CN111781476A - 变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统及方法，它的导电杆的两端与透明有机玻璃腔之间均通过密封圈连接，导电杆伸出透明有机玻璃腔的两端分别连接有第一均压环和第二均压环，导电杆的一端通过第一均压环和对应的接线头接入电压源模块的电压源输出端，介电响应测试模块的测试信号接口通过第一均压环和对应的接线头连接导电杆的一端，放电特征监测模块的监测信号接口通过第二均压环和对应的接线头连接导电杆的另一端，导电杆的两端分别通过第一均压环和对应的接线头，以及第二均压环和对应的接线头接入电流源模块的两极；本发明能实现对套管缺陷的准确检测和模拟。

Description

变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘性能状态检测和监测技术领域，具体地指一种变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统及方法。
背景技术
变压器套管是电力变压器的关键组成部分，其可靠运行对变压器的安全稳定具有重要的作用。因此，为了及时发现变压器套管缺陷，需要研究分析不同缺陷的特征与变化规律，以及套管性能状态的检测或监测方法。这有助于有效掌握缺陷套管的缺陷特征，实现对套管缺陷的准确检测或监测，保障套管安全稳定运行。
高压套管故障约占变压器故障总数的30％。变压器套管故障主要分为受潮、杂质颗粒污染、外绝缘开裂、过热产气和末屏放电等故障，严重时可能会引起套管发生爆炸，导致变压器停运，影响电力系统安全稳定运行。目前，110kV及以上电压等级套管主要有油浸纸套管和干式套管。干式套管具有无油、重量轻、耐高温、机械强度好、方便安装等优点，在国内变电站使用量较多。
朱文兵等开展了干式套管电容屏缺陷模型的局部放电试验，分析其局部放电特征参量(放电次数、放电量、放电概率)，表明放电概率图谱的偏斜度可作为识别电容屏破损空洞缺陷的特征参量。刘鹏等针对±500kV换流变阀侧干式套管，通过三维有限元分析耦合电磁、热、流等多物理场，计算分析了插接结构发热情况下套管的温度场分布以及接触电阻不同程度劣化对套管热场分布的影响。结果表明当接触电阻劣化时会引起插接结构局部过热，最终导致环氧芯体与导电管界面温度上升，影响套管安全稳定运行。陈铭等为研究干式套管屏间局部绝缘劣化的现象，采用多层环氧浸纸样片与铝箔交叉叠放的方式模拟干式套管电容芯体，并基于频域介电谱法对其在室温下进行了相应的诊断。结果表明，随着屏间局部绝缘劣化的发展，套管电容和介质损耗因素的频域响应曲线随频率变化产生明显的波动。
干式套管运行过程中电气缺陷和过热缺陷是引起套管故障的主要原因。而现阶段对干式套管性能测试大多仅考虑电气方面试验，如介电响应测试、局部放电检测等。而在实际运行条件下，变压器套管会同时受电、热、机械方面应力的作用。因此，需要根据实际工况分析研究套管的主要故障类型。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统及方法，本发明不仅有助于指导干式套管缺陷的模拟，对缺陷套管进行电-热应力联合作用下的电气、热和机械特征参量的一体化监测，更符合现场套管运行实际，还有助于有效掌握缺陷套管的“电气-机械-热”多维度缺陷特征，进而实现对套管缺陷准确检测。
为实现此目的，本发明所设计的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：它包括透明有机玻璃腔、贯穿透明有机玻璃腔的导电杆、电压源模块、电流源模块、放电特征监测模块和介电响应测试模块，其中，所述导电杆的两端与透明有机玻璃腔之间均通过密封圈连接，导电杆伸出透明有机玻璃腔的两端分别连接有第一均压环和第二均压环，导电杆的一端通过第一均压环和对应的接线头接入电压源模块的电压源输出端，所述介电响应测试模块的测试信号接口通过第一均压环和对应的接线头连接导电杆的一端，放电特征监测模块的监测信号接口通过第二均压环和对应的接线头连接导电杆的另一端，导电杆的两端分别通过第一均压环和对应的接线头，以及第二均压环和对应的接线头接入电流源模块的两极；
