王 嶺 蔡金錠

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基于去極化電量時域微分譜線時域特征量的變壓器絕緣老化研究

王 嶺 蔡金錠

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

本文依據(jù)時域介電譜理論，提出去極化電量時域微分譜線。應(yīng)用微分解譜法，對油紙絕緣去極化電量微分譜線進行逐次解譜，求取去極化電量譜的參數(shù)，提取去極化電量譜時域特征量，利用去極化電量平均電量和平均極化響應(yīng)時間評估油紙絕緣的老化狀態(tài)。通過分析多組不同絕緣狀態(tài)變壓器的去極化電量微分譜線，得到如下結(jié)論：隨著變壓器絕緣狀態(tài)的劣化加劇，去極化平均電量逐漸增大，平均極化反應(yīng)時間逐漸減小。本文結(jié)論為正確評估變壓器絕緣狀態(tài)提供了一種新的思路。

油紙絕緣；介質(zhì)響應(yīng)；去極化電量譜線

電力變壓器是電力系統(tǒng)傳輸中最為重要的大型電氣設(shè)備之一，其運行狀況將會直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行[1]。變壓器在長期運行過程中，其油紙絕緣系統(tǒng)在電、熱和機械應(yīng)力等的聯(lián)合作用下，逐漸發(fā)生老化和降解[2]。電力變壓器老化是影響變壓器使用壽命的一個主要因素[3]。因此，有效評估電力變壓器的絕緣老化狀態(tài)對電力系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定、安全、可靠的工作具有重要的現(xiàn)實 意義。

隨著安全、準(zhǔn)確、無損診斷電力設(shè)備的要求，大量診斷技術(shù)被提出[4]。其中，極化/去極化電流測試法是一種簡單有效、無損的絕緣診斷方法[5-6]。目前，國內(nèi)外一些學(xué)者利用PDC對油紙絕緣老化狀態(tài)的診斷，主要是基于介電現(xiàn)象的比較，沒有深入分析油紙絕緣內(nèi)部老化機構(gòu)的介電特性與絕緣老化的關(guān)系。

文獻[7]采用極化/去極化電流曲線研究油紙絕緣的老化，只是介電現(xiàn)象的一種簡單比較，不能表現(xiàn)出內(nèi)部老化機構(gòu)介電特性與油紙絕緣老化關(guān)系。文獻[8]提出去極化能量譜線來診斷變壓器的受潮程度，但其所提出的譜線的實際含義需要進一步探討。文獻[9]提出基于去極化電流的時域介電譜峰值大小分析油紙絕緣的熱老化程度，但由于時域介電譜峰值點是由各子譜線的疊加的結(jié)果，因而可能出現(xiàn)峰值點競爭現(xiàn)象，即峰值大小差別較小，因此該方法對油紙絕緣老化的評估仍需要進一步討論。本文依據(jù)油紙絕緣的極化機理和時域介電譜，提取出去極化電量微分譜線，通過微分解譜法，確定極化機構(gòu)個數(shù)，提取能夠反映油紙絕緣內(nèi)部老化的時域特征量，并研究了特征量與油紙絕緣老化的關(guān)系，為正確評估變壓器絕緣狀態(tài)提供新的思路。

1 極化/去極化電流的測量

極化/去極化電流法是一種蘊含大量變壓器油紙絕緣老化信息的常用的油紙絕緣無損診斷法[10-12]。該測試方法原理如下：首先在油紙絕緣變壓器兩端加一個直流脈沖極化電壓0，持續(xù)充電時間為p，在該充電過程中變壓器油紙絕緣系統(tǒng)開始極化，并產(chǎn)生極化電流p。然后，斷開外施電壓0并將油紙絕緣變壓器短路，并維持時間d，此時將產(chǎn)生與之前極化過程相反的去極化電流d。一般設(shè)置適當(dāng)?shù)某潆姾头烹姇r間，記錄產(chǎn)生極化電流p和去極化電流d和時間的關(guān)系的關(guān)系曲線，即極化/去極化電流曲線。其測量過程如圖1所示。

