CN112051310B - 一种油纸绝缘套管中x蜡检测及含量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，包括如下步骤：制作不同含蜡量的油纸绝缘套管模型；对所述油纸绝缘套管模型进行频域介电谱测试，获取测试结果；选取油纸绝缘套管中含蜡的判断依据，根据所述测试结果，获取不同测试参数下，不含蜡的油纸绝缘套管模型与含蜡的油纸绝缘套管模型的特征参数的差异，选定一测试参数作为判断用测试参数，选取判断用测试参数下的至少一个特征参数的差异值作为判断油纸绝缘套管中是否含蜡的判断依据；构建含蜡量评估模型，建立德拜模型模拟油纸绝缘套管的电导损耗和不同弛豫极化过程的极化损耗；通过德拜模型评估油纸绝缘套管中的X蜡含量。

Description

一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法

技术领域

本发明涉及一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，属于套管绝缘评估与诊断领域技术领域。

背景技术

电力变压器是电力系统的核心设备之一，油纸绝缘套管广泛应用于电力变压器出线装置或导线穿墙，长时间地承受高电压、大电流和强机械负荷作用。油纸绝缘套管发生绝缘故障会对电力系统的安全运行造成巨大危害。

现场解体油纸绝缘套管时经常发现其内部有黄色蜡状沉积物存在，这种沉积物没有固定的化学式，称为X蜡。X蜡会依附在绝缘纸上并进入孔隙中使得50Hz下介损增大，导致整体损耗增大，局部温度上升。已有的研究表明，局部过热和局部放电故障均可能产生X蜡，X蜡是电、热、水分共同作用下纸层油隙放电并劣化的产物，对其进行检测可以有效地发现套管内部绝缘缺陷，对保证套管安全运行至关重要，但是目前缺少有效的检测方法，亟需开展油纸绝缘套管中X蜡检测方法的研究。

基于介电响应的频域介电谱法(频域介电谱)作为一种无损检测方法，因其能反映出设备内部介电特征，近些年已经被国内外专家学者引入电力设备的绝缘水分评估诊断。频域介电谱通过测量试品两端的电压和电流值幅值、相位，再根据傅里叶变换计算出样品的复阻抗,从而获得介质的复电容和介质损耗因数等参数,对试品的绝缘状态进行综合评估。套管中存在X蜡会增大复介电常数，导致介质损耗正切值增大，基于此，本发明认为频域介电谱法对X蜡的有效检测有一定潜力，且目前缺少这方面的研究，尝试采用基于频域介电谱特征的方法检测X蜡。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，能够有效的实现油纸绝缘变压套管X蜡的检测和含量评估，对实际工程中油纸绝缘套管故障检测具有重要意义。

本发明的技术方案如下：

一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，包括如下步骤：

制作油纸绝缘套管模型，包括不含蜡的油纸绝缘套管模型以及不同含蜡量的油纸绝缘套管模型；

对所述油纸绝缘套管模型进行频域介电谱测试，获取测试结果；

选取油纸绝缘套管中含蜡的判断依据，根据所述测试结果，获取不同测试参数下，不含蜡的油纸绝缘套管模型与含蜡的油纸绝缘套管模型的特征参数的差异，选定一测试参数作为判断用测试参数，选取判断用测试参数下的至少一个特征参数的差异值作为判断油纸绝缘套管中是否含蜡的判断依据；

构建含蜡量评估模型，建立德拜模型模拟油纸绝缘套管的电导损耗和不同弛豫极化过程的极化损耗，所述德拜模型包括并联的真空几何电容和无损极化的等效电容、绝缘电阻以及复数条由电阻和电容串联组成的德拜支路，确定德拜模型的复电容表达式为：

