CN117647711A - 一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，属于电力设备状态检测技术领域，通过构建局部受潮的电抗器理论模型和构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型，可实现受潮包封绝缘的数目及受潮包封的位置的准确诊断。由于高频激励下包封绝缘材料的介电特性受温度的影响较小，因此测试时的可以忽略环境温度的影响；高频激励下可以忽略电感的影响，因此仅建立包含电阻和电容的忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型即可，同时考虑了测试激励下涡流损耗对线圈电阻分布的影响，引入了涡流等效电阻Rd，易于准确评估实际电抗器局部受潮状态。
Description
技术领域
本发明属于电力设备状态检测技术领域，特别是涉及到一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法。
背景技术
随着特高压工程的逐渐深入，电力系统逐渐向高电压、大容量和远距离传输等方向发展。在特高压直流平波、滤波和桥臂电抗与特高压交流系统中，干式空心电抗器在系统中的运行数量越来越多，在滤除谐波、限制过流、平衡系统的无功功率、限制系统的过电压等方面起着重要作用。干式空心电抗器采用多包封并绕结构型式，与油浸式电抗器和铁心电抗器相比较，具有价格低、结构简单、重量轻、电抗值线性、损耗低、维护方便等技术优势。从上世纪90年代开始，干式空心电抗器在电力系统越来越广泛使用。
然而，干式空心电抗器经过长时间的运行，由于绝缘高分子材料与金属材料的热膨胀系数不同，导致电抗器上部的包封绝缘开裂，干式空心电抗器绝缘上端开裂后在雨季时包封中易产生积水，积水不易挥发，包封绝缘出现局部受潮，长期工况下将引发包封内产生放电电弧及局部过热现象，而电抗器匝间绝缘材料使用的为聚酯膜类高分子化合物，其为水溶性材料，长期浸水后将造成材料水解，致使匝间绝缘击穿。现阶段对于干式空心电抗器局部受潮情况的理论分析可有效提高该类设备运行的状态评价准确性，并可对电抗器的选型方面、监造方面、安装方面以及运行维护方面做出相应的技术调整，避免引起特高压干式空心电抗器烧毁现象的发生，有效提高空心电抗器运行的可靠性。
通常检测电力设备绝缘受潮可采用极化指数测试实现，然而对于特高压直流空心电抗器包封众多、包封中铝线电屏蔽作用，会导致传统极化指数测试只能用于最内包封内表面和最外包封外表面受潮状况检测，无法通过一次测试实现对电抗器各包封局部受潮状况的准确评估。
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，本发明提供一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，用于解决无法通过一次测试实现对电抗器各包封局部受潮状况准确评估的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，包括如下步骤：
S1、在实验室环境下制备受潮的电抗器包封绝缘试样，通过高频激励源对电抗器包封绝缘试样施加不同频率的高频电压激励，并提取其容性变化分量中包封绝缘的介电常数随施加的电压激励频率变化的曲线；
S2、根据实际电抗器的包封数、匝数、气道宽度和各包封内的线规尺寸构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型；
S3、将电抗器幅向划分为各包封，轴向划分为上、下两部分，构建局部受潮的电抗器理论模型；所述上部分为可受潮区域；所述下部分为未受潮区域；对电抗器理论模型的各包封受潮数量和位置进行排列组合，同时对可受潮区域的占比在设定范围内，以设定步长进行迭代，获得不同受潮情况下的电抗器理论模型；
S4、根据S2的电抗器高频阻抗分布网络模型和S1所得的包封绝缘的介电常数计算S3所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值；构建不同受潮情况下电抗器的阻抗值随施加的电压激励频率变化的曲线库；
S5、对实际电抗器通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线；
S6、将S5获得的实测曲线分别与S4的曲线库中的曲线进行比较计算，当实测曲线与曲线库中的曲线在各频率点下的阻抗值的相对误差的均方值最小时，则曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮数量和位置即为实际电抗器局部受潮状态的评估结果。
优选的S1所述高频电压激励的频率范围是1000赫兹～100M赫兹。
优选的S2所述构建忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型的具体步骤为：
S21、以单根线匝为基础建立网络单元；所述网络单元包括匝间电容Cz、直流电阻RC和涡流等效电阻Rd；所述匝间电容Cz与直流电阻RC串联后和所述涡流等效电阻Rd并联；
S22、将网络单元沿电抗器的轴向串联形成线圈层；所述线圈层之间串联有层间电容Cc；
S23、所述线圈层沿电抗器的径向并联形成包封组；所述包封组的最外侧和最内侧分别串联有对地电容C。
优选的S3所述可受潮区域的占比迭代范围为1％-20％；迭代步长为1％。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、高频激励下包封绝缘材料的介电特性受温度的影响较小，因此测试时的环境温度对评估结果几乎无影响；
2、高频激励下可以忽略电感的影响，因此仅建立包含电阻和电容的忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型即可，简化计算，易于准确评估实际电抗器局部受潮状态；
