CN111948502B - 一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，属于换流变压器运维技术领域，包括通过微电流采样系统，获得油纸绝缘试品的极化去极化电流初始数据，计算油纸复合绝缘界面极化衰减电流并且进行微分变换得到时域介电响应函数介电谱曲线，进行双峰值支路极化电荷量Q(t)、松弛时间τn和支路形状参数αn进行提取，主松弛时间与油纸聚合度数值进行拟合获得拟合曲线，根据实际换流变压器的微分时域谱主松弛时间获得实际换流变压器的油纸聚合度，评估换流变压器油纸绝缘结构的老化状态。解决对复杂的变压器油纸绝缘体系无法直接并且准确的利用极化去极化电流法评估油纸绝缘老化程度的问题。

Description

一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法
技术领域
本发明属于换流变压器运维技术领域，特别是涉及到一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法。
背景技术
换流变压器是电网中电能传输的重要电力设备之一，其安全稳定运行是电网稳定的关键，换流变压器内部承受多因素、多物理场的联合作用，使得其内部油纸绝缘老化速率更快，因此如何准确的判断换流变压器油纸绝缘的老化程度成为现场运维人员关注的热点。
换流变压器的绝缘材料主要由变压器油和固体绝缘(纸、纸板等)组成，传统换流变压器油纸绝缘检测的方法主要有化学分析法：对油纸绝缘中的含水率、酸值、油粘度、液相色谱分析糠醛含量、甲醇含量等，或者对绝缘纸板进行聚合度测试、含水率测试及气相色谱分析故障气体等，但此方法需要对变压器内部绝缘取样，操作复杂。现阶段，基于时频域介电响应技术PDC、RVM、FDS的换流变压器油纸绝缘状态无损检测技术可实现现场应用。
现阶段研究发现，对于实际变压器油纸绝缘体系而言，两侧施加不同电压电场强度时，极化去极化电流会有显著不同，为了减小外部注入空间电荷的影响，测试时所施加电压一般较低，在低场作用下，电极注入油纸绝缘内部电子不明显。在油纸绝缘去极化测试过程中，载流子在低电场的作用下会受陷于油纸绝缘试介质表面或内部的浅陷阱、深陷阱中，因此去极化电流中除偶极子转向等松弛极化过程外，油纸界面极化的衰减过程也较为突出。同时，由于油纸绝缘老化过程中，纤维素分子链断裂，介质内部老化严重，油纸界面极化衰减过程与老化程度关系十分明显。
现阶段对于油纸界面极化衰减电流，均采用直接测试法对单纯的油浸纸板进行表面电流衰减测量，而对于更为复杂的变压器油纸绝缘体系而言，无法实现油-纸界面衰减电流的有效直接测量。且由于油纸界面极化时间较长，界面极化衰减电流微弱，当长时间测试且衰减电流过小时，现有微电流检测平台测试精度、准确度，稳定性均无法满足。并且目前的研究尚停留在相关理论模型中参数的提取，未能利用极化去极化电流等相关理论及技术手段定量评估换流变压器油纸绝缘“平均”老化程度，因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足：本发明提供一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，用于解决对复杂的变压器油纸绝缘体系无法直接并且准确的利用极化去极化电流法评估油纸绝缘老化程度的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行
步骤一、在设定温度下，通过微电流采样系统，获得油纸绝缘试品的极化去极化电流初始数据；所述温度为绝缘试品内部所处油浸环境温度；测试电压可根据油纸绝缘试品进行选择；所述油纸绝缘试品为模拟实际换流变压器内部油纸绝缘结构的油纸绝缘试品，油纸绝缘试品为复数个不同油纸聚合度的油纸绝缘试品；
步骤二、根据极化电流中的传导电流、去极化电流的表达式，得到油纸复合绝缘界面极化衰减电流理论表达式，并计算油纸复合绝缘界面极化衰减电流；理论表达式如下
idepol(t)＝id(depol)(t)+ide-(trap)(t)
id(pol)(t)＝id(depol)(t)
式中，idepol(t)表示去极化电流，id(pol)(t)表示极化过程各松弛支路总电流，id(depol)(t)表示去极化过程各松弛支路总电流，ide-trap(t)表示油纸复合绝缘界面极化衰减电流；
