CN112069693A - 一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法 - Google Patents

一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，属于换流变压器油纸绝缘老化状态评估技术领域，通过频域介电响应测试仪测试油纸绝缘结构的介质损耗因数数据，对Cole‑Cole模型进行修正，获得与自由电荷电导率相关的介电常数的表达式，获得自由电荷电导率的表征方程，获得不同频率下单位时间内的自由电荷密度，最高频和最低频之间自由电荷密度的差值，测试油纸绝缘陷阱电荷密度。起到定量计算换流变压器内部油纸绝缘内部陷阱电荷密度从而有效评估变压器内部油纸绝缘的老化状态以及无损检测便于现场实施的效果。

Description

一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法
技术领域
本发明属于换流变压器运维技术中的油纸绝缘老化状态评估技术领域，特别是涉及到一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法。
背景技术
换流变压器是特高压直流换流站的核心关键设备，其安全稳定运行是电网可靠性的重要保障。相比较传统油纸绝缘交流变压器而言，换流变压器阀侧油纸绝缘不仅长期受到热应力作用造成绝缘劣化，同时还承受交直流叠加和极性反转等复杂电场作用，容易积聚空间电荷、承受更多的直流场强分量。由于绝缘纸板与变压器油的电阻率、介电常数不同，在交、直流电场下，变压器内部油纸绝缘电场分布不同。同时，在直流电压的作用下，油纸分界面的电荷累积明显增大，容易形成空间电荷聚积现象，界面极化等松弛极化行为明显增强。
现有的换流变压器运行年限差异较大，老化情况不尽相同，最长的年限已超过20年。油纸绝缘老化后由于纸板缺陷增加使得电荷积聚更加严重，并且其在绝缘劣化后引起的性能下降是不可逆转的，空间电荷的积聚可能威胁换流变压器的稳定运行，且随着换流变压器内部绝缘老化，其内部油纸绝缘陷阱增多，陷阱电荷密度加大，因此通过换流变压器内部油纸绝缘陷阱电荷密度计算可分析换流变压器内部绝缘的老化状态，因此有必要提出一种换流变压器内部油纸绝缘内部陷阱电荷密度的定量计算方法。
目前对油纸绝缘陷阱电荷密度进行计算的方法较少，多以实际测试油纸界面空间电荷分布方法为主。其中，电声脉冲法(PEA)被广泛应用到油纸绝缘空间电荷测量领域，但该方法不能区分空间电荷的类型且测试样品受厚度限制；相比之下，热刺激电流法(TSC)则可以区分介质中不同的极化形式，并根据其曲线峰值计算出油纸绝缘内的陷阱电荷密度，但在测试环境中需要线性升温等实验条件较为苛刻，难以在现场实施应用，仅适用于实验室。
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陷阱电荷密度测算方法，用于解决现有技术不能定量计算油纸绝缘内部陷阱电荷密度以及实验条件较为苛刻，难以在现场实施应用的技术问题。
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陷阱电荷密度测算方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、在恒定温度下，通过频域介电响应测试仪测试油纸绝缘结构的介质损耗因数数据，获得不同频率下待测试品的介电常数实部ε'与虚部ε”的实验数据，所述温度为油纸绝缘结构所处油浸环境的油温；所述频率为交变电压角频率；
步骤二、考虑频域介电响应测试过程中油纸绝缘的电导损耗，对Cole-Cole模型进行修正，得到修正后的Cole-Cole模型，获得与自由电荷电导率γ(ω)相关的介电常数实部ε'与虚部ε”的表达式
Figure BDA0002682848310000021
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；
步骤三、将修正Cole-Cole模型中的介电常数实部ε'代入虚部ε”表达式中，得到介电常数虚部ε”与自由电荷电导率γ(ω)以及介电常数实部ε'的代数关系式，获得自由电荷电导率γ(ω)的表征方程
Figure BDA0002682848310000031
Figure BDA0002682848310000032
Figure BDA0002682848310000033
Figure BDA0002682848310000034
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；A、B、C为计算中间变量；
步骤四、将步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数代入步骤三中的自由电荷电导率γ(ω)表征方程中，并通过反复迭代计算的方式确定表达式中的εs、ε∞、α的初值，根据损耗物理意义，需保证电导损耗与松弛损耗均为非负，且自由电荷电导率从高频到低频逐渐递减的条件下，获得符合上述条件的多组εs、ε∞、α的初值；
步骤五、将步骤四获得的多组εs、ε∞、α的初值和步骤一测试的介电常数实部ε'与虚部ε”代入损耗因数tanδ表达式中，获得多个损耗因数tanδ值，提取当损耗因数tanδ最大值时的εs、ε∞、α的初值；所述tanδ表达式为
Figure BDA0002682848310000041
步骤六、将步骤五中提取的εs、ε∞、α的初值与步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数共同代入自由电荷电导率γ(ω)的表征方程中，获得不同频率下的自由电荷电导率γ(ω)；