式中，ω为角频率，j为纯虚数，Z为阻抗，C₀为真空几何电容和无损极化的等效电容值，R₀为绝缘电阻值，R_i和C_i表示德拜支路中的电阻和电容参数；

通过德拜模型的复电容表达式推导德拜模型的复电容实部C’、复电容虚部C”和损耗角正切值tanδ的计算式，分别为：

分别对所述不同含蜡量的油纸绝缘套管模型进行n次频域介电谱测试，每次频域介电谱测试的测量频率点不同，对每种含蜡量的油纸绝缘套管获取n个复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值，将复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值带入德拜模型的复电容实部C’和复电容虚部C”的计算式，求取德拜模型各支路中R_i和C_i的参数；

根据不同含蜡量的油纸绝缘套管模型的德拜模型的支路参数，提取表征套管蜡状物的电阻参数特征量，并建立电阻参数特征量与含蜡量之间的关系；

根据所述电阻参数特征量与含蜡量之间的关系评估油纸绝缘套管中X蜡的含量。

进一步的，所述测试参数为测试温度25℃、测试频率为1mHz、200V直流电压激励；

a、所述判断依据包括介质损耗角正切值相比出厂增大50％以上；b、电容量基本不变；c、200V直流电压激励下100s等效电阻下降30％以上，同时满足上述a、b、c三个条件即可确定油纸绝缘套管中含有X蜡。

进一步的，在获取复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值之后，采用整体拟合的方法获取复电容实部C’和复电容虚部C”的拟合值再进行德拜模型的支路参数求取；

拟合的具体函数为：

拟合收敛条件为：相邻两次迭代中残差变化量的最大值不超过10^-6。

本发明具有如下有益效果：

本发明一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，能够有效的实现油纸绝缘变压套管X蜡的检测和含量评估，对实际工程中油纸绝缘套管故障检测具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为318kV电压下OTF 1675-550-BE10型套管的电场分布云图；

图3为15kV套管模型外部结构示意图；

图4为实施例中不同含蜡量下套管模型在测试频率范围内介质损耗角正切值的变化曲线；

图5为实施例中不同频率下介质损耗角正切值随含蜡量的变化曲线；

图6为实施例中不同含蜡量下套管模型在测试频率范围内复电容实部的变化曲线；

图7为实施例中不同频率下复电容实部随含蜡量的变化曲线；

图8为实施例中直流激励下不同含蜡量的套管模型的极化电流曲线；

图9为实施例中不同含蜡量下的稳态等效电阻和含蜡量的关系曲线；

图10为实施例中德拜模型的电路结构示意图；

图11为实施例中德拜支路的电阻参数特征与含蜡量关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一

参见图1，一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，包括如下步骤：

第一步：制作不同含蜡量的套管模型

油纸绝缘套管的典型结构为电容式结构，中间金属部件为接地法兰，芯体通过变压器油和绝缘纸浸渍而成多层复合介质，其内部通有中心金属导电杆，芯子内置一定台阶规律的同轴型铝箔层，使导电杆与法兰间的绝缘层分割成多个同轴串联布置的电容器，同时承受高电压、大电流的作用以及电能的输送。

以套管在承受正常的最高工作相电压318kV为例，局部场强分布云图如附图2所示。

为了便于比较芯子径向场强值，在芯子中部从导电杆表面到芯子末屏之间，芯子每层取径向上的一个点，共取70个点，获取了芯子径向场强分布值，其中径向场强最大值为4.48kV/mm，位于导电杆表面，最小值为3.22kV/mm，位于芯子的42～46层。

为了便于实验室研究，本研究首先试制了15kV的试验套管。15kV的试品模型为带透明护套的电容芯子试品。该试品的设计分为内绝缘和外绝缘两个部分，其中外绝缘为透明的有机玻璃，便于试验现象的观测，并可以利用光电效应测量油中的电场。