步骤三、对油纸复合绝缘界面极化衰减电流进行微分变换，得到时域介电响应函数介电谱曲线；时域介电响应函数理论表达式为
Figure BDA0002682845830000031
式中，Q(t)为极化电荷量，单位：库伦；τn为不同极化支路的松弛时间，单位：秒；αn为支路形状参数，0.5≤αn≤1；
步骤四、根据步骤三中微分时域介电响应函数对油纸复合绝缘界面极化衰减电流时域介电响应曲线进行双峰值支路极化电荷量Q(t)、松弛时间τn和支路形状参数αn进行提取；
步骤五、选取主松弛时间，与油纸聚合度数值进行拟合，获得拟合曲线和拟合方程；
步骤六、改变测试温度，重复上述步骤一到步骤五，获得不同温度下主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程；
步骤七、通过微电流采样系统测试实际换流变压器的极化去极化电流，经上位机计算处理得到相应测试油温下换流变压器的油纸绝缘结构的微分时域谱主松弛时间，根据步骤六获得的主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程获得实际换流变压器的油纸聚合度，评估换流变压器油纸绝缘结构的老化状态。
步骤一所述极化电流ipol(t)、去极化电流idepol(t)表达式为：
Figure BDA0002682845830000032
idepol(t)＝-C0U0[f(t-tp)-f(t)]
式中，U0为外加直流电压，单位：伏；C0为电极间几何电容，单位：法；σ0为介质的直流电导率，单位：西门子/米；ε0为真空相对介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε∞为光频介电常数；δ(t)为冲激响应函数；f(t)为反映慢极化行为的响应函数
步骤一中将初始电流数据通过OPA128系列高精度多级并联比例放大电路进行微弱信号快速处理，获取准确的极化去极化电流。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、为复杂的换流变压器油纸绝缘体系的老化状态评估提供一种直接的测算方法。
2、利用极化去极化电流等相关理论及技术手段定量评估换流变压器油纸绝缘“平均”老化程度。
3、利用高精度多级并联比例放大电路提高测试精度、准确度，稳定性。
附图说明
图1为本发明一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法的流程图。
图2为本发明一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法的实际换流变压器绝缘时域电流检测接线图。
图3为本发明实施例中测试所得油纸在不同老化程度下极化去极化电流曲线。
图4为本发明实施例中计算所得油纸复合绝缘界面极化衰减电流曲线。
图5为本发明实施例中不同温度下的油纸绝缘试品微分时域介电谱计算曲线。
图6为本发明实施例中绝缘纸板聚合度与主松弛时间拟合关系曲线。
图中1-微电流采样系统、2-换流变压器、3-上位机、4-油纸绝缘结构、5-OPA128系列高精度多级并联比例放大电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明
由附图1～6所示：一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行
步骤一、在设定温度下，通过微电流采样系统1，获得油纸绝缘试品的极化去极化电流初始数据；所述温度为绝缘试品内部所处油浸环境温度；测试电压可根据油纸绝缘试品进行选择；所述油纸绝缘试品为模拟实际换流变压器内部油纸绝缘结构的油纸绝缘试品，油纸绝缘试品为复数个不同油纸聚合度的油纸绝缘试品；
步骤二、根据极化电流中的传导电流、去极化电流的表达式，得到油纸复合绝缘界面极化衰减电流理论表达式，并计算油纸复合绝缘界面极化衰减电流；理论表达式如下
idepol(t)＝id(depol)(t)+ide-(trap)(t)
id(pol)(t)＝id(depol)(t)
