CN112285513B - 基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，属于材料特性技术领域。该方法包括：S1：开展油纸绝缘样品在不同交流电压下的恒定耐压试验，并获得相应的电寿命和电寿命均值；S2：将固体材料电寿命均值和施加电压绘制在对数坐标系中进行线性拟合，即得到固体材料符合反幂模型的U‑t特性曲线，呈现为两段拟合直线；S3：根据U‑t特性曲线的转折点位置，将整个坐标分为两个区域，对比分析两个区域中拟合直线的斜率大小，从而得出放电类型。本发明根据油纸绝缘在不同交流电压下U‑t特性曲线，对比分析得出能够快速精准的鉴别、诊断出油纸绝缘在不同场强下引发的放电类型，实现了实时监测与预警，提高了变压器使用的安全性。
Description
技术领域
本发明属于材料特性技术领域，涉及一种基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法。
背景技术
电力变压器普遍釆用油纸复合的内绝缘结构，其电气性能对设备的安全可靠运行起着至关重要的作用。随着超、特高压输电电压等级的提高，与普通电力变压器相比，特高压电力变压器中高电场区域占比高，油纸绝缘电气裕度已接近设计极限，主绝缘上的缺陷易造成局部放电快速发展、连锁反应的绝缘故障。在特高压变压器出厂及交接试验中，多次发生从检测到局部放电到主绝缘击穿或临近击穿仅几小时甚至几分钟的“快速发展型”放电案例，与低电压等级下普通型放电相比，快速发展型放电具有起始场强高、发展迅速，对绝缘纸板造成不可逆的树枝状损伤痕迹等特点，对超、特高压变压器造成较大威胁，且目前没有很好的预警方法。随着对该放电现象认识的深入，如何对油纸绝缘快速发展型放电与普通型放电进行区分，对油纸绝缘快速发展型放电进行界定，也引起了越来越多工程及技术人员的关注。
结合现场案例，发现油纸绝缘快速发展型放电是油纸绝缘缺陷在高场强下引发的放电并快速演化的结果，与传统的低电压等级下引发的绝缘失效过程有较大差异，气体监测技术，局部放电特征量监测技术等不能及时辨别与预警此类放电，国内外也无针对该类放电的相关研究报道。因此，有必要研究缺陷在高场强下的快速发展型放电的产生和界定，从而能够更好地对此类放电进行鉴别、诊断与预警。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，能够快速精准的鉴别、诊断出油纸绝缘在高场强下引发的放电类型，实现实时监测与预警。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，具体包括以下步骤：
S1：开展油纸绝缘样品在不同交流电压下的恒定耐压试验，并获得相应的电寿命和电寿命均值；
S2：将固体材料的电寿命均值和施加电压绘制在同一个对数坐标系中并进行线性拟合，即得到固体材料符合反幂模型的U-t特性曲线，呈现为两段拟合直线；
S3：根据U-t特性曲线的转折点位置，将整个坐标分为两个区域，对比分析两个区域中拟合直线的斜率大小，从而得出放电类型。
进一步，所述步骤S1具体包括：首先获得油纸绝缘样品的短时击穿电压Ub与样品的起始放电电压UPDIV，再在[UPDIV,Ub]区间内平均选取若干电压值U1、U2、U3、U4、U5、…、Ui；然后，在各电压下获得油纸绝缘样品的电寿命，每个电压下试验重复大于等于六次，并求取电寿命平均值若在试验过程中出现样品不击穿(试验时间太久)，电寿命可合理赋值为100000s。
进一步，所述步骤S2具体包括：结合固体材料电老化寿命反幂模型：
t＝AU-n (1)
其中，t为材料在电压U下的绝缘寿命，U为施加在材料上的电压，n为电压耐受指数， A是对绝缘达到其寿命终点时所承受的全部老化过程的一个度量，称之为累积损伤值；
