应用去极化能量谱评估变压器绝缘老化受潮状态
2016-05-25黄云程蔡金锭
黄云程， 蔡金锭
(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350108)
应用去极化能量谱评估变压器绝缘老化受潮状态
黄云程， 蔡金锭
(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350108)
近年来，极化/去极化电流法(PDC)作为一种研究电力变压器绝缘老化状态的非破坏性检测方法得到了广泛的应用，但其中对于特征量的提取的研究还处在初步阶段。本文基于时域介电谱理论提取出去极化能量谱，从中提取峰值能量和主时间常数两个重要特征量。然后，利用扩展德拜模型等效电路建立仿真模型，研究两个特征量与老化受潮的关系，并分析能够反映绝缘内部结构的等效电路参数与谱线的内在联系。仿真结果表明，不同极化电压对特征量的提取不产生影响；随着绝缘老化受潮程度的增加，谱线往左上方移动，峰值能量和主时间常数能有效、直观和准确地评估变压器绝缘状态；等效电路参数变化与主时间常数、峰值能量具有鲜明的内在联系，可辅助评估变压器绝缘老化受潮状态。
油纸绝缘； 极化/去极化电流； 时域； 介电谱； 特征量
1 引言
油纸绝缘变压器是电力系统中的极其重要设备，它承担着电能的输送与电压变换等重要任务，是电力系统的枢纽环节[1]。然而影响变压器正常运行的主要因素是油纸绝缘的老化与受潮，随着老化受潮程度的不断加重，将使变压器的安全系数下降，从而影响电力系统的安全稳定[2]。目前，国内外的大型电力变压器已经接近其运行年限，因此能否准确评估油纸绝缘老化受潮程度对于电力行业显得极其重要[3]。
近几年来，介质响应测量技术作为一种简便、有效和无损的绝缘检测方法，被广泛应用于电力变压器油纸绝缘老化受潮状态评估[4]。极化/去极化电流测量法(PDC)能准确反映绝缘介质在慢极化过程中的特性，评估油纸绝缘状态[5]。目前，国内外一些学者利用PDC对绝缘介质响应过程和特征量进行研究，并建立基于扩展德拜模型的油纸绝缘结构介质响应电路模型，然而，其只针对于极化/去极化电流曲线进行简单讨论，对于提取曲线特征量的研究不够深入。
鉴于上述不足，本文基于时域介电谱[6,7]，提取出去极化能量谱，提取谱线上的峰值能量wmax和主时间常数tm两个重要特征量,利用扩展德拜模型等效电路建立仿真模型，研究两个特征量与老化受潮的关系，并分析能够反映绝缘内部结构的等效电路参数与谱线的内在联系。分析结果可为变压器油纸绝缘状态诊断提供理论依据。
2 极化/去极化电流法及等效电路模型
极化/去极化电流测试法能揭示绝缘介质材料内部极化作用过程，是一种不需要吊芯、无损的绝缘检测方法[8]。该测试方法原理如下：首先在油纸绝缘设备的绝缘机构两端施加一个直流脉冲极化电压U0，在tc时间内对油纸绝缘系统进行充电，即电介质极化过程，此时流过电介质的电流称为极化电流ip；然后断开外加电压并在td时间段内把绝缘系统两端短路，即电介质去极化过程，此时有反向的去极化电流id通过电介质。其测量过程如图1所示。
图1 极化/去极化电流测量过程Fig.1 PDC measurement process
变压器油纸绝缘系统由绝缘油、纸板和撑条等组成，其内部结构如图2所示。如若采用单一极化等效电路，势必无法准确描述各组成部分的极化过程，因此对于油纸绝缘系统的复杂极化过程，应采用扩展德拜模型的介质响应等效电路来分析[9]。该等效电路由几何等效电路和极化等效电路组成，如图3所示。几何等效电路中Rg和Cg分别为油纸绝缘系统的绝缘电阻和几何电容，主要和变压器的结构有关；极化等效电路中，采用n条极化电阻R和极化电容C串联支路并联来模拟绝缘内部不同弛豫时间τi=RpiCpi下的介质极化现象，且弛豫时间随绝缘状态不同而变化[10]。
图2 变压器绝缘内部结构Fig.2 Internal structure of transformer insulation
图3 基于扩展德拜模型的介质响应等效电路Fig.3 Dielectric response equivalent circuit based on extended Debye model
3 去极化能量谱及其特征量
油纸绝缘复合介质(包含绝缘油、绝缘纸)的弛豫响应过程可以用分布函数描述，即基于扩展德拜模型的介质响应函数[11]为：
(1)
式中，n为电介质弛豫机构数；Ai为第i个弛豫过程在总弛豫环节中的权重系数；τi为第i个机构的弛豫时间常数。
根据电介质在外加电场下的响应，可以推导出去极化电流的表达式为
(2)
式中，C0为真空电容值；U0为极化电压值；εr为相对介电常数；δ(t)函数为冲激函数，仅在t=0时作用，可忽略不计[12]；t为去极化时间；tc为极化时间。由于f(t)为指数衰减函数，且当tc足够长时，则有f(t)>>f(t+tc)，此时式(2)可简化为：
(3)
按照时域介电谱理论以及能量谱的计算，此时有：
(4)
定义W(t，τ)为去极化能量谱,其实际物理意义为对变压器油纸绝缘施加一直流电压U0后，介质去极化过程所蕴含的广义能量值，表征去极化过程的快慢。去极化能量谱有以下特征：①当t
图4 去极化能量谱Fig.4 Depolarization energy spectrum
从图4可以看出，去极化能量谱存在单一峰值，且存在峰值能量wmax和主时间常数tm两个特征量。下面借助这两个特征量进行进一步研究。
4 去极化能量谱特性仿真分析
通过计算和拟合得到基于扩展德拜模型的介质响应等效电路模型中的各个参数，从而建立仿真模型[13]。本文通过建立仿真模型，探讨变压器老化和受潮对去极化能量谱两个特征量的关系。
4.1 极化电压与谱线特征量的关系
在实际现场中，存在一些不利于测量的因素，尤其对于大型电力变压器，施加不同大小的极化电压所获得效果不同，因此有必要对不同极化电压大小下的去极化能量谱进行研究。选取一台电力变压器分别施加2000V、1500V和1000V直流极化电压，获得的去极化能量谱如图5所示。