15kV套管的电容芯子尺寸如表1所示。经过计算过计算其上轴向场强、下轴向场强、径向场强的结果如表2所示。外部结构图如附图3所示。

表1 15kV套管电容芯子尺寸

表2 15kV套管模型芯子场强值

15kV试验套管的等效性主要通过以下几个方面考虑：

第一，设计方法与HSP套管一致。HSP公司的550kV套管的设计是按照不等电容、不等台阶、分段等厚度的方法，保持绝缘裕度在1.05～1.26之间，绝缘裕度分为7个阶段，每个阶段裕度基本处于单调递增或递减的趋势。在本研究中的15kV模型亦采用这种设计方法，由于15kV套管模型层数为3层，本模型拟选取其中的一段进行模拟，绝缘裕度偏差控制在5％以内。极板间局放起始电压为：

式中，k为系数，对于油纸绝缘套管，有害局部放电系数为4.5，滑闪放电系数可取13.5。绝缘裕度S的计算公式为：

式中，ΔUi为第i层绝缘层分压。

第二，绝缘层度的选择与HSP套管相近。HSP公司的550kV套管绝缘厚度d分别为0.9mm、1mm、1.2mm、1.4mm以及1.6mm五个梯度。本研究中的15kV套管选取1mm的绝缘厚度。

第三，极板长度的设定与HSP套管相似。15kV试验模型的第一极板长度取HSP公司的550kV套管极板长度的0.015，其余极板长度按照轴向场强相近的原则得到的极差梯度计算。

第四，场强分布与HSP套管局部相似。HSP套管的径向电场分布分为两段：一段是场强值单调递减；另一段场强值为单调递增。但在试验套管的制作中，由于其导电杆半径及绝缘厚度有限，不能完全获得整个电场分布的U型曲线。因此考虑尽量控制15kV试验套管的径向(及轴向)场强与实际HSP公司550kV套管径向(及轴向)场强的最大值偏差值在15％以内。

油纸绝缘套管模型的装配。分别称取0、0.02g、0.05g和0.1g的X蜡，在紧贴套管导电杆的纸层表面均匀涂抹，涂抹完成后按照电容芯子尺寸表进行卷制。对电容芯子进行装配，然后采用25号克拉玛依变压器油对模型进行注油和真空浸油处理，干燥和真空浸油工艺参照实际40.5kV套管的工艺，能保证套管模型具有良好的电气性能。制作得到4组不同含蜡量的套管模型，并进行24小时的干燥浸渍处理。

第二步：X蜡存在的检测判据

采用介电谱谱测试设备对油纸绝缘套管模型进行频域介电谱测试，输出电压峰值200V，测试频率范围为1mHz-10kHz，测量温度保持室温25℃，测试不同含蜡量模型的介质损耗角正切值变化曲线，复电容实部变化曲线和200V直流电压激励下的极化电流曲线。

附图4给出了不同含蜡量下套管模型在测试频率范围内介质损耗角正切值的变化曲线。从图中可以看出，同一套管模型1mHz下的介质损耗角正切值明显大于50Hz下。在频率小于0.01Hz的超低频范围内，随着含蜡量的增大，介质损耗角正切值存在明显的上升趋势。但是随着频率的增大，不同含蜡量的模型之间的差距逐渐缩小，在频率为1Hz左右已经很难区分。

为了将含蜡量对介质损耗角正切值在低频范围的影响直观地表现出来，绘制了介质损耗角正切值在频率0.001Hz、0.01Hz、0.1Hz和1Hz下随含蜡量的变化曲线，如附图5所示。从图中可以看到，随着含蜡量的增大，介质损耗角正切值在超低频1mHz呈现明显增长的趋势，增长幅度为100％-400％，0.01Hz下整体也呈现增长但是增量很小，0.1Hz和1Hz下基本不变。

附图6给出了不同含蜡量下套管模型在测试频率范围内复电容实部的变化曲线。

从图中可以看到，不同含蜡量模型之间的复电容实部变化趋势相同，超低频范围内也很难看出复电容实部的数值差距。含蜡量为0g、0.02g和0.05g套管模型的复电容实部变化曲线基本重合。

同样，绘制了复电容实部在频率0.001Hz、0.01Hz、0.1Hz和1Hz下随含蜡量的变化曲线，如附图7所示。从图中可以看到，不同含蜡量套管模型的复电容实部在各频率下都保持基本不变。

