王凱，蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州350108)

油紙絕緣變壓器介質(zhì)響應(yīng)極化譜的探索與研究

王凱，蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州350108)

基于擴(kuò)展德拜模型，建立油紙絕緣變壓器絕緣狀態(tài)與介質(zhì)響應(yīng)等值電路之間的關(guān)系，并仿真分析模型(時間常數(shù)、支路數(shù))改變引起回復(fù)電壓特征參數(shù)和極化譜的變化規(guī)律。仿真分析結(jié)果表明，極化譜回復(fù)電壓峰值與主時間常數(shù)可作為變壓器絕緣診斷的判據(jù)，且時間常數(shù)不同的RC支路在回復(fù)電壓極化譜的對應(yīng)區(qū)段才有所影響。通過研究多臺不同絕緣狀態(tài)的變壓器，總結(jié)出絕緣老化程度與支路數(shù)取值的內(nèi)在聯(lián)系，由此獲取的等值參數(shù)最優(yōu)，所建立模型與變壓器實(shí)際狀況相吻合，可作為油紙絕緣系統(tǒng)狀態(tài)準(zhǔn)確診斷和研究的基礎(chǔ)。

油紙絕緣;變壓器;回復(fù)電壓;特征參數(shù);極化譜

1 引言

油紙絕緣變壓器在電力系統(tǒng)中是非常重要的樞紐設(shè)備，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，而根據(jù)報告指出，引起變壓器故障的主要原因?yàn)槠浣^緣老化或受潮，所以能夠?qū)ψ儔浩鹘^緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估具有重要意義?；貜?fù)電壓測量法(Return Voltage Measurement，RVM)是近些年對變壓器絕緣狀態(tài)診斷的一種新興方法，其基于介質(zhì)響應(yīng)理論研究油紙絕緣系統(tǒng)的極化過程，有效追蹤介質(zhì)極化特性的變化情況。當(dāng)絕緣老化或受潮時，回復(fù)電壓響應(yīng)特征參數(shù)與極化譜也將發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，通過監(jiān)測這些參數(shù)的變化可反向有效地對絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估。此外，基于介質(zhì)響應(yīng)的變壓器絕緣狀態(tài)新型檢測法還有極化去極化電流法(PDC)［1］和頻域譜法(FDS)［2，3］等。RVM易于進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施，且具有較好的抗干擾能力;相對于傳統(tǒng)的測量方法，回復(fù)電壓法可實(shí)現(xiàn)在線無損對變壓器進(jìn)行絕緣檢測，因此該方法具有很好的應(yīng)用前景［4，5］。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者都對基于回復(fù)電壓的變壓器絕緣系統(tǒng)狀態(tài)診斷法作了大量研究，如T K Saha等人對大量的回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，結(jié)果表明絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)與中心時間常數(shù)有很好的相關(guān)性［6］;劉剛等研究了溫度對絕緣系統(tǒng)回復(fù)電壓特征參數(shù)的影響，并在文獻(xiàn)［7］中指出絕緣系統(tǒng)的溫度與中心時間常數(shù)呈指數(shù)關(guān)系;文獻(xiàn)［8］中廖瑞金等通過實(shí)驗(yàn)室加速老化實(shí)驗(yàn)，研究了不同老化程度與回復(fù)電壓特征參數(shù)之間的規(guī)律，研究表明回復(fù)電壓各特征參數(shù)和老化存在線性關(guān)系，同時指出水分對該線性關(guān)系的影響;本課題組現(xiàn)場測試大量回復(fù)電壓數(shù)據(jù)，并與糠醛含量分析法測試結(jié)果相比較，結(jié)果顯示兩種方法的診斷結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了基于回復(fù)電壓的油紙絕緣系統(tǒng)診斷法的有效性，同時在用智能算法對變壓器模型參數(shù)有效辨識方面也取得了一定成果［9］。雖然一些學(xué)者對變壓器模型建立進(jìn)行了研究［10-12］，但對基于擴(kuò)展德拜模型中等值電路支路數(shù)的選取上并未深入討論，其分析時的模型支路數(shù)一般都為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而取定。而支路數(shù)多取一條時，參數(shù)求解的難度將增大很多;若少取，則模型可能就不夠準(zhǔn)確。所以本文從油紙絕緣變壓器的擴(kuò)展德拜模型出發(fā)，分別仿真分析模型支路時間常數(shù)和支路數(shù)對回復(fù)電壓特征參數(shù)與極化譜的影響，為以后獲取最優(yōu)模型參數(shù)的工作打下基礎(chǔ)。

