基于去極化電量時域微分譜線時域特征量的變壓器絕緣老化研究

王 嶺 蔡金錠

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基于去極化電量時域微分譜線時域特征量的變壓器絕緣老化研究

王 嶺 蔡金錠

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

本文依據時域介電譜理論，提出去極化電量時域微分譜線。應用微分解譜法，對油紙絕緣去極化電量微分譜線進行逐次解譜，求取去極化電量譜的參數，提取去極化電量譜時域特征量，利用去極化電量平均電量和平均極化響應時間評估油紙絕緣的老化狀態。通過分析多組不同絕緣狀態變壓器的去極化電量微分譜線，得到如下結論：隨著變壓器絕緣狀態的劣化加劇，去極化平均電量逐漸增大，平均極化反應時間逐漸減小。本文結論為正確評估變壓器絕緣狀態提供了一種新的思路。

油紙絕緣；介質響應；去極化電量譜線

電力變壓器是電力系統傳輸中最為重要的大型電氣設備之一，其運行狀況將會直接關系到電力系統的安全、穩定、可靠運行[1]。變壓器在長期運行過程中，其油紙絕緣系統在電、熱和機械應力等的聯合作用下，逐漸發生老化和降解[2]。電力變壓器老化是影響變壓器使用壽命的一個主要因素[3]。因此，有效評估電力變壓器的絕緣老化狀態對電力系統連續穩定、安全、可靠的工作具有重要的現實 意義。

隨著安全、準確、無損診斷電力設備的要求，大量診斷技術被提出[4]。其中，極化/去極化電流測試法是一種簡單有效、無損的絕緣診斷方法[5-6]。目前，國內外一些學者利用PDC對油紙絕緣老化狀態的診斷，主要是基于介電現象的比較，沒有深入分析油紙絕緣內部老化機構的介電特性與絕緣老化的關系。

文獻[7]采用極化/去極化電流曲線研究油紙絕緣的老化，只是介電現象的一種簡單比較，不能表現出內部老化機構介電特性與油紙絕緣老化關系。文獻[8]提出去極化能量譜線來診斷變壓器的受潮程度，但其所提出的譜線的實際含義需要進一步探討。文獻[9]提出基于去極化電流的時域介電譜峰值大小分析油紙絕緣的熱老化程度，但由于時域介電譜峰值點是由各子譜線的疊加的結果，因而可能出現峰值點競爭現象，即峰值大小差別較小，因此該方法對油紙絕緣老化的評估仍需要進一步討論。本文依據油紙絕緣的極化機理和時域介電譜，提取出去極化電量微分譜線，通過微分解譜法，確定極化機構個數，提取能夠反映油紙絕緣內部老化的時域特征量，并研究了特征量與油紙絕緣老化的關系，為正確評估變壓器絕緣狀態提供新的思路。

1 極化/去極化電流的測量

極化/去極化電流法是一種蘊含大量變壓器油紙絕緣老化信息的常用的油紙絕緣無損診斷法[10-12]。該測試方法原理如下：首先在油紙絕緣變壓器兩端加一個直流脈沖極化電壓0，持續充電時間為p，在該充電過程中變壓器油紙絕緣系統開始極化，并產生極化電流p。然后，斷開外施電壓0并將油紙絕緣變壓器短路，并維持時間d，此時將產生與之前極化過程相反的去極化電流d。一般設置適當的充電和放電時間，記錄產生極化電流p和去極化電流d和時間的關系的關系曲線，即極化/去極化電流曲線。其測量過程如圖1所示。

圖1 極化/去極化電流曲線

2 去極化電量譜及其微分解譜

2.1 去極化電量微分時域譜

電介質在外施電場的作用下，表面將感應出束縛電荷，電介質在外施電場下極化程度越強，則表面束縛電荷的面密度就越大。根據時域介電譜理 論[8,13]，電介質在外部電場作用下，其內部極化機構的個數是有限的，且有不同的極化響應時間。當電解質外施電壓時間足夠長，電介質內部儲存的電荷量將會達到平衡。當撤去外施電場時且短路時，儲存的電荷將隨時間衰減，衰減表達式可表示為

