運(yùn)用混聯(lián)等效電路診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)

林智勇， 蔡金錠

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108）

運(yùn)用混聯(lián)等效電路診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)

林智勇， 蔡金錠

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108）

針對(duì)油紙絕緣變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)弛豫響應(yīng)的復(fù)雜性，根據(jù)油紙絕緣結(jié)構(gòu)特征，提出建立混聯(lián)等效電路新模型來表征油紙絕緣弛豫過程。根據(jù)混聯(lián)等效電路的理論分析，推導(dǎo)出混聯(lián)等效電路參數(shù)和回復(fù)電壓的求解公式。先采用一臺(tái)變壓器回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證后，再利用一臺(tái)變壓器檢修前后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行基于混聯(lián)等效電路的變壓器油紙絕緣診斷研究。研究結(jié)果表明：通過混聯(lián)等效電路方法得到的回復(fù)電壓曲線能夠很好的與現(xiàn)場測量的回復(fù)電壓曲線吻合，且利用混聯(lián)等效電路能夠準(zhǔn)確的診斷油紙絕緣變壓器的絕緣介質(zhì)老化情況。

油紙絕緣；混聯(lián)等效電路；變壓器；回復(fù)電壓

0　引言

大型油浸式變壓器是電力系統(tǒng)最重要設(shè)備之一，它承擔(dān)電力系統(tǒng)的變電任務(wù)，處于電力網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵和中間環(huán)節(jié)［1-2］。一旦它發(fā)生故障而停運(yùn)，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全可靠性和電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，甚至影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，變壓器發(fā)生故障絕大多數(shù)是其內(nèi)部絕緣老化引起的，若能提前預(yù)測變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)，則可以進(jìn)一步減少變壓器故障率，從而提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。所以研究一種能準(zhǔn)確診斷變壓器油紙絕緣狀態(tài)方法對(duì)電力企業(yè)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值［3-5］。

油紙絕緣變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)主要有絕緣油、絕緣紙等組成［6-7］。在實(shí)際運(yùn)行過程中，變壓器內(nèi)部絕緣系統(tǒng)會(huì)受到外部環(huán)境和自身的影響，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)和物理變化，使得絕緣狀態(tài)變差。絕緣介質(zhì)的老化程度會(huì)反映在其極化特性中，所以研究絕緣介質(zhì)的極化特性是分析油紙絕緣狀態(tài)一個(gè)重要途徑［8］。

目前，國內(nèi)外大部分學(xué)者主要利用時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)理論建立擴(kuò)展德拜等效電路模型對(duì)油紙絕緣介質(zhì)的弛豫過程進(jìn)行分析，常用的有回復(fù)電壓測量法，極化去極化電流法。例如，李軍浩等人在文獻(xiàn)［9］和唐盼等人在文獻(xiàn)［10］中均利用極化去極化電流曲線特征量來求解擴(kuò)展德拜等效電路參數(shù)；杜振波提出利用頻域介電譜來研究擴(kuò)展德拜模型［11］；文獻(xiàn)［12］中張軍強(qiáng)等人利用回復(fù)電壓極化譜特征量對(duì)等效電路進(jìn)行研究。這些都對(duì)擴(kuò)展德拜等效電路的求解和構(gòu)建進(jìn)行了研究與分析，然而對(duì)等效電路參數(shù)的求解都需要足夠的測量數(shù)據(jù)和算法精度才能準(zhǔn)確辨識(shí)等效電路參數(shù)。本文根據(jù)油紙絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出全新的混聯(lián)等效電路模型來研究油紙絕緣介質(zhì)弛豫過程，該模型不但結(jié)構(gòu)簡單，而且無需采集大量數(shù)據(jù)，只需測量某一次的回復(fù)電壓曲線特征量，就可準(zhǔn)確便捷求解混聯(lián)等效電路參數(shù)，過濾了受到干擾的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高診斷變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的準(zhǔn)確度。

