變壓器絕緣老化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹海洋，楊 歡，沈建輝，嚴(yán)家明

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

0 引言

變壓器絕緣是“電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)”課程教學(xué)中的重要部分。油紙絕緣是大型電力變壓器內(nèi)部絕緣的主要組成形式。熱環(huán)境會造成油紙絕緣性能的下降，表現(xiàn)為絕緣的破壞［1-3]。局部放電是引起絕緣老化的一個重要因素。為了研究絕緣熱老化過程中局部放電的發(fā)生規(guī)律，需對現(xiàn)場局部放電信號進(jìn)行采集，分析其電氣特性的變化，根據(jù)熱老化過程中理化特征和電氣特征參數(shù)的對比研究，找出絕緣紙?jiān)诓煌瑫r(shí)間段局部放電的發(fā)展規(guī)律［4-8]。

本文設(shè)計(jì)了一個模擬變壓器絕緣內(nèi)部老化的實(shí)驗(yàn)平臺，在平臺上，對樣品局部放電信號進(jìn)行數(shù)字化測量，然后將數(shù)據(jù)在Matlab軟件中分析其電氣特性的變化。

本文所涉及到的內(nèi)容對“電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)”課程的日常教學(xué)和研究都有一定的幫助作用。

1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

1.1 油紙絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變壓器油的主要成分是以環(huán)烷烴、少量芳香烴和烷烴組成的一些分子量不同的碳?xì)漕惖幕旌衔?。固體絕緣材料包括層壓紙板、絕緣紙等，層壓紙板和絕緣紙都是以木漿作為原料制成的，一般情況下，纖維素中會伴隨著半纖維素或者是木質(zhì)素。本實(shí)驗(yàn)采用牛皮紙，其纖維含量為100%，未經(jīng)漂白。

為了盡可能模擬真實(shí)的變壓器的內(nèi)部油紙絕緣系統(tǒng)，以使實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論真實(shí)可靠。需對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行如下預(yù)處理:

(1)將變壓器絕緣紙裁剪為長寬一致的紙帶，每條絕緣紙帶質(zhì)量約為5克。

(2)將裁剪好的樣品置于真空箱中。在90攝氏度，50 Pa的環(huán)境下干燥48小時(shí)。然后在40攝氏度下真空浸油24小時(shí)。經(jīng)過上述處理，能有效排除絕緣紙中的空氣和水分。在制作時(shí)上下兩層是普通絕緣紙板(圖1-a中序號6所示)，絕緣紙板厚度為1毫米，在中間一層紙板中心裁剪出直徑為38毫米的圓孔，形成絕緣紙氣隙。

圖1 油紙絕緣系統(tǒng)模型

在實(shí)驗(yàn)中，為了模擬變壓器環(huán)境，上述設(shè)計(jì)的模型要浸入密閉的裝有25號試驗(yàn)油的有機(jī)玻璃容器中，同時(shí)為防止氣隙以外發(fā)生放電，上述三層絕緣紙板間都要用硅膠來進(jìn)行密封處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)電路圖設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用脈沖電流法對局部放電信號進(jìn)行測量，采用的局部放電測量裝置及接線如圖2所示。

圖2 局部放電測量系統(tǒng)

交流高壓電源由自耦調(diào)壓器和高壓實(shí)驗(yàn)變壓器B構(gòu)成，靜電電壓表V監(jiān)視實(shí)驗(yàn)電壓;水電阻R主要起短路保護(hù)作用;局部放電為高頻信號，采用耦合電容器Ck來耦合局部放電時(shí)的高頻脈沖電流;通過C2、C3分壓的方式來將局部放電所加高壓變成低壓信號，來測量局部放電時(shí)的電壓信號，Cx模擬變壓器局部放電的標(biāo)準(zhǔn)電極。所用儀器設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用羅氏線圈作為電流傳感器，將其安裝在油紙絕緣系統(tǒng)末接地線處，檢測局部放電信號［9]。羅氏線圈具有良好的信號響應(yīng)特性，示波器將耦合過來的局部放電信號進(jìn)行顯示和存儲。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

