CN103105566A - 基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，步骤为：1）按仪器说明接线；2）参数设置；3）测试结束，通过解谱获取频域特征参数f _p ；4）根据频域特征参数f _p 和油纸绝缘温度T，带入指定公式，计算并判断其绝缘老化状态，即DP值；6）当油浸纸平均聚合度下降到500时，油纸绝缘电力设备整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为油纸绝缘电力设备寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。本发明基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样，可以准确评估绝缘纸平均聚合度DP值，判断油纸绝缘老化状态。

Description

基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法

技术领域

本发明属于油纸绝缘电力设备的绝缘状态诊断检测与寿命评估领域，涉及一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态的检测方法。

背景技术

油纸复合绝缘是一种重要和优良的绝缘组合方式，一直被成功用于大型变压器、套管、互感器、电容器、电缆等电力设备。在油纸绝缘电力设备行过程中，其油纸绝缘长期承受热、电、机械、化学等多种外部应力作用，导致自身绝缘和机械性能逐渐下降并可能造成故障。因此，准确诊断油纸绝缘系统的老化状态，对预测油纸绝缘电力设备的寿命至关重要，也是实现油纸绝缘电力设备状态维护的前提和基础。

为了维护油纸绝缘设备的安全运行，长期以来电力系统通过定期进行常规预防性试验的方法对设备的运行状态进行检测（DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》），该方法在几十年的应用过程中发挥了重要的作用。但近年来随着能源短缺、负荷增加以及维修费用减少等因素的影响，原有的预防性试验由于检修周期长、缺乏真实性，存在维修不足或超量现象，逐渐向状态维修体制转化，但在实际执行中，如何对设备的绝缘状况和剩余寿命进行很好的评估，仍存在不少问题。

目前判断油纸绝缘电力设备绝缘老化的方法主要有：张应力测量、聚合度（DP）测量、溶解气体分析（DGA）检测法、糠醛判据等。张应力测量、聚合度测量都需要停电采集纸样，无法及时发现固体绝缘的老化趋势；DGA检测法也是IEC标准中推荐的方法之一，但是由于油经热分解后也会产生分解气体，并且油是由相对小的烷烃类物质组成的，更容易分解出气体成分，因此通常的做法是结合其它参数的测量对固体绝缘老化程度做出判断，以确定结果的准确性。糠醛判据是目前应用较为广泛的一种方法，电力设备预防性试验规程DLT596-1996的修订说明中指出油中糠醛含量与代表绝缘纸老化的聚合度之间有较好的线性关系。值得注意的是，糠醛类物质是在纤维素发生各种复杂化学反应后生成的一种相对稳定的产物，并最终形成了一种在纸上、油中生成和分解的平衡状态，这种平衡状态很容易受到其它因素的影响而发生变化，特别是温度的影响。在油纸绝缘电力设备使用过程中，季节的不同、甚至负荷的变化，都会使其内部绝缘温度发生变化，进而导致糠醛质量浓度也发生变化。有些研究者发现在绝缘纸温度升高的初始阶段，糠醛质量浓度会发生较大变化，上述线性关系是在实验室严格模拟老化的基础上得出的，没有考虑油纸绝缘电力设备实际运行温度是经常变化波动的。

当电场作用在电介质上时，可观察到两种介电响应现象：电导和极化。电导是由于载流子即电子和离子的不断移动而形成的，而极化是由于电介质内部沿电场方向出现宏观偶极矩而形成。介质的极化过程相当复杂，它与介质的老化、劣化和受潮等状态密不可分。极化去极化电流法通过测量绝缘介质的去极化电流，并进行分析处理以判断油纸绝缘系统的绝缘状况。

发明内容

为了解决现有技术中油纸绝缘电力设备绝缘老化状态评估方法中需要将变压器进行吊芯处理才能提取绝缘纸样，操作程序复杂且可能破坏变压器绝缘，而且当绝缘纸样选取的区域不同会带来老化评估的误差的问题，本发明提供了一种基于频域介电谱的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法。

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

（1）、油纸绝缘电力设备及频域介电谱测试仪准备：将油纸绝缘电力设备与线路断开连接；频域介电谱测试仪要可靠接地；

（2）、频域介电谱测试仪的参数设置包括变频电压U₀(f)的峰值U_0max，最高测试频率f_H和最低测试频率f_L；

（3）、给被测试油纸绝缘施加变频电压激励，同时测量电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的油纸绝缘复电容；

