林智勇， 蔡金锭

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108）

运用混联等效电路诊断变压器油纸绝缘状态

林智勇， 蔡金锭

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108）

针对油纸绝缘变压器内部绝缘介质弛豫响应的复杂性，根据油纸绝缘结构特征，提出建立混联等效电路新模型来表征油纸绝缘弛豫过程。根据混联等效电路的理论分析，推导出混联等效电路参数和回复电压的求解公式。先采用一台变压器回复电压测试数据对该方法进行验证后，再利用一台变压器检修前后的测试数据进行基于混联等效电路的变压器油纸绝缘诊断研究。研究结果表明：通过混联等效电路方法得到的回复电压曲线能够很好的与现场测量的回复电压曲线吻合，且利用混联等效电路能够准确的诊断油纸绝缘变压器的绝缘介质老化情况。

油纸绝缘；混联等效电路；变压器；回复电压

0　引言

大型油浸式变压器是电力系统最重要设备之一，它承担电力系统的变电任务，处于电力网络的关键和中间环节［1-2］。一旦它发生故障而停运，将严重影响电力系统安全可靠性和电力企业经济效益，甚至影响国民经济发展。目前，变压器发生故障绝大多数是其内部绝缘老化引起的，若能提前预测变压器油纸绝缘老化状态，则可以进一步减少变压器故障率，从而提高电力系统安全稳定性。所以研究一种能准确诊断变压器油纸绝缘状态方法对电力企业具有重要的工程应用价值［3-5］。

油纸绝缘变压器内部绝缘结构主要有绝缘油、绝缘纸等组成［6-7］。在实际运行过程中，变压器内部绝缘系统会受到外部环境和自身的影响，发生复杂的化学和物理变化，使得绝缘状态变差。绝缘介质的老化程度会反映在其极化特性中，所以研究绝缘介质的极化特性是分析油纸绝缘状态一个重要途径［8］。

目前，国内外大部分学者主要利用时域介质响应理论建立扩展德拜等效电路模型对油纸绝缘介质的弛豫过程进行分析，常用的有回复电压测量法，极化去极化电流法。例如，李军浩等人在文献［9］和唐盼等人在文献［10］中均利用极化去极化电流曲线特征量来求解扩展德拜等效电路参数；杜振波提出利用频域介电谱来研究扩展德拜模型［11］；文献［12］中张军强等人利用回复电压极化谱特征量对等效电路进行研究。这些都对扩展德拜等效电路的求解和构建进行了研究与分析，然而对等效电路参数的求解都需要足够的测量数据和算法精度才能准确辨识等效电路参数。本文根据油纸绝缘系统结构特点，提出全新的混联等效电路模型来研究油纸绝缘介质弛豫过程，该模型不但结构简单，而且无需采集大量数据，只需测量某一次的回复电压曲线特征量，就可准确便捷求解混联等效电路参数，过滤了受到干扰的不准确数据，进一步提高诊断变压器油纸绝缘老化状态的准确度。

1　回复电压测量法

回复电压测量法是一种无损的时域电气绝缘诊断方法［13-15］。其优点是测试简单，有较好的抗干扰能力，其反映的信息与变压器老化特征量密切相关，所以该方法被广泛应用于变压器油纸绝缘状态诊断。回复电压测量法是通过对变压器测量获得的回复电压特征量进行分析来进一步诊断油纸绝缘变压器的老化状况。目前主要运用3个特征量：回复电压曲线初始斜率k，回复电压曲线最大值Um及其最大值所对应的时间常数tp。

回复电压测试过程如下：首先对绝缘介质两端加直流极化电压U0，对绝缘介质进行充电，绝缘介质发生极化，其表面出现束缚电荷；经过充电tc时间后，对绝缘介质两端进行短接处理，绝缘介质发生去极化，部分电荷被释放；经过放电时间td后，残余的极化电荷会在绝缘介质两端形成一个回复电压响应，此电压称为回复电压，对应的测量曲线称为回复电压曲线。通过改变充电时间tc，可以获得一系列对应的回复电压曲线，将充电时间tc与对应的回复电压曲线最大值画出的曲线称为回复电压极化谱。