1　回復(fù)電壓測量法

回復(fù)電壓測量法是一種無損的時(shí)域電氣絕緣診斷方法［13-15］。其優(yōu)點(diǎn)是測試簡單，有較好的抗干擾能力，其反映的信息與變壓器老化特征量密切相關(guān)，所以該方法被廣泛應(yīng)用于變壓器油紙絕緣狀態(tài)診斷?；貜?fù)電壓測量法是通過對(duì)變壓器測量獲得的回復(fù)電壓特征量進(jìn)行分析來進(jìn)一步診斷油紙絕緣變壓器的老化狀況。目前主要運(yùn)用3個(gè)特征量：回復(fù)電壓曲線初始斜率k，回復(fù)電壓曲線最大值Um及其最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)tp。

回復(fù)電壓測試過程如下：首先對(duì)絕緣介質(zhì)兩端加直流極化電壓U0，對(duì)絕緣介質(zhì)進(jìn)行充電，絕緣介質(zhì)發(fā)生極化，其表面出現(xiàn)束縛電荷；經(jīng)過充電tc時(shí)間后，對(duì)絕緣介質(zhì)兩端進(jìn)行短接處理，絕緣介質(zhì)發(fā)生去極化，部分電荷被釋放；經(jīng)過放電時(shí)間td后，殘余的極化電荷會(huì)在絕緣介質(zhì)兩端形成一個(gè)回復(fù)電壓響應(yīng)，此電壓稱為回復(fù)電壓，對(duì)應(yīng)的測量曲線稱為回復(fù)電壓曲線。通過改變充電時(shí)間tc，可以獲得一系列對(duì)應(yīng)的回復(fù)電壓曲線，將充電時(shí)間tc與對(duì)應(yīng)的回復(fù)電壓曲線最大值畫出的曲線稱為回復(fù)電壓極化譜。

回復(fù)電壓測量過程如圖1所示。一個(gè)完整的回復(fù)電壓測量周期主要有極化、短路和松弛3個(gè)階段組成，回復(fù)電壓特征量均反映在測試的松弛階段。

圖1　回復(fù)電壓測量過程Fig.1　Recovery voltage measurement process

本文采用如圖2所示的回復(fù)電壓測試儀RVM5461對(duì)變壓器進(jìn)行回復(fù)電壓測量，測量現(xiàn)場接線示意圖如圖3所示。對(duì)變壓器進(jìn)行測量時(shí)，必須將被變壓器退出運(yùn)行，并將其連接頭拆掉；將各繞組三相分別短路，紅夾接到被試側(cè)繞組的短接點(diǎn)；其它非被試側(cè)繞組（包括未接地的中性點(diǎn)）連同變壓器外殼一點(diǎn)接地，將黑夾接到該接地公共點(diǎn)。

圖2　RVM5461回復(fù)電壓測試儀Fig.2　Return voltage tester RVM5461

圖3　回復(fù)電壓測試示意圖Fig.3　Schematic diagram of recovery voltage test

2　混聯(lián)等效電路原理分析

電力油紙絕緣變壓器內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)主要由絕緣紙、絕緣油和撐條等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖和剖面圖分別如圖4、圖5所示。

圖4　變壓器繞組油紙絕緣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Schematic diagram of transformer oil-paper insulation system

圖5　變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.5　Profile of transformer oil-paper insulation system

由于絕緣油是主要成分碳?xì)浠衔?，屬于極性分子，絕緣紙主要成分是纖維素，屬于非極性分子，所以在極化過程中，絕緣油對(duì)應(yīng)快極化響應(yīng)，絕緣紙對(duì)應(yīng)慢極化響應(yīng)。電介質(zhì)極化根據(jù)其介電常數(shù)的不同在極化過程中會(huì)呈現(xiàn)快慢響應(yīng)，主要表征在衰減過程中的時(shí)間常數(shù)。根據(jù)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)極化特性，結(jié)合Maxwell電路理論，本文提出一種新型混聯(lián)等效電路來分析油紙絕緣變壓器的老化狀態(tài)情況，如圖6所示。其中R1、R2代表等效電路的極化電阻，C1、C2代表等效電路的極化電容。R1C1回路代表絕緣油的極化等效電路，R2C2回路代表絕緣紙的極化等效電路。