式中，idepol(t)表示去极化电流，id(pol)(t)表示极化过程各松弛支路总电流，id(depol)(t)表示去极化过程各松弛支路总电流，ide-trap(t)表示油纸复合绝缘界面极化衰减电流；
步骤三、对油纸复合绝缘界面极化衰减电流进行微分变换，得到时域介电响应函数介电谱曲线；时域介电响应函数理论表达式为
Figure BDA0002682845830000051
式中，Q(t)为极化电荷量，单位：库伦；τn为不同极化支路的松弛时间，单位：秒；αn为支路形状参数，0.5≤αn≤1；
步骤四、根据步骤三中微分时域介电响应函数对油纸复合绝缘界面极化衰减电流时域介电响应曲线进行双峰值支路极化电荷量Q(t)、松弛时间τn和支路形状参数αn进行提取；
步骤五、选取主松弛时间，与油纸聚合度数值进行拟合，获得拟合曲线和拟合方程；
步骤六、改变测试温度，重复上述步骤一到步骤五，获得不同温度下主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程；
步骤七、通过微电流采样系统1测试实际换流变压器2的极化去极化电流，经上位机3计算处理得到相应测试油温下换流变压器的油纸绝缘结构4的微分时域谱主松弛时间，根据步骤六获得的主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程获得实际换流变压器2的油纸聚合度，评估换流变压器2的油纸绝缘结构4的老化状态。
步骤一所述极化电流ipol(t)、去极化电流idepol(t)表达式为：
Figure BDA0002682845830000061
idepol(t)＝-C0U0[f(t-tp)-f(t)]
式中，U0为外加直流电压，单位：伏；C0为电极间几何电容，单位：法；σ0为介质的直流电导率，单位：西门子/米；ε0为真空相对介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε∞为光频介电常数；δ(t)为冲激响应函数；f(t)为反映慢极化行为的响应函数；tp为极化加压时间，单位：秒。
通过上述步骤为复杂的换流变压器油纸绝缘体系的老化状态评估提供一种直接的测算方法。利用极化去极化电流等相关理论及技术手段定量评估换流变压器油纸绝缘“平均”老化程度。
为了提高测试精度、准确度，稳定性，步骤一中将初始电流数据通过OPA128系列高精度多级并联比例放大电路5进行微弱信号快速处理，获取准确的极化去极化电流。
具体的油纸绝缘试品的介质极化去极化电流曲线的获得方法具体为：图2中Hi为电压电极，Lo为测量电极，Ground为接地电极，PE为保护地。D接阀侧绕组首端da与阀侧绕组末端dx短接相连，然后与电压电极Hi连接；网侧绕组首端A与中性点X短接相连，然后与测量电极Lo连接；接地电极Ground与换流变箱体(接地)相连接，保护地PE与换流变箱体(接地)相连接；通过微电流采样系统1及后续的OPA07系列高精度多级并联比例放大电路5得到所述换流变压器2的油纸绝缘结构4的极化去极化电流准确数据。
选取四组不同老化状态换流变压器典型油纸绝缘试品(聚合度DP分别为：1005、675、566、502)，进行极化-去极化电流测试，首先采用微电流采样系统1闭合开关S1在油纸绝缘试品两侧施加1000V的测试电压，测试时间为3000秒，上位机3进行极化电流数据采样；再将开关S1断开，开关S2闭合，测试时间为3000秒，上位机3进行去极化电流数据采样，不同老化程度油纸绝缘试品极化-去极化电流曲线如图3所示。
根据实际测试结果下极化电流中的弛豫电流、传导电流以及去极化电流的表达式，获得不同老化程度和不同温度下的油纸复合绝缘界面极化衰减电流理论表达式，根据上位机3分析处理得到的极化衰减电流曲线如图4所示。
通过微分时域介电响应计算方法对油纸复合绝缘界面极化衰减电流时域介电谱曲线进行计算，如图5所示。
表1
Figure BDA0002682845830000071
应用上位机3计算分析油纸复合绝缘界面极化衰减电流的时域介电响应曲线，并对曲线进行双峰值支路极化电量、松弛时间、支路形状参数的提取，参数提取值如表1所示，其中松弛时间较小的支路为主松弛支路，松弛时间较大的为辅松弛支路，主松弛支路表征油纸界面内受陷载流子陷入情况，与油纸绝缘老化密切相关。现选取30℃下主松弛时间为参考，将不同老化时间油纸绝缘聚合度与主松弛时间建立联系，拟合方程及曲线如图6所示，在此温度下，可根据拟合方程计算油纸绝缘的老化程度，因此可建立多组测试油温下油纸绝缘聚合度与主松弛时间的拟合方程。在实际换流变压器2极化去极化电流测试后，经上位机3计算处理得到相应测试油温下换流变压器2的油纸绝缘结构4的微分时域谱主松弛时间，即可定量评估油纸绝缘老化程度。
