CN116430176A - 一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,属绝缘材料老化评估技术领域。利用极化/去极化电流法+绝缘纸抗拉强度测试法+变压器雷击过电压次数进行数学建模,获取去极化陷阱能级密度曲线的峰值、应力‑应变曲线的应力峰值,结合变压器雷击过电压次数,计算由去极化陷阱峰值、应力峰值和雷击过电压次数所构成的三角形面积S的大小,即可准确诊断出油纸绝缘的老化状态;最终通过诊断结果决定油纸绝缘的修补方式或是直接换新;有效提高雷击下油纸绝缘诊断的准确性,实现精准评估雷击下变压器油纸绝缘老化程度,解决了现有技术缺乏针对雷击下变压器油纸绝缘状态评估方法的研究及诊断不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,属绝缘材料老化评估技术领域。
背景技术
变压器是电力传输系统的核心设备,变压器中无法更换的绝缘纸的老化程度是决定变压器寿命长短的主要因素;因此可以说,变压器绝缘纸的绝缘状态直接影响变压器的安全稳定运行;传统诊断油纸绝缘状态的方法主要围绕油纸绝缘的热老化程度展开,检测方式主要包含绝缘纸聚合度测试、绝缘纸抗拉强度测试和油中糠醛含量检测,而变压器实际运行中经常会受到雷暴的侵袭,在雷电的冲击电压作用下,变压器的油纸绝缘介质极易出现累积损伤,从而大大增加变压器发生故障的概率,准确诊断才能适时更换,切实保证变压器经济安全运行;经过文献调研,目前针对雷电冲击下油纸绝缘状态的诊断方法的研究很少,因此,深入开展雷电冲击电压下的变压器油纸绝缘状态的评判诊断研究工作,为准确评估变压器油纸绝缘老化状况提供一种新的诊断方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的发明目的是,针对上述现有技术存在的不足,提供一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,充分利用极化/去极化电流法+绝缘纸抗拉强度测试法+变压器雷击过电压次数,通过数学建模构建实施本发明的技术方案,有效提高雷击下油纸绝缘诊断的准确性,实现精准评估雷击下变压器油纸绝缘老化程度,以解决现有技术缺乏针对雷击下变压器油纸绝缘状态评估方法研究,及诊断不准确的问题。
本发明通过以下的技术方案来实现上述发明目的:
通过应力峰值、去极化陷阱峰值与雷电冲击次数的关系,确定油纸绝缘的老化状态,提高雷击下油纸绝缘老化诊断的准确性,实现精准地对变压器油纸绝缘老化状态进行评估。
1.一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,基于绝缘纸抗拉强度测量法和极化/去极化电流法;其特征在于,它是通过包括下述步骤实现的:
(1)利用极化/去极化电流法测量油纸绝缘的去极化电流值;
(2)将去极化电流值乘以去极化测试时刻,计算得到去极化陷阱能级密度曲线;
(3)利用绝缘纸抗拉强度测量法测量油纸绝缘的应力峰值,将该应力峰值、去极化陷阱能级密度曲线峰值以及记录的变压器雷电冲击电压次数绘制于同一三维图中,通过计算由此三维图中的三个点构成的三角形面积S,即可准确确定油纸绝缘的绝缘状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,其特征在于,步骤(1)中所述利用极化/去极化电流法测量油纸绝缘的去极化电流值,具体通过给变压器绝缘介质外加测试电压和撤去测试电压来测量其极化电流值及去极化电流值;所述测试电压为直流电压2kV,极化和去极化测试时间为2000s;
当直流电压2kV作用于变压器时,极化过程开始,流过其绝缘介质的极化电流值通过公式(1)表示为:
当撤去直流电压2kV时,去极化过程立刻开始,油纸绝缘的去极化电流值通过公式(2)表示为:
式中T p 为绝缘介质的充电时间,介质响应函数f (t)为单调衰减函数,t为去极化测试时间,当T p 很大时,f(t+T p )≈0。
3.根据权利要求1所述的一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,其特征在于,步骤(2)中测得的极化电流值转换成去极化陷阱能级密度曲线过程:
首先测量油纸绝缘在恒温条件下的去极化电流随测试时间t的变化,得到去极化陷阱能级密度曲线,通过该去极化陷阱能级密度曲线反映绝缘介质的去极化陷阱能级E T 的特性;
