變壓器絕緣狀態診斷的回復電壓方法研究

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變壓器絕緣狀態診斷的回復電壓方法研究

重慶市軌道交通集團有限公司網絡維保公司謝鵬
國電湖南寶慶煤電有限公司寶慶電廠彭松仁
山西省電力公司大同電力公司渾源支公司周權

【摘要】變壓器油紙絕緣系統中絕緣材料的老化,將對變壓器正常運行造成影響，準確診斷變壓器絕緣性能，對確保其安全可靠運行具有重要意義。變壓器油紙絕緣會因老化或受潮而導致其介電特性發生變化,基于檢測油紙絕緣介電特性的回復電壓測量方法能有效診斷變壓器的油紙絕緣狀態,并可用來估測絕緣紙和絕緣油的老化程度。

【關鍵詞】回復電壓法；介質響應；變壓器；油紙絕緣；極化譜；絕緣老化

1　引言

電力變壓器是電網中能量轉換、傳輸的核心和最重要的設備之一。由于受到電氣、熱和環境應力等外界作用，其油紙絕緣系統的狀態發生變化，使變壓器抵抗短路電流的能力大大降低，從而降低了變壓器運行的可靠性。目前傳統絕緣診斷大體可分為電方法和化學方法?；瘜W方法判據有相應的缺點和不足[1]?；貜碗妷悍軌蚪鉀Q傳統測量方法的不足，對正常運行的電力變壓器絕緣性能進行現場測量，并且不損壞其絕緣介質[2]。L.Kalocsal、P.R.S.Jota、T.K.Saha等人指出RVM方法在預測水分含量和老化方面是一個很好的監測工具，并且對該方法做了深入的研究取得了一定成果。

2　等效模型的建立

2.1電路等效模型

Saha等學者用擴展Debye模型對變壓器的油紙絕緣系統進行等效模擬，仿真結果和試驗結果吻合得很好。因此，本文采用擴展Debye模型對變壓器油紙絕緣系統進行等效電路的模擬。圖2.1中Rg為油紙絕緣組合嚴格物理意義上的絕緣電阻,反映油紙絕緣組合的電導情況；Cg代表真空幾何電容以及無損極化的等效電容之和；RpnCpn并聯支路模擬了不同弛豫時間下的介質極化現象。

2.2簡化后的等效電路模型（擴展Debye模型）

2.3模型參數的建立

Saha等學者通過極化電流方程進行電路參數的建立。絕緣電阻是通過在較大的時間內，極化電流與去極化電流之間的差值進行估算的，各支路中時間常數較小的（即RpnCpn較?。┲罚涍^一定的時間，極化電流的殘余部分僅有時間常數較大的支路提供。因此，通過逐步的推導可得Rpi和Cpi的值，建立模型。

表1　45MVA變壓器等效電路模型參數值

在等效模型中，支路數越多，其模擬的絕緣介質就越接近真實情況，但同時難度也將大大增加。本文中采用三條支路來模擬變壓器絕緣介質，支路參數值取決于絕緣油紙的狀況。研究表明，時間常數較小的支路取決于油的狀況而時間常數較大的支路取決于絕緣紙。表1為本論文的參數模型。

3　回復電壓的計算

基于介質響應理論的回復電壓測量方法，能夠有效的研究緩慢極化過程的變化[3]。這些極化主要來自于緩慢極化過程，如絕緣紙板的極化、水分子的極化和界面極化。極化需要電場提供能量，并且分子受電場的作用，在極化過程中發生極性轉向，這個偏轉過程涉及到能量的交換，并且需要一定弛豫時間。

根據極化過程可以推導出如下關系式子：

回復電壓極化譜是在不同充電時間tc下，計算得出回復電壓的最大值。 由公式(1)可得三條支路的回復電壓Vr和電容Cpn電壓VCpn之間的關系：

支路在充放電過程后，相當于有三個電容電源，利用疊加原理可分別求得N的值。將表1中的等效模型參數代入，既可求得式(2)的極點Pi以及零點zi,l。本文中采用充電電壓V為500V，，選取不同充電時間tc的值，既可得到回復電壓極化譜。

4　模型參數與回復電壓極化譜的關系

在擴展debye模型中，各RC回路是形成極化的主體，。油紙絕緣系統在老化過程中，會導致其介電特性發生變化，在電源的激勵下，使得不同老化程度的絕緣介質具有不同的介質響應。通過改變等效電路參數值，計算得出回復電壓極化譜，并對比它們之間的差異，從而建立起等效電路和極化譜之間的關系，從而模擬變壓器絕緣介質的老化。在本文中所采用的特征量為回復電壓極化譜的峰值前的斜率、峰值以及峰值過后的圖形差異。

