蔡金錠 林曉寧

摘 ?要：將帶有弛豫因子的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)應(yīng)用于回復(fù)電壓時域介電譜的分析，對時域微分介電譜線進行解譜，得到包含不同弛豫信息的子譜線，并確定變壓器油紙絕緣拓撲結(jié)構(gòu)和求取弛豫參數(shù)值。進一步，對30多臺不同型號的油紙絕緣變壓器的弛豫參數(shù)及其絕緣狀態(tài)進行分析，挖掘弛豫因子與變壓器絕緣油劣化、絕緣紙老化等內(nèi)在關(guān)系，提出新的特征量--絕緣油的平均弛豫因子、絕緣紙的平均弛豫因子來評估油紙變壓器中絕緣油和絕緣紙的絕緣狀態(tài)。最后，利用實際變壓器測試數(shù)據(jù)進行分析驗證，結(jié)果表明兩個新特征量可有效地用于評估變壓器中絕緣油和絕緣紙的絕緣狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：弛豫因子;拓撲分析;絕緣油平均弛豫因子;絕緣紙平均弛豫因子;絕緣評估

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號：TM854 ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

Abstract： The dielectric response function with relaxation factor is applied to the analysis of the time-domain dielectric spectrum of the recovery voltage， the spectrum of the time-differential dielectric line is decomposed， the sub-spectral lines containing different relaxation information are obtained， the transformer oil-paper insulation topological structure is determined， and relaxation parameters are found. Further， the relaxation parameters and self-insulation status of more than 30 different models of oil-paper insulation transformers were analyzed. The relationship between relaxation factors and deterioration of transformer insulating oil and aging of transformer paper was excavated， and new characteristic quantities—the average relaxation factor of insulating oil and insulating paper averages were proposed to evaluate insulation status of insulating oil and insulating paper in oil-paper transformers. Finally， the actual transformer test data is used for analysis and verification. The results prove that the two new feature quantities can effectively evaluate the insulation status of the insulating oil and insulating paper in the transformer.

Keywords： relaxation factor; topological analysis; insulating oil average relaxation factor; insulating paper average relaxation factor; insulation evaluation

0 引 ?言

變壓器正常穩(wěn)定運行對于電網(wǎng)的安全運行至關(guān)重要，所以準(zhǔn)確評估變壓器的絕緣狀態(tài)顯得十分重要[1，2]?；诔谠ロ憫?yīng)的變壓器絕緣拓撲數(shù)學(xué)建模是評估變壓器絕緣狀態(tài)的重要方法之一[3-6]。

目前，通過引入擴展德拜等效電路進行介電弛豫響應(yīng)的拓撲建模來挖掘特征量分析變壓器油紙絕緣狀態(tài)已有許多研究成果，但在變壓器油紙絕緣拓撲建模[6]以及利用提取的特征量進行絕緣評估仍然存在諸多問題： 1）不少研究中所使用的的弛豫響應(yīng)函數(shù)不能精確描述油紙絕緣弛豫響應(yīng)的實際過程，如文獻[7-9]在拓撲分析中假設(shè)不同絕緣介質(zhì)之間不會相互影響，雖簡化了拓撲建模的計算但影響了建模的準(zhǔn)確性;2）目前相當(dāng)多的的油紙絕緣狀態(tài)評估僅停留在定性評估的層面，只能得出弛豫響應(yīng)特征量和絕緣狀態(tài)之間一個大致的關(guān)系，如文獻[10-12]分別采用擴展Debye模型的大時間常數(shù)、去極化能量譜峰值能量、陷阱密度譜峰值等特征量分析油紙絕緣狀態(tài)，但未涉及定量評估方法;3）多數(shù)研究者提出的基于弛豫響應(yīng)特征量的評估方法只能從總體上評估變壓器的絕緣狀態(tài)，并不能細化評估結(jié)果，分別評估絕緣油與絕緣紙的絕緣狀態(tài)，如文獻[13，14]提出的絕緣評估方法，只能判斷變壓器總體絕緣的好壞，對于絕緣油和絕緣紙的具體情況無法分別給出評估結(jié)果。

針對上述問題，本文引入帶弛豫因子的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)來分析回復(fù)電壓時域微分譜線，得到各條包含不同弛豫響應(yīng)參數(shù)的子譜線，從而構(gòu)建變壓器絕緣的弛豫響應(yīng)拓撲。該模型不僅提升了油紙絕緣拓撲參數(shù)辨識的精確度，且更貼近絕緣介質(zhì)弛豫過程的實際情況。同時利用大量變壓器實測和拓撲分析得到的數(shù)據(jù)，深入挖掘弛豫因子和變壓器絕緣油以及絕緣紙的絕緣狀態(tài)之間的關(guān)系，以提取新的絕緣評估特征量分別對絕緣油與絕緣紙的絕緣狀態(tài)進行評估。

