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(shí)域介電譜的分析，對(duì)時(shí)域微分介電譜線(xiàn)進(jìn)行解譜，得到包含不同弛豫信息的子譜線(xiàn)，并確定變壓器油紙絕緣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和求取弛豫參數(shù)值。進(jìn)一步，對(duì)30多臺(tái)不同型號(hào)的油紙絕緣變壓器的弛豫參數(shù)及其絕緣狀態(tài)進(jìn)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(lái)評(píng)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(shí)際變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，結(jié)果表明兩個(gè)新特征量可有效地用于評(píng)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?fù)浞治?絕緣油平均弛豫因子;絕緣紙平均弛豫因子;絕緣評(píng)估

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫(xiě)）

中圖分類(lèi)號(hào)：TM854 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫(xiě)）

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(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，所以準(zhǔn)確評(píng)估變壓器的絕緣狀態(tài)顯得十分重要[1，2]。基于弛豫響應(yīng)的變壓器絕緣拓?fù)鋽?shù)學(xué)建模是評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的重要方法之一[3-6]。

目前，通過(guò)引入擴(kuò)展德拜等效電路進(jìn)行介電弛豫響應(yīng)的拓?fù)浣?lái)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?fù)浣6]以及利用提取的特征量進(jìn)行絕緣評(píng)估仍然存在諸多問(wèn)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(shí)際過(guò)程，如文獻(xiàn)[7-9]在拓?fù)浞治鲋屑僭O(shè)不同絕緣介質(zhì)之間不會(huì)相互影響，雖簡(jiǎn)化了拓?fù)浣５挠?jì)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(píng)估僅停留在定性評(píng)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(gè)大致的關(guān)系，如文獻(xiàn)[10-12]分別采用擴(kuò)展Debye模型的大時(shí)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(píng)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(píng)估方法只能從總體上評(píng)估變壓器的絕緣狀態(tài)，并不能細(xì)化評(píng)估結(jié)果，分別評(píng)估絕緣油與絕緣紙的絕緣狀態(tài)，如文獻(xiàn)[13，14]提出的絕緣評(píng)估方法，只能判斷變壓器總體絕緣的好壞，對(duì)于絕緣油和絕緣紙的具體情況無(wú)法分別給出評(píng)估結(jié)果。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文引入帶弛豫因子的介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)來(lái)分析回復(fù)電壓時(shí)域微分譜線(xiàn)，得到各條包含不同弛豫響應(yīng)參數(shù)的子譜線(xiàn)，從而構(gòu)建變壓器絕緣的弛豫響應(yīng)拓?fù)?。該模型不僅提升了油紙絕緣拓?fù)鋮?shù)辨識(shí)的精確度，且更貼近絕緣介質(zhì)弛豫過(guò)程的實(shí)際情況。同時(shí)利用大量變壓器實(shí)測(cè)和拓?fù)浞治龅玫降臄?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(píng)估特征量分別對(duì)絕緣油與絕緣紙的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(kuò)展德拜等效電路來(lái)構(gòu)建絕緣系統(tǒng)的弛豫響應(yīng)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

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

在很多研究中，研究人員一般假定弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)為6進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建，這種方法雖然簡(jiǎn)便但是會(huì)帶來(lái)較大誤差，現(xiàn)將兩種弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)對(duì)應(yīng)的變壓器D1的極化譜分別繪圖進(jìn)行比較，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，采用5條弛豫機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)錁?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(jī)構(gòu)的方法，與極化譜實(shí)測(cè)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?fù)錁?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(jī)理。

同理，對(duì)變壓器D2同樣用上述的方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。分析結(jié)果如圖4所示。

同理可知，變壓器D2擴(kuò)展德拜等效電路有7條等效弛豫機(jī)構(gòu)。同樣針對(duì)變壓器D2，運(yùn)用上述方法進(jìn)行分析拓?fù)浣?zhǔn)確性的驗(yàn)證，假定法假定弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)為6而引入弛豫因子的建模方法求得弛豫機(jī)構(gòu)數(shù)為7，將兩種方法得到的極化譜和實(shí)測(cè)極化譜繪于同一張圖中進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖可以看出7條弛豫機(jī)構(gòu)的吻合度明顯高于直接假定6條弛豫機(jī)構(gòu)的吻合度，說(shuō)明引入弛豫因子能有效提升拓?fù)浞治龅奈呛隙取?/p>