所述透明有机玻璃腔内的导电杆包裹有环氧树脂浸渍纸，形成模拟变压器套管，透明有机玻璃腔内填充绝缘介质。
本发明的有益效果：
本发明不仅有助于指导干式套管缺陷的模拟，对缺陷套管进行电热应力联合作用下的电气、热和机械特征参量的一体化监测，更符合现场套管运行实际，通过多维度对缺陷套管特征参量的研究，进一步探究故障特征量的变化规律，进而实现对套管缺陷快速准确的监测。
由于变压器干式套管的运行条件恶劣，对其故障缺陷的有效监测尤为重要，通过本发明提出的不同模块与设备的配合对干式套管电热应力联合作用下的特征参量与绝缘状态的监测，能够最大程度地保障套管在运行时的安全，本发明可为掌握电气和热参量联合分析干式套管提供技术基础，为保障干式套管安全可靠运行及缺陷故障分析提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明进行受潮缺陷模拟的示意图；
图3为本发明进行杂质颗粒缺陷模拟的示意图；
图4为本发明进行气泡缺陷模拟的示意图；
图5为本发明进行过热缺陷模拟的示意图。
其中，1—透明有机玻璃腔、2—导电杆、3—电压源模块、4—电流源模块、5—放电特征监测模块、6—密封圈、7—第一均压环、8—第二均压环、9—接线头、10—介电响应测试模块、11—环氧树脂浸渍纸、12—绝缘介质、13—振动特性监测模块、14—放电现象观测模块、15—红外温度监测模块、16—金属颗粒、17—水份、18—气泡、19—绝缘支撑。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，如图1所示，它包括透明有机玻璃腔1、贯穿透明有机玻璃腔1的导电杆2、电压源模块3、电流源模块4、放电特征监测模块5和介电响应测试模块10，其中，所述导电杆2的两端与透明有机玻璃腔1之间均通过密封圈6连接，导电杆2伸出透明有机玻璃腔1的两端分别连接有第一均压环7和第二均压环8，导电杆2的一端通过第一均压环7和对应的接线头9接入电压源模块3的电压源输出端(电压源模块3的接地端接地)，所述介电响应测试模块10的测试信号接口通过第一均压环7和对应的接线头9连接导电杆2的一端，放电特征监测模块5的监测信号接口通过第二均压环8和对应的接线头9连接导电杆2的另一端，导电杆2的两端分别通过第一均压环7和对应的接线头9，以及第二均压环8和对应的接线头9接入电流源模块4的两极；
所述透明有机玻璃腔1内的导电杆2包裹有环氧树脂浸渍纸11，形成模拟变压器套管，透明有机玻璃腔1内填充绝缘介质12，绝缘介质12采用六氟化硫气体或绝缘油，透明有机玻璃腔1通过绝缘支撑19固定在地面上。
上述技术方案中，它还包括振动特性监测模块13，所述振动特性监测模块13中的振动传感器安装在透明有机玻璃腔1的外壁上。
上述技术方案中，所述振动特性监测模块13用于监测模拟变压器套管在运行过程中的振动频率、振动幅度以及振动幅度加速度特征。可用于该监测方法的振动传感器的型号有DK2250、A213E等。
上述技术方案中，它还包括放电现象观测模块14，所述放电现象观测模块14包括摄像机和紫外成像仪，摄像机用于在透明有机玻璃腔1外观测短时细微的放电现象以及放电发展的过程，紫外成像仪用于记录模拟变压器套管是否发生放电现象，并能记录到模拟变压器套管内部具体的放电点位置。该监测方法中可采用的紫外成像仪有以色列OFIL公司的Superb、FLIR T600等设备。
上述技术方案中，它还包括红外温度监测模块15，所述红外温度监测模块15用于通过红外热成像的方式将模拟变压器套管内部各位置的温度以图像颜色的形式进行反馈。方便快捷地了解掌握干式套管内部是否出现局部过热等缺陷，为防止套管发生爆炸等严重故障提供可靠的技术支撑。该监测方法中可采用的红外热成像仪有美国FLIR公司的T840、E8-XT等。
上述技术方案中，所述电压源模块3包括交流电源、直流电源和交直流复合电源，交流电源、直流电源和交直流复合电源分别用于向导电杆2提供交流、直流和交直流复合电压，并调节电压值的大小。
