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        變壓器絕緣老化模擬實驗設(shè)計與實現(xiàn)

        2015-10-12 03:28:54曹海洋沈建輝嚴(yán)家明
        電氣電子教學(xué)學(xué)報 2015年6期
        關(guān)鍵詞:變壓器實驗

        曹海洋,楊 歡,沈建輝,嚴(yán)家明

        (中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州221116)

        0 引言

        變壓器絕緣是“電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)”課程教學(xué)中的重要部分。油紙絕緣是大型電力變壓器內(nèi)部絕緣的主要組成形式。熱環(huán)境會造成油紙絕緣性能的下降,表現(xiàn)為絕緣的破壞[1-3]。局部放電是引起絕緣老化的一個重要因素。為了研究絕緣熱老化過程中局部放電的發(fā)生規(guī)律,需對現(xiàn)場局部放電信號進(jìn)行采集,分析其電氣特性的變化,根據(jù)熱老化過程中理化特征和電氣特征參數(shù)的對比研究,找出絕緣紙在不同時間段局部放電的發(fā)展規(guī)律[4-8]。

        本文設(shè)計了一個模擬變壓器絕緣內(nèi)部老化的實驗平臺,在平臺上,對樣品局部放電信號進(jìn)行數(shù)字化測量,然后將數(shù)據(jù)在Matlab軟件中分析其電氣特性的變化。

        本文所涉及到的內(nèi)容對“電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)”課程的日常教學(xué)和研究都有一定的幫助作用。

        1 模擬實驗平臺設(shè)計

        1.1 油紙絕緣系統(tǒng)設(shè)計

        變壓器油的主要成分是以環(huán)烷烴、少量芳香烴和烷烴組成的一些分子量不同的碳?xì)漕惖幕旌衔?。固體絕緣材料包括層壓紙板、絕緣紙等,層壓紙板和絕緣紙都是以木漿作為原料制成的,一般情況下,纖維素中會伴隨著半纖維素或者是木質(zhì)素。本實驗采用牛皮紙,其纖維含量為100%,未經(jīng)漂白。

        為了盡可能模擬真實的變壓器的內(nèi)部油紙絕緣系統(tǒng),以使實驗得出的結(jié)論真實可靠。需對實驗樣品進(jìn)行如下預(yù)處理:

        (1)將變壓器絕緣紙裁剪為長寬一致的紙帶,每條絕緣紙帶質(zhì)量約為5克。

        (2)將裁剪好的樣品置于真空箱中。在90攝氏度,50 Pa的環(huán)境下干燥48小時。然后在40攝氏度下真空浸油24小時。經(jīng)過上述處理,能有效排除絕緣紙中的空氣和水分。在制作時上下兩層是普通絕緣紙板(圖1-a中序號6所示),絕緣紙板厚度為1毫米,在中間一層紙板中心裁剪出直徑為38毫米的圓孔,形成絕緣紙氣隙。

        圖1 油紙絕緣系統(tǒng)模型

        在實驗中,為了模擬變壓器環(huán)境,上述設(shè)計的模型要浸入密閉的裝有25號試驗油的有機(jī)玻璃容器中,同時為防止氣隙以外發(fā)生放電,上述三層絕緣紙板間都要用硅膠來進(jìn)行密封處理。

        1.2 實驗電路圖設(shè)計

        本實驗采用脈沖電流法對局部放電信號進(jìn)行測量,采用的局部放電測量裝置及接線如圖2所示。

        圖2 局部放電測量系統(tǒng)

        交流高壓電源由自耦調(diào)壓器和高壓實驗變壓器B構(gòu)成,靜電電壓表V監(jiān)視實驗電壓;水電阻R主要起短路保護(hù)作用;局部放電為高頻信號,采用耦合電容器Ck來耦合局部放電時的高頻脈沖電流;通過C2、C3分壓的方式來將局部放電所加高壓變成低壓信號,來測量局部放電時的電壓信號,Cx模擬變壓器局部放電的標(biāo)準(zhǔn)電極。所用儀器設(shè)備如表1所示。

        表1 實驗主要儀器設(shè)備

        實驗采用羅氏線圈作為電流傳感器,將其安裝在油紙絕緣系統(tǒng)末接地線處,檢測局部放電信號[9]。羅氏線圈具有良好的信號響應(yīng)特性,示波器將耦合過來的局部放電信號進(jìn)行顯示和存儲。