4 新特征量的提取

為了提取能夠評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的時(shí)域特征量，本文采用回復(fù)電壓測(cè)試儀RVM5461對(duì)將近40臺(tái)變壓器進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，得到回復(fù)電壓時(shí)域介電譜線(xiàn)，并對(duì)所得譜線(xiàn)應(yīng)用本文所介紹的弛豫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法進(jìn)行油紙絕緣拓?fù)浞治?。研究結(jié)果表明，回復(fù)電壓譜線(xiàn)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(cè)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(shí)間常數(shù)支路表征絕緣紙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，小時(shí)間常數(shù)支路表征絕緣油的拓?fù)浣Y(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(shí)間常數(shù)支路和小時(shí)間常數(shù)支路數(shù)目一般不相等，所以無(wú)法直接將單個(gè)弛豫支路的弛豫因子進(jìn)行比較評(píng)估變壓器各部分的絕緣狀態(tài)。可以將小時(shí)間常數(shù)支路的全部弛豫因子取均值得到一個(gè)新的特征量：絕緣油平均弛豫因子β油;將大時(shí)間常數(shù)支路的全部弛豫因子取均值得到一個(gè)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(lái)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(jìn)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(jiàn)，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?jiān)叫。纯啡┖吭叫?。依?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(yàn)規(guī)程》，可判斷絕緣紙的絕緣狀態(tài)越好。這是因?yàn)槌谠ヒ蜃釉酱?，則弛豫機(jī)構(gòu)隨時(shí)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(shí)，絕緣紙的狀況是良好;當(dāng)β紙>0.792時(shí)， 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(guò)對(duì)大約40臺(tái)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(duì)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(jìn)行分析，二者是同一臺(tái)變壓器，型號(hào)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?yàn)?，變壓器?jīng)過(guò)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(jiàn)，換油后絕緣油的狀態(tài)優(yōu)于換油前，這符合變壓器實(shí)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(píng)估絕緣油的劣化情況。

5 絕緣評(píng)估

利用上節(jié)提出的2個(gè)特征量對(duì)3臺(tái)待診斷變壓器進(jìn)行絕緣狀況評(píng)估，3臺(tái)變壓器基本信息和解譜分析得到的結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)：絕緣狀況評(píng)估結(jié)果與實(shí)際絕緣情況是相符合的。T19變壓器經(jīng)過(guò)拓?fù)浞治龊徒庾V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(píng)估其絕緣紙狀況也是良好的，而該臺(tái)變壓器實(shí)際狀況是絕緣良好，且糠醛含量為0.03mg/L，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況狀態(tài)相吻合。對(duì)于T20變壓器，其β油值為0.864∈[0.85，0.99]，評(píng)估后其絕緣油是劣化;而β紙值為0.790<0.792，所以評(píng)估后其絕緣紙狀況尚好，而該臺(tái)變壓器實(shí)際狀況是絕緣油劣化，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況也是相吻合。絕緣系統(tǒng)老化的部分是絕緣油，需進(jìn)行換油處理。對(duì)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(píng)估后其絕緣紙狀況有老化，而該臺(tái)變壓器實(shí)際狀況是絕緣老化。診斷結(jié)果與實(shí)際情況也是相吻合的。從以上診斷結(jié)果可見(jiàn)，本文提出的新特征量可分別有效地評(píng)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(shí)域介電譜的分析，從而提出一種分析變壓器絕緣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新方法。經(jīng)過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該方法能準(zhǔn)確可靠地辨識(shí)油紙絕緣極化響應(yīng)等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，挖掘出兩個(gè)新的時(shí)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(guò)實(shí)例驗(yàn)證這兩個(gè)新特征量可有效地用于評(píng)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(shí)，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(guò)多臺(tái)變壓器實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(shí)，絕緣紙的狀況是良好的;當(dāng)β紙值大于0.792時(shí)， 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(yán)重。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 廖瑞金，孟繁津，周年榮，等.基于集對(duì)分析和證據(jù)理論融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)評(píng)估方法.高電壓技術(shù)，2014，40（2）：474.

LIAO Ruijing， MENG Fanjin， ZHOU Nianrong， et al. Evaluation of Insulation Condition in Transformer Based on Integration of Set Pair Analysis and Evidence Theory[J]. High Voltage Technology， 2014， 40（2）： 474.

[2] 曾靜嵐，蔡金錠. 基于回復(fù)電壓特征量分析的油紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29（11）：1639.

ZENG Jinlan， CAI Jinding. Evaluation of Aging Condition of Oil-paper Insulation Based on Characteristic Voltage of Recovery Voltage[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2015， 29（11）：1639.

[3] 陳漢城，蔡金錠.基于多時(shí)域特征參量的變壓器油紙絕緣狀態(tài)綜合評(píng)估[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2017， 37（7）：184.

CHEN Hancheng，GAI Jinding. Synthetic insulation state evaluation based on multiple time-domain characteristic parameters for transformer oil-paper[J]. Electric Power Automation Equipment，2017，37（7）：184.