附图8给出了直流激励下不同含蜡量套管模型的极化电流曲线。从图中可以看到，随着含蜡量的增加，极化电流有增大的趋势。相同含蜡量下，极化电流随着时间增长逐渐下降，并在60s-100s左右趋于稳定。所以取100s时的等效电阻作为稳态电阻。附图9为稳态等效电阻和含蜡量的关系曲线，可以看到，随着含蜡量的增大，等效电阻显著减小。

总结X蜡对套管介电特性的影响，本发明提出了X蜡检测的三个判据：在测试温度25℃下，频率为1mHz时，介质损耗角正切值相比出厂增大50％以上，电容量基本不变；200V直流电压激励下100s等效电阻下降30％以上。满足这三个条件即可诊断套管中含有X蜡。

第三步：X蜡含量的评估

建立扩展德拜模型，德拜模型通过一系列阻容元件的组合模拟电导损耗及不同弛豫极化过程的极化损耗，如附图10所示。C₀表征真空几何电容和无损极化的等效电容，R₀为绝缘电阻，其余德拜支路R_iC_i表征不同弛豫时间的松弛极化过程。

根据Maxwell方程，电介质中的全电流密度满足公式(3)。

式中，ε₀是真空中介电常数；σ₀是电介质体积电导率。式(3)右边第一部分是感应电流，第二部分是真空位移电流，第三部分是极化电流，其中极化过程又分为两个部分：快极化和慢极化。极化强度表达式为：

式中，ε_∞为介电常数的高频分量，第一部分为瞬时位移极化部分，第二部分为松弛极化部分，函数f(t)为反映慢极化行为的响应函数。

通常在介质施加电场之前，f(t)＝0(t<0)，因此有，全电流密度表达式为：

当外施电压U(t)时，全电流i(t)表达式为

若外施激励是正弦激励U(ω)，那么对式(6)做傅里叶变换可得频域中电流表达式为

对应实验中的频域介电谱测量，U(ω)为外施电压，幅值为200V，频率范围为1mHz～10kHz。I(ω)即为测量的频域介电谱响应电流。

公式(7)中的F(ω)是介质响应函数f(t)的傅里叶变换，因而极化率为

将公式(8)代入公式(7-5)得全电流的频域表达式为

公式(9)中C*为复电容。因而，复电容的表达式为

式(10)中C₀为电介质在真空中的几何电容。复介电常数与复电容之间相差一个系数C₀。因而复电容反映的介电响应特性与复介电常数具有一致性。频域介电谱测量中复电容实部C’和复电容虚部C”均为实测的输出结果，其中C’代表电容项，C”代表损耗项。总的介电响应效果可用复电容C^*来描述

根据公式(9)、公式(10)中复电容的定义以及扩展德拜模型电路结构，可以导出扩展德拜模型的复电容表达式为

由公式(11)，可推导出扩展德拜等效模型的C’、C”以及tanδ为

本发明中频域介电谱测量频率范围为0.001Hz到10kHz，共23个测量频率点。复电容实部C’(ω)、虚部C”(ω)分别由23个方程组成的非线性方程组，方程中待求参数R_i、C_i数量由支路条数决定。

方程中待求参数R_i、C_i数量由支路条数决定。频域介电谱实测中，可获取求解支路参数所需的复电容实部C’(ω)、虚部C”(ω)的数据，进而通过式(12)、(13)可确定扩展德拜模型的支路参数。

频域介电谱曲线模型支路参数的求解问题可转化为非线性方程组的最优化问题，通过拟合的方法寻找残差平方和最小的支路参数，进而获取局部最优解。拟合初值的选取根据频域介电谱曲线及极化电流确定。拟合方法中若采用复电容实部或虚部参数的分部拟合，拟合部分的数据可以取得更高的拟合优度，但对于整体的拟合优度效果不理想。为了使得整体参数C’、C”以及tanδ同时获得较高的拟合优度，采用整体拟合的方法，总体优化目标函数为