4.1支路參數的變化對回復電壓極化譜的影響

下面將分別對表1中三條支路參數的值進行改變，然后與原模型參數進行比較。圖4.1為改變模型中的時間常數較小第一條支路參數R和C。由圖中可以清晰的看出，曲線C的峰值時間較A和B都往后推了，對回復電壓極化譜的峰值之前的斜率、峰值有一定的影響。因此，可以認為回復電壓極化譜的峰值之前的斜率主要由時間常數較小的支路起支配作用，并且它對于峰值也會產生一定的影響。

圖4.1　第三條支路參數改變時的回復電壓極化譜

圖4.2　第二條支路參數改變時的回復電壓極化譜

圖4.2為改變表1中模型第二條支路的參數下(即R2和C2)，得到的倆條回復電壓極化譜與原模型參數下得到的回復電壓極化譜。在圖中可以明顯的發現在極化譜峰值前的斜率三條曲線基本保持一致，但是峰值產生了很大的差異，這和變壓器絕緣紙板和油之間的夾層極化有著密切的聯系。第二條支路對于極化譜的峰值部分起主要的支配作用。

圖4.3　第一條支路參數改變時的回復電壓極化譜

圖4.3為改變表1中模型第三條支路的參數下(即R1和C1)，得到的回復電壓極化譜。可以得出第三條支路主要對峰值后的圖形起主要支配作用。

4.2絕緣電阻和幾何電容對回復極化譜的影響

絕緣電阻Rg是直接的反應變壓器絕緣的物理量，Rg高表示變壓器絕緣性能好，反之則差。圖4.4給出了倆個不同絕緣電阻的回復電壓極化譜。

圖4.4　不同絕緣電阻的回復電壓極化譜

5　油紙絕緣系統與回復電壓極化譜的聯系

等效電路模擬的絕緣介質，小時間常數支路的模型參數取決于油的質量，在質量越好的油中，時間常數將減小，相反的，則增加。油影響的部分主要是首先出現的峰值，峰值之后的差異則是由固體絕緣起決定作用，即時間常數大的支路。已有研究者指出，紙和紙板的狀況主要影響，極化和去極化電流經過長時間后的波形。對比變壓器絕緣油經過處理前后的回復電壓極化譜和相關結論，可以通過回復電壓極化譜反應絕緣介質本身的質量獲取經過油凈化前后的絕緣介質等效電路參數模型，然后計算它們的回復電壓極化譜，觀察圖形的差異，就可以得出相應的結論。

圖5.1　油處理前后的回復電壓極化譜

圖5.1為變壓器絕緣油處理前后的回復電壓極化譜。由圖中可以發現，倆條曲線在斜率、峰值以都存在明顯差異。這一點充分說明，油處理后絕緣介質的絕緣性能得到了提高。油的狀況主要表現在時間常數較小的支路當中，圖5.1曲線A和曲線B主要差異在于峰值以及峰值前的斜率。小時間常數支路和中等時間常數支路主要對斜率以及峰值起主要影響作用，對于小時間常數支路，由于它對應于絕緣油，絕緣油狀況改善之后，極化譜也會相應的改變。

中等時間常數支路主要反映的是絕緣介質中紙和油之間的夾層極化，在表2所述的模型參數值中僅僅是處理了變壓器油，油的質量得到改善后，也會使油和紙交接的部分得到改善。但是對于固體絕緣的影響則比較小，所以極化譜峰值過后雖然仍有差異，但長時間后基本是一致的。

6　結論

對等效模型電路模型計算所得的回復電壓極化譜中，表1第一條支路主要影響極化譜長時間部分，第二條支路則影響中間部分，第三條支路影響前面部分。其本質在于時間常數的長短，隨之影響極化和去極化電流。與傳統的電氣測量方法相比，回復電壓測量方法能獲得更詳細的內部絕緣信息，極化譜峰值之前的部分反映絕緣油的狀況，峰值后面部分主要反映絕緣紙的狀況。峰值前斜率大，峰值高，絕緣性能越好。等效電路支路數越多反應的絕緣介質也會越真實，但同時也會是的計算復雜。

本文通過仿真手段研究了在各種狀態下回復電壓極化譜的變化規律，并從介質響應理論的角度對其作用機理進行合理的解釋，對學習回復電壓法在變壓器絕緣診斷中的應用提供了理論積累?；貜碗妷悍ㄒ獙⑵渫茝V應用于現場診斷還需要經過大量的試驗與計算分析，進一步準確的挖掘回復電壓的特增量，與其他介質響應方法相結合才能達到目的。

參考文獻

[1]尚勇,董明,趙文彬,嚴璋.油浸電力變壓器固體絕緣老化的診斷[J].變壓器,2002,39(12):35-39.

[2]畢鵬翔,張文元,秦少臻等.變壓器固體絕緣狀況的監測方法[J].高電壓技術,2003,26(3):47-49.

[3]江修波.變壓器油紙絕緣水分的回復電壓分析法[J].高電壓技,2010,36(12).