圖1 極化/去極化電流曲線

2 去極化電量譜及其微分解譜

2.1 去極化電量微分時域譜

電介質(zhì)在外施電場的作用下，表面將感應(yīng)出束縛電荷，電介質(zhì)在外施電場下極化程度越強，則表面束縛電荷的面密度就越大。根據(jù)時域介電譜理 論[8,13]，電介質(zhì)在外部電場作用下，其內(nèi)部極化機構(gòu)的個數(shù)是有限的，且有不同的極化響應(yīng)時間。當(dāng)電解質(zhì)外施電壓時間足夠長，電介質(zhì)內(nèi)部儲存的電荷量將會達到平衡。當(dāng)撤去外施電場時且短路時，儲存的電荷將隨時間衰減，衰減表達式可表示為

式中，0為電介質(zhì)在施電場下達到平衡時內(nèi)部的總電荷量，()為某時刻電介質(zhì)的電荷量，為極化機構(gòu)的個數(shù)，、分別為第個極化機構(gòu)的極化響應(yīng)時間和極化電量，即

式中，()為絕緣機構(gòu)儲存的電荷量釋放時的電流，即絕緣介質(zhì)的去極化電流。

圖2 去極化電量譜

2.2 去極化電量微分譜線的數(shù)學(xué)解析

通過對上式分析，得去極化電量譜子譜線的性質(zhì)如下。

2.3 去極化電量譜解譜

根據(jù)去極化電量譜子譜線的特性，去極化電量譜的解譜步驟如下。

第1步：測量變壓器去極化電流數(shù)據(jù)。

第2步：根據(jù)去極化電量時域微分譜線組成部分——指數(shù)型衰減函數(shù)末端可忽略前一項-1（?。笠豁?i>的影響，在去極化電量曲線末端任意取兩點2、1（2＞1），可求出當(dāng)前曲線最大弛豫時間下的衰減函數(shù)，方程組如下：

若去極化電量譜線經(jīng)過逐次解譜后解出條子譜線，則油紙絕緣極化機構(gòu)個數(shù)為（=-1）。

3 油紙絕緣老化評估

不同極化支路反應(yīng)時間描述了絕緣材料介質(zhì)內(nèi)部不同極化過程，如絕緣油、絕緣紙、油紙絕緣界面等[15]。極化反應(yīng)時間只與絕緣介質(zhì)老化或受潮有關(guān)，與絕緣材料介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)成無關(guān)，隨著絕緣介質(zhì)不斷劣化，導(dǎo)致絕緣性能下降，絕緣介質(zhì)響應(yīng)速度變快，極化反應(yīng)時間值減小，因此可以用極化反應(yīng)時間評估絕緣材料介質(zhì)的劣化狀況。然而，對于劣化程度不同的油紙絕緣變壓器，極化機構(gòu)個數(shù)不同，得到的個極化反應(yīng)時間常數(shù)，難以通過其中某個值來直接作出絕緣狀態(tài)評判，因此，在求得多條極化支路時間基礎(chǔ)上，引上了均值化極化反應(yīng)時間，該值可以全面表征不同絕緣材料介質(zhì)的極化過程，即

式中，為2.3節(jié)中去極化電量譜解譜求得的極化機構(gòu)個數(shù)，為不同極化支路反應(yīng)時間。求得的均值化的極化反應(yīng)時間與極化反應(yīng)時間對油紙絕緣劣化判斷具有相同的規(guī)律：無論電力變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致，均值化的極化反應(yīng)時間值較大者，油紙絕緣狀況較好；均值化的極化反應(yīng)時間較小者，油紙絕緣狀況較差。但對于一些容量和電壓等級較大的電力變壓器，直接通過值大小進行比較，難以給出準(zhǔn)確的判斷，并且單指標(biāo)進行絕緣狀態(tài)判斷時，所得出的狀態(tài)難免會有誤差或與其他方法（比如糠醛含量等方法）確定的狀態(tài)相悖。