式中，0為電介質在施電場下達到平衡時內部的總電荷量，()為某時刻電介質的電荷量，為極化機構的個數，、分別為第個極化機構的極化響應時間和極化電量，即

式中，()為絕緣機構儲存的電荷量釋放時的電流，即絕緣介質的去極化電流。

圖2 去極化電量譜

2.2 去極化電量微分譜線的數學解析

通過對上式分析，得去極化電量譜子譜線的性質如下。

2.3 去極化電量譜解譜

根據去極化電量譜子譜線的特性，去極化電量譜的解譜步驟如下。

第1步：測量變壓器去極化電流數據。

第2步：根據去極化電量時域微分譜線組成部分——指數型衰減函數末端可忽略前一項-1（小）對后一項的影響，在去極化電量曲線末端任意取兩點2、1（2＞1），可求出當前曲線最大弛豫時間下的衰減函數，方程組如下：

若去極化電量譜線經過逐次解譜后解出條子譜線，則油紙絕緣極化機構個數為（=-1）。

3 油紙絕緣老化評估

不同極化支路反應時間描述了絕緣材料介質內部不同極化過程，如絕緣油、絕緣紙、油紙絕緣界面等[15]。極化反應時間只與絕緣介質老化或受潮有關，與絕緣材料介質內部構成無關，隨著絕緣介質不斷劣化，導致絕緣性能下降，絕緣介質響應速度變快，極化反應時間值減小，因此可以用極化反應時間評估絕緣材料介質的劣化狀況。然而，對于劣化程度不同的油紙絕緣變壓器，極化機構個數不同，得到的個極化反應時間常數，難以通過其中某個值來直接作出絕緣狀態評判，因此，在求得多條極化支路時間基礎上，引上了均值化極化反應時間，該值可以全面表征不同絕緣材料介質的極化過程，即

式中，為2.3節中去極化電量譜解譜求得的極化機構個數，為不同極化支路反應時間。求得的均值化的極化反應時間與極化反應時間對油紙絕緣劣化判斷具有相同的規律：無論電力變壓器油紙絕緣系統內部結構是否一致，均值化的極化反應時間值較大者，油紙絕緣狀況較好；均值化的極化反應時間較小者，油紙絕緣狀況較差。但對于一些容量和電壓等級較大的電力變壓器，直接通過值大小進行比較，難以給出準確的判斷，并且單指標進行絕緣狀態判斷時，所得出的狀態難免會有誤差或與其他方法（比如糠醛含量等方法）確定的狀態相悖。

根據電路理論極化機構電量Q與極化機構去極化電流d()關系式為

（6）

即根據電介質理論相關知識，介質弛豫極化強度ri()與各極化支路電流di()存在關系式為

（7）

式中，為絕緣材料介質截面積；不隨油紙絕緣劣化發生變化，因此，式（6）和式（7）通過各極化機構電流將極化機構電量與弛豫極化強度ri()聯系起來，可知等價為ri()，即用來表征油紙絕緣狀況的。同樣情況，油紙絕緣狀況不同變壓器，對應的極化支路數有差異，且去極化電量測量易受到試驗條件和測試環境的影響，為了使去極化電量對油紙絕緣劣化反映的靈敏度更高，盡可能消除測量誤差的影響，引入均值化去極化電量，表達式為

4 舉例

在相同實驗條件下，獲得3臺變壓器的實測數據，同時測得相應的糠醛含量，根據實驗報告和3臺不同絕緣狀態變壓器為例，基本信息見表1。在進行極化/去極化測試驗時，同時進行油中糠醛含量的試驗，并根據《電力設備預防性試驗規程》的規定，得到3臺不同老化狀態的變壓器，見表1。仿真建模后得到的去極化電量譜如圖3所示。

表1 三臺不同老化程度的變壓器

圖3 三臺不同老化程度的去極化電量譜線

然后按照去極化電量譜的解譜步驟1至步驟4，從T1變壓器的去極化電量譜函數末端開始，逐次解出去極化電量譜線中隱含的各條子譜線，并求得各極化機構的參數即第個極化機構貢獻電量和極化反應時間。根據最后油紙絕緣老化評估判據，評估油紙絕緣的老化狀態。