绝缘介质的去极化陷阱能级E T 与测试时间t的关系通过公式(3)表示为:
式中k为Boltzmann常数,T为绝对温度,v为陷阱中电子逃逸的频率;
绝缘介质的去极化电流与陷阱能级密度函数N(E)的关系通过公式(4)表示为:
式中q为电荷量,l为绝缘的厚度,t 1为去极化电流值所对应的去极化测试时刻,f 0(E)为陷阱的初始密度函数,N(E)为陷阱能级密度函数,k为Boltzmann常数;
去极化电流与去极化测试时刻t 1的乘积即可反映电介质的相对陷阱密度;结合公式(3)、(4)得到公式(5):
由公式(5)可知,i d(t)·t与陷阱能级密度N(E)呈正相关;lnt正比于陷阱能级E T 。
4.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘状态的快速诊断方法,其特征在于,步骤(3)中,由应力峰值、去极化陷阱能级密度曲线峰值以及变压器雷电冲击电压次数所构成的三角形面积S的数值越大,油纸绝缘的老化程度越严重。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
该用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,利用极化/去极化电流法+绝缘纸抗拉强度测试法+记录变压器雷击过电压次数进行数学建模,通过去极化电流值得到油纸绝缘的去极化陷阱能级密度曲线,并提取去极化陷阱能级密度曲线峰值,然后对绝缘纸进行抗拉强度测试,将抗拉强度曲线转化为应力-应变曲线,并取该应力-应变曲线的峰值,最后计算由去极化陷阱能级密度曲线的去极化陷阱能级密度曲线峰值、应力-应变曲线的应力峰值和雷击过电压次数所构成的三角形面积S的大小,即可准确直观诊断出油纸绝缘的老化状态;最终通过诊断结果决定油纸绝缘的修补方式或是直接换新;本发明有效提高雷击下油纸绝缘诊断的准确性,实现精准评估雷击下变压器油纸绝缘老化程度,解决了现有技术缺乏针对雷击下变压器油纸绝缘状态评估方法的研究及诊断不准确的问题。
附图说明
图1为本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的工作流程图;
图2为本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的极化/去极化电流系统的测量电路回路示意图;
图3为本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的去极化陷阱能级密度曲线图;
图4为本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的去极化陷阱能级密度曲线的峰值Q max、应力峰值σ max 和雷击过电压次数组成的三维图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的具体实施方式做进一步详细说明(参见图1-4):
本发明提供了一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,它是通过包括下述步骤实现的:
(1)通过极化/去极化电流法测量变压器油纸绝缘的极化电流和去极化电流;
(2)利用去极化电流得到油纸绝缘的去极化陷阱能级密度曲线;
(3)测量绝缘纸的抗拉强度,将抗拉强度转化成应力-应变曲线,再将应力峰值、去极化陷阱峰值、雷电冲击电压次数绘制在同一三维图中,通过对比上述三点所围成的三角形面积S的大小判断油纸绝缘的老化状态。
本发明首先测量油纸绝缘的去极化电流值,再根据陷阱理论,通过去极化电流值得到油纸绝缘的去极化陷阱能级密度曲线,并提取去极化陷阱能级密度曲线的峰值,然后对绝缘纸进行抗拉强度测试,将抗拉强度曲线转化为应力-应变曲线,并取该曲线的峰值即应力峰值,最后通过去极化陷阱能级密度曲线的峰值即去极化陷阱峰值、应力-应变曲线的应力峰值和雷击过电压次数所构成的三角形面积S的大小准确诊断出油纸绝缘的老化状态,根据诊断结果决定油纸绝缘的修补方式或直接换新;(参见图1)。