根據(jù)電路理論極化機構(gòu)電量Q與極化機構(gòu)去極化電流d()關(guān)系式為

（6）

即根據(jù)電介質(zhì)理論相關(guān)知識，介質(zhì)弛豫極化強度ri()與各極化支路電流di()存在關(guān)系式為

（7）

式中，為絕緣材料介質(zhì)截面積；不隨油紙絕緣劣化發(fā)生變化，因此，式（6）和式（7）通過各極化機構(gòu)電流將極化機構(gòu)電量與弛豫極化強度ri()聯(lián)系起來，可知等價為ri()，即用來表征油紙絕緣狀況的。同樣情況，油紙絕緣狀況不同變壓器，對應(yīng)的極化支路數(shù)有差異，且去極化電量測量易受到試驗條件和測試環(huán)境的影響，為了使去極化電量對油紙絕緣劣化反映的靈敏度更高，盡可能消除測量誤差的影響，引入均值化去極化電量，表達式為

4 舉例

在相同實驗條件下，獲得3臺變壓器的實測數(shù)據(jù)，同時測得相應(yīng)的糠醛含量，根據(jù)實驗報告和3臺不同絕緣狀態(tài)變壓器為例，基本信息見表1。在進行極化/去極化測試驗時，同時進行油中糠醛含量的試驗，并根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的規(guī)定，得到3臺不同老化狀態(tài)的變壓器，見表1。仿真建模后得到的去極化電量譜如圖3所示。

表1 三臺不同老化程度的變壓器

圖3 三臺不同老化程度的去極化電量譜線

然后按照去極化電量譜的解譜步驟1至步驟4，從T1變壓器的去極化電量譜函數(shù)末端開始，逐次解出去極化電量譜線中隱含的各條子譜線，并求得各極化機構(gòu)的參數(shù)即第個極化機構(gòu)貢獻電量和極化反應(yīng)時間。根據(jù)最后油紙絕緣老化評估判據(jù)，評估油紙絕緣的老化狀態(tài)。

從T1變壓器中可以解出6條去極化電量子譜線的參數(shù)值和曲線，求解結(jié)果和過程如表2和圖4 所示。

表2 T1變壓器子譜線的系數(shù)

（a）第一個條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

（e）第五條子譜線

（f）第六條子譜線

圖4 T1變壓器解譜過程

根據(jù)變壓器T1的各子譜線的參數(shù)，可求得判斷變壓器T1老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時間為58.3597和平均去極化電量為4.3056×10-5。

按照T1變壓器的求解方法也可以分解出隱含在T2變壓器去極化電量譜線中的4條子譜線的參數(shù)值和曲線以及當(dāng)前剩余譜線，求解結(jié)果見表3解譜過程如圖5所示。

表3 T2變壓器子譜線的系數(shù)

（a）第一條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

圖5 T2變壓器解譜過程

根據(jù)變壓器T2的各子譜線的參數(shù)，可求得判斷變壓器T2老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時間為247.1983和平均去極化電量為9.3883×10-6。

按照上述同樣的方法解出T3變壓器去極化電量譜線中的5條子譜線的參數(shù)值和曲線以及當(dāng)前剩余譜線，求解結(jié)果和過程如表4和圖6所示。

表4 T3變壓器子譜線的系數(shù)

根據(jù)變壓器T3的各子譜線的參數(shù)，可求得判斷變壓器T3老化狀況的判據(jù)平均極化反應(yīng)時間為138.2657和平均去極化電量為3.2932×10-5。

（a）第一條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

（e）第五條子譜線

根據(jù)以上計算，可得T1、T2、T3變壓器的平均去極化電量和平均極化反應(yīng)時間見表5。

表5 三臺變壓器的平均去極化電量和極化反應(yīng)時間

根據(jù)油紙絕緣老化狀態(tài)的評判規(guī)律可知，T2變壓器絕緣良好，T1變壓器絕緣老化嚴(yán)重，T3變壓器老化較嚴(yán)重。

5 結(jié)論

去極化電流法作為一種無損的變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)評估技術(shù)，目前對于提取表征油紙絕緣老化的特征參量還有待研究。本文基于時域介電響應(yīng)原理和時域介電譜理論，利用去極化電流測量過程蘊含的數(shù)據(jù)信息，挖掘出一種能夠真實反映變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的新的特征參量平均去極化電量和平均極化反應(yīng)時間，并利用實例驗證了所提出診斷油紙絕緣老化特征量的正確性，得出如下結(jié)論。