步骤七、根据步骤六中求得的自由电荷电导率γ(ω)，获得不同频率下油纸绝缘试品中流过的自由电荷电流密度J；关系表达式为
J＝γ(ω)E
其中，E为测试电压下试品两端的平均场强，单位：伏特/米；J为自由电荷电流密度，单位：安培/平方米；
步骤八、根据步骤七中获得的不同频率下自由电荷电流密度J，获得不同频率下单位时间内的自由电荷密度Q；
步骤九、根据多重跳跃陷阱电荷理论，结合步骤八中获得的最高频和最低频之间自由电荷密度的差值，计算油纸绝缘陷阱电荷密度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、定量计算换流变压器内部油纸绝缘内部陷阱电荷密度，实现有效评估变压器内部油纸绝缘的老化状态。
2、实验条件便利，便于通过无损检测在现场实施应用。
3、抗干扰能力强，表征状态参量多。
附图说明
图1为本发明一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法的典型换流变压器油纸绝缘的介质损耗因数测试接线图。
图2为本发明一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法的流程图。
图3为本发明一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法具体实施例的油纸绝缘介电损耗因数测试数据图。
图4为发明一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法具体实施例的油纸绝缘自由电荷电导率计算数据图。
图中1-频域介电响应测试仪、2-换流变压器、3-油纸绝缘结构。
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1～4所示：一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、在恒定温度下，通过频域介电响应测试仪1测试油纸绝缘结构3的介质损耗因数数据，获得不同频率下待测试品的介电常数实部ε'与虚部ε”的实验数据，所述温度为油纸绝缘结构3所处油浸环境的油温；所述频率为交变电压角频率；
步骤二、考虑频域介电响应测试过程中油纸绝缘的电导损耗，对Cole-Cole模型进行修正，得到修正后的Cole-Cole模型，获得与自由电荷电导率γ(ω)相关的介电常数实部ε'与虚部ε”的表达式
Figure BDA0002682848310000051
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；
步骤三、将修正Cole-Cole模型中的介电常数实部ε'代入虚部ε”表达式中，得到介电常数虚部ε”与自由电荷电导率γ(ω)以及介电常数实部ε'的代数关系式，获得自由电荷电导率γ(ω)的表征方程
Figure BDA0002682848310000061
Figure BDA0002682848310000062
Figure BDA0002682848310000063
Figure BDA0002682848310000064
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；A、B、C为计算中间变量；
步骤四、将步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数代入步骤三中的自由电荷电导率γ(ω)表征方程2中，并通过反复迭代计算的方式确定表达式中的εs、ε∞、α的初值，根据损耗物理意义，需保证电导损耗与松弛损耗均为非负，且自由电荷电导率从高频到低频逐渐递减的条件下，获得符合上述条件的多组εs、ε∞、α的初值；
步骤五、将步骤四获得的多组εs、ε∞、α的初值和步骤一测试的介电常数实部ε'与虚部ε”代入损耗因数tanδ表达式中，获得多个损耗因数tanδ值，提取当损耗因数tanδ最大值时(即自由电荷最多时)的εs、ε∞、α的初值；所述tanδ表达式为
Figure BDA0002682848310000071
步骤六、将步骤五中提取的εs、ε∞、α的初值与步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数共同代入自由电荷电导率γ(ω)的表征方程2中，获得不同频率下的自由电荷电导率γ(ω)；
步骤七、根据步骤六中求得的自由电荷电导率γ(ω)，获得不同频率下油纸绝缘试品中流过的自由电荷电流密度J；关系表达式为
J＝γ(ω)E 4
其中，E为测试电压下试品两端的平均场强，单位：伏特/米；J为自由电荷电流密度，单位：安培/平方米；
步骤八、根据步骤七中获得的不同频率下自由电荷电流密度J，获得不同频率下单位时间内的自由电荷密度Q；
步骤九、根据多重跳跃陷阱电荷理论，结合步骤八中获得的最高频和最低频之间自由电荷密度的差值，计算油纸绝缘陷阱电荷密度。
具体的设定所述温度为50摄氏度。所述频率区间为0.001赫兹到10000赫兹。采用FDS绝缘诊断分析仪器测试换流变压器油纸绝缘试品的频域介质损耗曲线，介电参数测试数据如图3所示，分别为介电常数实部、虚部，将实验中测试所得的介电常数实部与虚部带入上述的自由电荷电导率γ(ω)的表达式中，并通过反复迭代计算的方式，求取满足本方程的多组初值。在本发明中反复迭代计算过程中，根据损耗物理意义，需保证电导损耗与松弛损耗均为非负，自由电荷电导率从高频到低频逐渐递减。此时计算会获取多组满足方程的初值，然后再将符合条件的多组初值和介电常数实部ε'与虚部ε”代入损耗因数tanδ中的电导损耗分量中，获取其损耗因数tanδ最大值时(即自由电荷最多时)εs、ε∞、α的参数值，参数值分别为εs为39，ε∞为2.7，α为0.964。