将(1)式两边取对数，得到：
将施加的电压值U和电寿命值t绘制在对数坐标系中，利用线性拟合获得两条拟合直线，即符合反幂模型的U-t特性曲线。
进一步，所述步骤S3具体包括：将对数坐标系中绘制出的两段拟合直线的转折点所对应的电寿命值均值定义为tth，所对应的电压值定义为Uth；同时，将lgt＝lgtth左侧的区域定义为 I区，右侧的区域定义为II区；将I区的拟合直线的斜率记为kI，将II区的拟合直线的斜率记为kⅡ；通过两段拟合直线的斜率kI、kⅡ求取电压耐受指数nI、nⅡ，计算公式为：
1)若nI远小于nⅡ，即做出如下界定：a)对于同一种试验电极和同一种样品：若某种放电所对应的电压耐受指数n较小，即归属于I区，则这种放电为快速发展型放电，其电压耐受指数记为nI；b)若某种放电所对应的电压耐受指数n较大，即归属II区，则这种放电为普通型放电,其电压耐受指数记为nⅡ；
2)若nI与nⅡ的值接近，则无法界定某种放电为快速发展型放电或普通型放电。
进一步，该方法的试验装置包括：高压交流电源系统、针板电极人工缺陷模型和局部放电监测系统；高压交流电源系统提供交流电压以对油纸绝缘试品产生电应力，局部放电监测系统用以测量试品的起始放电电压UPDIV。
本发明的有益效果在于：本发明根据油纸绝缘在不同交流电压下U-t特性在对数坐标系中的拟合曲线，对比分析得出能够快速精准的鉴别、诊断出油纸绝缘在高场强下引发的放电类型，实现了实时监测与预警，提高了变压器使用的安全性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法的流程图；
图2为不同电压下电寿命的反幂函数模型拟合曲线图；
图3为本发明实施例中试验装置回路；
图4为本发明试验中3批油纸绝缘试品的U-t特性曲线图；
附图标记：控制台1、试验变压器2、保护电阻3、耦合电容4、导电杆I 5、针状电极6、油浸绝缘纸7、长方形板状地电极8、绝缘油9、环氧树脂垫块10、有机玻璃容器11、导电杆Ⅱ12，检测阻抗13、信号传输线14、示波器15、电脑终端16，接地端17。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，图1为本发明基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
S1：开展油纸绝缘样品在不同交流电压下的恒定耐压试验，并获得相应的电寿命和电压寿命均值。
交流电压的选取方法为：首先获得该样品的短时击穿电压Ub与样品的起始放电电压 UPDIV，再在[UPDIV,Ub]区间内平均选取若干电压值U1、U2、U3、U4、U5、…、Ui。之后，在各电压下获得油纸绝缘样品的电寿命，每个电压下试验重复至少六次，并求取电寿命平均值若在试验过程中出现该电压下样品不击穿(试验时间太久)，电寿命可合理赋值为100000s。将恒定电压试验结果整理为如下表1所示。
表1不同电压下的恒压试验电寿命结果
S2：将固体材料的电寿命均值和施加电压U绘制在同一个对数坐标系中并进行线性拟合，即得到固体材料符合反幂模型的U-t特性曲线，呈现为两段拟合直线。
结合固体材料电老化寿命反幂模型：
t＝AU-n (1)
其中，t为材料在电压U下的绝缘寿命，U为施加在材料上的电压，n为电压耐受指数，A是对绝缘达到其寿命终点时所承受的全部老化过程的一个度量，称之为累积损伤值；
将(1)式两边取对数并做简单处理可得：
将上述恒定电压试验结果取对数绘制在对数坐标系中，并利用(2)式进行拟合，分为两段折线，如图2所示。
S3：根据U-t特性曲线的转折点位置，将整个坐标分为两个区域，对比分析两个区域中拟合直线的斜率大小，从而得出放电类型。