        2 實驗數(shù)據(jù)測量

        將1.1節(jié)介紹的經(jīng)過預(yù)處理過的油紙絕緣樣品放在老化箱中進(jìn)行熱老化,按照0.2小時、0.5小時、0.9小時、1.4小時、2.8小時和4.2小時的時間間隔取出老化箱中的樣品并測量其各性能參數(shù),用來模擬變壓器內(nèi)部絕緣6個老化階段(即:2天、5天、9天、14天、28天和42天)的氣隙放電信號。

        實驗時將變壓器緩慢升壓,升壓過程中觀察示波器,當(dāng)產(chǎn)生如圖3所示的穩(wěn)定局部放電信號后停止加壓[10-12]。

        通過示波器觀察局部放電信號的特點,每個階段采集10組數(shù)據(jù),每組1000個工頻周期,以完成實驗數(shù)據(jù)的測量。

        3 實驗數(shù)據(jù)分析

        為了通過統(tǒng)計的方式獲得局部放電的特征量,需要構(gòu)造二維譜圖來發(fā)現(xiàn)局部放電的規(guī)律。采用Matlab軟件編程實現(xiàn)小波去噪,并將所有周期的放電信息統(tǒng)計在一個周期內(nèi),橫坐標(biāo)平均分成360個相位,統(tǒng)計每個相位中的放電量及其對應(yīng)的相位,可以得到對應(yīng)的φ-qmax譜圖、φ-qadv譜圖以及φ-n譜圖。

        圖3 油紙絕緣局部放電實驗波形

        (1)φ-qmax譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi),發(fā)生的視在放電電荷最大值的分布圖,用以表示在外加電壓的不同相位上,放電電荷量大小的分布情況。如圖4所示:

        圖4 不同時間段的φ-qmax譜圖

        從該分布譜圖可以看出:在不同的老化階段中,在第一象限和第三象限放電比較明顯。初前期在第三象限放電更為明顯,而在第二、四象限幾乎沒有放電現(xiàn)象發(fā)生。在中期,第一、三象限放電由相似轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝幌笙薷鼮槊黠@,到后期二者都有所較低,放電最大量相同。

        (2)φ-qadv譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi),發(fā)生的視在放電電荷平均值的分布圖,用以表示在外加電壓的不同相位上,放電電荷量大小的分布情況。如圖5所示:

        平均放電量的大小、相位不僅與最大放電量的大小、相位有關(guān),還和放電次數(shù)的大小、相位有關(guān)。從平均放電量相位分布φ-qadv譜圖可以看出:在放電初前期放電比較明顯,中后期稍微減弱。

        圖5 不同時間段的φ-qadv譜圖

        (3)φ-n譜圖:是不同相位區(qū)間內(nèi)放電次數(shù)總數(shù)的分布圖。用以表示在外加電壓不同的相位上,放電次數(shù)的分布。如圖6所示:

        圖6 不同時間段的φ-n譜圖

        從φ-n譜圖可以看出:在老化過程中隨著老化時間的加長,放電次數(shù)的值整體上也不斷變化。在老化前期,放電次數(shù)的大小在穩(wěn)固地上升,而且變化的速度很快。這是因為從新紙開始的油紙絕緣的老化特征十分明顯,受到熱老化的影響很突出。在老化中期,放電次數(shù)的大小處于一個平穩(wěn)期,相對比較平衡,這是因為經(jīng)歷一個老化前期之后,油紙絕緣性能開始穩(wěn)定,而放電次數(shù)會隨著這種穩(wěn)定而飽和。但是在老化的后期,油紙的絕緣性能因為長期受電、熱和機(jī)械等多因素的影響而變?nèi)?,所以放電次?shù)突然變大。

        4 結(jié)語

        本文通過設(shè)計油紙絕緣局部放電實驗?zāi)P?,并對六個時間段熱老化狀態(tài)下的氣隙放電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來研究變壓器內(nèi)部絕緣老化。利用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并繪制φ-qmax譜圖、φqadv譜圖以及φ-n譜圖,研究人員可以通過這些譜圖提取相關(guān)統(tǒng)計特征量做進(jìn)一步的變壓器內(nèi)部絕緣老化故障識別分析。

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