重慶市軌道交通集團(tuán)有限公司網(wǎng)絡(luò)維保公司　謝　鵬國電湖南寶慶煤電有限公司寶慶電廠　彭松仁山西省電力公司大同電力公司渾源支公司　周　權(quán)

?

變壓器絕緣狀態(tài)診斷的回復(fù)電壓方法研究

重慶市軌道交通集團(tuán)有限公司網(wǎng)絡(luò)維保公司謝鵬
國電湖南寶慶煤電有限公司寶慶電廠彭松仁
山西省電力公司大同電力公司渾源支公司周權(quán)

【摘要】變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中絕緣材料的老化,將對變壓器正常運(yùn)行造成影響，準(zhǔn)確診斷變壓器絕緣性能，對確保其安全可靠運(yùn)行具有重要意義。變壓器油紙絕緣會因老化或受潮而導(dǎo)致其介電特性發(fā)生變化,基于檢測油紙絕緣介電特性的回復(fù)電壓測量方法能有效診斷變壓器的油紙絕緣狀態(tài),并可用來估測絕緣紙和絕緣油的老化程度。

【關(guān)鍵詞】回復(fù)電壓法；介質(zhì)響應(yīng)；變壓器；油紙絕緣；極化譜；絕緣老化

1　引言

電力變壓器是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵暮妥钪匾脑O(shè)備之一。由于受到電氣、熱和環(huán)境應(yīng)力等外界作用，其油紙絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化，使變壓器抵抗短路電流的能力大大降低，從而降低了變壓器運(yùn)行的可靠性。目前傳統(tǒng)絕緣診斷大體可分為電方法和化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法判據(jù)有相應(yīng)的缺點和不足[1]?；貜?fù)電壓法能夠解決傳統(tǒng)測量方法的不足，對正常運(yùn)行的電力變壓器絕緣性能進(jìn)行現(xiàn)場測量，并且不損壞其絕緣介質(zhì)[2]。L.Kalocsal、P.R.S.Jota、T.K.Saha等人指出RVM方法在預(yù)測水分含量和老化方面是一個很好的監(jiān)測工具，并且對該方法做了深入的研究取得了一定成果。

2　等效模型的建立

2.1電路等效模型

Saha等學(xué)者用擴(kuò)展Debye模型對變壓器的油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行等效模擬，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果吻合得很好。因此，本文采用擴(kuò)展Debye模型對變壓器油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行等效電路的模擬。圖2.1中Rg為油紙絕緣組合嚴(yán)格物理意義上的絕緣電阻,反映油紙絕緣組合的電導(dǎo)情況；Cg代表真空幾何電容以及無損極化的等效電容之和；RpnCpn并聯(lián)支路模擬了不同弛豫時間下的介質(zhì)極化現(xiàn)象。

2.2簡化后的等效電路模型（擴(kuò)展Debye模型）

2.3模型參數(shù)的建立

Saha等學(xué)者通過極化電流方程進(jìn)行電路參數(shù)的建立。絕緣電阻是通過在較大的時間內(nèi)，極化電流與去極化電流之間的差值進(jìn)行估算的，各支路中時間常數(shù)較小的（即RpnCpn較?。┲?，經(jīng)過一定的時間，極化電流的殘余部分僅有時間常數(shù)較大的支路提供。因此，通過逐步的推導(dǎo)可得Rpi和Cpi的值，建立模型。

表1　45MVA變壓器等效電路模型參數(shù)值

在等效模型中，支路數(shù)越多，其模擬的絕緣介質(zhì)就越接近真實情況，但同時難度也將大大增加。本文中采用三條支路來模擬變壓器絕緣介質(zhì)，支路參數(shù)值取決于絕緣油紙的狀況。研究表明，時間常數(shù)較小的支路取決于油的狀況而時間常數(shù)較大的支路取決于絕緣紙。表1為本論文的參數(shù)模型。