（4）、油纸绝缘复电容包括电容实部C′和电容虚部C″，采用DS极化或者CCS极化的电容实部C′的表达式，对测量得到的电容实部C′曲线进行拟合，得到对应的特征频率f_p，DS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

y'＝α+log₁₀Re{[1+j^m10^m(x-β)]^γ}

式中，

y'＝log₁₀(χ'_DS)，α＝log₁₀A_DS，x＝log₁₀ω，β＝log₁₀f_p，γ＝n-1/m。

其中，

χ’_DS——DS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替，

A_DS，m，n——DS极化参数，

f_p——DS特征频率，ω——为频率变化量；

CCS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

$y^{\′}=\mathrm{\α}+{\log }_{10}(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_1-1)(x-\mathrm{\β})}+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_2-1)(x-\mathrm{\β})})$

式中，

y'＝log₁₀(χ'_CCS)，x＝log₁₀ω，α＝log₁₀(A_CCS)，β＝log₁₀f_p。

其中，

χ’_CCS——CCS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替，

A_CCS，n₁，n₂——CCS极化参数，

f_p——CCS特征频率，ω——为频率变化量；

（5）、数据处理方法为，根据提取的特征频域f_p，来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为：

z＝p₁+p₂x+p₃x²+p₄x³+p₅x⁴+p₆y+p₇y²+p₈y³+p₉y⁴

式中，x＝lgDP，DP-纸板的聚合度；y-油纸绝缘的温度，单位为°C；z＝lgf_p，f_p—特征频率，单位为Hz；p₁-p₉是给定参数。

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态。

前述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：还包括步骤（6）、对油浸纸老化状态进行评估，新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，油纸绝缘电力设备整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为油纸绝缘电力设备寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。

前述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中设定具体参数为：变频电压峰值U_0max=200V，充放电时间相等，即f_H＝1kHz，f_L＝1mHz。

前述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述步骤（5）中公式中的p₁-p₉的具体参数为：p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，p₅为6.45×10¹，p₆为-1.26×10^-1，p₇为6.8×10^-3，p₈为-1.01×10^-4，p₉为5.2×10^-7。

前述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述频域介电谱测试仪采用OMICRON公司生产的DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪。

本发明的有益效果是：本发明基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，可以在不吊芯、不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘老化状态，为准确评估油纸绝缘电力设备绝缘性能和预测剩余寿命提供可靠依据。该方法不但可作为目前绝缘诊断方法的有益补充，而且将来很有可能成为油纸绝缘电力设备状态诊断领域的重要试验手段。

附图说明

图1是频域介电谱测试原理图。

图2是本发明评估油纸绝缘电力设备绝缘老化状态的操作流程图。

图3是本发明测试油纸绝缘变压器的试验接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，本实例采用的是瑞典PAX公司生产的FDS IDAX-206绝缘诊断分析仪。

一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法包括如下步骤：

（1）、油纸绝缘电力设备及频域介电谱测试仪准备：将油纸绝缘电力设备与线路断开连接；频域介电谱测试仪要可靠接地；

（2）、频域介电谱测试仪的参数设置包括变频电压U₀(f)的峰值U_0max，最高测试频率f_H和最低测试频率f_L；设定时，可设定变频电压峰值U_0max=200V，充放电时间相等，即f_H＝1kHz，f_L＝1mHz。

（3）、给被测试油纸绝缘施加变频电压激励，同时测量电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的油纸绝缘复电容；

（4）、测量得到油纸绝缘的复电容，包括电容实部C′和电容虚部C″。根据普适弛豫理论，电介质的介电弛豫主要分为偶极子主导(Dipolar System,DS)的极化和载流子主导(Charge Carrier System,CCS)的极化。采用DS极化或者CCS极化的电容实部C′的表达式，对测量得到的电容实部C′曲线进行拟合，得到对应的特征频率f_p，从而达到解谱的目的，DS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

y'＝α+log₁₀Re{[1+j^m10^m(x-β)]γ}

式中，

y'＝log₁₀(χ'_DS)，α＝log₁₀A_DS，x＝log₁₀ω，β＝log₁₀f_p，γ＝n-1/m。

其中，

χ’_DS——DS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替；

A_DS，m，n——DS极化参数；

f_p——DS特征频率，ω——为频率变化量；

CCS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

$y^{\′}=\mathrm{\α}+{\log }_{10}(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_1-1)(x-\mathrm{\β})}+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_2-1)(x-\mathrm{\β})})$