2 回復(fù)電壓測量法與絕緣模型

2.1 回復(fù)電壓法

在絕緣介質(zhì)兩端施加一直流高壓時，介質(zhì)將呈現(xiàn)極化反應(yīng)，在介質(zhì)兩端束縛大量電荷。當(dāng)去除外施電壓并短接介質(zhì)后，介質(zhì)則又將處于去極化過程，原兩極束縛電荷被釋放為自由電荷。停止短接后，若去極化過程還在繼續(xù)，剩余的自由電荷將在兩極形成回復(fù)電壓［13］。

回復(fù)電壓的測試流程由充電、放電、測量和松弛四個階段組成，其測試周期如圖1所示。一個測試周期中可獲取回復(fù)電壓的三個特征參數(shù)(回復(fù)電壓最大值Urmax、初始斜率Si以及中心時間常數(shù)tpeak)，通過調(diào)控充電時間tc，循環(huán)記錄相應(yīng)tc下的特征參數(shù)，并生成各次的回復(fù)電壓最大值Urmax與充電時間tc之間的變化關(guān)系曲線，即回復(fù)電壓極化譜。一經(jīng)典油紙絕緣回復(fù)電壓極化譜如圖2所示。

圖1 回復(fù)電壓測試過程Fig．1 Measurement process of return voltage

圖2 典型油紙絕緣變壓器極化譜Fig．2 Typical polarization spectrum of oil-paper transformer

2.2 油紙絕緣系統(tǒng)模型建立

由于油紙絕緣變壓器的絕緣介質(zhì)主要由變壓器油、隔板和撐條等組成，所以該絕緣系統(tǒng)存在多種不同弛豫時間下的介質(zhì)響應(yīng)過程。此外當(dāng)絕緣狀態(tài)發(fā)生變化時，原有的松弛機(jī)制也將發(fā)生變化，而均一絕緣介質(zhì)響應(yīng)電路無法真實(shí)反映介質(zhì)實(shí)際情況。因此，本文引用擴(kuò)展德拜模型作為介質(zhì)響應(yīng)等值電路，如圖3所示。絕緣電阻Rg和幾何電容Cg主要與系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)相關(guān)［14］，各條RC支路表征極化過程中不同的松弛環(huán)節(jié)［15］，模型中的極化電阻Rpi、極化電容Cpi與支路數(shù)N作為絕緣系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)，且其隨著絕緣系統(tǒng)狀態(tài)的不同而發(fā)生改變。

圖3 基于擴(kuò)展德拜模型的介質(zhì)響應(yīng)等值電路Fig．3 Dielectric response equivalent circuit based on extended Debyemodel

3 油紙絕緣系統(tǒng)等值模型變化仿真

為了研究油紙絕緣系統(tǒng)等值模型與極化譜的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，本文建立了一臺油紙絕緣變壓器T1的介質(zhì)響應(yīng)等值模型作為輔助分析，該變壓器制造于2002年1月，型號為SZg-31500/110，其額定容量為31.5MVA，測試時溫度為20℃，本文關(guān)于模型的參數(shù)辨識主要采用文獻(xiàn)［9］所介紹的方法。下面將以此為基礎(chǔ)，分別仿真分析該變壓器介質(zhì)響應(yīng)模型的支路時間常數(shù)與支路數(shù)變化對極化譜的影響。

3.1 支路時間常數(shù)對極化譜影響的仿真

保持幾何參數(shù)(Rg、Cg)以及支路數(shù)N不變，同時改變各支路中的極化電阻Rpi和極化電容Cpi，仿真分析其對變壓器T1極化譜的影響。圖4(a)為各條支路的時間常數(shù)不變，Rpi和Cpi變化時所獲得的極化譜情況。由圖4(a)可知，Urmax受其變化影響顯著，隨著Rpi的下降，Cpi的增加，Urmax則相應(yīng)增大，即極化譜整體上移，反之，則Urmax降低。但由于絕緣系統(tǒng)的弛豫時間并未改變，達(dá)到回復(fù)電壓峰值時對應(yīng)的充電時間tc不變，即主時間常數(shù)不變。在保持其他參數(shù)恒定的前提下，圖4(b)和圖4(c)分別為Rpi與Cpi各自單一變化時的回復(fù)電壓極化譜。隨著Rpi和Cpi的增大，達(dá)到回復(fù)電壓峰值時對應(yīng)的充電時間tc將隨著絕緣系統(tǒng)弛豫時間的增大而增大，即主時間常數(shù)將增大;反之，主時間常數(shù)將減小。而且根據(jù)圖4中的各極化譜亦可得，隨著Rpi增大或Cpi的降低，回復(fù)電壓峰值將降低;反之，回復(fù)電壓峰值將增大。

圖4 極化電容Cpi和極化電阻Rpi變化時的極化譜Fig．4 Polarization spectrum of polarization capacitance Cpiand polarization resistance Rpichange