變壓器絕緣系統(tǒng)一般包括油、紙、隔板、撐條以及油隙，一般采用如圖1所示的擴展德拜等效電路來構(gòu)建絕緣系統(tǒng)的弛豫響應(yīng)拓撲模型。

按照第二節(jié)所介紹的步驟進行解譜，首先利用回復(fù)電壓測試儀RVM5461測量變壓器D1得到其回復(fù)電壓曲線，構(gòu)建回復(fù)電圧微分譜線。任意選取末端三點t1、t2、t3（t1< t2

在很多研究中，研究人員一般假定弛豫機構(gòu)數(shù)為6進行拓撲構(gòu)建，這種方法雖然簡便但是會帶來較大誤差，現(xiàn)將兩種弛豫機構(gòu)數(shù)對應(yīng)的變壓器D1的極化譜分別繪圖進行比較，如圖3所示。

由圖3可見，采用5條弛豫機構(gòu)進行拓撲構(gòu)建繪出的極化譜，其吻合度明顯高于直接假定6條弛豫機構(gòu)的方法，與極化譜實測值幾乎吻合，特別是在極化譜的末端，這反應(yīng)本文提出的拓撲構(gòu)建方法更能準(zhǔn)確反應(yīng)變壓器油紙絕緣系統(tǒng)多界面弛豫機理。

同理，對變壓器D2同樣用上述的方法進行分析驗證。分析結(jié)果如圖4所示。

同理可知，變壓器D2擴展德拜等效電路有7條等效弛豫機構(gòu)。同樣針對變壓器D2，運用上述方法進行分析拓撲建模準(zhǔn)確性的驗證，假定法假定弛豫機構(gòu)數(shù)為6而引入弛豫因子的建模方法求得弛豫機構(gòu)數(shù)為7，將兩種方法得到的極化譜和實測極化譜繪于同一張圖中進行比較，如圖5所示。由圖可以看出7條弛豫機構(gòu)的吻合度明顯高于直接假定6條弛豫機構(gòu)的吻合度，說明引入弛豫因子能有效提升拓撲分析的吻合度。

4 新特征量的提取

為了提取能夠評估變壓器絕緣狀態(tài)的時域特征量，本文采用回復(fù)電壓測試儀RVM5461對將近40臺變壓器進行實地測試，得到回復(fù)電壓時域介電譜線，并對所得譜線應(yīng)用本文所介紹的弛豫拓撲結(jié)構(gòu)辨識方法進行油紙絕緣拓撲分析。研究結(jié)果表明，回復(fù)電壓譜線上的特征量弛豫因子β與變壓器油紙絕緣狀態(tài)有著密切的關(guān)系，且能夠用于分別診斷變壓器絕緣油與絕緣紙兩種介質(zhì)的絕緣狀態(tài)。此處僅列出部分變壓器的測試及解譜分析所得的數(shù)據(jù)，如表2 所示。

現(xiàn)有的很多研究表明：大時間常數(shù)支路表征絕緣紙的拓撲結(jié)構(gòu)，小時間常數(shù)支路表征絕緣油的拓撲結(jié)構(gòu)[16]。絕緣油和絕緣紙的弛豫因子可以在一定程度上反應(yīng)各自絕緣結(jié)構(gòu)的老化情況，但不同變壓器的大時間常數(shù)支路和小時間常數(shù)支路數(shù)目一般不相等，所以無法直接將單個弛豫支路的弛豫因子進行比較評估變壓器各部分的絕緣狀態(tài)。可以將小時間常數(shù)支路的全部弛豫因子取均值得到一個新的特征量：絕緣油平均弛豫因子β油;將大時間常數(shù)支路的全部弛豫因子取均值得到一個新的特征量：絕緣紙平均弛豫因子β紙。

4.1 絕緣紙平均弛豫因子

已有研究表明，變壓器中絕緣紙老化產(chǎn)物是變壓器油中糠醛的最主要來源[17]，變壓器油中糠醛含量可以有效反應(yīng)絕緣紙的老化情況。為了進一步研究新提出的特征量平均紙支路弛豫因子β紙和絕緣紙老化狀態(tài)之間關(guān)系，將二者繪制在同一張圖，如圖所示。由圖6可見，新特征量與糠醛含量呈現(xiàn)正相關(guān)，故絕緣紙平均弛豫因子β紙越小，即糠醛含量越小。依據(jù)《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》，可判斷絕緣紙的絕緣狀態(tài)越好。這是因為弛豫因子越大，則弛豫機構(gòu)隨時間變化越劇烈，這意味著介質(zhì)響應(yīng)速度加快，也就表明絕緣紙的老化程度加深，老化產(chǎn)物糠醛的含量也必然隨之增加。 從圖也可以看出，當(dāng)β紙值落在區(qū)間[0.561，0.792]之間時，絕緣紙的狀況是良好;當(dāng)β紙>0.792時， 絕緣紙趨近于老化狀態(tài)。所以用β紙值可以定量判斷油紙絕緣變壓器絕緣紙是否發(fā)生老化。