图5 不同极化电压下的去极化能量谱Fig.5 Depolarization energy spectrum under different polarization voltages
4.2 变压器老化与谱线特征量的关系
变压器随着运行年限的增加，油纸绝缘受到温度、水分、电场、酸及各种气体等应力的影响，从而引起绝缘材料介电特性变化[14]。因此，绝缘老化状态的不同会导致去极化能量谱特征量发生变化。现选取3台微水含量值分别为0.095%、0.104%和0.121%的变压器进行仿真建模，在相同试验条件下获得试验测试数据，同时对实测变压器进行糠醛含量试验，利用试验报告以及《电力设备预防性试验规程》的规定，即可得到变压器的绝缘老化状态。变压器的基本信息见表1，仿真建模后得到的去极化能量谱如图6所示。
表1 三台不同老化程度的变压器
图6 三台不同老化程度变压器的去极化能量谱Fig.6 Depolarization energy spectrum of three transformers with different degrees of aging
由图6中可见，根据变压器老化程度的不同，去极化能量谱会相应地发生改变。随变压器老化程度的增加，极化电阻降低，等值极化电容增加，且电阻减少的幅度小于电容增加的幅度，导致主时间常数tm变小，峰值能量wmax逐渐增大，绝缘状态变差。因此，利用去极化能量谱的主时间常数tm，峰值能量wmax能有效、准确地反映变压器内部结构变化，为变压器绝缘状态诊断提供依据。
4.3 变压器微水含量与谱线特征量的关系
变压器长期运行老化后，内部会有水分生成，这也是纸板老化的直接产物。水分子作为一种强极性分子，会影响油纸绝缘介质的弛豫极化过程，导致去极化谱线的不同。现选取3台糠醛含量值分别为0.12mg/L、0.09mg/L和0.08mg/L的变压器进行仿真建模，在相同试验条件下获得试验测试数据，同时对实测变压器进行微水含量试验，利用试验报告以及《电力设备预防性试验规程》的规定，即可得到变压器的绝缘受潮情况。变压器的基本信息见表2，仿真建模后得到的去极化能量谱如图7所示。
表2 三台不同微水含量的变压器
图7 三台不同微水含量变压器的去极化能量谱Fig.7 Depolarization energy spectrum of three transformers with different moisture
从图7中T4、T5、T6的对比分析可明显看出，主时间常数随着微水含量的增加而变小，峰值能量wmax变大。因此，由仿真结论可知，随着微水含量的增加，极化电容也相应增加，而极化电阻急剧下降，且下降幅度比电容增加幅度大，从而导致主时间常数的下降；在微水作用下，绝缘电导率上升，去极化电流增加，从而造成峰值能量的增加。由此可见，利用去极化能量谱特征量可获取变压器油纸绝缘微水含量的状况，从而能更加有效地对变压器的受潮状态进行诊断。
5 绝缘内部状态对谱线特征量影响的仿真
基于扩展德拜模型建立的变压器油纸绝缘等效电路，通过能够反映绝缘内部状态的等效电路参数来准确地模拟变压器绝缘状态[15]。为研究去极化能量谱特征量与变压器绝缘内部状态的关系，选取T2变压器通过建立仿真模型、改变等效电路参数观测谱线的变化。
5.1 等效极化支路的时间常数保持不变
在各个极化等效支路时间常数不变的情况下，同时改变极化电阻和极化电容进行仿真，结果如图8所示。由图8可知，等效支路时间常数不变时，不同极化电阻和极化电容下的谱线主时间常数相同；极化电阻大，极化电容小，则峰值能量wmax小，衰减为零的速度快。由此可见，相同等效极化支路时间常数的变压器，去极化能量谱的主时间常数相同，峰值能量wmax越小，绝缘状态越差。
图8 时间常数不变下的去极化能量谱1Fig.8 Depolarization energy spectrum 1 under same time constant
保持等效极化支路的时间常数，减小极化电阻并提高相应倍数的极化电容，得到的去极化能量谱如图9所示。通过图9可以明显的得到与图8相同的结论。
图9 时间常数不变下的去极化能量谱2Fig.9 Depolarization energy spectrum 2 under same time constant
图8和图9表明，极化支路时间常数相同，得到的去极化能量谱的主时间常数相同，此时可以通过峰值能量wmax来反映绝缘的内部状态，极化电阻大或极化电容小，峰值能量小，因此，谱线峰值能量可以有效、准确地判断相同极化支路时间常数下的绝缘内部状态。
5.2 不同等效极化支路的时间常数
改变极化电阻、保持极化电容或改变极化电容、保持极化电阻，两者均能改变等效极化支路的时间常数，所得谱线如图10和图11所示。由图10谱线可知，等效极化支路时间常数减小，谱线的主时间常数也减小；改变极化电阻，极化电容不变时，谱线峰值能量变化较小，随着极化电阻大幅度减小，峰值能量下降较小，由此可见，绝缘内部极化电容不变，极化电阻改变时，利用主时间常数可以准确区分不同极化电阻下的变压器，而峰值能量灵敏性较低。从图11可以看出，极化电阻不变，极化电容减小时，谱线的主时间常数和峰值能量均能灵敏地做出相应的变化，尤其是峰值能量的变化幅度较大，因此，绝缘内部极化电阻不变，极化电容改变时，可利用峰值能量作为主要判断依据，用主时间常数作为辅助判据。
图10 不同时间常数下的去极化能量谱1Fig.10 Depolarization energy spectrum 1 under different time constants
图11 不同时间常数下的去极化能量谱2Fig.11 Depolarization energy spectrum 2 under different time constants
