CN113777445A - 考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进xy模型构建方法 - Google Patents

考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进xy模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电气设备故障诊断技术领域，具体公开了一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，包括：结合介电响应理论和传统XY模型，推导考虑电导效应的改进XY模型数学表达式；进一步考虑变压器固体绝缘的不均匀老化效应，将改进XY模型扩展到具有n个不同老化区域的情况下；在实验室制备了多组不同水分梯度下不同老化程度的油浸纸样本，并测量FDS数据；搭建了模拟非均匀老化状态下变压器主绝缘的组合结构模型，并测取FDS数据；验证所提改进XY模型的正确性。本发明综合考虑了不均匀老化和电导效应，搭建了变压器油纸绝缘系统的改进XY模型，为后续进行变压器热点FDS信息提取提供可参考的模型基础。

Description

考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模 型构建方法
技术领域
本发明属于电气设备故障诊断技术领域，特别涉及一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法。
背景技术
大型油浸式变压器是现代电网中最昂贵和最重要的设备之一，固体绝缘的性能决定了变压器的运行寿命。因此，准确的状态监控有助于避免变压器的运行事故。近几十年来，基于频域介电谱的变压器固体绝缘状态评估引起了学者的广泛兴趣。回顾现有的研究发现，对实验室油浸纸板样本的评估已经被广泛报道，然而直接使用实验室建立的评估模型实现现场评估仍具有极大的挑战。如果固体绝缘的FDS可以从现场变压器油纸绝缘系统的总体信息中提取出来，那么实验室条件下建立的评估模型便能够用于现场评估。
XY模型用于从整体FDS信息中提取固体绝缘频域介电响应信息。然而，传统的XY模型认为沿径向方向变压器固体绝缘状态是一致的，且其沿轴向绝缘几何结构也大致相同。因此，变压器油纸绝缘系统可以被等效为由隔板、撑条和绝缘油构成的二维矩形结构。同时，传统的XY模型可被用于建立绝缘油，固体绝缘和油纸绝缘相对介电常数之间的定量关系。然而，实际上运行中的变压器线圈温度(80℃-140℃)远高于其油温，从铁芯往油箱外壳的方向看，温度会随和铁芯距离的增大而下降，而不均匀的温度会导致径向上固体绝缘的不均匀老化，因此，传统XY模型的准确性不能保证，并且未考虑到电导效应，因此其物理意义需进一步完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，扩展了传统XY模型在频域介电谱技术中的应用场合，提升了它的物理意义，为后续提取变压器热点处的FDS信息提供了模型基础。
为实现上述目的，本发明提供了一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，包括以下步骤：
(1)结合介电响应理论和传统XY模型，搭建考虑电导效应下的改进XY模型，得到考虑电导效应下的改进XY模型的数学表达式；
(2)将步骤(1)中的考虑电导效应下的改进XY模型，结合考虑不均匀老化的情况下，构建考虑电导效应和不均匀热老化的改进XY模型，得到综合考虑电导效应和不均匀热老化的改进XY模型的数学表达式为：
Figure BDA0003177716110000021
式中，m和j是用于区分不同老化区域的位置标记，εro、εrp分别是绝缘油和纸板的相对介电常数；
(3)在实验室制备了多组不同水分梯度具有不同老化程度的油浸纸样本，并测量了油浸纸样本和绝缘油的FDS数据；
(4)在实验室搭建了模拟非均匀老化状态下变压器主绝缘的组合结构模型，并测得组合结构模型的FDS数据；
(5)通过采用每个纸板的相对介电常数εrp和油的相对介电常数εro以及实测的FDS数据可以直接计算εrtot；根据实验室测量的组合结构的FDS曲线，点对点地求出响应函数ξ取值；