3、考虑了测试激励下涡流损耗对线圈电阻分布的影响，引入了涡流等效电阻Rd，易于准确评估实际电抗器局部受潮状态；
4、通过构建局部受潮的电抗器理论模型和构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型，可实现受潮包封绝缘的数目及受潮包封的位置的准确诊断。
附图说明
图1为本发明一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法的流程图。
图2为本发明一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法的忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型示意图。
图3为本发明一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法的实施例中未受潮35kV电抗器高频阻抗谱曲线与拟合计算曲线对比图。
图4为本发明一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法的实施例中第一个包封受潮情况下35kV电抗器高频阻抗谱曲线与拟合计算曲线对比图。
图5为本发明一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法的实施例中第一、二、六个包封受潮情况下35kV电抗器高频阻抗谱曲线与拟合计算曲线对比图。
图中1-网络单元、11-匝间电容Cz、12-直流电阻RC、13-涡流等效电阻Rd、2-线圈层、3-层间电容Cc、4-包封组、5-对地电容C、r表示电抗器的径向、z表示电抗器的轴向。
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
需要特别说明的是文中所述"前后，上下，左右"等只是基于附图为了直观描述位置关系的一种简化说法，并非对技术方案的限定。
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，在不脱离权利要求中所阐述的发明机理和范围的情况下，使用者可以对下列参数进行各种改变。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。
由附图1～5所示：一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，包括如下步骤：
S1、在实验室环境下制备受潮的电抗器包封绝缘试样，通过高频激励源对电抗器包封绝缘试样施加不同频率的高频电压激励，并提取其容性变化分量中包封绝缘的介电常数随施加的电压激励频率变化的曲线；
S2、根据实际电抗器的包封数、匝数、气道宽度和各包封内的线规尺寸构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型；
S3、将电抗器幅向划分为各包封，轴向划分为上、下两部分，构建局部受潮的电抗器理论模型；所述上部分为可受潮区域；所述下部分为未受潮区域；对电抗器理论模型的各包封受潮数量和位置进行排列组合，同时对可受潮区域的占比在设定范围内，以设定步长进行迭代，获得不同受潮情况下的电抗器理论模型；
S4、根据S2的电抗器高频阻抗分布网络模型和S1所得的包封绝缘的介电常数计算S3所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值；构建不同受潮情况下电抗器的阻抗值随施加的电压激励频率变化的曲线库；
S5、对实际电抗器通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线；
S6、将S5获得的实测曲线分别与S4的曲线库中的曲线进行比较计算，当实测曲线与曲线库中的曲线在各频率点下的阻抗值的相对误差均方值最小时，则曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮数量和位置即为实际电抗器局部受潮状态的评估结果。
进一步的S1所述高频电压激励的频率范围是1000赫兹～100M赫兹。
进一步的所述S1通过电容和介电常数的关系式提取其容性变化分量中包封绝缘的介电常数。即通过仪器测量不同频率的高频电压激励下受潮的电抗器包封绝缘试样电容值，在通过电容和介电常数的关系式计算不同频率的高频电压激励下受潮的电抗器包封绝缘的介电常数，
进一步的S2所述构建忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型的具体步骤为：
S21、以单根线匝为基础建立网络单元1；所述网络单元1包括匝间电容Cz11、直流电阻RC12和涡流等效电阻Rd13；所述匝间电容Cz11与直流电阻RC12串联后和所述涡流等效电阻Rd13并联；
S22、将网络单元1沿电抗器的轴向串联形成线圈层2；所述线圈层2之间串联有层间电容Cc3；
S23、所述线圈层2沿电抗器的径向并联形成包封组4；所述包封组4的最外侧和最内侧分别串联有对地电容C5。
高频激励下可以忽略电感的影响，因此仅建立包含电阻和电容的忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型即可，同时考虑了测试激励下涡流损耗对线圈电阻分布的影响，引入了涡流等效电阻Rd，简化计算，易于准确评估实际电抗器局部受潮状态。
进一步的S3所述可受潮区域的占比迭代范围为1％-20％；迭代步长为1％。具体操作时可先设定可受潮区域的占比为1％，对电抗器理论模型的各包封受潮数量和位置进行排列组合，由于线圈层2间的层间电容Cc与包封绝缘的介电常数相关，受潮区域的包封绝缘的介电常数可通过S1的数据库提取，未受潮区域的包封绝缘的介电常数为包封绝缘材料的介电常数的理论值；分别计算受潮区域的和未受潮区域的层间电容Cc；最终得到S3所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值；改变可受潮区域的占比为2％，重复上述步骤，直至可受潮区域的占比为20％停止迭代，获得不同受潮情况下电抗器的阻抗值随施加的电压激励频率变化的曲线库。