綜上可知，極化電阻與極化電容的改變會對極化譜的主時間常數(shù)、回復(fù)電壓峰值產(chǎn)生相應(yīng)影響。對于同一臺變壓器而言，當(dāng)其絕緣狀態(tài)越差時，等值極化電阻會隨著電導(dǎo)率的提高而降低，而極化電容會隨著絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)增大而增大，則極化譜中的回復(fù)電壓峰值有增大趨勢，反之則降低;另外，當(dāng)各支路的時間常數(shù)增大，極化譜主時間常數(shù)也將隨之增大，反之減小。因此，極化譜的回復(fù)電壓峰值和主時間常數(shù)可作為變壓器絕緣狀態(tài)好壞的判據(jù)。

3.2 支路數(shù)對極化譜影響的仿真

在變壓器T1的等值電路參數(shù)保持不變的前提下，仿真分析模型支路數(shù)N變化對回復(fù)電壓極化譜產(chǎn)生的影響，如圖5所示。

圖5 支路數(shù)改變的極化譜仿真圖Fig．5 Polarization spectrum of branch number change

從圖5(a)可見，當(dāng)增加模型中大時間常數(shù)支路時，極化譜回復(fù)電壓峰值明顯提高，而在此所增加的支路與原有的大時間常數(shù)支路中的參數(shù)完全相同，從而弛豫時間不變，即達(dá)到回復(fù)電壓峰值所對應(yīng)的充電時間tc也將不變，若增加支路參數(shù)不同時，主時間常數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)變化;而當(dāng)濾除原有模型中的大時間常數(shù)支路部分后，極化譜末段發(fā)生塌陷，所以回復(fù)電壓峰值與主時間常數(shù)主要由大時間常數(shù)支路支持，可知，當(dāng)大時間常數(shù)支路發(fā)生變化時，極化譜的回復(fù)電壓峰值與主時間常數(shù)將發(fā)生相應(yīng)變化。圖5(b)和圖5(c)分別為中時間與小時間常數(shù)支路數(shù)的增減對極化譜的影響，中時間常數(shù)支路的變化主要對極化譜中段產(chǎn)生較大影響，而小時間常數(shù)支路的變化則主要影響極化譜的前段，且各自受影響部分對應(yīng)的回復(fù)電壓值隨著支路數(shù)的增加而提高，隨著支路數(shù)的減小而下降。此時圖5(b)與圖5(c)中極化譜主時間常數(shù)并未發(fā)生變化。

仿真結(jié)果表明，大時間常數(shù)支路主要影響極化譜末段部分，極化譜主時間常數(shù)及回復(fù)電壓峰值也主要受其影響，而中時間常數(shù)支路主要影響極化譜的中段，小時間常數(shù)支路則對極化譜前段產(chǎn)生較大影響。當(dāng)變壓器絕緣越差，絕緣系統(tǒng)由于各種老化產(chǎn)物的影響，其松弛機(jī)制將更多樣，在外電場作用下，絕緣介質(zhì)極化過程也更加復(fù)雜，系統(tǒng)的松弛環(huán)節(jié)將也隨之增加［16］，即RC支路增多，相應(yīng)的回復(fù)電壓值隨著支路數(shù)增大而增大，且主時間常數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)變化。這與上文關(guān)于回復(fù)電壓峰值時間越大，絕緣相對變差的仿真結(jié)果相一致。因此，支路數(shù)N的取值可側(cè)面反映變壓器絕緣狀態(tài)。

4 試驗(yàn)研究及結(jié)果應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文提出的油紙絕緣變壓器絕緣狀態(tài)診斷方法的可行性，采用回復(fù)電壓法現(xiàn)場對兩臺變壓器(T2、T3)進(jìn)行了測試，其基本信息見表1。

表1 變壓器T2與T3的基本信息Tab．1 Basic information of two distribution transformers

當(dāng)設(shè)定介質(zhì)模型支路數(shù)為5條時，對兩臺變壓器分別進(jìn)行參數(shù)辨識，辨識結(jié)果見表2。根據(jù)獲得的等值電路參數(shù)可求解出回復(fù)電壓值［9］，生成計算所得的回復(fù)電壓極化譜，將其與實(shí)際測量的極化譜進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

表2 變壓器T2與T3支路數(shù)為5時等值電路參數(shù)辨識結(jié)果Tab．2 Equivalent circuit parameters of transformers T2and T3at five branches

圖6 變壓器T2、T3極化譜測量值與計算值比較Fig．6 Comparison of calculated and measured values on transformers T2and T3