(6)首先测量同一组合结构模型不同老化的纸板和绝缘油的FDS数据；然后测取了不同组合结构模型的FDS数值；将计算出的组合结构模型的介电常数实部及虚部和测量值进行比较；
(7)对步骤(6)中计算值和测量值的对比结果进行相对误差(RE)分析，验证所提模型在每个频率点处计算结果的准确性。
优选的，上述改进XY模型构建方法中，所述步骤(1)中，传统XY模型中，变压器油纸绝缘结构等效为一个由隔板、撑条和绝缘油构成的二维矩形，其中X值代表隔板总厚度和主绝缘总厚度的比值；Y值代表撑条宽度和主绝缘平均宽度的比值；电介质理论中电介质材料的介电响应特性包含极化和电导两个部分，所以单一电介质的介电特性可用公式(1)表示：
Figure BDA0003177716110000031
式中Y是复导纳，C是复电容代表极化部分，R是电阻代表电导部分，k是表征极化和电导效应占比的权重系数；
因此，变压器主绝缘内各部分导纳可分别表示为：
Figure BDA0003177716110000032
式中ξ是一个和k相关的响应函数，且ξ＝(1/k+1-k)，εr是相对介电常数，C0是几何电容；
进而根据等效电路可以推导出变压器主绝缘的复导纳和相对介电常数，得到考虑电导效应下改进XY模型数学表达式，具体为：
Figure BDA0003177716110000033
Figure BDA0003177716110000034
Ytot＝jω·Ctot＝jω·C0εrtot (5)
Figure BDA0003177716110000035
优选的，上述改进XY模型构建方法中，所述步骤(2)中，考虑到不均匀老化，推广到n个不均匀的老化区域，推导了在n个不均匀老化区域条件下的改进XY模型的数学表达式：
Figure BDA0003177716110000041
Figure BDA0003177716110000042
Figure BDA0003177716110000043
式中m和j是用于区分不同老化区域的位置标记，εro、εrp分别是绝缘油和纸板的相对介电常数，Real和Imag分别是计算复数实部和虚部的操作符。
优选的，上述改进XY模型构建方法中，所述步骤(3)中，通过预处理实验、加速热老化实验及吸潮实验在实验室受控条件下制备了多组具有不同水分梯度及老化程度的实心及空心油浸纸样本，用于构建描述不均匀老化的组合结构模型，并在1×10-3Hz～1×103Hz频段内测量油浸纸样本和绝缘油的FDS数据。
优选的，上述改进XY模型构建方法中，所述步骤(5)中，确定了响应函数ξ的数值，具体过程为：通过实验所测得的实际组合结构的数据和每一单一油浸纸板的相对介电常数实部和虚部，点对点计算1×10-3Hz-1×103Hz频段内响应函数的数值。结果发现：响应函数数值会随着不同组合绝缘状态的改变而变化，但这种变化不显著，因此利用上述结果的平均值作为响应函数的最终取值。
优选的，上述改进XY模型构建方法中，所述步骤(7)中，采用相对误差分析来验证所提模型在每个频率点的准确性，其表达式如式(10)和(11)：
Figure BDA0003177716110000044
Figure BDA0003177716110000045
式中，ε′rtotmi(ωj)为组合结构模型的介电常数实部测量值；ε′rtotci(ωj)为介电常数实部计算值；ε″rtotmi(ωj)为组合结构模型的介电常数实部测量值；ε″rtotci(ωj)为介电常数实部计算值。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，通过考虑电导效应和不均匀老化效应对频域介电响应特性的影响，在实验室构建了模拟非均匀老化效应的组合结构模型，进而构建了改进XY模型，利用所提出数学表达式可以量化分析不均匀老化程度对绝缘系统整体FDS数据影响程度及影响特性的量化分析；最后，通过比较测量结果和计算结果验证了改进的XY模型的准确性。本发明的方法建立了不均匀老化状态下变压器绝缘油、绝缘纸和油纸绝缘系统的相对介电常数之间的定量关系，为后续进行变压器热点FDS信息提取提供可参考的模型基础。对监控变压器的绝缘状态，保证油浸式变压器和电网的安全稳定运行重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例的考虑电导效应的改进XY模型图；
