CN109709458A - 高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法及测试装置 - Google Patents

高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法及测试装置 Download PDF

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高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法及测试装置，本发明用于高电压等级下多层油纸复合绝缘极化/去极化电流特性研究，它为了解决现有油纸绝缘极化/去极化电流测试试验中空间电荷消散时间长，数据处理过程中受到高频干扰的问题。试验方法：一、测试装置的组装；二、对三电极系统施加直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的极化电流，然后撤去直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的去极化电流；三、将试验油箱中变压器油加热；四、采用不等长时间间隔分段线性化的方法分别处理步骤二得到的极化电流和去极化电流。本发明采用不等长时间间隔分段线性化的方法统计试验数据，能够很好的消除试验过程中的高频干扰。

Description

高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验 方法及测试装置
技术领域
本发明用于高电压等级下多层油纸复合绝缘极化/去极化电流特性研究，具体涉及一种油纸复合绝缘极化/去极化电流试验方法及测试装置。
背景技术
近年来，极化/去极化电流测量方法作为一种无损的电气测量诊断方法被应用在变压器绝缘状态诊断领域中。目前，极化/去极化电流测量研究主要是对单层浸油纸板、油隙+浸油纸板两种绝缘结构施加一个低等级的直流电压，通过判断极化电流和去极化电流的初始值大小、后续时刻的电流值大小和电流曲线整体变化趋势，来判断绝缘油和绝缘纸板的绝缘老化状态。
随着研究不断深入，发现油纸绝缘极化/去极化电流测试曲线与绝缘结构有着密切的关系，例如油隙的间距不同、纸板位于油隙中位置不同均会有不同的电流特性。此外，为了减小分散性对测量结果的影响，需要对每组样品进行多次重复试验。试验过程中，油纸绝缘界面处会存在大量的空间电荷，空间电荷消散时间很长，近十个小时甚至更长。每次试验后，待空间电荷完全消散，才能进行下一组试验。研究还表明，极化/去极化电流为非指数函数衰减，其吸收电流变化规律符合函数表达式为：
在数据处理过程中，如何去除试验中高频干扰，准确地计算出公式(1)的变量参数(τ,β)也是亟需解决的问题，公式中τ为时间常数，β为幂指数，无量纲，Ia0为吸收电流初始值。因此，提供一种新的试验方法及测试装置十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有油纸绝缘极化/去极化电流测试试验中空间电荷消散时间长，数据处理过程中受到高频干扰的问题，而提供一种高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法及测试装置。
本发明高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试方法按下列步骤实现：
一、调节三电极系统的油隙间距离，在三电极系统的金属支撑杆的槽口内插入油浸纸板，高压电极和测量电极中间为油隙和浸油纸板组成的多层油纸复合绝缘结构，三电极系统放入试验油箱中，试验油箱的敞口盖上盖板，对试验油箱进行抽真空处理，然后将变压器油真空注入试验油箱中，静止后完成测试装置的组装；
二、对三电极系统施加直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的极化电流，然后撤去直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的去极化电流，完成极化/去极化测试；
三、将试验油箱中的电加热管加热至50～70℃，保持30～40分钟，使多层油纸复合绝缘结构消散空间电荷；
四、采用不等长时间间隔分段线性化的方法分别处理步骤二得到的极化电流和去极化电流，所述的不等长时间间隔分段线性化的方法是将极化/去极化电流的衰减过程分成多个电流变化段，每个电流变化段中设置(连续的)时间单元段，求取各时间单元段的算术平均值作为该时刻的电流，随着衰减过程电流变化段的间隔时间逐渐增大，并且随着衰减过程电流变化段中的时间单元段的间隔时间逐渐增大，从而求取不同时刻的电流值，最后求得中的参数τ和β，公式中τ为时间常数，β为幂指数。
本发明根据电介质物理理论及空间电荷温度特性研究，温度升高使得空间电荷载体粒子平均动能增加，即活化粒子比例增加，脱离陷阱束缚形成吸收电流的概率也增大，导致空间电荷消散更快。研究结果表明，空间电荷完全消散时间与温度呈指数函数衰减，即t＝Ae-kT，式中，t为空间电荷消散时间，T为温度。每次测量结束后，对测试装置加热至60℃，保持30分钟，然后关闭加热装置，待温度恢复室温后，再进行下一次试验。