回复电压测量过程如图1所示。一个完整的回复电压测量周期主要有极化、短路和松弛3个阶段组成，回复电压特征量均反映在测试的松弛阶段。

图1　回复电压测量过程Fig.1　Recovery voltage measurement process

本文采用如图2所示的回复电压测试仪RVM5461对变压器进行回复电压测量，测量现场接线示意图如图3所示。对变压器进行测量时，必须将被变压器退出运行，并将其连接头拆掉；将各绕组三相分别短路，红夹接到被试侧绕组的短接点；其它非被试侧绕组（包括未接地的中性点）连同变压器外壳一点接地，将黑夹接到该接地公共点。

图2　RVM5461回复电压测试仪Fig.2　Return voltage tester RVM5461

图3　回复电压测试示意图Fig.3　Schematic diagram of recovery voltage test

2　混联等效电路原理分析

电力油纸绝缘变压器内部的绝缘结构主要由绝缘纸、绝缘油和撑条等部分组成，其结构示意图和剖面图分别如图4、图5所示。

图4　变压器绕组油纸绝缘结构示意图Fig.4　Schematic diagram of transformer oil-paper insulation system

图5　变压器油纸绝缘结构剖面图Fig.5　Profile of transformer oil-paper insulation system

由于绝缘油是主要成分碳氢化合物，属于极性分子，绝缘纸主要成分是纤维素，属于非极性分子，所以在极化过程中，绝缘油对应快极化响应，绝缘纸对应慢极化响应。电介质极化根据其介电常数的不同在极化过程中会呈现快慢响应，主要表征在衰减过程中的时间常数。根据变压器绝缘结构和绝缘介质极化特性，结合Maxwell电路理论，本文提出一种新型混联等效电路来分析油纸绝缘变压器的老化状态情况，如图6所示。其中R1、R2代表等效电路的极化电阻，C1、C2代表等效电路的极化电容。R1C1回路代表绝缘油的极化等效电路，R2C2回路代表绝缘纸的极化等效电路。

图6　混联等效电路Fig.6　Hybrid equivalent circuit

根据电路回路分析法，可知回复电压为

式中：τ1=R1C1；τ2=R2C2；λ=τ2/τ1。

根据式（1），可以求出回复电压3个特征初始斜率k，最大值Um及对应的时间常数tp。

在某一充电时间tc下的一组［k Umtp］特征参数，运用改进粒子群算法就可以求出对应的一组［Usλ τ1］参数。再利用式（1）～式（3）可求出等效电路的［R1R2C1C2］。

3　混联等效电路现场测试运用分析

本文采用RVM5461回复电压测试仪对福建泉州一台停运检修的220 kV，240 MW的变压器T1进行现场回复电压测试，得到一系列［k Umtp］特征参数数组。取充电时间为20 s的特征量参数数组［k Umtp］=［0.5 24.8297］，按上述公式求出对应［Usλ τ1］=［47.012 3 4.863 8 149.155 4］，进而求出混联等效电路参数［R1R2C1C2］=［24.852 4 74.93 6.001 7 9.681 8］。

将求解得到的混联等效电路参数带入回复电压公式，求得回复电压曲线。图7为实测回复电压曲线和混联等效电路参数得来的回复电压曲线的比较结果图。

图7　回复电压曲线比较图Fig.7　Return voltage curve comparison chart

从图7可以看出，两条回复电压曲线相当吻合，表明在误差允许范围内，利用混联等效电路参数得来的回复电压曲线与实测回复电压曲线一致。

4　变压器绝缘老化诊断研究

为进一步验证混联等效电路模型诊断油纸绝缘变压器绝缘状况的可靠性，本文对福建福州一台220 kV，240 MW变压器T2的检修前后绝缘状况进行回复电压法分析。

运用RVM5461回复电压测试仪对变压器T2滤油处理的检修前后分别进行充电时间为20 s、1 000 s的回复电压测试，获得数据如表1所示。

根据表1数据，结合本文提出的构建混联等效电路方法，求得变压器T2充电时间分别为20 s、1 000 s的检修前后的混联等效电路参数如表2所示。

表1　回复电压测试数据Table 1　Recovery voltage test data

从表2可以看出，检修前代表绝缘油的极化电阻R1、代表绝缘纸的极化电阻R2均比检修后的小；而检修前代表绝缘油的极化电容C1、代表绝缘纸的极化电容C2均比检修后的大，说明油纸变压器绝缘状况变差时，其等效电路的极化电阻变小，而极化电容变大，与实际绝缘介质发生老化时其等效极化电路参数变化情况一致。