式中，

y'＝log₁₀(χ'_CCS)，x＝log₁₀ω，α＝log₁₀(A_CCS)，β＝log₁₀f_p。

其中，

χ’_CCS——CCS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替；

A_CCS，n₁，n₂——CCS极化参数；

f_p——CCS特征频率。ω——为频率变化量；

（5）、数据处理方法为，根据提取的特征频域f_p，来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为：

z＝p₁+p₂x+p₃x²+p₄x³+p₅x⁴+p₆y+p₇y²+p₈y³+p₉y⁴

式中，x＝lgDP，DP-纸板的聚合度；y-油纸绝缘的温度，单位为°C；z＝lgf_p，f_p—特征频率，单位为Hz；p₁-p₉是给定参数，p₁～p₉参数确定过程如下：首先通过实验室试验，得到多组(DP，T，f_p)的值，换算得到（x，y，z），然后将（x，y，z）代入步骤1中第（5）项给出的表达式中，使用最小二乘法（现有公开算法），得到p₁～p₉。因此，不需要进行权力约束。具体参数可选取如表1所示，

表1老化状态计算公式中参数

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态；

（6）、新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，油纸绝缘电力设备整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为油纸绝缘电力设备寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。

图3是现有技术中测试变压器高压绕组对低压绕组的频域介电谱试验接线图。对于套管接线已分离的情况，将每相变压器的高中压短接，然后将仪器的蓝色测试钳(OUTPUT)夹在高中压套管出线端，红色测试钳(CH1)则夹在低压套管出线端；套管接线未分离的，则将高中压和地短接，然后将仪器的红色和黄色测试钳分别夹在低压套管和地线上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

（1）、油纸绝缘电力设备及频域介电谱测试仪准备：将油纸绝缘电力设备与线路断开连接；频域介电谱测试仪要可靠接地；

（2）、频域介电谱测试仪的参数设置包括变频电压U₀(f)的峰值U_0max，最高测试频率f_H和最低测试频率f_L；

（3）、给被测试油纸绝缘施加变频电压激励，同时测量电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的油纸绝缘复电容；

（4）、油纸绝缘复电容包括电容实部C′和电容虚部C″，采用DS极化或者CCS极化的电容实部C′的表达式，对测量得到的电容实部C′曲线进行拟合，得到对应的特征频率f_p，DS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

y'＝α+log₁₀Re{[1+j^m10^m(x-β)]^γ}

式中，

y'＝log₁₀(χ'_DS)，α＝log₁₀A_DS，x＝log₁₀ω，β＝log₁₀f_p，γ＝n-1/m

其中，

χ’_DS——DS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替，

A_DS，m，n——DS极化参数，

f_p——DS特征频率，ω——为频率变化量；

CCS极化对应的电容实部C′的表达式如下式所示，

$y^{\′}=\mathrm{\α}+{\log }_{10}(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_1-1)(x-\mathrm{\β})}+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(n_1-1)\right){10}^{(n_2-1)(x-\mathrm{\β})})$

式中，

y'＝log₁₀(χ'_CCS)，x＝log₁₀ω，α＝log₁₀(A_CCS)，β＝log₁₀f_p；

其中，

χ’_CCS——CCS复极化率实部，实际应用中用实测的电容实部C’代替，

A_CCS，n₁，n₂——CCS极化参数，

f_p——CCS特征频率，ω——为频率变化量；

（5）、数据处理方法为，根据提取的特征频域f_p，来判断油纸绝缘的老化状态，其计算公式为：

z＝p₁+p₂x+p₃x²+p₄x³+p₅x⁴+p₆y+p₇y²+p₈y³+p₉y⁴

式中，x＝lgDP，DP-纸板的聚合度；y-油纸绝缘的温度T，单位为°C；z＝lgf_p，f_p-特征频率，单位为Hz；p₁-p₉是给定参数；

将测试所得数据带入上述公式，可以计算得到油浸纸平均聚合度DP，从而得到固体绝缘的老化状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：还包括步骤（6）、对油浸纸老化状态进行评估，新纸板的聚合度一般为1200～1800，当平均聚合度下降到500时，油纸绝缘电力设备整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，可认为油纸绝缘电力设备寿命已经终止；当聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度为零。

3.根据权利要求2所述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中设定具体参数为：变频电压峰值U_0max=200V，充放电时间相等，即f_H＝1kHz，f_L=1mHz。

4.根据权利要求3所述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述步骤（5）中公式中的p₁-p₉的具体参数为：p₁为3.038×10³，p₂为-4.675×10⁴，p₃为2.683×10⁴，p₄为-6.81×10²，p₅为6.45×10¹，p₆为-1.26×10^-1，p₇为6.8×10^-3，p₈为-1.01×10^-4，p₉为5.2×10^-7。

5.根据权利要求4所述的一种基于普适弛豫定律的油纸绝缘电力设备老化状态检测方法，其特征在于：所述频域介电谱测试仪采用OMICRON公司生产的DIRANA-FDS绝缘诊断分析仪。

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