本发明高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试装置包括三电极系统、试验油箱、盖板和电加热管，其中三电极系统包括高压电极、测量电极、屏蔽电极、两块绝缘支撑板、油浸纸板和金属支撑杆，一块绝缘支撑板上设置有高压电极，另一块绝缘支撑板上设置有测量电极和屏蔽电极，屏蔽电极套设在测量电极的外部，两块绝缘支撑板平行间隔设置，高压电极和测量电极相对设置，两块绝缘支撑板之间设置有两根金属支撑杆，金属支撑杆的两端通过金属螺丝固定，沿金属支撑杆的轴向开有多个等间距槽口，油浸纸板插入槽口中；
三电极系统置于试验油箱中，盖板盖设在试验油箱的顶面敞口上，在试验油箱内设置有电加热管。
本发明高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试装置及试验方法包含以下有效效果：
(1)本发明提供一种高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流电极结构，该电极结构采用了多层油纸复合绝缘结构，与变压器主绝缘结构更为接近，测试结果为变压器老化状态评估提供了更强有力的数据支撑；
(2)采用升高温度的方法，加快空间电荷消散时间，以缩短试验时间间隔，提高了试验效率；
(3)采用不等长时间间隔分段线性化的方法统计试验数据，能够很好的消除试验过程中的高频干扰。采用迭代法、最小方差法准确地求取吸收电流表式式中的参数τ和β；
(4)金属支撑杆经接地端子接地，有效的避免了试验过程中绝缘支撑板泄漏电流对测试结果的影响；
(5)由于所述测试装置具有温度加热的功能，还可以进行高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流温度特性试验研究。
附图说明
图1是三电极系统的结构示意图；
图2是高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试装置的结构示意图；
图3是实施例中步骤四得到的极化电流的曲线图；
图4是实施例中步骤四得到的去极化电流的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试方法按下列步骤实施：
一、调节三电极系统的油隙间距离，在三电极系统的金属支撑杆7的槽口内插入油浸纸板5，高压电极1和测量电极2中间为油隙和浸油纸板5组成的多层油纸复合绝缘结构，三电极系统放入试验油箱9中，试验油箱9的敞口盖上盖板10，对试验油箱9进行抽真空处理，然后将变压器油真空注入试验油箱9中，静止后完成测试装置的组装；
二、对三电极系统施加直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的极化电流，然后撤去直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的去极化电流，完成极化/去极化测试；
三、将试验油箱9中的电加热管17加热至50～70℃，保持30～40分钟，使多层油纸复合绝缘结构消散空间电荷；
四、采用不等长时间间隔分段线性化的方法分别处理步骤二得到的极化电流和去极化电流，所述的不等长时间间隔分段线性化的方法是将极化/去极化电流的衰减过程分成多个电流变化段，每个电流变化段中设置(连续的)时间单元段，求取各时间单元段的算术平均值作为该时刻的电流，随着衰减过程电流变化段的间隔时间逐渐增大，并且随着衰减过程电流变化段中的时间单元段的间隔时间逐渐增大，从而求取不同时刻的电流值，最后求得中的参数τ和β，公式中τ为时间常数，β为幂指数。
本实施方式步骤四采用不等长时间间隔分段线性化的方法统计试验数据以消除高频干扰。极化/去极化电流首先快速衰减过程，然后缓慢衰减过程，最终达到稳态。因此，首先找出测量电流最大值记为Ia0，然后采用小的时间间隔，认为此时间段内电流为线性变化，求取算术平均值做为该时刻(该时刻指时间段内最后的时刻)的电流。再次，逐渐增大时间间隔，继续求取此时间段内电流的算术平均值。此计算过程，函数表达式为：
式(2)中，k，m，n均为正整数，且k≥1，m≥k，n≥m；
通过上述方法求取不同时刻的电流值，进而求公式中的参数τ和β。再利用求取出不同时刻的电流值，与统计电流值进行方差计算，采用最小方差的方法，对τ和β进行修正。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二施加50kV～90kV直流高压。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二施加直流高压，加压时间为5400s。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤二中撤去直流高压，撤压时间为5400s。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三将试验油箱9中的电加热管17加热至60℃，保持30分钟。