圖6　混聯(lián)等效電路Fig.6　Hybrid equivalent circuit

根據(jù)電路回路分析法，可知回復(fù)電壓為

式中：τ1=R1C1；τ2=R2C2；λ=τ2/τ1。

根據(jù)式（1），可以求出回復(fù)電壓3個(gè)特征初始斜率k，最大值Um及對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)tp。

在某一充電時(shí)間tc下的一組［k Umtp］特征參數(shù)，運(yùn)用改進(jìn)粒子群算法就可以求出對(duì)應(yīng)的一組［Usλ τ1］參數(shù)。再利用式（1）～式（3）可求出等效電路的［R1R2C1C2］。

3　混聯(lián)等效電路現(xiàn)場測試運(yùn)用分析

本文采用RVM5461回復(fù)電壓測試儀對(duì)福建泉州一臺(tái)停運(yùn)檢修的220 kV，240 MW的變壓器T1進(jìn)行現(xiàn)場回復(fù)電壓測試，得到一系列［k Umtp］特征參數(shù)數(shù)組。取充電時(shí)間為20 s的特征量參數(shù)數(shù)組［k Umtp］=［0.5 24.8297］，按上述公式求出對(duì)應(yīng)［Usλ τ1］=［47.012 3 4.863 8 149.155 4］，進(jìn)而求出混聯(lián)等效電路參數(shù)［R1R2C1C2］=［24.852 4 74.93 6.001 7 9.681 8］。

將求解得到的混聯(lián)等效電路參數(shù)帶入回復(fù)電壓公式，求得回復(fù)電壓曲線。圖7為實(shí)測回復(fù)電壓曲線和混聯(lián)等效電路參數(shù)得來的回復(fù)電壓曲線的比較結(jié)果圖。

圖7　回復(fù)電壓曲線比較圖Fig.7　Return voltage curve comparison chart

從圖7可以看出，兩條回復(fù)電壓曲線相當(dāng)吻合，表明在誤差允許范圍內(nèi)，利用混聯(lián)等效電路參數(shù)得來的回復(fù)電壓曲線與實(shí)測回復(fù)電壓曲線一致。

4　變壓器絕緣老化診斷研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證混聯(lián)等效電路模型診斷油紙絕緣變壓器絕緣狀況的可靠性，本文對(duì)福建福州一臺(tái)220 kV，240 MW變壓器T2的檢修前后絕緣狀況進(jìn)行回復(fù)電壓法分析。

運(yùn)用RVM5461回復(fù)電壓測試儀對(duì)變壓器T2濾油處理的檢修前后分別進(jìn)行充電時(shí)間為20 s、1 000 s的回復(fù)電壓測試，獲得數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，結(jié)合本文提出的構(gòu)建混聯(lián)等效電路方法，求得變壓器T2充電時(shí)間分別為20 s、1 000 s的檢修前后的混聯(lián)等效電路參數(shù)如表2所示。

表1　回復(fù)電壓測試數(shù)據(jù)Table 1　Recovery voltage test data

從表2可以看出，檢修前代表絕緣油的極化電阻R1、代表絕緣紙的極化電阻R2均比檢修后的小；而檢修前代表絕緣油的極化電容C1、代表絕緣紙的極化電容C2均比檢修后的大，說明油紙變壓器絕緣狀況變差時(shí)，其等效電路的極化電阻變小，而極化電容變大，與實(shí)際絕緣介質(zhì)發(fā)生老化時(shí)其等效極化電路參數(shù)變化情況一致。

表2　檢修前后的混聯(lián)等效電路參數(shù)Table 2　Parameters of hybrid equivalent circuit before and after being maintained