從T1變壓器中可以解出6條去極化電量子譜線的參數值和曲線，求解結果和過程如表2和圖4 所示。

表2 T1變壓器子譜線的系數

（a）第一個條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

（e）第五條子譜線

（f）第六條子譜線

圖4 T1變壓器解譜過程

根據變壓器T1的各子譜線的參數，可求得判斷變壓器T1老化狀況的判據平均極化反應時間為58.3597和平均去極化電量為4.3056×10-5。

按照T1變壓器的求解方法也可以分解出隱含在T2變壓器去極化電量譜線中的4條子譜線的參數值和曲線以及當前剩余譜線，求解結果見表3解譜過程如圖5所示。

表3 T2變壓器子譜線的系數

（a）第一條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

圖5 T2變壓器解譜過程

根據變壓器T2的各子譜線的參數，可求得判斷變壓器T2老化狀況的判據平均極化反應時間為247.1983和平均去極化電量為9.3883×10-6。

按照上述同樣的方法解出T3變壓器去極化電量譜線中的5條子譜線的參數值和曲線以及當前剩余譜線，求解結果和過程如表4和圖6所示。

表4 T3變壓器子譜線的系數

根據變壓器T3的各子譜線的參數，可求得判斷變壓器T3老化狀況的判據平均極化反應時間為138.2657和平均去極化電量為3.2932×10-5。

（a）第一條子譜線

（b）第二條子譜線

（c）第三條子譜線

（d）第四條子譜線

（e）第五條子譜線

根據以上計算，可得T1、T2、T3變壓器的平均去極化電量和平均極化反應時間見表5。

表5 三臺變壓器的平均去極化電量和極化反應時間

根據油紙絕緣老化狀態的評判規律可知，T2變壓器絕緣良好，T1變壓器絕緣老化嚴重，T3變壓器老化較嚴重。

5 結論

去極化電流法作為一種無損的變壓器油紙絕緣老化狀態評估技術，目前對于提取表征油紙絕緣老化的特征參量還有待研究。本文基于時域介電響應原理和時域介電譜理論，利用去極化電流測量過程蘊含的數據信息，挖掘出一種能夠真實反映變壓器油紙絕緣老化狀態的新的特征參量平均去極化電量和平均極化反應時間，并利用實例驗證了所提出診斷油紙絕緣老化特征量的正確性，得出如下結論。

1）通過時域介電譜理論和油紙絕緣系統的介電特性，構建了能夠反映油紙絕緣內部極化過程的去極化電量譜函數表達式。

2）利用油紙絕緣系統的去極化電量譜線，提取了能夠反映油紙絕緣老化狀態的新的特征參量平均去極化電量和平均去極化反應時間：絕緣狀態越差，油紙絕緣系統的平均去極化電量越大，極化反應時間越短。

3）利用實例3臺老化程度不同的變壓器油紙絕緣，驗證了本文提出的判斷油紙絕緣老化特征參量的正確性。

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Differential Time-Domain Spectroscopy based on Depolarization Charge Measurement for Diagnosis of Oil-paper Insulation Condition

Wang Ling Cai Jinding

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper proposes a judgment method of Differential dielectric spectroscopy method for the polarization branches number of equivalent circuit of oil-paper insulation.In order to better assess the state of the transformer oil-paper insulation aging,this paper put forward depolarization quantity of electricity models to assess the state of the transformer oil-paper insulation based on the theory of dielectric and Equivalent Circuit Method. The depolarization current curve for different insulation status is different, so several characteristics are proposed. They include the polarization branches number, polarization component, atypical linear and polarization response time. Based on the multiple sets of transformer depolarization current curve, the polarization response time will be smaller and the others will be biger with the deterioration of insulating state. This method provides a new way for the accurate assessment of oil-paper insulation.

oil-paper insulation; dielectric response; depolarization charge spectroscopy