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四将极化/去极化电流的衰减过程分成4～6个电流变化段。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤四将极化/去极化电流的衰减过程分成四个电流变化段，在1～30秒的电流变化段内设置3秒的时间单元段，即每隔3秒取算术平均值作为该时刻的电流；在31～100秒的电流变化段内设置10秒的时间单元段，即每隔10秒取算术平均值作为该时刻的电流；在101～900秒的电流变化段内设置100秒的时间单元段，即每隔100秒取算术平均值作为该时刻的电流；在901～5400秒的电流变化段内设置500秒的时间单元段，即每隔500秒取算术平均值作为该时刻的电流。
本实施方式各电流变化段中时间单元段的电流计算方式如下式(3)所示：
式(3)中，n为时间，单位为秒，In为第n秒的电流值。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四采用迭代的方法求得中的参数τ和β。
具体实施方式九：本实施方式高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试装置包括三电极系统、试验油箱9、盖板10和电加热管17，其中三电极系统包括高压电极1、测量电极2、屏蔽电极3、两块绝缘支撑板4、油浸纸板5和金属支撑杆7，一块绝缘支撑板4上设置有高压电极1，另一块绝缘支撑板4上设置有测量电极2和屏蔽电极3，屏蔽电极3套设在测量电极2的外部，两块绝缘支撑板4平行间隔设置，高压电极1和测量电极2相对设置，两块绝缘支撑板4之间设置有两根金属支撑杆7，金属支撑杆7的两端通过金属螺丝8固定，沿金属支撑杆7的轴向开有多个等间距槽口，油浸纸板5插入槽口中；
三电极系统置于试验油箱9中，盖板10盖设在试验油箱9的顶面敞口上，在试验油箱9内设置有电加热管17。
本实施方式试验油箱9中填充有变压器油6。
本实施方式所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘极化/去极化电流电极结构，该电极结构能更好地模拟了实际变压器的绝缘结构。采用升高温度的方法，加快空间电荷消散的速度，缩短试验时间间隔；并采用不等长时间间隔分段线性化的方法消除高频干扰，以及迭代法、最小方差法求取中的参数τ和β。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是在盖板10上设置有高压套管11、测量端子15和接地端子16。
本实施方式电极结构垂直放置在试验油箱内部，高电压极与高压套管下端相接，测量电极与测量端子相接，屏蔽电极和金属支撑杆与接地端子相接。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是在盖板10上设置有真空压力表12和空气阀门14。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式九至十一之一不同的是在试验油箱9的底部设置有注油阀门19和出油阀门18。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式九至十二之一不同的是通过温度显示控制器21控制电加热管17的加热温度。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式九至十三之一不同的是试验油箱9置于小车20的车体上。
实施例：本实施例高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试方法按下列步骤实施：
一、调节三电极系统的油隙间距离，在三电极系统的金属支撑杆7的槽口内插入油浸纸板5，高压电极1和测量电极2中间为油隙和浸油纸板5组成的多层油纸复合绝缘结构，三电极系统放入试验油箱9中，试验油箱9的敞口盖上盖板10，对试验油箱9进行抽真空处理，然后将变压器油真空注入试验油箱9中，静止2小时后完成测试装置的组装；
二、对三电极系统施加直流高压，加压时间为5400s，测试多层油纸复合绝缘结构的极化电流，然后撤去直流高压，撤压时间仍为5400s，测试多层油纸复合绝缘结构的去极化电流，完成极化/去极化测试；
三、将试验油箱9中的电加热管17加热至60℃，保持30分钟，使多层油纸复合绝缘结构消散空间电荷；
四、采用不等长时间间隔分段线性化的方法分别处理步骤二得到的极化电流和去极化电流，所述的不等长时间间隔分段线性化的方法是将极化/去极化电流的衰减过程分成四个电流变化段，在1～30秒的电流变化段内设置3秒的时间单元段，即每隔3秒取算术平均值作为该时刻的电流；在31～100秒的电流变化段内设置10秒的时间单元段，即每隔10秒取算术平均值作为该时刻的电流；在101～900秒的电流变化段内设置100秒的时间单元段，即每隔100秒取算术平均值作为该时刻的电流；在901～5400秒的电流变化段内设置500秒的时间单元段，即每隔500秒取算术平均值作为该时刻的电流，最后采用迭代的方法求得中的参数τ和β，公式中τ为时间常数，β为幂指数。