交流电源模块由工频试验变压器(YDTCW-1000/500)、柱式调压器(TEOSZ)、分压器(YDTCW-1000/500)和保护电阻(YDTCW-1000/500)组成，用于提供和调节施加交流电压及其电压值大小，交流电压0-1000kV(有效值)。
直流电源模块由直流高压发生器构成(HYG-800kV/10mA)用于提供和调节施加的直流电压的电压值大小，直流高压发生器提供的电压范围为0-800kV。
交直流复合电压源由两台试验变压器(YDTW-50/50型变压器(50kVA；0.33kV/50kV))、隔直电阻、隔直电容、滤波电容、整流硅堆、示波器组成，用于提供交流和直流联合作用的交直流复合电压，交流电压0-50kV(有效值)、直流电压0-50kV。
上述技术方案中，所述电流源模块4为穿心式电流互感器，穿心式电流互感器装设在导电杆2的两端之间形成回路，可同时设置多台电流互感器以控制流经电缆电流的大小，通过穿心式电流互感器变比的原理产生感应电流，感应电流流经导电杆2达到加热模拟变压器套管的目的。
上述技术方案中，所述放电特征监测模块5为局部放电脉冲电流检测仪，局部放电脉冲电流检测仪通过监测导电杆2端部引出的局部放电脉冲电流信号与放电相位图谱，来判断模拟变压器套管的是否处于正常运行状态。根据国家标准规定，对于用于高频局部放电测试结果，当放电幅值大于500mV，放电相位图谱具有明显的180度特征，且幅值正负分明时，即认为套管发生了局部放电缺陷。在监测局部放电时可通过电流源模块施加电流，从而更为真实地模拟实际干式套管的运行环境。其中该监测方法可采用的局部放电脉冲电流检测仪的型号有PD Check、EMPD500装置。
上述技术方案中，所述介电响应测试模块10为介电谱测试仪，介电谱测试仪利用绝缘材料在正弦交流电场下的极化特性，获取介质复电容及介质损耗因数的频率曲线，从而诊断绝缘介质的绝缘状态。在低压下，通过改变交流激励的频率，并采用复电容、介质损耗等作为频率的函数，用该函数的变化情况来评估绝缘材料或绝缘设备的绝缘状况，其测得的曲线的不同部分包含着套管不同缺陷状况的信息，通过分析不同条件下曲线各段的变化情况，就可以对套管绝缘状态进行诊断与评估。在采用介电响应测试时，需断开电源。该模块通常采用的设备有Megger公司的IDAX 300、Omicron公司的DIRANA等。
一种利用上述系统的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测方法，它包括如下步骤：
步骤1，进行受潮缺陷模拟，在模拟变压器套管卷制完成后，进行浇注之前，将模拟变压器套管放置在室外自然吸潮或人为加速受潮，即模拟变压器套管中有水份17，再进行浇注及后续封装，从而模拟干式套管受潮缺陷，如图2所示；
步骤2：进行杂质颗粒缺陷模拟，模拟变压器套管在进行绝缘纸卷制过程中，人为加入金属颗粒16在绝缘纸层之间，再进行环氧树脂浇注，从而实现干式套管杂质颗粒缺陷的模拟，如图3所示；
步骤3：当干式套管绝缘纸卷制完成后，在即将浇注的绝缘液体中通入大量气体，以保证浇注液体中部分气体以气泡18形式存在，再进行浇注，从而实现变压器套管的气泡缺陷的模拟，如图4所示；
步骤4：在安装导电杆2两端的均压环和对应接线头9时，将均压环或接线头9倾斜一定角度再固定，使得在通电过程中均压环或接线头9的接触点处出现接触不良的状态，从而实现干式套管过热缺陷的模拟，如图5所示；
步骤5：通过振动特性监测模块13监测模拟变压器套管在运行过程中的振动频率、振动幅度以及振动幅度加速度特征；
步骤6：放电现象观测模块14的摄像机在透明有机玻璃腔1外观测放电现象以及放电发展的过程，放电现象观测模块14的紫外成像仪记录模拟变压器套管是否发生放电现象，并能记录到模拟变压器套管内部具体的放电点位置；
步骤7：红外温度监测模块15通过红外热成像的方式将模拟变压器套管内部各位置的温度以图像颜色的形式进行反馈；