从图10和图11可以得出结论，对于等效极化支路时间常数不同，去极化能量谱的特征量能准确区分不同时间常数下的变压器。极化电容相同，极化电阻不同时，主时间常数可以灵敏地诊断出绝缘内部的状态；极化电阻相同，极化电容不同时，峰值能量能准确地区分不同极化电容下的变压器。
6 结论
极化/去极化电流法(PDC)作为一种无损的变压器油纸绝缘老化受潮状态评估技术，目前对于特征量提取的研究还不成熟。本文依据时域介质谱理论，提出去极化能量谱，提取谱线上的峰值能量wmax和主时间常数tm两个重要特征量,利用扩展德拜模型等效电路仿真探讨两个特征量与老化受潮的关系，有如下结论：①变压器绝缘老化受潮程度增加，谱线的主时间常数变小，峰值能量增大，即谱线往左上方移动；②不同极化电压下，谱线具有良好的线性关系，不会影响反映绝缘信息的提取。
此外，本文利用扩展德拜等效电路建立仿真模型来分析能够反映内部结构的等效电路参数与谱线的内在联系。仿真结果表明：①主时间常数与等效极化支路的时间常数具有线性关系，即主时间常数随极化支路时间常数增大而变大；②峰值能量随着极化电阻的减小或极化电容的增加而变大；③不同极化支路时间常数下，保持极化电阻不变，峰值能量相比于主时间常数显现出更高的灵敏度，而保持极化电容不变时，主时间常数较峰值能量敏感。
从本文提出的去极化能量谱中提取的峰值能量和主时间常数两个特征量，能有效、直观和准确地反映变压器油纸绝缘内部状态的变化，并对绝缘状态进行评估。
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Diagnosis of insulation condition of transformers by using depolarization energy spectrum
HUANG Yun-cheng, CAI Jin-ding
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)
In recent years, the polarization/depolarization current method (PDC) as a non-destructive testing method for power transformer insulation condition has been widely used, but the study of characteristics which are extracted from PDC is still in a preliminary stage. In this paper, the depolarization energy spectrum based on the time-domain dielectric spectroscopy theory was proposed, and the two important characteristics which are extracted from depolarization energy spectrum are peak energy and dominant time constant. Then, the extended Debye model equivalent circuit simulation model was built to study the relationship between the two characteristics with insulation condition, and the two characteristics were analyzed to find the intrinsic link with the equivalent circuit parameters which could reflect the internal structure of the insulation. The simulation results show that extraction of the characteristics is not affected under different polarization voltages. With the deterioration of the insulation condition, the depolarizing line moves to the upper left, and the peak energy and the dominant time constant can effectively, intuitionally and accurately diagnose the insulation condition of transformer. The equivalent circuit parameters has a distinct intrinsic link with the dominant time constant and peak energy, and can be an aid in the assessment of insulation condition of transformers.
oil-paper insulation; PDC; time domain; dielectric spectroscopy; characteristic parameter
2014-11-06
国家自然科学基金资助项目(61174117)
黄云程(1990-), 男, 福建籍, 硕士研究生， 研究方向为电气设备绝缘监测与故障诊断; 蔡金锭(1954-), 男, 福建籍, 教授, 博士, 研究方向为电力网络的优化设计、 电力系统及电力变压器故障的智能诊断。
TM411
A
1003-3076(2016)01-0053-07