将εs、ε∞、α的参数值和介电常数实部ε'与虚部ε”再次代入自由电荷电导率γ(ω)表达式中，计算其不同频率下的自由电荷电导率，如图4所示。
在油纸绝缘试品两侧施加电压为140V，场强为1.4×105V/m，根据上述求得的自由电荷电导率，计算油纸绝缘中流过的自由电荷电流密度J，
为了更加精确计算，步骤八中所述自由电荷电流密度J为特定频率下自由电荷电流密度相对于该频率持续时间的平均值Jp，然后根据自由电荷电流密度平均值计算不同频率下单位时间内的自由电荷密度平均值Qp，具体如下：
Figure BDA0002682848310000081
其中T为特定频率持续时间，单位：秒。
按照上述步骤进行计算，得到油纸绝缘试品陷阱电荷密度为2.52×10-5C/m2，该结果与通过TSC测试的油纸绝缘试品内陷阱电荷密度基本一致。
因此可通过上述油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，实现通过无损的频域介电响应法测试变压器油纸绝缘陷阱电荷密度。
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 (4)

1.一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，其特征在于：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、在恒定温度下，通过频域介电响应测试仪(1)测试油纸绝缘结构(3)的介质损耗因数数据，获得不同频率下待测试品的介电常数实部ε'与虚部ε”的实验数据，所述温度为油纸绝缘结构(3)所处油浸环境的油温；所述频率为交变电压角频率；
步骤二、考虑频域介电响应测试过程中油纸绝缘的电导损耗，对Cole-Cole模型进行修正，得到修正后的Cole-Cole模型，获得与自由电荷电导率γ(ω)相关的介电常数实部ε'与虚部ε”的表达式
Figure FDA0002682848300000011
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；
步骤三、将修正Cole-Cole模型中的介电常数实部ε'代入虚部ε”表达式中，得到介电常数虚部ε”与自由电荷电导率γ(ω)以及介电常数实部ε'的代数关系式，获得自由电荷电导率γ(ω)的表征方程
Figure FDA0002682848300000021
其中，τb为弛豫时间，单位：秒；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；ω为交变电压角频率，单位：弧度/秒；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10-12法/米；ε'为介电常数实部，表示电介质储存电荷的能力；ε”为介电常数虚部，表示松弛极化引起的损耗；γ(ω)为自由电荷电导率，单位：西门子/米；α为分散因子；A、B、C为计算中间变量；
步骤四、将步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数代入步骤三中的自由电荷电导率γ(ω)表征方程(2)中，并通过反复迭代计算的方式确定表达式中的εs、ε∞、α的初值，根据损耗物理意义，需保证电导损耗与松弛损耗均为非负，且自由电荷电导率从高频到低频逐渐递减的条件下，获得符合上述条件的多组εs、ε∞、α的初值；
步骤五、将步骤四获得的多组εs、ε∞、α的初值和步骤一测试的介电常数实部ε'与虚部ε”代入损耗因数tanδ表达式中，获得多个损耗因数tanδ值，提取当损耗因数tanδ最大值时的εs、ε∞、α的初值；所述tanδ表达式为
Figure FDA0002682848300000031
步骤六、将步骤五中提取的εs、ε∞、α的初值与步骤一测试所得的介电常数实部ε'与虚部ε”参数共同代入自由电荷电导率γ(ω)的表征方程(2)中，获得不同频率下的自由电荷电导率γ(ω)；
步骤七、根据步骤六中求得的自由电荷电导率γ(ω)，获得不同频率下油纸绝缘试品中流过的自由电荷电流密度J；关系表达式为
J＝γ(ω)E (4)
其中，E为测试电压下试品两端的平均场强，单位：伏特/米；J为自由电荷电流密度，单位：安培/平方米；
步骤八、根据步骤七中获得的不同频率下自由电荷电流密度J，获得不同频率下单位时间内的自由电荷密度Q；
步骤九、根据多重跳跃陷阱电荷理论，结合步骤八中获得的最高频和最低频之间自由电荷密度的差值，计算油纸绝缘陷阱电荷密度。
2.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，其特征在于：所述温度为50摄氏度。
3.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，其特征在于：所述频率区间为0.001赫兹到10000赫兹。
4.根据权利要求1所述一种换流变压器油纸绝缘陷阱电荷密度测算方法，其特征在于：步骤八中所述自由电荷电流密度J为特定频率下自由电荷电流密度相对于该频率持续时间的平均值Jp，然后根据自由电荷电流密度平均值计算不同频率下单位时间内的自由电荷密度平均值Qp，具体如下：
Figure FDA0002682848300000041
其中T为特定频率持续时间，单位：秒。
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