步骤8：介电响应测试模块10利用绝缘材料在正弦交流电场下的极化特性，获取介质复电容及介质损耗因数的频率曲线，从而诊断绝缘介质的绝缘状态；
步骤9：所述放电特征监测模块5通过监测导电杆2端部引出的局部放电脉冲电流信号与放电相位图谱，来判断模拟变压器套管的是否处于正常运行状态。
本发明中当干式套管在浇筑前由于干燥不充分或存放过久，导致绝缘纸水分含量依旧处于较高状态，在运行过程中再因绝缘纸热老化分解等因素致使绝缘纸发生局部受潮，会进一步加速干式套管内绝缘的老化速率，因此需要设置步骤1的受潮缺陷模拟。
本发明中当干式套管在绝缘纸卷制过程中，由于工作人员的操作疏忽或车间环境卫生等问题，在卷制时混入部分杂质颗粒等在绝缘纸层之间，经浇筑后便一直存在于套管内绝缘中。经试验研究表明，当套管内绝缘混入金属杂质颗粒时，在杂质颗粒附近会畸变电场，使导电杆附近电场分布不均匀，从而导致绝缘缺陷，因此需要设置步骤2的杂质颗粒缺陷模拟。
本发明中在干式套管的绝缘纸卷制时由于纸层间卷制受力不均匀，或在进行浇注时由于浇注液体内存在气泡或浇注速度过快，导致部分气体以小气泡的形式存在于浇注后的绝缘纸材料整体当中，气泡的存在会引起电场畸变，严重时会导致套管内部发生局部放电现象，因此需要设置步骤3的干式套管过热缺陷的模拟。
本发明中当干式套管的均压环或接线头等导通电流的部件之间接触不良时，接触点处的电阻将大大增加，电流通过接触不良点时会引起大量发热，热量传播到环氧树脂或绝缘胶等绝缘材料时可能会导致绝缘材料过热分解，进一步影响干式套管的绝缘性能，因此需要设置步骤4的干式套管过热缺陷的模拟。
本发明不仅有助于指导干式套管缺陷的模拟，对缺陷套管进行电热应力联合作用下的电气、热和机械特征参量的一体化监测，更符合现场套管运行实际，还有助于有效掌握缺陷套管的“电气-机械-热”多维度缺陷特征，进而实现对套管缺陷准确检测。另外，本发明具备模拟套管典型缺陷的功能，能清晰明了地观测到典型缺陷，如受潮、杂质颗粒、气泡、过热缺陷的特征参量及发展规律，有助于指导缺陷的设置和准确获得缺陷的特征，为深入掌握缺陷原因，分析缺陷的发展特性提供技术支撑。还具备“电气-热-机械”多维度特征参量对变压器套管一体化监测的功能，更符合现场干式套管的运行实际。并通过设置透明有机玻璃外壳，能清晰地观测到套管内部的放电情况，更为有效地掌握发生缺陷时的运行过程。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：它包括透明有机玻璃腔(1)、贯穿透明有机玻璃腔(1)的导电杆(2)、电压源模块(3)、电流源模块(4)、放电特征监测模块(5)和介电响应测试模块(10)，其中，所述导电杆(2)的两端与透明有机玻璃腔(1)之间均通过密封圈(6)连接，导电杆(2)伸出透明有机玻璃腔(1)的两端分别连接有第一均压环(7)和第二均压环(8)，导电杆(2)的一端通过第一均压环(7)和对应的接线头(9)接入电压源模块(3)的电压源输出端，所述介电响应测试模块(10)的测试信号接口通过第一均压环(7)和对应的接线头(9)连接导电杆(2)的一端，放电特征监测模块(5)的监测信号接口通过第二均压环(8)和对应的接线头(9)连接导电杆(2)的另一端，导电杆(2)的两端分别通过第一均压环(7)和对应的接线头(9)，以及第二均压环(8)和对应的接线头(9)接入电流源模块(4)的两极；
所述透明有机玻璃腔(1)内的导电杆(2)包裹有环氧树脂浸渍纸(11)，形成模拟变压器套管，透明有机玻璃腔(1)内填充绝缘介质(12)。
2.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：它还包括振动特性监测模块(13)，所述振动特性监测模块(13)中的振动传感器安装在透明有机玻璃腔(1)的外壁上。
3.根据权利要求2所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：所述振动特性监测模块(13)用于监测模拟变压器套管在运行过程中的振动频率、振动幅度以及振动幅度加速度特征。