图2是本发明实施例的考虑电导效应和不均匀老化的变压器油纸绝缘改进XY模型图；
图3是本发明实施例的实验室制备样本的FDS数据图；
图4本发明实施例的实验室组合结构模型构建示意图；
图5是本发明实施例的不同组合结构模型下响应函数ξ的计算曲线；
图6是本发明实施例的组合结构模型相对介电常数计算值和测量值的对比图；
图7是本发明实施例的模型验证相对误差(RE)分析图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，包括以下步骤：
(1)构建了考虑电导效应的改进XY模型，如图1所示；推导得到考虑电导效应的改进XY模型的数学表达式：传统XY模型中，变压器油纸绝缘结构可以等效为一个由隔板、撑条和绝缘油构成的二维矩形，其中X值代表隔板总厚度和主绝缘总厚度的比值；Y值代表撑条宽度和主绝缘平均宽度的比值；而电介质理论认为电介质材料的介电响应特性包含极化和电导两个部分；所以单一电介质的介电特性用式(1)表示：
Figure BDA0003177716110000061
其中Yij是复导纳，C是复电容代表极化部分，R是电阻代表电导部分k是表征极化和电导效应占比的权重系数，C0是几何电容；
进而根据等效电路可以推导出变压器主绝缘的复导纳和相对介电常数，得到考虑电导效应下改进XY模型数学表达式，具体为：
Figure BDA0003177716110000062
Figure BDA0003177716110000063
Ytot＝jω·Ctot＝jω·C0εrtot (5)
Figure BDA0003177716110000064
(2)考虑到不均匀老化，将考虑电导效应的改进XY模型推广到n个不均匀的老化区域，构建考虑电导效应和不均匀热老化的改进XY模型，如图2；推导了在n个不均匀老化区域条件下的改进XY模型的数学表达式：
Figure BDA0003177716110000065
Figure BDA0003177716110000066
Figure BDA0003177716110000071
式中m和j是用于区分不同老化区域的位置标记，εro、εrp分别是绝缘油和纸板的相对介电常数，Real和Imag分别是计算复数实部和虚部的操作符；
(3)在实验室制备了两组不同水分梯度具有不同老化程度的实心及空心油浸纸样本，并测量了油浸纸样本和绝缘油的FDS数据；以20:1的油纸比，通过预处理和加速热老化实验在实验室制备了0.8％和2.0％两个水分梯度，不同老化程度的油浸纤维素纸板样本，并在1×10-3Hz～1×103Hz的频段内测得了每一种纸板的FDS数据，见图3；所备纸板将用于后续构建描述不均匀老化的实验室组合结构模型；
(4)在实验室搭建了模拟非均匀老化状态下变压器主绝缘的组合结构模型，并测得了每一模型的FDS曲线，模型构建和测量见图4，具体搭建实验方案见表1；
表1.实验设计方案
Figure BDA0003177716110000072
(5)确定了式(7)中响应函数的数值，见图5；具体过程为：通过实验1～4所测得的实际组合结构的数据和单一油浸纸板的相对介电常数实部、虚部，计算1×10-3Hz～1×103Hz频段内响应函数平均数值；
(6)首先测量同一组合结构模型中具有不同老化状态的纸板、绝缘油的FDS数据；然后测量实验5～7组合结构模型的FDS数值；将计算出的组合结构模型的介电常数实部及虚部和测量值进行比较，如图6所示；
(7)对步骤(6)中计算值和测量值的对比结果，采用相对误差(RE)分析来验证所提模型在每个频率点的准确性，如图7所示；误差分析的表达式如式(10)和(11)：
Figure BDA0003177716110000081
Figure BDA0003177716110000082
结果表明所得的实部相对误差和虚部平均相对相对误差分别低于7.59％和12.61％，初步验证了所提模型的准确性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)结合介电响应理论和传统XY模型，搭建考虑电导效应下的改进XY模型，得到考虑电导效应下的改进XY模型的数学表达式；
(2)将步骤(1)中的考虑电导效应下的改进XY模型，结合考虑不均匀老化的情况下，构建考虑电导效应和不均匀热老化的改进XY模型，得到综合考虑电导效应和不均匀热老化的改进XY模型的数学表达式为：
