CN112782537A - 一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法 - Google Patents

一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，通过建立频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部的比值和平均含水量之间的定量诊断模型，可以量化评估变压器套管的平均含水量。从而解决了对油纸绝缘套管受潮状态只能定性诊断，而无法定量诊断的技术问题，提高了受潮状态评价的可靠性，同时，还避免了变压器套管的几何尺寸对受潮状态评价带来的误差影响，提高了准确性。

Description

一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法
技术领域
本申请涉及变压器套管检测技术领域，尤其涉及一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法。
背景技术
能源电力是经济社会发展的基础，安全、高效、清洁的电力供应是我国现代化发展进程的重要保障。随着电力负荷需求的持续增长，特高压电网规模化的建设，对电网输变电关键装备的绝缘水平提出了更高的要求。
油浸纸套管(以下简称套管)是广泛应用于电力变压器出线装置或导线穿墙的关键设备，是发展超特高压电力系统最先试制的绝缘结构。随着电压等级的提高和电网规模的扩大，套管的市场需求越来越多，其绝缘可靠性对电力系统正常运行十分重要。准确评估套管的运行状态，适时采取高效的运维检修策略，对电网的可靠运行和能源安全具有重要意义。
绝缘受潮是油浸纸套管主要绝缘缺陷类型，给电力系统安全运行构成了极大威胁。近年来，油浸纸套管因密封结构不合理、密封材料失效、运维不当等原因导致进水受潮事故屡见不鲜。目前来说，变压器套管绝缘受潮的诊断手段非常匮乏，常规的诊断参量如介损、电容量、水含量等不足以对现场套管的受潮状态进行有效评估。
基于介电响应的频域介电谱法(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)作为一种无损检测方法，介电谱的方法在油纸等材料特性方面有着广泛的应用。近二十年来，基于频域介电谱的油纸绝缘评估技术，因为它有着现场抗干扰能力强、无损评估固体绝缘含水量及老化状态等优点，逐渐被国内外专家学者引入电力设备的绝缘水分评估的诊断。
国内外众多学者针对油纸绝缘的频域介电谱测试技术开展了大量的研究。A.
Figure BDA0002855581840000011
等人在实验室模拟并分别测试了油浸纸套管在制造过程中组装、干燥、浸油这三个阶段的时域以及频域介电谱数据，试验结果表明PDC和FDS数据对于油浸纸的水分含量、层间空隙以及层间绝缘短路等非常敏感，并且，水分和层间短路的影响也能够被区分开，由此验证了介电谱用于评估油浸纸套管绝缘状况的可行性。Omicron公司Koch M、KrugerM等采用变压器油纸绝缘XY模型，研究了温度、油纸比例、油的电导率、老化等因素对FDS的影响，认为温度变化将影响FDS曲线左右移动，油纸结构中油的比例越高FDS峰值将向上移动，油的电导率增加峰值将向高频移动，在获得不同温度、不同含水量纸板的介电谱曲线的基础上，通过XY模型曲线与实测曲线逼近的方法求取油纸绝缘水分含量值。国内也做了大量的研究，重庆大学廖瑞金等人研究了变压器油纸绝缘的频域介电响应特性，认为水分对油纸绝缘的介质损耗因素的影响主要反映在0.001Hz～0.1Hz范围，利用该频段的介损因素可以诊断油纸绝缘水分含量，提出采用特征频率的介质损耗因数、介损因子评估油浸纸板的水分含量，通过建立特征tanδ与纸板绝缘状态的指数函数经验公式来对其水分含量定量评估。杨丽君等人研究了72.5kV的套管缩比模型老化过程的频域介电谱曲线，分析认为相比传统的工频电容值，低频段对应的电容值对绝缘状态变化反映更为灵敏；研究了修正Cole-Cole模型特征参数与油纸水分的关系，根据XY模型修正提取特征参数，对变压器绝缘水分进行了评估。
从现有研究成果来看，目前针对油纸绝缘套管的介电谱诊断方法，存在仅在定性规律方面得到了比较明确的结论，但无法对油纸绝缘套管受潮状态进行定量诊断，尚没有可靠应用于现场的受潮状态评价方法。
发明内容
本申请提供了一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，用于解决现有技术对油纸绝缘套管受潮状态只能定性诊断，而无法定量诊断的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，包括以下步骤：
S1：根据不同含水量下的变压器套管复电容实部频率响应曲线，提取频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部，从而得到复电容实部比Cx，其表达式为
Figure BDA0002855581840000021
S2：根据所述复电容实部比Cx及其对应的含水量，分析获得复电容实部比Cx与含水量的关系曲线；