4.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：它还包括放电现象观测模块(14)，所述放电现象观测模块(14)包括摄像机和紫外成像仪，摄像机用于在透明有机玻璃腔(1)外观测放电现象以及放电发展的过程，紫外成像仪用于记录模拟变压器套管是否发生放电现象，并记录到模拟变压器套管内部具体的放电点位置。
5.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：它还包括红外温度监测模块(15)，所述红外温度监测模块(15)用于通过红外热成像的方式将模拟变压器套管内部各位置的温度以图像颜色的形式进行反馈。
6.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：所述电压源模块(3)包括交流电源、直流电源和交直流复合电源，交流电源、直流电源和交直流复合电源分别用于向导电杆(2)提供交流、直流和交直流复合电压，并调节电压值的大小。
7.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：所述电流源模块(4)为穿心式电流互感器，穿心式电流互感器装设在导电杆(2)的两端之间形成回路，通过穿心式电流互感器变比的原理产生感应电流，感应电流流经导电杆(2)达到加热模拟变压器套管的目的。
8.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：所述放电特征监测模块(5)为局部放电脉冲电流检测仪，局部放电脉冲电流检测仪通过监测导电杆(2)端部引出的局部放电脉冲电流信号与放电相位图谱，来判断模拟变压器套管的是否处于正常运行状态。
9.根据权利要求1所述的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测系统，其特征在于：所述介电响应测试模块(10)为介电谱测试仪，介电谱测试仪利用绝缘材料在正弦交流电场下的极化特性，获取介质复电容及介质损耗因数的频率曲线，从而诊断绝缘介质的绝缘状态。
10.一种利用权利要求1所述系统的变压器干式套管缺陷模拟和性能状态监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1，在模拟变压器套管卷制完成后，进行浇注之前，将模拟变压器套管放置在室外自然吸潮或人为加速受潮，再进行浇注及后续封装，从而模拟干式套管受潮缺陷；
步骤2：模拟变压器套管在进行绝缘纸卷制过程中，加入金属颗粒(16)在绝缘纸层之间，再进行环氧树脂浇注，从而实现干式套管杂质颗粒缺陷的模拟；
步骤3：当干式套管绝缘纸卷制完成后，在即将浇注的绝缘液体中通入气体，以保证浇注液体中部分气体以气泡(18)形式存在，再进行浇注，从而实现变压器套管的气泡缺陷的模拟；
步骤4：在安装导电杆(2)两端的均压环和对应接线头(9)时，将均压环或接线头(9)倾斜一定角度再固定，使得在通电过程中均压环或接线头(9)的接触点处出现接触不良的状态，从而实现干式套管过热缺陷的模拟；
步骤5：通过振动特性监测模块(13)监测模拟变压器套管在运行过程中的振动频率、振动幅度以及振动幅度加速度特征；
步骤6：放电现象观测模块(14)的摄像机在透明有机玻璃腔(1)外观测放电现象以及放电发展的过程，放电现象观测模块(14)的紫外成像仪记录模拟变压器套管是否发生放电现象，并记录到模拟变压器套管内部具体的放电点位置；
步骤7：红外温度监测模块(15)通过红外热成像的方式将模拟变压器套管内部各位置的温度以图像颜色的形式进行反馈；
步骤8：介电响应测试模块(10)利用绝缘材料在正弦交流电场下的极化特性，获取介质复电容及介质损耗因数的频率曲线，从而诊断绝缘介质的绝缘状态；
步骤9：放电特征监测模块(5)通过监测导电杆(2)端部引出的局部放电脉冲电流信号与放电相位图谱，来判断模拟变压器套管的是否处于正常运行状态。
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