的定义，首先在绝缘两端加上一个电压为U_c的阶跃激励，这样测量得到流过绝缘的电流就是极化电流，持续一段时间，直到绝缘极化基本完成之后，移除绝缘两端的激励并使绝缘短路，测量得到的就是去极化电流。

利用这种方法测量得到的极化去极化电流主要有两方面的问题。首先，由于电源的功率和能够流经电流测量模块的电流大小是有限的，所以绝缘体电容的充电和放电过程不能瞬时完成，这样会有一部分绝缘体电容充电和放电电流叠加到极化和去极化电流上，使得测量得到的极化和去极化电流偏大。其次，由于设备的绝缘电阻为TΩ数量级，而激励电压一般为1kV到5kV，所以在测量末期，极化和去极化电流大小仅为百pA到nA之间，如此小的电流很容易受到外界干扰的影响。在一些外界干扰较大的场合，如变电站之类，很有可能外界干扰远大于本身要测量的极化去极化电流，完全无法从测量得到的电流中提取能够反映绝缘状况的有效信息。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中获得电气设备绝缘的极化去极化电流的方法易受到体电容充放电电流和外界干扰的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，该方法包括以下步骤：

S1.交流电压施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流

S2.根据交流电压和电流计算电气设备绝缘的复电容C^*(ω)；

S3.直流电压U₂施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流幅值I₂；

S4.根据直流电压U₂和电流幅值I₂，计算电气设备绝缘的直流电阻R₀；

S5.根据电气设备绝缘的复电容C^*(ω)和直流电阻R₀，获取极化去极化电流i(t)。

具体地，所述复电容C^*(ω)可按照下式计算得到：

其中，ω为角频率，C′(ω)是绝缘的复电容C^*(ω)的实部，C″(ω)是复电容C^*(ω)的虚部。

具体地，所述直流电阻R₀可按照下式计算得到：

具体地，所述极化去极化电流i(t)可按照下式计算得到：

其中，C′(ω)是绝缘的复电容C^*(ω)的实部，C″(ω)是复电容C^*(ω)的虚部，C_∞是绝缘的高频电容，0＜t＜T/2时，i(t)为极化电流，T/2≤t＜T时，i(t)为去极化电流，f₁为测量频率范围的下限，f₂为测量频率的上限，U_c为阶跃激励电压幅值，ω₀为下限频率f₁对应的角频率，T为计算极化去极化电流的总时间，k₀＝f₂/f₁且k₀为奇数，ω₀＝2πf₁，T＝1/f₁，ω＝kω₀。

具体地，绝缘的高频电容C_∞可用频率为f₂＝1kHz时绝缘复电容的实部替代。

具体地，电气设备绝缘极化去极化电流的获取过程中，去除了体电容的充放电电流。

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过测量绝缘的复电容和直流电阻，根据理论推导计算得到绝缘的极化去极化电流。由于复电容和直流电阻的是绝缘稳态下的介质响应特性，受到直流和交流干扰的影响较小，因此，本发明抗干扰能力强；

2.本发明在基于绝缘的复电容和直流电阻推导极化去极化电流的过程中，去除了体电容的充放电电流，因此，极化去极化电流的获取不受体电容的充放电电流影响。

总言之，本发明提供的获取方法适用于在外界干扰较大的情况和电气设备绝缘体电容较大的情况，对提高基于PDC的绝缘诊断方法的有效性和准确性有很大的意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的变压器主绝缘的复电容和直流电阻的测量电路示意图；

图2为本发明实施例提供的变压器主绝缘的复电容示意图，图2(a)为的复电容实部，图2(b)为复电容的虚部；

图3为本发明实施例提供的变压器的主绝缘的极化去极化电流曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，交流电源1、直流电源2分别与第一继电器3和第二继电器4串联，将两个电源支路并联后，一端经保护电阻6连接到变压器8的高压端10，另一端经电流表5连接到变压器8的外壳9，变压器8的外壳9同时接地，在变压器8高压端10的套管12安装防泄漏环7，并连接到电源支路与电流表5的连接的一端，变压器8的低压端11悬浮。

交流电源1能够产生不同频率f的正弦电压当继电器3闭合、继电器4断开后，交流电压施加在变压器8的主绝缘，即高压端10与外壳9之间，变压器的低压端11悬空，用电流表5测量流过变压器主绝缘稳态时的电流的幅值和相位。变压器主绝缘不同频率的复电容C^*(ω)可以按照下式计算得到：

其中，ω为交流电源电压频率f对应的角频率，ω＝2πf。

直流电源2能够产生稳定的直流高压U₂，当继电器4闭合、继电器3断开后，直流高压加在变压器8高压端10外壳9之间，用电流表5测量流过变压器主绝缘稳态时的电流幅值I₂。变压器主绝缘的直流电阻R₀可以按照下式计算得到：

为了防止继电器闭合时，瞬时冲击电流过大损坏仪器设备，设置保护电阻6，保护电阻的取值范围为500Ω-3kΩ。在测量的过程中，沿面泄漏电流会从变压器的高压端10经变压器高压端的的套管12流入变压器的外壳9，叠加在测量的电流上。因此，在套管12上安装防泄漏环7，使得沿面泄漏电流经过防泄漏环直接流回电源，而不经过电流表。

极化去极化电流i(t)可以按照下式计算得到：

其中，C′(ω)是绝缘的复电容C^*(ω)的实部，C″(ω)是复电容C^*(ω)的虚部，C_∞是绝缘的高频电容；0＜t＜T/2时，i(t)为极化电流，T/2≤t＜T时，i(t)为去极化电流。f₁为测量频率范围的下限频率，f₂为测量频率的上限频率；U_c为阶跃激励电压幅值；R₀为电气设备绝缘的直流电阻；ω₀为下限频率f₁对应的角频率，T为计算得到的极化去极化电流的总时间；k₀＝f₂/f₁，k₀为奇数，ω₀＝2πf₁，T＝1/f₁,ω＝kω₀。