进一步的S4所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值计算步骤为：
S41、通过电阻率与面积计算直流电阻RC12的阻值；具体公式如下：
式中，a为圆形导线的直径，单位：米；r为电抗器线圈的半径，单位：米；di为匝间绝缘的厚度，单位：米；ρi为匝间绝缘的电阻率；k为匝间绝缘的修正系数，主要与匝间绝缘厚度有关，k值最小值为1，匝间绝缘越厚，k值越小。
S42、通过单根线匝上感应电动势造成的涡流损耗与测试激励下响应电流值平方之比获得涡流等效电阻Rd13的值；具体公式如下：
式中，a为圆形导线的直径，单位：米；ρ为导线的电阻率，一般为铝线在运行温度75摄氏度下的电阻率，单位：欧姆·米；r为电抗器线圈的半径，单位：米；I为测试激励下响应电流的有效值，单位：安培；P(r,z)为单根线匝上感应电动势造成的涡流损耗，由下式获得：
fi为第i次激励的频率，单位：赫兹；r0为单根线匝的半径，单位：米；B(r0,z0)为典型圆导线下的磁感应强度，其平方等于径向磁感应强度与轴向磁感应强度的平方和；径向磁感应强度与轴向磁感应强度通过以下公式获得：
式中，Br为径向磁感应强度，单位：特斯拉；Bz为轴向磁感应强度，单位：特斯拉；μ0为真空磁导率，单位：亨/米；H为单层线圈的高度，单位：米；r为线圈的半径，单位：米；z为为单层线圈中各匝对线圈中心位置的高度，单位：米；n为单层线圈中的匝数，单位：匝；θ为同轴圆环线匝中任意两点径向连线的轴向投影的夹角，单位：度；
S43、获得匝间电容Cz11的值；具体公式如下：
式中，r为线匝的半径，单位：米；a为圆形导线的直径，单位：米；εi为匝间绝缘的介电常数；di为匝间绝缘的厚度，单位：米；k为匝间绝缘的修正系数，主要与匝间绝缘厚度有关，k值最小值为1，匝间绝缘越厚，k值越小；
S44、获得层间电容Cc3的值；具体公式如下：
式中，εa为空气的介电常数，εa＝1；εb为包封绝缘的介电常数，与测试频率及绝缘受潮情况有关；dq为电抗器设计时采用的气道宽度，单位：米；db为电抗器中各包封绝缘的厚度，单位：米。
S45、通过模拟电荷法获得对地电容C5的值；具体公式如下：
式中，为电抗器外部各层等效电位，单位：伏特；/>为电抗器外部各层等效电位，单位：伏特；rw为电抗器外径，单位：米；rn为电抗器内径，单位：米；εa为空气的介电常数；z为各线匝的对地高度，单位：米；i为电抗器各包封内线匝所在层数；θ为同轴圆环线匝中任意两点径向连线的轴向投影的夹角，单位：度；
假定线圈上各点电位为1伏特，即由于线圈上各点电位为1伏特，因此该对地电荷量倍即为所求的对地电容。
因此由上述公式可得：
式中、Cw为包封组4的最外侧对地电容；Cn为包封组4的最内侧对地电容；
S46、根据S2的电抗器高频阻抗分布网络模型中直流电阻RC12、涡流等效电阻Rd13、匝间电容Cz11、层间电容Cc3和对地电容C5之间的连接关系计算不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值。
实施例一、以未受潮的35kV串联空心电抗器作为试验对象，电抗器的包封数是8，电抗器内径550mm，外径1296mm，气道宽度为25mm，高度为500mm；八个包封中的线规依次为：2.1mm、2.4mm、2.8mm、3.1mm
3.3mm、3.8mm、4.3mm、4.7mm；各包封匝数依次为：194匝、174匝、153匝、141匝、133匝、118匝、106匝、98匝；匝间绝缘厚度0.56mm；对其进行高频介电响应测试，通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线，高频阻抗谱曲线如图3所示。以此空心电抗器的结构参数构建的不同受潮情况下电抗器的阻抗值随施加的电压激励频率变化的曲线库中的曲线与实测曲线比对，在各频率点下的阻抗值的相对误差均方值最小时，曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮情况为未受潮。
实施例二、还是以实施例一中未受潮的35kV串联空心电抗器作为试验对象，对第一个包封进行破坏使其上端5％的部分开裂，采用恒温加湿系统对其进行24h的加速受潮试验，即受潮区域占电抗器高度的5％。受潮后进行高频介电响应测试，通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线，高频阻抗谱曲线如图4所示。实测曲线与曲线库中的曲线比对，在各频率点下的阻抗值的相对误差均方值最小时，曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮情况为第一包封受潮，且受潮区域占电抗器高度的5％。
实施例三、还是以实施例二中的35kV串联空心电抗器作为试验对象，对第二和第六个包封进行破坏使其上端5％的部分开裂，采用恒温加湿系统对其进行24h的加速受潮试验，即受潮区域占电抗器高度的5％。受潮后进行高频介电响应测试，通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线，高频阻抗谱曲线如图5所示。实测曲线与曲线库中的曲线比对，在各频率点下的阻抗值的相对误差均方值最小时，曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮情况为第一、二、六包封受潮，且受潮区域占电抗器高度的5％。
可见本发明的方法可以准确诊断受潮包封绝缘的数目及受潮包封的位置。