如图2所示，将对数坐标系中绘制出的两段拟合直线的转折点所对应的电寿命值定义为 tth，所对应的电压值定义为Uth。同时，将lgt＝lgtth左侧的区域定义为I区；lgt＝lgtth右侧的区域定义为Ⅱ区。将I区的拟合直线的斜率记为kI，将Ⅱ区的拟合直线的斜率记为kⅡ。通过两段拟合直线的斜率kI、kⅡ求取电压耐受指数nI、nⅡ，计算公式为：
由上述计算出I区的电压耐受指数nI和Ⅱ区的电压耐受指数nⅡ；
1)若nI小于nⅡ且两者差异较大，即可做出如下界定：
对于同一种试验电极和同一种样品：
a)通过上述方法计算后，若某种放电所对应的电压耐受指数n较小，即归属于I区，则这种放电为快速发展型放电,其电压耐受指数记为nI；
b)通过上述方法计算后，若某种放电所对应的电压耐受指数n较大，即归属于II区，则这种放电为普通型放电,其电压耐受指数记为nⅡ。
2)若nI与nⅡ的值较为接近，则无法认定这种放电可以被界定为快速发展型放电或普通型放电。
实施例1：
采用25号克拉玛依变压器油以及1mm厚的绝缘纸板构成放电试验试品。将纸板裁剪成 6cm×6cm的正方形纸板，并用砂纸进行打磨祛除毛刺。随后放入真空干燥烘箱中在120℃下连续烘干48h，取出后浸入25号变压器油中真空90℃、50Pa下干燥24h，充分除去可能的气泡、水分等杂质，同时确保纸板浸渍完全，避免可能形成的气穴。
本试验以具有强垂直分量电场分布特征的“针-板”电极为例，对该极不均匀电场下油纸绝缘的放电类型进行界定，实验回路图如图3所示。
本实例包括三部分：高压交流电源系统、针板电极人工缺陷模型和局部放电监测系统。高压交流电源系统提供交流电压以对油纸绝缘试品产生电应力，局部放电监测系统用以测量试品的起始放电电压UPDIV。
如图3所示，高压交流电源系统包括：控制台1、试验变压器2、保护电阻3、耦合电容4。针板电极人工缺陷模型包括：导电杆I 5、针状电极6、油浸绝缘纸7、长方形板状地电极8、绝缘油9、环氧树脂垫块10、有机玻璃容器11、导电杆Ⅱ12。局部放电监测系统包括：检测阻抗13、信号传输线14、示波器15、电脑终端16。通过控制台1控制试验变压器2，用以控制试验变压器的输出电压。试验变压器2的高压端与保护电阻3的一端相连，另一端分为两个支路，一条支路通过耦合电容4直接与接地端17接地，另一条支路通过导电杆5穿过有机玻璃容器11的一侧间隙配合，导电杆5的另一端通过螺纹与针电极6紧密连接，油浸绝缘纸7的一端夹在针状电极6和环氧树脂垫块10之间，起到固定纸板的作用。长方形板状电极8与导电杆12通过螺纹紧密连接，并且长方形板状电极8垫在油浸绝缘纸7的另一端，这种结构可以起到固定纸板的作用。导电杆5和导电杆12与有机玻璃容器11通过螺纹紧密配合以确保绝缘油9不会漏出，有机玻璃容器11带有盖子形成的闭口环境更能真实的反映变压器内部的工作情况，同时导电杆5和导电杆12可以水平自由移动，这种结构可以实现不同水平距离下的油纸绝缘的放电试验。导电杆12的一端与长方形板状电极8通过螺纹连接，另一端则通过导线与检测阻抗13连接并最后与接地端17接地。示波器15通过信号传输线14 与检测阻抗13连接，测得起始局部放电信号，最后传输到电脑终端16。
当然，人工缺陷模型并不局限于该结构下的针板电极，也可以根据需要为柱状或球状，可与地电极结合用于模拟变压器绝缘不同类型的电场和放电形式，实现多种模型下的油纸绝缘放电模拟和电寿命的测量。
分别制备三批次的针-板模型试品(标记为#1～#3)，在不同交流电压下在上述回路中开展恒定耐压试验，以获得其对应的电寿命，并绘制U-t特性曲线。各批次试品在每个电压下进行6 次试验，对其电寿命取平均值，得到实验数据如下表2所示。