表2　检修前后的混联等效电路参数Table 2　Parameters of hybrid equivalent circuit before and after being maintained

从表2还可以看出，当充电时间为20 s时，检修前的代表绝缘油等效极化回路的主时间常数τ1和代表绝缘纸等效极化回路的主时间常数τ2均比检修后的大，而代表油纸绝缘系统等效极化回路的主时间常数τ比检修后的大；当充电时间为1 000 s时，检修前的代表绝缘油等效极化回路的主时间常数τ1和代表绝缘纸等效极化回路的主时间常数τ2均比检修后的小，而代表油纸绝缘系统等效极化回路的主时间常数τ比检修后的小。这可以得出两点重要结论：其一，充电时间短时，回复电压测试主要反映极性分子绝缘油的快响应弛豫过程；充电时间长时，回复电压测试主要反映非极性分子绝缘纸的慢响应弛豫过程。其二，绝缘油的绝缘状态越好，其等效电路的主时间常数越小；绝缘纸的绝缘状态越好，其等效电路的主时间常数越大。

为进一步形象的研究混联等效电路诊断油纸绝缘变压器的绝缘状况，对充电时间为20 s、1 000 s时各两条混联等效电路获得的检修前后回复电压曲线进行对比分析，如图8、图9所示。

从图8、图9可以看出，当充电时间为20 s时，检修前的主时间常数比检修后的大，检修前的回复电压最大值比检修后的大；当充电时间为1 000 s时，检修前的主时间常数比检修后的小，检修前的回复电压最大值比检修后的大。

图8　tc=20 s时检修前后回复电压曲线对比图Fig.8　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=20 s

图9　tc=1 000 s时检修前后回复电压曲线对比图Fig.9　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=1 000 s

5　结论

通过实例验证表明，本文提出的混联等效电路模型得到的回复电压曲线能够很好与现场实测获得的回复电压曲线吻合，能够真实反映绝缘介质内部极化过程，进而为后续诊断变压器油纸绝缘老化状况奠定重要基础。

本文运用混联等效电路，结合回复电压测量法诊断油纸绝缘变压器得到如下结论：

1）油纸变压器绝缘状况变差时，其等效电路的极化电阻变小，而极化电容变大。

2）油纸变压器绝缘状况变差时，当采用短充电时间测量，其绝缘油等效极化回路的主时间常数τ1、绝缘纸等效极化回路的主时间常数τ2和油纸绝缘系统等效极化回路的主时间常数τ均变大。当采用长充电时间，其绝缘油等效极化回路的主时间常数τ1、绝缘纸等效极化回路的主时间常数τ2和油纸绝缘系统等效极化回路的主时间常数τ均变小。

3）绝缘油的绝缘状态越好，当采用短充电时间测量，其混联等效电路的主时间常数越小；绝缘纸的绝缘状态越好，当采用长充电时间测量，其混联等效电路的主时间常数越大。

4）油纸绝缘变压器绝缘状态越好，其回复电压最大值就越小。

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（编辑：刘琳琳）

Diagnosing transformer oil-paper insulation by hybrid equivalent circuit

LIN Zhi-yong， CAI Jin-ding
（College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

Aiming at the complexity of dielectric relaxation response of transformer oil-paper insulation，a hybrid equivalent circuit new model was established to characterize the relaxation process of oil-paper insulation system according to the characteristics of oil-paper insulation.According to theory analysis of hybrid equivalent circuit，formula of the hybrid equivalent circuit parameters and the recovery voltage were deduced.Test data of a transformer recovery voltage was adopted to verify the method，and then the test data of a transformer before and after being maintained was used to diagnose transformer oil-paper insulation system based on hybrid equivalent circuit.The results show that：the return voltage curve which is gained by the hybrid equivalent circuit method inosculates very well with those gained by the field measurements，and the hybrid equivalent circuit can diagnose aging of transformer oil-paper insulation dielectric accurately.

oil-paper insulation；a hybrid equivalent circuit；transformer；return voltage

10.15938/j.emc.2016.03.001

TM 411

A

1007-449X（2016）03-0001-05

2014-07-14

国家自然科学基金（61174117）

林智勇（1989—），男，博士研究生，研究方向为电气设备绝缘监测与故障诊断；

蔡金锭（1954—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为人工智能技术在电力工程中的应用研究。

蔡金锭