本发明通过构建局部受潮的电抗器理论模型和构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型，可实现受潮包封绝缘的数目及受潮包封的位置的准确诊断。
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 (6)
1.一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在实验室环境下制备受潮的电抗器包封绝缘试样，通过高频激励源对电抗器包封绝缘试样施加不同频率的高频电压激励，并提取其容性变化分量中包封绝缘的介电常数随施加的电压激励频率变化的曲线；
S2、根据实际电抗器的包封数、匝数、气道宽度和各包封内的线规尺寸构建忽略电感特性的电抗器高频阻抗分布网络模型；
S3、将电抗器幅向划分为各包封，轴向划分为上、下两部分，构建局部受潮的电抗器理论模型；所述上部分为可受潮区域；所述下部分为未受潮区域；对电抗器理论模型的各包封受潮数量和位置进行排列组合，同时对可受潮区域的占比在设定范围内，以设定步长进行迭代，获得不同受潮情况下的电抗器理论模型；
S4、根据S2的电抗器高频阻抗分布网络模型和S1所得的包封绝缘的介电常数计算S3所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值；构建不同受潮情况下电抗器的阻抗值随施加的电压激励频率变化的曲线库；
S5、对实际电抗器通过高频激励源及高速采样电路测算阻抗值随施加的电压激励频率变化的实测曲线；
S6、将S5获得的实测曲线分别与S4的曲线库中的曲线进行比较计算，当实测曲线与曲线库中的曲线在各频率点下的阻抗值的相对误差均方值最小时，则曲线库中的该曲线所对应的电抗器各包封受潮数量和位置即为实际电抗器局部受潮状态的评估结果。
2.根据权利要求1所述一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，S1所述高频电压激励的频率范围是1000赫兹～100M赫兹。
3.根据权利要求1所述一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，所述S1通过电容和介电常数的关系式提取其容性变化分量中包封绝缘的介电常数。
4.根据权利要求1所述一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，S2所述构建忽略电感特性的电抗器阻抗分布网络模型的具体步骤为：
S21、以单根线匝为基础建立网络单元(1)；所述网络单元(1)包括匝间电容Cz(11)、直流电阻RC(12)和涡流等效电阻Rd(13)；所述匝间电容Cz(11)与直流电阻RC(12)串联后和所述涡流等效电阻Rd(13)并联；
S22、将网络单元(1)沿电抗器的轴向串联形成线圈层(2)；所述线圈层(2)之间串联有层间电容Cc(3)；
S23、所述线圈层(2)沿电抗器的径向并联形成包封组(4)；所述包封组(4)的最外侧和最内侧分别串联有对地电容C(5)。
5.根据权利要求1所述一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，S3所述可受潮区域的占比迭代范围为1％-20％；迭代步长为1％。
6.根据权利要求1所述一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法，其特征在于，S4所述不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值计算步骤为：
S41、通过电阻率计算直流电阻RC(12)的阻值；
S42、通过单根线匝上感应电动势造成的涡流损耗与测试激励下响应电流值平方之比获得涡流等效电阻Rd(13)的值；
S43、通过平板电容的定义式计算获得匝间电容Cz(11)的值；
S44、通过圆柱电容的定义式计算获得层间电容Cc(3)的值；
S45、通过模拟电荷法获得对地电容C(5)的值；
S46、根据S2的电抗器高频阻抗分布网络模型中直流电阻RC(12)、涡流等效电阻Rd(13)、匝间电容Cz(11)、层间电容Cc(3)和对地电容C(5)之间的连接关系计算不同受潮情况下的电抗器理论模型在不同频率电压激励下的阻抗值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311679159.6A CN117647711A (zh) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | 一种干式空心电抗器局部绝缘受潮诊断方法 |
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| CN117647711A true CN117647711A (zh) | 2024-03-05 |
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| CN (1) | CN117647711A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118091407A (zh) * | 2024-04-23 | 2024-05-28 | 荣成市泰锞机械有限公司 | 发动机定子的绝缘性能的测试方法及装置 |
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2023
- 2023-12-08 CN CN202311679159.6A patent/CN117647711A/zh active Pending
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