[4] 嚴(yán)欣，蔡金錠.油紙絕緣設(shè)備微水量的定性評(píng)估方法[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29 （10）：1478.

YAN Xin，CAI Jinding.Study on the micro water content of oilpaper insulation transformer[J].Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2015，29（10）： 1478.

[5] 林智勇，蔡金錠.基于回復(fù)電壓特征量的油紙絕緣老化診斷[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29 （11）：1669.

LIN Zhiyong，CAI Jinding. Aging diagnosis of oil-paper insulation based on the return voltage characteristics[J].Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2015，29（11）：1669.

[6] 祝順才，蔡金錠.基于模糊-灰色聚類(lèi)的油紙絕緣狀態(tài)綜合診斷[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（3）：718.

ZHU Shuncai， CAI Jinding. Integrated Diagnosis of Insulating Condition of Oil Paper Based on Fuzzy-Gray Clustering[J]. Journal of Instrumentation， 2017， 38（3）：718.

[7] WANG C，YU H Y，WU D Y. Volume fraction measurement of oil-water two-phase flow using a coaxial conductivity sensor[J].Instrumentation，2014，1 （1）： 49.

[8] 夏飛，羅志疆，張浩，等.混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2017， 31（1）：118.

XIA Fei，LUO Zhijiang，ZHANG Hao，et al.Application of mixed neural network in transformer fault diagnosis[J].Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2017，31（1）：118.

[9] 馬星河，馬利，周濤，等.礦用電纜絕緣監(jiān)測(cè)PD 信號(hào)降噪新方法的研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016，39（1）： 123.

MA Xinhe，MA Li，ZHOU Tao，et al. Study on new method of on-line monitoring of PD signal noise insulation cable for mine[J]. Electronic Measurement Technology，2016，39（1）： 123.

[10] 蔡金錠，林智勇，蔡嘉.基于等效電路參數(shù)的變壓器油中糠醛含量判別法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37（3）：706

CAI Jinding， LIN Zhiyong， CAI Jia. Research on Judging Method of Furfural Content in Transformer Oil Based on Equivalent Circuit Parameters[J].Journal of Instrumentation，2016，37（3）：706

[11] 黃云程，蔡金錠.應(yīng)用去極化能量譜評(píng)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.

Huang Yuncheng， CAI Jinding. Application of depolarization energy spectrum to evaluate the aging status of transformer insulation aging[J].New Technology of Electrical Engineering and Energy， 2016， 35（1）：53.

[12] 蔡金錠，陳漢城.基于陷阱密度譜特征量的油紙絕緣變壓器老化診斷[J].高電壓技術(shù)，2017，43（8）：2574.

CAI Jinding， CHEN Hancheng. Aging Diagnosis of Oil - Insulated Transformer Based on Trap Density Spectral Characteristic[J]. High voltage technology， 2017， 43（8）： 2574.

[13] 謝松，鄒陽(yáng)，蔡金錠.基于模糊粗糙集的變壓器油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（9）：190.

XIE Song， ZHOU Yang， CAI Jinding. Evaluation of Insulation Condition of Transformer Oil Paper Based on Fuzzy Rough Sets[J]. Journal of Instrumentation， 2017， 38（9）： 190.

[14] 黃云程，蔡金錠.融合改進(jìn)層次分析與灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)估油紙絕緣狀態(tài)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2015，36（9）：2083.

CAI Jinding， HUANG Yuncheng. Evaluation of the insulation state of paper and oil by means of improved analytic hierarchy process and gray relational method[J]. Journal of Instrumentation， 2015， 36（9）： 2083.

[15] 李景德，曹萬(wàn)強(qiáng)，李向前，等.時(shí)域介電譜方法及其應(yīng)用[J].物理學(xué)報(bào)，1996，45（7）： 1225.

LI Jinde，CAO W X，LI X Q，et al. Time domain dielectric spectroscopy method and its application[J].Chinese Journal of Physics，1996，45（7）： 1225.

[16] 陳漢城，蔡金錠.考慮自由弛豫的油紙絕緣拓?fù)浞治黾盃顟B(tài)評(píng)估[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（10）：2597.

CHEN Hanchen，GAI Jinding.Topological Analysis and Condition Assessment of Oil-paper Insulation Considering Free Relaxation[J].Journal of Instrumentation，2017，38（10）：2597.

[17] 賈蕗路，劉斌，劉欣，等.油中糠醛分析在變壓器壽命評(píng)估中的應(yīng)用[J].江西電力，2017（2）：9.

Jia Lulu， Liu Bin， Liu Xin， et al. Application of Furfuraldehyde Analysis in Oil in Life Evaluation of Transformer[J].Jiangxi Electric Power，2017（2）：9.