從表2還可以看出，當(dāng)充電時(shí)間為20 s時(shí)，檢修前的代表絕緣油等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ1和代表絕緣紙等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ2均比檢修后的大，而代表油紙絕緣系統(tǒng)等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ比檢修后的大；當(dāng)充電時(shí)間為1 000 s時(shí)，檢修前的代表絕緣油等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ1和代表絕緣紙等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ2均比檢修后的小，而代表油紙絕緣系統(tǒng)等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ比檢修后的小。這可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：其一，充電時(shí)間短時(shí)，回復(fù)電壓測試主要反映極性分子絕緣油的快響應(yīng)弛豫過程；充電時(shí)間長時(shí)，回復(fù)電壓測試主要反映非極性分子絕緣紙的慢響應(yīng)弛豫過程。其二，絕緣油的絕緣狀態(tài)越好，其等效電路的主時(shí)間常數(shù)越小；絕緣紙的絕緣狀態(tài)越好，其等效電路的主時(shí)間常數(shù)越大。

為進(jìn)一步形象的研究混聯(lián)等效電路診斷油紙絕緣變壓器的絕緣狀況，對(duì)充電時(shí)間為20 s、1 000 s時(shí)各兩條混聯(lián)等效電路獲得的檢修前后回復(fù)電壓曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9可以看出，當(dāng)充電時(shí)間為20 s時(shí)，檢修前的主時(shí)間常數(shù)比檢修后的大，檢修前的回復(fù)電壓最大值比檢修后的大；當(dāng)充電時(shí)間為1 000 s時(shí)，檢修前的主時(shí)間常數(shù)比檢修后的小，檢修前的回復(fù)電壓最大值比檢修后的大。

圖8　tc=20 s時(shí)檢修前后回復(fù)電壓曲線對(duì)比圖Fig.8　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=20 s

圖9　tc=1 000 s時(shí)檢修前后回復(fù)電壓曲線對(duì)比圖Fig.9　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=1 000 s

5　結(jié)論

通過實(shí)例驗(yàn)證表明，本文提出的混聯(lián)等效電路模型得到的回復(fù)電壓曲線能夠很好與現(xiàn)場實(shí)測獲得的回復(fù)電壓曲線吻合，能夠真實(shí)反映絕緣介質(zhì)內(nèi)部極化過程，進(jìn)而為后續(xù)診斷變壓器油紙絕緣老化狀況奠定重要基礎(chǔ)。

本文運(yùn)用混聯(lián)等效電路，結(jié)合回復(fù)電壓測量法診斷油紙絕緣變壓器得到如下結(jié)論：

1）油紙變壓器絕緣狀況變差時(shí)，其等效電路的極化電阻變小，而極化電容變大。

2）油紙變壓器絕緣狀況變差時(shí)，當(dāng)采用短充電時(shí)間測量，其絕緣油等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ1、絕緣紙等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ2和油紙絕緣系統(tǒng)等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ均變大。當(dāng)采用長充電時(shí)間，其絕緣油等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ1、絕緣紙等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ2和油紙絕緣系統(tǒng)等效極化回路的主時(shí)間常數(shù)τ均變小。

3）絕緣油的絕緣狀態(tài)越好，當(dāng)采用短充電時(shí)間測量，其混聯(lián)等效電路的主時(shí)間常數(shù)越??；絕緣紙的絕緣狀態(tài)越好，當(dāng)采用長充電時(shí)間測量，其混聯(lián)等效電路的主時(shí)間常數(shù)越大。

4）油紙絕緣變壓器絕緣狀態(tài)越好，其回復(fù)電壓最大值就越小。

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（編輯：劉琳琳）

Diagnosing transformer oil-paper insulation by hybrid equivalent circuit

LIN Zhi-yong， CAI Jin-ding
（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 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

國家自然科學(xué)基金（61174117）

林智勇（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣監(jiān)測與故障診斷；

蔡金錠（1954—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)在電力工程中的應(yīng)用研究。

蔡金錠