S3：通过一次指数拟合得到室温下复电容实部比Cx与平均含水量M的定量诊断模型，所述定量诊断模型的表达式为
Figure BDA0002855581840000031
从而通过复电容实部比Cx量化评估变压器套管的平均含水量。
优选地，所述步骤S1之前包括：S101：通过控制干燥时间和潮气加湿的方法获得不同含水量的绝缘纸，再进行芯体模型卷制、装配和真空浸渍制成不同电压等级下的不同含水量的变压器套管。
优选地，所述步骤S101之后，所述步骤S1之前包括：
S102：通过高压频域介电谱测试得到变压器套管的复电容参数，通过复电容参数的计算公式得到复电容实部的频率响应曲线。
优选地，所述步骤S2中的复电容实部比Cx与含水量的关系曲线为复电容实部比Cx随含水量的增加呈指数上升。
优选地，所述步骤S3之后包括：对所述定量诊断模型进行修正界定获得修正的定量诊断模型，修正的定量诊断模型的表达式为：
Figure BDA0002855581840000032
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供了一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，通过建立频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部的比值和平均含水量之间的定量诊断模型，可以量化评估变压器套管的平均含水量。从而解决了对油纸绝缘套管受潮状态只能定性诊断，而无法定量诊断的技术问题，提高了受潮状态评价的可靠性，同时，还避免了绝缘几何尺寸对受潮状态评价带来的误差影响，提高了准确性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的复电容实部比Cx与含水量的关系曲线图；
图3为本申请实施例提供的不同电压等级下的复电容实部比Cx与含水量的关系曲线；
图4为本申请实施例提供的三个套管的复电容实部频域曲线图；
图5为本申请实施例提供的三个套管的复电容实部比的对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，包括以下步骤：
S1：根据不同含水量下的变压器套管复电容实部频率响应曲线，提取频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部，从而得到复电容实部比Cx；
其中，复电容实部比Cx表达式为
Figure BDA0002855581840000041
S2：根据复电容实部比Cx及其对应的含水量，分析获得复电容实部比Cx与含水量的关系曲线；
S3：通过一次指数拟合得到室温下复电容实部比Cx与平均含水量M的定量诊断模型，定量诊断模型的表达式为
Figure BDA0002855581840000042
从而通过复电容实部比Cx量化评估变压器套管的平均含水量。
需要说明的是，本实施例的工作原理为：
对不同含水量的变压器套管进行频域介电谱分析，根据频域介电谱测量原理，可得到受潮套管的复电容参数的表达式为：
Figure BDA0002855581840000043
式中，Z(ω)为测量阻抗，可由频域介电谱测试施加在试品上的电压U(ω)及电流I(ω)计算得出，C*为复电容参数，ω为频率，j为复数。
而对于电介质，当施加电压后，其内部会发生极化，总的介电响应效果可描述为：
Figure BDA0002855581840000051
式中，C0为电介质在真空中的几何电容，ε∞为介电常数的高频分量，χ'(ω)为极化率，σ0为电介质的体积电导率，ε0为真空中的介电常数，ε'为复电容实部对应的介电常数，ε”为复电容虚部对应的介电常数，C’为复电容实部，C”为复电容虚部。
复电容反映的介电响应特性与复介电常数具有一致性，根据公式
Figure BDA0002855581840000052
式中，Qo为真空中极板上的电荷量，s为极板面积，d为极板距离。
因此，由上式可以看出电介质在真空中的几何电容Co受到几何尺寸的影响，也即几何尺寸决定了电介质在真空中的几何电容Co，为了排除几何尺寸对频域介电谱诊断的影响，采取复电容实部分别在频率点1mHz和10kHz的比值来评判受潮套管的含水量，在复电容实部比值中，直接消除了形状系数S/d，反映了1mHz低频电场下套管相对介电常数的变化程度。
在1mHz低频电场下的复电容实部反映的是具有低频弥散现象的、反映界面极化的电容项，而界面极化与侵入或者残留在芯子层间的水分浓度直接相关。在10kHz高频电场下的复电容实部，反映的是一个没有弥散现象的瞬时电容，即反映几何电容，相比高频而言，频率越低，微观粒子运动的时间越长，表现为复电容实部越随着频率的降低而增大，即出现显著的弥散现象。
套管电容芯子受潮后，在外加电场的作用下存在极化和电导两个物理过程，受潮层的油纸界面极化和电导的共同作用造成超低频的介损和低频电容增大，而水分的参与主要增加了界面极化。低频电容与高频电容的比值因反映了绝缘介质的相对介电常数变化量，进而反映了界面极化的程度，其比值大小与水分子浓度有关，但与绝缘几何结构无关。因而采用复电容实部分别在频率点1mHz和10kHz的比值具有较好的套管受潮程度表征能力，还可绝缘几何结构带来的避免误差。