4.2 絕緣油平均弛豫因子

通過對大約40臺不同絕緣水平變壓器的數(shù)據(jù)分析可知，絕緣油的平均弛豫因子β油在絕緣性能良好與劣化的這兩種狀態(tài)下，對應(yīng)著不同的數(shù)值，具體情況如下表3所示。

若以表2中T3和T4變壓器作為示例進行分析，二者是同一臺變壓器，型號為SFP9-24000/220，T3為換油前，而T4是換油后的。換油檢修前，β油值為0.906，而檢修后β油值為0.846，表征絕緣油的弛豫支路也從4條下降為2條，絕緣油平均弛豫因子β油在換油后出現(xiàn)了較為顯著的下降。這是因為，變壓器經(jīng)過換油后，油中老化產(chǎn)物含量明顯下降，所以去極化響應(yīng)速度減緩，β油也相應(yīng)減小。由此可見，換油后絕緣油的狀態(tài)優(yōu)于換油前，這符合變壓器實際絕緣狀態(tài)。同理，表2中的其他變壓器數(shù)據(jù)也可證明新提出的特征量--絕緣油平均弛豫因子β油是可以有效評估絕緣油的劣化情況。

5 絕緣評估

利用上節(jié)提出的2個特征量對3臺待診斷變壓器進行絕緣狀況評估，3臺變壓器基本信息和解譜分析得到的結(jié)果見表4。

由表4可見：絕緣狀況評估結(jié)果與實際絕緣情況是相符合的。T19變壓器經(jīng)過拓撲分析和解譜后得到的β油值為0.755∈[0.66，0.85]， 其絕緣油的性能是良好的;β紙值為0.664<0.792， 所以評估其絕緣紙狀況也是良好的，而該臺變壓器實際狀況是絕緣良好，且糠醛含量為0.03mg/L，評估結(jié)果與實際情況狀態(tài)相吻合。對于T20變壓器，其β油值為0.864∈[0.85，0.99]，評估后其絕緣油是劣化;而β紙值為0.790<0.792，所以評估后其絕緣紙狀況尚好，而該臺變壓器實際狀況是絕緣油劣化，評估結(jié)果與實際情況也是相吻合。絕緣系統(tǒng)老化的部分是絕緣油，需進行換油處理。對于T21變壓器的β油值為0.775∈[0.66，0.85]，則其絕緣油絕緣狀況是良好的;而β紙值為0.861>0.792，所以評估后其絕緣紙狀況有老化，而該臺變壓器實際狀況是絕緣老化。診斷結(jié)果與實際情況也是相吻合的。從以上診斷結(jié)果可見，本文提出的新特征量可分別有效地評估變壓器的絕緣油和絕緣紙的絕緣狀態(tài)。

6 結(jié)論

將帶有弛豫因子的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)引入到回復(fù)電圧時域介電譜的分析，從而提出一種分析變壓器絕緣拓撲結(jié)構(gòu)的新方法。經(jīng)過實例驗證，該方法能準(zhǔn)確可靠地辨識油紙絕緣極化響應(yīng)等效電路的拓撲結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，挖掘出兩個新的時域介質(zhì)響應(yīng)特征量：絕緣油平均弛豫因子β油和絕緣紙平均弛豫因子β紙，并分析二者與變壓器的絕緣油和絕緣紙的關(guān)系。最后通過實例驗證這兩個新特征量可有效地用于評估變壓器中絕緣油和絕緣紙的絕緣狀態(tài)。

（1）絕緣油平均弛豫因子β油和變壓器油的絕緣狀態(tài)密切相關(guān)。β油值越大，變壓器油的絕緣狀態(tài)越差。當(dāng)β油∈[0.66，0.85]時，可以判斷變壓器絕緣油性能良好;當(dāng)β油∈[0.85，0.99]，則可判斷變壓器絕緣油已發(fā)生劣化。

（2）絕緣紙平均弛豫因子β紙與變壓器紙的絕緣狀態(tài)密切相關(guān)。通過多臺變壓器實測的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析得出，β紙大小與變壓器油中糠醛含量呈現(xiàn)正相關(guān)。β紙值越小，油中糠醛含量就越小。當(dāng)β紙值落在 [0.561， 0.792] 區(qū)間時，絕緣紙的狀況是良好的;當(dāng)β紙值大于0.792時， 油中糠醛含量超出0.4mg/L，則可判斷出變壓器絕緣紙已發(fā)生老化，且β紙值越大，老化程度就越嚴重。

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