1）通過時域介電譜理論和油紙絕緣系統(tǒng)的介電特性，構(gòu)建了能夠反映油紙絕緣內(nèi)部極化過程的去極化電量譜函數(shù)表達式。

2）利用油紙絕緣系統(tǒng)的去極化電量譜線，提取了能夠反映油紙絕緣老化狀態(tài)的新的特征參量平均去極化電量和平均去極化反應(yīng)時間：絕緣狀態(tài)越差，油紙絕緣系統(tǒng)的平均去極化電量越大，極化反應(yīng)時間越短。

3）利用實例3臺老化程度不同的變壓器油紙絕緣，驗證了本文提出的判斷油紙絕緣老化特征參量的正確性。

[1] KüCHLER A, LIEBSCHNER M, REUMANN A, et al. Evaluation of conductivities and dielectric properties for highly stressed HVDC insulating materials[M]. CIGRE Session, Paris 2010.

[2] Yang X, Nielsen S, Ledwich G. Investigations of dielectric monitoring on an energised transformer oil-paper insulation system[J]. IET Sci., Measurement Technology, 2010, 9(1): 102-112.

[3] 廖瑞金, 楊麗君, 鄭含博, 等. 電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(5): 1-12.

[4] Saha T K. Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in aged transformers[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(5): 903-917.

[5] Saha T K. Review of time—domain polarization measurements for assessing insulation condition in aged transform—ers[J]. IEEE Transactions on Power Dielectrics, 2003, 18(4): 1293-1301.

[6] Gilbert R, Jalbert J, Duchesne S, et al. Kinetics of theproduction of chain end groups and methanol from the de-polymerization of cellulose during the ageing of paper/oilsystems, part2: thermally upgraded insulating papers[J]. Cellulose, 2010, 17(2): 253-269.

[7] 黃云程, 蔡金錠. 應(yīng)用去極化能量譜評估變壓器絕緣老化受潮狀態(tài)[J]. 電工電能新技術(shù), 2016, 35(1): 53-59.

[8] 李景德, 曹萬強, 李向前, 等. 時域介電譜方法及其應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報, 1996, 45(7): 1225-1231.

[9] 李景德, 雷德銘. 電介質(zhì)材料物理和應(yīng)用[M]. 廣州: 中山大學(xué)出版社, 1992.

[10] 王林, 周利軍, 李先浪, 等. 應(yīng)用極化/去極化電流法分析油紙絕緣微水?dāng)U散暫態(tài)過程[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(2): 354-359.

[11] 鄧鵬. 變壓器絕緣故障預(yù)測診斷的方法[J]. 四川電力技術(shù), 2006, 29(4): 4-6.

[12] 李功新, 江修波, 蔡金錠, 等. 采用微分去極化電流法解析變壓器油紙絕緣的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(8): 1930-1936.

[13] Li Jingde, Chen Min, Zheng Feng, et al. Diffusion theoryof slow responses[J]. Sci. in China (Series A), 1997, 40(3): 290-296.

[14] Li G X, Jiang X B, Huang Y J, et al. Dielectric response function for transformer oil-paper insulation solved by the method of differential depolarization current[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(8): 1930-1936.

Differential Time-Domain Spectroscopy based on Depolarization Charge Measurement for Diagnosis of Oil-paper Insulation Condition

Wang Ling Cai Jinding

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper proposes a judgment method of Differential dielectric spectroscopy method for the polarization branches number of equivalent circuit of oil-paper insulation.In order to better assess the state of the transformer oil-paper insulation aging,this paper put forward depolarization quantity of electricity models to assess the state of the transformer oil-paper insulation based on the theory of dielectric and Equivalent Circuit Method. The depolarization current curve for different insulation status is different, so several characteristics are proposed. They include the polarization branches number, polarization component, atypical linear and polarization response time. Based on the multiple sets of transformer depolarization current curve, the polarization response time will be smaller and the others will be biger with the deterioration of insulating state. This method provides a new way for the accurate assessment of oil-paper insulation.

oil-paper insulation; dielectric response; depolarization charge spectroscopy