拟合收敛条件为：相邻两次迭代中残差变化量的最大值不超过10^-6。

表3不同含蜡量的扩展德拜模型参数

利用计算获得的不同含蜡套管模型的扩展德拜支路参数，提取表征套管蜡状物的电阻参数新特征量R_X为：

附图11给出了扩展德拜支路电阻参数与含蜡量的关系。可以看出，随着含蜡质量的增加，3～8条支路下的扩展德拜等效电阻支路参数特征量R_X均呈现增长趋势，尤其在8支路下Rx增长最为明显，且具有较好的线性关系。油纸界面的蜡状物的增加，加强了油纸间电导损耗使得等效电阻下降。将表征8支路德拜等值支路电阻参数R_X与含蜡量wax建立关系，如公式(17)所示，德拜支路参数与芯子含蜡量具有一次线性关系，因而可以利用德拜支路电阻参数对同类套管含蜡状态进行诊断。

R_8x＝0.54+6.1wax (17)

式中R_8x为8支路德拜支路电阻参数，单位1/GΩ；wax为含蜡质量，单位为g。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

制作油纸绝缘套管模型，包括不含蜡的油纸绝缘套管模型以及不同含蜡量的油纸绝缘套管模型；

对所述油纸绝缘套管模型进行频域介电谱测试，获取测试结果；

选取油纸绝缘套管中含蜡的判断依据，根据所述测试结果，获取不同测试参数下，不含蜡的油纸绝缘套管模型与含蜡的油纸绝缘套管模型的特征参数的差异，选定一测试参数作为判断用测试参数，选取判断用测试参数下的至少一个特征参数的差异值作为判断油纸绝缘套管中是否含蜡的判断依据；

构建含蜡量评估模型，建立德拜模型模拟油纸绝缘套管的电导损耗和不同弛豫极化过程的极化损耗，所述德拜模型包括并联的真空几何电容和无损极化的等效电容、绝缘电阻以及复数条由电阻和电容串联组成的德拜支路，确定德拜模型的复电容表达式为：

式中，ω为角频率，j为纯虚数，Z为阻抗，C₀为真空几何电容和无损极化的等效电容值，R₀为绝缘电阻值，R_i和C_i表示德拜支路中的电阻和电容参数；

通过德拜模型的复电容表达式推导德拜模型的复电容实部C’、复电容虚部C”和损耗角正切值tanδ的计算式，分别为：

分别对所述不同含蜡量的油纸绝缘套管模型进行n次频域介电谱测试，每次频域介电谱测试的测量频率点不同，对每种含蜡量的油纸绝缘套管获取n个复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值，将复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值带入德拜模型的复电容实部C’和复电容虚部C”的计算式，求取德拜模型各支路中R_i和C_i的参数；

根据不同含蜡量的油纸绝缘套管模型的德拜模型的支路参数，提取表征套管蜡状物的电阻参数特征量，并建立电阻参数特征量与含蜡量之间的关系；

根据所述电阻参数特征量与含蜡量之间的关系评估油纸绝缘套管中X蜡的含量；

所述测试参数为测试温度25℃、测试频率为1mHz、200V直流电压激励；

a、所述判断依据包括介质损耗角正切值相比出厂增大50％以上；

b、电容量基本不变；c、200V直流电压激励下100s等效电阻下降30％以上，同时满足上述a、b、c三个条件即可确定油纸绝缘套管中含有X蜡。

2.根据权利要求1所述的一种油纸绝缘套管中X蜡检测及含量评估方法，其特征在于：在获取复电容实部C’和复电容虚部C”的测量值之后，采用整体拟合的方法获取复电容实部C’和复电容虚部C”的拟合值再进行德拜模型的支路参数求取；

拟合的具体函数为：

拟合收敛条件为：相邻两次迭代中残差变化量的最大值不超过10^-6。

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