3　回復(fù)電壓的計算

基于介質(zhì)響應(yīng)理論的回復(fù)電壓測量方法，能夠有效的研究緩慢極化過程的變化[3]。這些極化主要來自于緩慢極化過程，如絕緣紙板的極化、水分子的極化和界面極化。極化需要電場提供能量，并且分子受電場的作用，在極化過程中發(fā)生極性轉(zhuǎn)向，這個偏轉(zhuǎn)過程涉及到能量的交換，并且需要一定弛豫時間。

根據(jù)極化過程可以推導(dǎo)出如下關(guān)系式子：

回復(fù)電壓極化譜是在不同充電時間tc下，計算得出回復(fù)電壓的最大值。 由公式(1)可得三條支路的回復(fù)電壓Vr和電容Cpn電壓VCpn之間的關(guān)系：

支路在充放電過程后，相當(dāng)于有三個電容電源，利用疊加原理可分別求得N的值。將表1中的等效模型參數(shù)代入，既可求得式(2)的極點Pi以及零點zi,l。本文中采用充電電壓V為500V，，選取不同充電時間tc的值，既可得到回復(fù)電壓極化譜。

4　模型參數(shù)與回復(fù)電壓極化譜的關(guān)系

在擴(kuò)展debye模型中，各RC回路是形成極化的主體，。油紙絕緣系統(tǒng)在老化過程中，會導(dǎo)致其介電特性發(fā)生變化，在電源的激勵下，使得不同老化程度的絕緣介質(zhì)具有不同的介質(zhì)響應(yīng)。通過改變等效電路參數(shù)值，計算得出回復(fù)電壓極化譜，并對比它們之間的差異，從而建立起等效電路和極化譜之間的關(guān)系，從而模擬變壓器絕緣介質(zhì)的老化。在本文中所采用的特征量為回復(fù)電壓極化譜的峰值前的斜率、峰值以及峰值過后的圖形差異。

4.1支路參數(shù)的變化對回復(fù)電壓極化譜的影響

下面將分別對表1中三條支路參數(shù)的值進(jìn)行改變，然后與原模型參數(shù)進(jìn)行比較。圖4.1為改變模型中的時間常數(shù)較小第一條支路參數(shù)R和C。由圖中可以清晰的看出，曲線C的峰值時間較A和B都往后推了，對回復(fù)電壓極化譜的峰值之前的斜率、峰值有一定的影響。因此，可以認(rèn)為回復(fù)電壓極化譜的峰值之前的斜率主要由時間常數(shù)較小的支路起支配作用，并且它對于峰值也會產(chǎn)生一定的影響。

圖4.1　第三條支路參數(shù)改變時的回復(fù)電壓極化譜

圖4.2　第二條支路參數(shù)改變時的回復(fù)電壓極化譜

圖4.2為改變表1中模型第二條支路的參數(shù)下(即R2和C2)，得到的倆條回復(fù)電壓極化譜與原模型參數(shù)下得到的回復(fù)電壓極化譜。在圖中可以明顯的發(fā)現(xiàn)在極化譜峰值前的斜率三條曲線基本保持一致，但是峰值產(chǎn)生了很大的差異，這和變壓器絕緣紙板和油之間的夾層極化有著密切的聯(lián)系。第二條支路對于極化譜的峰值部分起主要的支配作用。