显然，上述所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：
步骤一、在设定温度下，通过微电流采样系统(1)，获得油纸绝缘试品的极化去极化电流初始数据；所述温度为绝缘试品内部所处油浸环境温度；测试电压可根据油纸绝缘试品进行选择；所述油纸绝缘试品为模拟实际换流变压器内部油纸绝缘结构的油纸绝缘试品，油纸绝缘试品为复数个不同油纸聚合度的油纸绝缘试品；
步骤二、根据极化电流和去极化电流的表达式，得到油纸复合绝缘界面极化衰减电流理论表达式，并计算油纸复合绝缘界面极化衰减电流；
理论表达式如下
idepol(t)＝id(depol)(t)+ide-(trap)(t)
id(pol)(t)＝id(depol)(t)
式中，idepol(t)表示去极化电流，id(pol)(t)表示极化过程各松弛支路总电流，id(depol)(t)表示去极化过程各松弛支路总电流，ide-trap(t)表示油纸复合绝缘界面极化衰减电流；
步骤三、对油纸复合绝缘界面极化衰减电流进行微分变换，得到时域介电响应函数介电谱曲线；时域介电响应函数理论表达式为
Figure FDA0003605405570000011
式中，Q(t)为极化电荷量，单位：库伦；τn为不同极化支路的松弛时间，单位：秒；αn为支路形状参数，0.5≤αn≤1；
步骤四、根据步骤三中微分时域介电响应函数对应的油纸复合绝缘界面极化衰减电流时域介电响应曲线对双峰值支路极化电荷量Q(t)、松弛时间τn和支路形状参数αn进行提取；
步骤五、选取主松弛时间，与油纸聚合度数值进行拟合，获得拟合曲线和拟合方程；所述主松弛时间为主松弛支路对应的松弛时间；所述主松弛支路为松弛时间较小的支路；
步骤六、改变测试温度，重复上述步骤一到步骤五，获得不同温度下主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程；
步骤七、通过微电流采样系统(1)测试实际换流变压器(2)的极化去极化电流，经上位机(3)计算处理得到相应测试油温下换流变压器的油纸绝缘结构(4)的微分时域谱主松弛时间，根据步骤六获得的主松弛时间与油纸聚合度的拟合曲线和拟合方程获得实际换流变压器(2)的油纸聚合度，评估换流变压器(2)的油纸绝缘结构(4)的老化状态。
2.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：步骤一所述极化电流ipol(t)、去极化电流idepol(t)表达式为：
Figure FDA0003605405570000021
idepol(t)＝-C0U0[f(t-tp)-f(t)]
式中，U0为外加直流电压，单位：伏；C0为电极间几何电容，单位：法；σ0为介质的直流电导率，单位：西门子/米；ε0为真空相对介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε∞为光频介电常数；δ(t)为冲激响应函数；f(t)为反映慢极化行为的响应函数；tp为极化加压时间，单位：秒。
3.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：步骤一中将初始电流数据通过OPA128系列高精度多级并联比例放大电路(5)进行微弱信号快速处理，获取准确的极化去极化电流。
4.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述复数个不同油纸聚合度的油纸绝缘试品的聚合度分别为：1005、675、566和502。
5.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述测试电压为在油纸绝缘试品两侧施加1000V的测试电压，测试时间为3000秒。
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