Figure FDA0003177716100000011
式中，m和j是用于区分不同老化区域的位置标记，εro、εrp分别是绝缘油和纸板的相对介电常数；
(3)制备多组不同水分梯度具有不同老化程度的油浸纸样本，并测量了油浸纸样本和绝缘油的FDS数据；
(4)搭建模拟非均匀老化状态下变压器主绝缘的组合结构模型，并测得组合绝缘模型结构的FDS数据；
(5)通过采用每个纸板的相对介电常数εrp和油的相对介电常数εro以及实测的FDS数据可以直接计算εrtot；根据实验室测量的组合结构模型的FDS曲线，点对点地求出响应函数ξ取值；
(6)首先测量同一组合结构模型不同老化的纸板和绝缘油的FDS数据；然后测取了不同组合结构模型的FDS数值；将计算出的组合结构模型的介电常数实部及虚部和测量值进行比较；
(7)对步骤(6)中计算值和测量值的对比结果进行相对误差(RE)分析，验证所提模型在每个频率点处的计算结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，传统XY模型中，变压器油纸绝缘结构等效为一个由隔板、撑条和绝缘油构成的二维矩形，其中X值代表隔板总厚度和主绝缘总厚度的比值；Y值代表撑条宽度和主绝缘平均宽度的比值；电介质理论中电介质材料的介电响应特性包含极化和电导两个部分，所以单一电介质的介电特性可用公式(1)表示：
Figure FDA0003177716100000021
式中Y是复导纳，C是复电容代表极化部分，R是电阻代表电导部分，k是表征极化和电导效应占比的权重系数；
因此，变压器主绝缘内各部分导纳可分别表示为：
Figure FDA0003177716100000022
式中ξ是一个和k相关的响应函数，且ξ＝(1/k+1-k)，εr是相对介电常数，C0为几何电容；
进而根据等效电路可以推导出变压器主绝缘的复导纳和相对介电常数，得到考虑电导效应下改进XY模型数学表达式，具体为：
Figure FDA0003177716100000023
Figure FDA0003177716100000024
Ytot＝jω·Ctot＝jω·C0εrtot (5)
Figure FDA0003177716100000025
3.根据权利要求1所述的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，考虑到不均匀老化，推广到n个不均匀的老化区域，推导了在n个不均匀老化区域条件下的改进XY模型的数学表达式为：
Figure FDA0003177716100000031
Figure FDA0003177716100000032
Figure FDA0003177716100000033
式中m和j是用于区分不同老化区域的位置标记，εro、εrp分别是绝缘油和纸板的相对介电常数，Real和Imag分别是计算复数实部和虚部的操作符。
4.根据权利要求1所述的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过预处理实验、加速热老化实验及吸潮实验在实验室受控条件下制备了多组具有不同水分梯度及老化程度的实心及空心油浸纸样本，用于构建描述不均匀老化的组合结构模型，并在1×10-3Hz～1×103Hz频段内测量油浸纸样本和绝缘油的FDS数据。
5.根据权利要求1所述的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，所述步骤(5)中，确定了响应函数ξ的数值，具体过程为：通过实验所测得的实际组合结构的数据和每一单一油浸纸板的相对介电常数实部和虚部，点对点地计算1×10-3Hz～1×103Hz频段内响应函数的数值。
6.根据权利要求1所述的考虑电导效应和不均匀老化变压器油纸绝缘系统的改进XY模型构建方法，其特征在于，所述步骤(7)中，采用相对误差分析来验证所提模型在每个频率点计算结果的准确性，其表达式如式(10)和(11)：
Figure FDA0003177716100000034
Figure FDA0003177716100000035
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