本实施例步骤四得到的极化电流曲线图和去极化电流曲线图分别如图3和图4所示。从图3和图4可知，本实施例采用不等长时间间隔分段线性化的方法统计是试验数据，能够很好的消除试验过程中的高频干扰。

Claims (10)

1.高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于该试验方法按下列步骤实现：
一、调节三电极系统的油隙间距离，在三电极系统的金属支撑杆(7)的槽口内插入油浸纸板(5)，高压电极(1)和测量电极(2)中间为油隙和浸油纸板(5)组成的多层油纸复合绝缘结构，三电极系统放入试验油箱(9)中，试验油箱(9)的敞口盖上盖板(10)，对试验油箱(9)进行抽真空处理，然后将变压器油真空注入试验油箱(9)中，静止后完成测试装置的组装；
二、对三电极系统施加直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的极化电流，然后撤去直流高压，测试多层油纸复合绝缘结构的去极化电流，完成极化/去极化测试；
三、将试验油箱(9)中的电加热管(17)加热至50～70℃，保持30～40分钟，使多层油纸复合绝缘结构消散空间电荷；
四、采用不等长时间间隔分段线性化的方法分别处理步骤二得到的极化电流和去极化电流，所述的不等长时间间隔分段线性化的方法是将极化/去极化电流的衰减过程分成多个电流变化段，每个电流变化段中设置时间单元段，求取各时间单元段的算术平均值作为该时刻的电流，随着衰减过程电流变化段的间隔时间逐渐增大，并且随着衰减过程电流变化段中的时间单元段的间隔时间逐渐增大，从而求取不同时刻的电流值，最后求得中的参数τ和β，公式中τ为时间常数，β为幂指数。
2.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤二施加50kV～90kV直流高压。
3.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤二施加直流高压，加压时间为5400s。
4.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤三将试验油箱(9)中的电加热管(17)加热至60℃，保持30分钟。
5.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤四将极化/去极化电流的衰减过程分成4～6个电流变化段。
6.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤四将极化/去极化电流的衰减过程分成四个电流变化段，在1～30秒的电流变化段内设置3秒的时间单元段，即每隔3秒取算术平均值作为该时刻的电流；在31～100秒的电流变化段内设置10秒的时间单元段，即每隔10秒取算术平均值作为该时刻的电流；在101～900秒的电流变化段内设置100秒的时间单元段，即每隔100秒取算术平均值作为该时刻的电流；在901～5400秒的电流变化段内设置500秒的时间单元段，即每隔500秒取算术平均值作为该时刻的电流。
7.根据权利要求1所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流试验方法，其特征在于步骤四采用迭代的方法求得中的参数τ和β。
8.高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流的测试装置，其特征在于该高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流测试装置包括三电极系统、试验油箱(9)、盖板(10)和电加热管(17)，其中三电极系统包括高压电极(1)、测量电极(2)、屏蔽电极(3)、两块绝缘支撑板(4)、油浸纸板(5)和金属支撑杆(7)，一块绝缘支撑板(4)上设置有高压电极(1)，另一块绝缘支撑板(4)上设置有测量电极(2)和屏蔽电极(3)，屏蔽电极(3)套设在测量电极(2)的外部，两块绝缘支撑板(4)平行间隔设置，高压电极(1)和测量电极(2)相对设置，两块绝缘支撑板(4)之间设置有两根金属支撑杆(7)，金属支撑杆(7)的两端通过金属螺丝(8)固定，沿金属支撑杆(7)的轴向开有多个等间距槽口，油浸纸板(5)插入槽口中；
三电极系统置于试验油箱(9)中，盖板(10)盖设在试验油箱(9)的顶面敞口上，在试验油箱(9)内设置有电加热管(17)。
9.根据权利要求8所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流的测试装置，其特征在于在盖板(10)上设置有高压套管(11)、测量端子(15)和接地端子(16)。
10.根据权利要求8所述的高电压等级下多层油纸复合绝缘结构极化/去极化电流的测试装置，其特征在于在盖板(10)上设置有真空压力表(12)和空气阀门(14)。
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