將1.1節(jié)介紹的經(jīng)過預(yù)處理過的油紙絕緣樣品放在老化箱中進(jìn)行熱老化，按照0.2小時(shí)、0.5小時(shí)、0.9小時(shí)、1.4小時(shí)、2.8小時(shí)和4.2小時(shí)的時(shí)間間隔取出老化箱中的樣品并測量其各性能參數(shù)，用來模擬變壓器內(nèi)部絕緣6個老化階段(即:2天、5天、9天、14天、28天和42天)的氣隙放電信號。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將變壓器緩慢升壓，升壓過程中觀察示波器，當(dāng)產(chǎn)生如圖3所示的穩(wěn)定局部放電信號后停止加壓［10-12]。

通過示波器觀察局部放電信號的特點(diǎn)，每個階段采集10組數(shù)據(jù)，每組1000個工頻周期，以完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了通過統(tǒng)計(jì)的方式獲得局部放電的特征量，需要構(gòu)造二維譜圖來發(fā)現(xiàn)局部放電的規(guī)律。采用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)小波去噪，并將所有周期的放電信息統(tǒng)計(jì)在一個周期內(nèi)，橫坐標(biāo)平均分成360個相位，統(tǒng)計(jì)每個相位中的放電量及其對應(yīng)的相位，可以得到對應(yīng)的φ－qmax譜圖、φ－qadv譜圖以及φ－n譜圖。

圖3 油紙絕緣局部放電實(shí)驗(yàn)波形

(1)φ－qmax譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi)，發(fā)生的視在放電電荷最大值的分布圖，用以表示在外加電壓的不同相位上，放電電荷量大小的分布情況。如圖4所示:

圖4 不同時(shí)間段的φ－qmax譜圖

從該分布譜圖可以看出:在不同的老化階段中，在第一象限和第三象限放電比較明顯。初前期在第三象限放電更為明顯，而在第二、四象限幾乎沒有放電現(xiàn)象發(fā)生。在中期，第一、三象限放電由相似轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝幌笙薷鼮槊黠@，到后期二者都有所較低，放電最大量相同。

(2)φ-qadv譜圖:是在外加工頻正弦電壓的不同相位區(qū)間內(nèi)，發(fā)生的視在放電電荷平均值的分布圖，用以表示在外加電壓的不同相位上，放電電荷量大小的分布情況。如圖5所示:

平均放電量的大小、相位不僅與最大放電量的大小、相位有關(guān)，還和放電次數(shù)的大小、相位有關(guān)。從平均放電量相位分布φ-qadv譜圖可以看出:在放電初前期放電比較明顯，中后期稍微減弱。

圖5 不同時(shí)間段的φ-qadv譜圖

(3)φ-n譜圖:是不同相位區(qū)間內(nèi)放電次數(shù)總數(shù)的分布圖。用以表示在外加電壓不同的相位上，放電次數(shù)的分布。如圖6所示:

圖6 不同時(shí)間段的φ-n譜圖

從φ-n譜圖可以看出:在老化過程中隨著老化時(shí)間的加長，放電次數(shù)的值整體上也不斷變化。在老化前期，放電次數(shù)的大小在穩(wěn)固地上升，而且變化的速度很快。這是因?yàn)閺男录堥_始的油紙絕緣的老化特征十分明顯，受到熱老化的影響很突出。在老化中期，放電次數(shù)的大小處于一個平穩(wěn)期，相對比較平衡，這是因?yàn)榻?jīng)歷一個老化前期之后，油紙絕緣性能開始穩(wěn)定，而放電次數(shù)會隨著這種穩(wěn)定而飽和。但是在老化的后期，油紙的絕緣性能因?yàn)殚L期受電、熱和機(jī)械等多因素的影響而變?nèi)酰苑烹姶螖?shù)突然變大。

4 結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)油紙絕緣局部放電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并對六個時(shí)間段熱老化狀態(tài)下的氣隙放電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來研究變壓器內(nèi)部絕緣老化。利用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制φ-qmax譜圖、φqadv譜圖以及φ-n譜圖，研究人員可以通過這些譜圖提取相關(guān)統(tǒng)計(jì)特征量做進(jìn)一步的變壓器內(nèi)部絕緣老化故障識別分析。

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