进一步地,步骤(1)中所述测量油纸绝缘的极化/去极化电流具体操作如下:极化/去极化电流测试系统主要由高压直流电源、高压真空继电器、极化回路切换开关K1、去极化回路切换开关K2、限流电阻和高精度电流表组成;采用极化/去极化电流法对油纸绝缘施加2kV直流电压,电流的采样频率为1Hz,极化和去极化测试时间为2000s;为减小测试过程中沿面泄漏电流对实测极化/去极化电流值的影响,绝缘纸两端加装铜箔,并用导线连接铜箔作为屏蔽电极;(参见图2);
当直流电压作用于油纸绝缘时,极化过程开始,流过其绝缘部分的极化电流用公式(1)表示为:
式中:e 0为真空介电常数;U 0为极化电压;C 0为油纸绝缘的几何电容,f (t)为介质响应函数,σ 0为电导率;
当直流电压撤去时,去极化过程立刻开始,油纸绝缘的去极化电流用公式(2)表示为:
式中:T p 为绝缘介质的充电时间,介质响应函数f (t)为单调衰减函数,当T p 很大时,f(t+T p )≈0。
进一步地,步骤(2)中所述利用去极化电流值得到油纸绝缘的去极化陷阱能级密度曲线的推导过程为:首先通过测量油纸绝缘在恒温条件下的去极化电流随时间的变化,得到的去极化陷阱能级密度曲线,即可反映绝缘介质的陷阱能级E T 特性;
绝缘介质的陷阱能级E T 与时间t的关系通过公式(3)表示为:
公式(3)中:k为Boltzmann常数;T为绝对温度;v为陷阱中电子逃逸的频率;(玻尔兹曼常数(Boltzmann constant) k为常量,只需要将数值代入公式即可)。
绝缘介质的去极化电流与测试时间t的关系通过公式(4)表示为:
式中:q为电荷量;l为绝缘的厚度(mm);f 0(E)为电子陷阱的初始密度函数;N(E)为陷阱能级密度函数。
去极化电流i d(t)与测试时间t的乘积可以反映电介质陷阱的相对能级密度,结合公式(3)和公式(4)可得到公式(5):
由公式(5)可知,i d(t)·t 1与陷阱能级密度函数N(E)呈正相关,(其中t 1=1,2,……,t);lnt正比于陷阱能级E T ;取去极化陷阱能级密度曲线的峰值Q max;(参见图3)。
进一步地,步骤(3)中所述测量绝缘纸的抗拉强度,并将其转化成应力-应变曲线,取应力峰值,再将应力峰值、去极化陷阱峰值、雷击过电压次数绘制在同一三维图中,并以此三点形成的三角形面积S的大小诊断油纸绝缘的老化状态,所述三角形面积S的值越大,表明油纸绝缘的老化程度越严重;在开展抗拉强度测试前,将绝缘纸裁剪成长60mm和宽20mm的试品,在断裂拉伸试验前,将试验机的拉伸间距设置为20mm,拉伸速度为5mm/min;为了提高测量结果的准确性,必须将试品在同一状态下测量3次后取平均值。
根据断裂拉伸试验所测得的数据得到试品的应力-应变曲线,通过公式(6)表示为:
式中:σ为应力(MPa);S 0为初始截面积(mm2);ε为应变(%);F为施加力(N);L为瞬时样品的标距长度(mm);L 0为初始状态下样品长度(mm)。
将应力峰值、去极化陷阱峰值、雷电冲击电压次数绘制在同一三维图中,并计算此三点围成的三角形S的面积;根据所述三角形S的面积判断油纸绝缘系统的绝缘状态;(参见图4)。
本发明实施例中,图1示出了本发明一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法的工作流程图;图2示出了本发明油纸绝缘的极化/去极化电流测量系统的电路连线图;图3示出了本发明去极化陷阱能级密度曲线图;图3的横轴lnt正比于陷阱能级E T ,图3的纵轴去极化电流i d(t)与去极化测试时刻t 1 的乘积反映电介质陷阱的相对能级密度,图3中横轴lnt与纵轴i d(t)·t 1的最高对应点[7 150]即为去极化陷阱峰值Q max;图4示出了本发明变压器油纸绝缘在不同雷击过电压次数作用下的去极化陷阱能级密度曲线的峰值Q max、应力峰值σ max及雷电冲击次数所构成的三角形面积S;由图4可清楚看出,随着雷电冲击次数的增加,油纸绝缘的老化程度加深,所述三角形面积S逐渐增大,(参见图4),所述三角形面积S1<S2<S3<S4<S5,变压器油纸绝缘的老化程度逐渐增大。
本发明提供的一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,将传统检测方法与介电响应法相结合,实现准确诊断油纸绝缘的老化状态;本发明首先基于极化/去极化电流法测量得到油纸绝缘的极化/去极化电流值,再利用陷阱理论通过去极化电流值得到去极化陷阱能级密度曲线,并取该曲线的峰值Q max,即去极化陷阱峰值Q max,然后通过绝缘纸的断裂拉伸测量得到应力-应变曲线,并取该曲线的应力峰值σ max ,最后将去极化陷阱峰值Q max、应力峰值σ max和雷击过电压次数绘制在同一三维图中,并计算此三点所构成的三角形面积S的大小,从而准确诊断出油纸绝缘系统的绝缘状态。