在实施例中，U_c＝1000V，k₀＝f₂/f₁＝300001，ω₀＝6.28rad/s，T＝3000s，C_∞为绝缘的高频电容，可以近似用频率为f₂＝1kHz时绝缘复电容的实部替代，即为0.26nF，测量得到变压器直流电阻为0.25TΩ。测量得到变压器主绝缘的复电容如图2所示，横坐标f表示测量频率，图2(a)的纵坐标C′表示变压器复电容的实部，图2(b)的纵坐标C″表示变压器复电容的虚部。

如图3所示，0＜t＜T/2时，i(t)为极化电流，T/2≤t＜T时，i(t)为去极化电流。

将电气设备绝缘的复电容，也就是绝缘的频域响应，转换成极化去极化电流，也就是绝缘的时域响应，其依据为：在电场较低的情况下(E<0.5kV·mm^-1)，电气设备绝缘上施加的电压和流过的电流成线性关系，满足欧姆定律，因此通常可以将绝缘看作一个线性系统；电气设备绝缘的复电容实际上是绝缘的频域响应，电气设备绝缘的极化去极化电流实际上是绝缘的时域响应；对于一个线性系统，理论上其频域响应和时域响应是可以互相转换的。

绝缘材料的介电响应函数f(t)是单调递减的，只要电压持续时间t_c足够长，f(t+t_c)≈0，那么取U(t)的周期T为2t_c(T＝2t_c)，可以认为绝缘的极化和去极化都已完全，上一个周期的极化和去极化过程不会影响下一个周期的极化和去极化过程，因此可以假设施加在绝缘上的激励电压U(t)为周期函数，前半周期对应的是极化过程，后半周期对应的去极化过程。这样U(t)就可以表示为各个频率的电压分量叠加而成，根据油纸绝缘的复电容C^*(ω)和直流电阻R₀，得到各个频率的电流分量。

U(t+T)＝U(t)，-∞＜t＜∞

由于U(t)为周期函数，对U(t)用傅里叶级数的形式来表示，即为：

其中，

将a_k，b_k代入上式，可得：

这样U(t)就表示为各个频率的电压分量叠加而成，由于绝缘可以看成一个线性系统，对于每个频率分量，根据油纸绝缘的复电容C^*(ω)和直流电阻R₀，可以得到各个频率的电流分量：

将各个频率的电流分量叠加在一起，并考虑到去除绝缘体电容的充放电电流，对各个频率的电流分量减去高频电容C_∞的部分，就可以得到极化去极化电流：

更进一步地，假设要施加在绝缘上的激励电压U(t)为周期函数的依据为：对于一个幅值为U_c的激励电压，极化电流可以表示为：

其中，R₀为直流电阻，C_∞为高频电容，δ(t)为冲激函数，f(t)为绝缘材料的介电响应函数。

相应的去极化电流可以表示为：

i_depol(t)＝-U_c[C_∞δ(t)+C₀f(t)-C₀f(t+t_c)]

其中，t_c为电压持续时间。

考虑到去除绝缘体电容的充放电电流，对各个频率的电流分量减去高频电容C_∞的部分，这样就得到的极化去极化电流不包含绝缘体电容充放电电流。

本发明提出一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，该方法包括以下步骤：

S1.交流电压施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流

S2.根据交流电压和电流计算电气设备绝缘的复电容C^*(ω)；

S3.直流电压U₂施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流幅值I₂；

S4.根据直流电压U₂和电流幅值I₂，计算电气设备绝缘的直流电阻R₀；

S5.根据电气设备绝缘的复电容C^*(ω)和直流电阻R₀，获取极化去极化电流i(t)。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.交流电压施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流

S2.根据交流电压和电流计算电气设备绝缘的复电容C^*(ω)；

S3.直流电压U₂施加在电气设备绝缘，测量流过电气设备绝缘稳态时的电流幅值I₂；

S4.根据直流电压U₂和电流幅值I₂，计算电气设备绝缘的直流电阻R₀；

S5.根据电气设备绝缘的复电容C^*(ω)和直流电阻R₀，获取极化去极化电流i(t)。

2.如权利要求1所述的电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，其特征在于，所述复电容C^*(ω)可按照下式计算得到：

其中，ω为角频率，C′(ω)是绝缘的复电容C^*(ω)的实部，C″(ω)是复电容C^*(ω)的虚部。

3.如权利要求1所述的电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，其特征在于，所述直流电阻R₀可按照下式计算得到：

4.如权利要求1所述的电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法，其特征在于，所述极化去极化电流i(t)可按照下式计算得到：

其中，C′(ω)是绝缘的复电容C^*(ω)的实部，C″(ω)是复电容C^*(ω)的虚部，C_∞是绝缘的高频电容，0＜t＜T/2时，i(t)为极化电流，T/2≤t＜T时，i(t)为去极化电流，f₁为测量频率范围的下限，f₂为测量频率的上限，U_c为阶跃激励电压幅值，ω₀为下限频率f₁对应的角频率，T为计算极化去极化电流的总时间，k₀＝f₂/f₁且k₀为奇数，ω₀＝2πf₁，T＝1/f₁，ω＝kω₀。

5.如权利要求4所述的极化去极化电流的获取方法，其特征在于，绝缘的高频电容C_∞可用频率为f₂＝1kHz时绝缘复电容的实部替代。

6.如权利要求1所述的极化去极化电流的获取方法，其特征在于，电气设备绝缘极化去极化电流的获取过程中，去除了体电容的充放电电流。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的电气设备绝缘极化去极化电流的获取方法。