通过控制干燥时间和潮气加湿的方法获得不同含水量的绝缘纸，再进行芯体模型卷制、装配和真空浸渍制成不同含水量的变压器套管，通过高压频域介电谱测试得到不同含水量下的变压器套管复电容参数频率响应曲线后，提取频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部，从而通过数据拟合获得复电容实部比Cx与含水量的关系曲线，关系曲线如图2所示，由图2可以看出，复电容实部比Cx与含水量的关系曲线为复电容实部比Cx随含水量的增加呈指数上升。复电容实部比Cx在2～4范围内时，属于中度受潮状态，复电容实部比Cx在4以上，属于严重受潮状态。因此，复电容实部比Cx可较为灵敏地表征变压器套管的受潮缺陷，其不同阶段值可作为油纸绝缘套管受潮的判据。
接下来，通过将不同电压等级的不同含水量的变压器套管进行频域介电谱分析，在本实施例中，采用变压器比较通用的电压等级15kV、26kV和40.5kV，通过频域介电谱分析后进行数据拟合得到如图3所示的复电容实部比Cx与含水量的关系曲线，而拟合后得到一次指数的定量诊断模型，表达式为
Figure BDA0002855581840000061
其中，Cx的有效数字为2，式中的1.0的物理意义是低频电容与高频电容完全相等，即低频电场下介质空间内部无粒子运动和电荷储存。从而通过复电容实部比Cx量化评估变压器套管的平均含水量
考虑到DL/T 580-2013标准中规定的对于750kV以上的变压器平均含水量不应大于0.5％，由图3可以得到当平均含水量为0.5％时，其对应的复电容实部比Cx为1.3，即当测得的CX≤1.3，套管最大含水量为0.5％，满足DL/T580-2013标准中规定的变压器套管含水量的条件。因此，对定量诊断模型进行修正界定获得修正的定量诊断模型，修正的定量诊断模型的表达式为：
Figure BDA0002855581840000062
另外，对于电压等级为500kV以下的变压器依据DL/T 596标准按照上述步骤对定量诊断模型进行修正，在此不再赘述。
实施例1
本实施例针对电压等级为500kV的疑似受潮套管A、正常套管C和新出厂的套管Z在室温下进行频域介电谱测试，测得三个套管的复电容实部频域曲线图如图4所示，通过图4分别获得三个套管分别在频率点为1mHz和10kHz的复电容实部比，如图5所示，为三个套管的复电容实部比的对比图。由图5可以得出，正常套管C和新出厂的套管Z的复电容实部比接近1，而疑似受潮套管A的复电容实部比为1.5，说明A套管的水分略高与C套管和Z套管，但并非严重受潮阶段。
测试完成后，采用卡尔费休滴定法(KFT)分别对三个套管进行解体并取纸样进行纸中含水量测试，测试结果表明：疑似受潮套管A的纸样的平均含水量约为1.1％，采用定量诊断模型的诊断结果为1.1％，说明该定量诊断模型具有有效性和准确性。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据不同含水量下的变压器套管复电容实部频率响应曲线，提取频率点分别为1mHz和10kHz的复电容实部，从而得到复电容实部比Cx，其表达式为
Figure FDA0002855581830000011
S2：根据所述复电容实部比Cx及其对应的含水量，分析获得复电容实部比Cx与含水量的关系曲线；
S3：通过一次指数拟合得到室温下复电容实部比Cx与平均含水量M的定量诊断模型，所述定量诊断模型的表达式为
Figure FDA0002855581830000012
从而通过复电容实部比Cx量化评估变压器套管的平均含水量。
2.根据权利要求1所述的基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，其特征在于，所述步骤S1之前包括：S101：通过控制干燥时间和潮气加湿的方法获得不同含水量的绝缘纸，再进行芯体模型卷制、装配和真空浸渍制成不同电压等级下的不同含水量的变压器套管。
3.根据权利要求2所述的基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，其特征在于，所述步骤S101之后，所述步骤S1之前包括：
S102：通过高压频域介电谱测试得到变压器套管的复电容参数，通过复电容参数的计算公式得到复电容实部的频率响应曲线。
4.根据权利要求1所述的基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，其特征在于，所述步骤S2中的复电容实部比Cx与含水量的关系曲线为复电容实部比Cx随含水量的增加呈指数上升。
5.根据权利要求1所述的基于高压频域介电谱的变压器套管受潮状态评价方法，其特征在于，所述步骤S3之后包括：对所述定量诊断模型进行修正界定获得修正的定量诊断模型，修正的定量诊断模型的表达式为：
Figure FDA0002855581830000013
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