以上所述只是本发明的较佳实施例而已,上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制,所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形,以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例,均仍属于本发明技术方案的范围内,而不背离本发明的实质和范围。
Claims (4)
1.一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,基于绝缘纸抗拉强度测量法和极化/去极化电流法;其特征在于,它是通过包括下述步骤实现的:
(1)利用极化/去极化电流法测量油纸绝缘的去极化电流值;
(2)将去极化电流值乘以去极化测试时刻,计算得到去极化陷阱能级密度曲线;
(3)利用绝缘纸抗拉强度测量法测量油纸绝缘的应力峰值,将该应力峰值、去极化陷阱能级密度曲线峰值以及记录的变压器雷电冲击电压次数绘制于同一三维图中,通过计算由此三维图中的三个点构成的三角形面积S,即可准确确定油纸绝缘的绝缘状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,其特征在于,步骤(1)中所述利用极化/去极化电流法测量油纸绝缘的去极化电流值,具体通过给变压器绝缘介质外加测试电压和撤去测试电压来测量其极化电流值及去极化电流值;所述测试电压为直流电压2kV,极化和去极化测试时间为2000s;
当直流电压2kV作用于变压器时,极化过程开始,流过其绝缘介质的极化电流值通过公式(1)表示为:
式中e 0为真空介电常数;U 0为极化电压;C 0为油纸绝缘的几何电容,f (t)为介质响应函数,σ 0为电导率;
当撤去直流电压2kV时,去极化过程立刻开始,油纸绝缘的去极化电流值通过公式(2)表示为:
式中T p 为绝缘介质的充电时间,介质响应函数f (t)为单调衰减函数,t为去极化测试时间,当T p 很大时,f(t+T p )≈0。
3.根据权利要求1所述的一种用于雷电冲击电压下变压器油纸绝缘状态的诊断方法,其特征在于,步骤(2)中测得的极化电流值转换成去极化陷阱能级密度曲线过程:
首先测量油纸绝缘在恒温条件下的去极化电流随测试时间t的变化,得到去极化陷阱能级密度曲线,通过该去极化陷阱能级密度曲线反映绝缘介质的去极化陷阱能级E T 的特性;
绝缘介质的去极化陷阱能级E T 与测试时间t的关系通过公式(3)表示为:
式中k为Boltzmann常数,T为绝对温度,v为陷阱中电子逃逸的频率;
绝缘介质的去极化电流与陷阱密度N(E)的关系通过公式(4)表示为:
式中q为电荷量,l为绝缘的厚度,t 1为去极化电流值所对应的去极化测试时刻,f 0(E)为陷阱的初始密度函数,N(E)为陷阱能级密度函数,k为Boltzmann常数;
去极化电流与测试时间t的乘积即可反映电介质的陷阱能级密度N(E);结合公式(3)、(4)得到公式(5):
由公式(5)可知,i d(t)·t 1与陷阱能级密度函数N(E)呈正相关,(其中t 1=1,2,……,t);lnt正比于陷阱能级E T 。
4.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘状态的快速诊断方法,其特征在于,步骤(3)中,由应力峰值、去极化陷阱能级密度曲线峰值以及雷电冲击电压次数所构成的三角形面积S的数值越大,油纸绝缘的老化程度越严重。
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CN117390368A (zh) * | 2023-12-07 | 2024-01-12 | 云南电投绿能科技有限公司 | 一种风电机的接闪概率计算方法、装置、设备及存储介质 |
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