首先，觀察圖6中變壓器T2、T3兩條測量所得的極化譜可知，T2的主時間常數(shù)比T3的大，且T2的回復(fù)電壓峰值在T3的下方，根據(jù)仿真結(jié)果可判斷出T2的絕緣狀態(tài)比T3的好。而實(shí)際中，變壓器T2是一臺新投變壓器，T3則是已退出運(yùn)行變壓器。其次，從圖中兩變壓器各自測量與計算的極化譜比較中可發(fā)現(xiàn)，雖然兩者采用的支路數(shù)都一樣，但由于運(yùn)行年限導(dǎo)致絕緣狀態(tài)的不同，變壓器T3計算所得極化譜與實(shí)際的吻合性不如T2的好，采用7條支路重新對變壓器T3進(jìn)行參數(shù)辨識，圖7為此時其測量與計算所得的極化譜的對比圖。

圖7 支路數(shù)為7時T3的測量值與計算值比較Fig．7 Comparison of calculated and measured values on transformers T3at seven branches

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，采用7條支路的重合性明顯優(yōu)于5條支路時計算獲得的極化譜，即7條支路獲得的極化譜與實(shí)際測量結(jié)果更吻合。從而得出結(jié)論:油紙絕緣變壓器隨著運(yùn)行年限增加，絕緣狀態(tài)越差，介質(zhì)響應(yīng)等值電路支路數(shù)應(yīng)相對增多。

在以上結(jié)論基礎(chǔ)上，根據(jù)變壓器T4(其基本信息見表3)大修前后的現(xiàn)場回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)，按本文方法對其進(jìn)行參數(shù)辨識，與結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，大修前的等值電路支路為6條，而大修后的則減少為4條，且大修后的主時間常數(shù)明顯增大，回復(fù)電壓峰值則相對減小。此次大修的項(xiàng)目為將老化嚴(yán)重的低壓繞組更換成新繞組，從而可知，變壓器實(shí)際絕緣狀態(tài)的改善可以減少等值電路支路數(shù)。經(jīng)過反復(fù)多次測試分析，盡管所選變壓器型號各有不同，但測試分析結(jié)果是相同的，由此驗(yàn)證了上文的結(jié)論具有一般性，即主時間常數(shù)與回復(fù)電壓峰值可對油紙絕緣狀態(tài)有效診斷，而等值模型的支路數(shù)隨著絕緣狀態(tài)的變化而變化。

表3 變壓器T4基本信息Tab．3 Basic information of distribution transformer T4

5 結(jié)論

本文通過回復(fù)電壓極化譜的仿真分析表明，絕緣介質(zhì)等值模型內(nèi)部參數(shù)(極化電容Cpi、極化電阻Rpi和支路數(shù)N)可對極化譜產(chǎn)生影響;驗(yàn)證了極化譜主時間常數(shù)與回復(fù)電壓峰值可作為油紙絕緣變壓器絕緣狀態(tài)的診斷依據(jù)，且其主要受大時間常數(shù)支路的影響，同時說明了絕緣介質(zhì)響應(yīng)等值電路中支路數(shù)的具體取值與變壓器運(yùn)行年限、絕緣狀態(tài)存在聯(lián)系，并得出變壓器模型支路數(shù)選取與其絕緣狀態(tài)之間的規(guī)律。確定合適的支路數(shù)不僅可獲得更為準(zhǔn)確的模型結(jié)構(gòu)，而且能充分提高求解參數(shù)時的效率，獲取最優(yōu)模型參數(shù)。

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Studies on dielectric response characteristic parameters of oil-paper insulation transformers

WANG Kai，CAIJin-ding
(College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

This paper established the relationship between insulation condition of oil-paper insulated transformers and dielectric response equivalent circuit based on the extended Debyemodel，and the change laws of return voltage characteristic parameters and polarization spectrum caused by variation ofmodel(time constant or branch number)are simulated and analyzed．Simulation results show that the return voltage peak and dominant time constantof polarization spectrum can be used as a criterion to the diagnosis of transformer insulation．The time constant of the RC branch’s influence on polarization spectrum’s distribution is segmental，then the number of branches that own different time constants has the different performances in the corresponding section of the polarization spectrum．If the operating life is longer or the insulation status isworse of a transformer，the number of branches of its dielectric responsemodelwould relatively increase．The relationship between transformerswith different operation life and the model number of branches is researched，and the calculation of polarization spectrum will bemore consistent with the transformer’s actual situation．So the judgments and researches on its statuswill bemore accurate，and the optimum model parameters can be obtained．

oil-paper insulation;transformer;return voltage;characteristic parameters;polarization spectrum

TM411

A

1003-3076(2015)01-0041-06

2013-06-25

國家自然科學(xué)基金(61174117)資助項(xiàng)目

王凱(1988-)，男，福建籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣監(jiān)測與故障診斷;蔡金錠(1954-)，男，福建籍，教授，博士，主攻電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計、電力系統(tǒng)及電力變壓器故障的智能診斷。