圖4.3　第一條支路參數(shù)改變時的回復(fù)電壓極化譜

圖4.3為改變表1中模型第三條支路的參數(shù)下(即R1和C1)，得到的回復(fù)電壓極化譜。可以得出第三條支路主要對峰值后的圖形起主要支配作用。

4.2絕緣電阻和幾何電容對回復(fù)極化譜的影響

絕緣電阻Rg是直接的反應(yīng)變壓器絕緣的物理量，Rg高表示變壓器絕緣性能好，反之則差。圖4.4給出了倆個不同絕緣電阻的回復(fù)電壓極化譜。

圖4.4　不同絕緣電阻的回復(fù)電壓極化譜

5　油紙絕緣系統(tǒng)與回復(fù)電壓極化譜的聯(lián)系

等效電路模擬的絕緣介質(zhì)，小時間常數(shù)支路的模型參數(shù)取決于油的質(zhì)量，在質(zhì)量越好的油中，時間常數(shù)將減小，相反的，則增加。油影響的部分主要是首先出現(xiàn)的峰值，峰值之后的差異則是由固體絕緣起決定作用，即時間常數(shù)大的支路。已有研究者指出，紙和紙板的狀況主要影響，極化和去極化電流經(jīng)過長時間后的波形。對比變壓器絕緣油經(jīng)過處理前后的回復(fù)電壓極化譜和相關(guān)結(jié)論，可以通過回復(fù)電壓極化譜反應(yīng)絕緣介質(zhì)本身的質(zhì)量獲取經(jīng)過油凈化前后的絕緣介質(zhì)等效電路參數(shù)模型，然后計算它們的回復(fù)電壓極化譜，觀察圖形的差異，就可以得出相應(yīng)的結(jié)論。

圖5.1　油處理前后的回復(fù)電壓極化譜

圖5.1為變壓器絕緣油處理前后的回復(fù)電壓極化譜。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，倆條曲線在斜率、峰值以都存在明顯差異。這一點充分說明，油處理后絕緣介質(zhì)的絕緣性能得到了提高。油的狀況主要表現(xiàn)在時間常數(shù)較小的支路當(dāng)中，圖5.1曲線A和曲線B主要差異在于峰值以及峰值前的斜率。小時間常數(shù)支路和中等時間常數(shù)支路主要對斜率以及峰值起主要影響作用，對于小時間常數(shù)支路，由于它對應(yīng)于絕緣油，絕緣油狀況改善之后，極化譜也會相應(yīng)的改變。

中等時間常數(shù)支路主要反映的是絕緣介質(zhì)中紙和油之間的夾層極化，在表2所述的模型參數(shù)值中僅僅是處理了變壓器油，油的質(zhì)量得到改善后，也會使油和紙交接的部分得到改善。但是對于固體絕緣的影響則比較小，所以極化譜峰值過后雖然仍有差異，但長時間后基本是一致的。

6　結(jié)論

對等效模型電路模型計算所得的回復(fù)電壓極化譜中，表1第一條支路主要影響極化譜長時間部分，第二條支路則影響中間部分，第三條支路影響前面部分。其本質(zhì)在于時間常數(shù)的長短，隨之影響極化和去極化電流。與傳統(tǒng)的電氣測量方法相比，回復(fù)電壓測量方法能獲得更詳細(xì)的內(nèi)部絕緣信息，極化譜峰值之前的部分反映絕緣油的狀況，峰值后面部分主要反映絕緣紙的狀況。峰值前斜率大，峰值高，絕緣性能越好。等效電路支路數(shù)越多反應(yīng)的絕緣介質(zhì)也會越真實，但同時也會是的計算復(fù)雜。

本文通過仿真手段研究了在各種狀態(tài)下回復(fù)電壓極化譜的變化規(guī)律，并從介質(zhì)響應(yīng)理論的角度對其作用機(jī)理進(jìn)行合理的解釋，對學(xué)習(xí)回復(fù)電壓法在變壓器絕緣診斷中的應(yīng)用提供了理論積累?；貜?fù)電壓法要將其推廣應(yīng)用于現(xiàn)場診斷還需要經(jīng)過大量的試驗與計算分析，進(jìn)一步準(zhǔn)確的挖掘回復(fù)電壓的特增量，與其他介質(zhì)響應(yīng)方法相結(jié)合才能達(dá)到目的。

參考文獻(xiàn)

[1]尚勇,董明,趙文彬,嚴(yán)璋.油浸電力變壓器固體絕緣老化的診斷[J].變壓器,2002,39(12):35-39.

[2]畢鵬翔,張文元,秦少臻等.變壓器固體絕緣狀況的監(jiān)測方法[J].高電壓技術(shù),2003,26(3):47-49.

[3]江修波.變壓器油紙絕緣水分的回復(fù)電壓分析法[J].高電壓技,2010,36(12).