表2样品的交流电寿命试验结果
由于电压较低时部分样品在恒压下的电寿命太久(超过100000s)甚至不会发生击穿，由于不影响计算结果，在处理时取为100000s。
将上述三批试样的耐压试验结果取对数绘制在U-t特性对数坐标系中，并利用(2)式进行拟合，结果如图4所示。从拟合结果中可以看出，该油纸绝缘试品的U-t特性为一条折线，符合反幂函数模型，与图2的I、II区域能够很好地对应。
从图4中可以明显看出，3批油纸绝缘试品的U-t特性曲线分别都出现了转折。通过对 U-t特性曲线进行分段线性拟合，求取直线斜率并得到三批试样在不同区域下的电压耐受指数如表3所示。
表3 3批样品的电压耐受指数
从表3可以看出，三批试品的电压耐受指数nI、nⅡ有明显的差异且nI<nⅡ。因此，将#1、 #2、#3批次中nI所对应区域内的放电界定为快速发展型放电，归属于I区；nⅡ所对应区域内的放电定义为普通型放电，归属于II区。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：开展油纸绝缘样品在不同交流电压下的恒定耐压试验，并获得相应的电寿命和电寿命均值；
S2：将固体材料的电寿命均值和施加电压绘制在同一个对数坐标系中并进行线性拟合，即得到固体材料符合反幂模型的U-t特性曲线，呈现为两段拟合直线；具体包括：结合固体材料电老化寿命反幂模型：
t＝AU-n (1)
其中，t为材料在电压U下的绝缘寿命，U为施加在材料上的电压，n为电压耐受指数，A是对绝缘达到其寿命终点时所承受的全部老化过程的一个度量，称之为累积损伤值；
将(1)式两边取对数，得到：
将施加的电压值U和电寿命值t绘制在对数坐标系中，利用线性拟合获得两条拟合直线，即符合反幂模型的U-t特性曲线
S3：根据U-t特性曲线转折点位置，将整个坐标分为两个区域，对比分析两个区域中拟合直线的斜率大小，从而得出放电类型；具体包括：将对数坐标系中绘制出的两段拟合直线的转折点所对应的电寿命值均值定义为tth，所对应的电压值定义为Uth；同时，将lgt＝lgtth左侧的区域定义为I区，右侧的区域定义为Ⅱ区；将I区的拟合直线的斜率记为kΙ，将Ⅱ区的拟合直线的斜率记为kⅡ；通过两段拟合直线的斜率kΙ、kⅡ求取电压耐受指数nΙ、nⅡ，计算公式为：
1)若nΙ远小于nⅡ，即做出如下界定：a)对于同一种试验电极和同一种样品：若某种放电所对应的电压耐受指数n较小，即归属于I区，则这种放电为快速发展型放电，其电压耐受指数记为nΙ；b)若某种放电所对应的电压耐受指数n较大，即归属于Ⅱ区，则这种放电为普通型放电,其电压耐受指数记为nⅡ；
2)若nΙ与nⅡ的值接近，则无法界定某种放电为快速发展型放电或普通型放电。
2.根据权利要求1所述的基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：首先获得油纸绝缘样品的短时击穿电压Ub与样品的起始放电电压UPDIV，再在[UPDIV,Ub]区间内平均选取若干电压值U1、U2、U3、U4、U5、…、Ui；然后，在各电压下获得油纸绝缘样品的电寿命，每个电压下试验重复大于等于六次，并求取电寿命平均值若在试验过程中出现样品不击穿，电寿命赋值为100000s。
3.根据权利要求1～2中任意一项所述的基于电压耐受指数的交流电压下油纸绝缘快速发展型放电界定方法，其特征在于，该方法的试验装置包括：高压交流电源系统、针板电极人工缺陷模型和局部放电监测系统；高压交流电源系统提供交流电压以对油纸绝缘试品产生电应力，局部放电监测系统用以测量试品的起始放电电压UPDIV。
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