一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法
【專利摘要】一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，首先分析回復(fù)電壓初始斜率與變壓器絕緣狀態(tài)的關(guān)系，定義了快速極化初始斜率峰值比Sr1和緩慢極化初始斜率峰值比Sr2，緩慢極化初始斜率峰值比Sr2變大，而Sr1基本不變化，可以直接用來表征絕緣老化狀態(tài)?？焖贅O化初始斜率峰值比Sr1隨著絕緣受潮的程度的增加而變大，而Sr2基本保持不變；然后在實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，變壓器模型采用三電極結(jié)構(gòu)，回復(fù)電壓初始斜率采用采用6517B靜電儀進(jìn)行測(cè)量，分別制備不同的水分和老化樣本，探究Sr1和Sr2與老化和水分之間的關(guān)系；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，Sr1可用于分析絕緣受潮的程度，與絕緣介質(zhì)的直流電導(dǎo)率有關(guān)；而Sr2主要受到熱老化的影響，與介質(zhì)的極化電導(dǎo)率有關(guān)。
【專利說明】
一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電氣設(shè)備絕緣老化與壽命預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種回復(fù)電壓初始 斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力設(shè)備的安全運(yùn)行是保證電網(wǎng)安全的第一道防線，油浸式電力變壓器是電力傳 輸和分配的核心和樞紐，是電網(wǎng)中最重要、最昂貴的設(shè)備之一。變壓器故障給電網(wǎng)帶來的危 害也是十分巨大的，它不僅影響到整個(gè)電網(wǎng)崩潰，造成難以估量的后果，而且一臺(tái)大型變壓 器的造價(jià)也是十分昂貴。變壓器的絕緣系統(tǒng)主要由油和紙兩部分構(gòu)成，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中 由于受到溫度，水分，機(jī)械力，電場(chǎng)等影響會(huì)逐漸老化，破壞絕緣結(jié)構(gòu)而引起絕緣結(jié)構(gòu)。據(jù)調(diào) 查統(tǒng)計(jì)，85%以上的變壓器事故都是由絕緣造成的，我國(guó)電網(wǎng)中的變壓器基本都已經(jīng)運(yùn)行 接近或超過20年，已經(jīng)快處于變壓器壽命的盡頭，所以我們應(yīng)該考慮對(duì)這些變壓器的老化 狀態(tài)進(jìn)行合理的評(píng)估，診斷變壓器的絕緣狀態(tài)，以便合理的處理這些變壓器，有效的降低更 換變壓器的成本和減少變壓器故障給我們帶來的損失。
[0003] 回復(fù)電壓測(cè)試方法是一種基于介質(zhì)響應(yīng)的測(cè)量技術(shù)，它可以研究介質(zhì)的緩慢極化 過程，能有效的反應(yīng)絕緣介質(zhì)介電特性的變化，如受潮和老化將會(huì)導(dǎo)致介電特性的變化，因 此通過監(jiān)測(cè)變壓器的回復(fù)電壓特征量的變化即可以評(píng)估變壓器的老化和受潮?；貜?fù)電壓方 法已經(jīng)成功的應(yīng)用于電力變壓器絕緣總體狀態(tài)的評(píng)估，目前常用回復(fù)電壓極化譜的主時(shí)間 常數(shù)來量化評(píng)估變壓器的受潮程度，進(jìn)而評(píng)估變壓器的總體絕緣狀態(tài)。然而，一些研究結(jié)果 表明，主時(shí)間常數(shù)對(duì)受潮和老化都十分敏感，可以有效的評(píng)估變壓器的整體絕緣狀況，但是 它并不能區(qū)分變壓器具體的老化和受潮程度。
[0004] 與主時(shí)間常數(shù)特征量的研究相比，回復(fù)電壓初始斜率特征量的研究較少，如何使 用該特征量診斷絕緣老化仍是一個(gè)難題。本發(fā)明通過試驗(yàn)研究了變壓器絕緣老化和受潮對(duì) 初始斜率的影響并給出用于區(qū)分老化和受潮的兩個(gè)特征量，為提出了利用初始斜率區(qū)分受 潮和老化的方法提供新的研究思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的 方法，定義了兩個(gè)初始斜率SrjPS r2，并深入研究了它們隨絕緣狀態(tài)的變化規(guī)律，研究表明 Sr2主要受到熱老化的影響，對(duì)受潮反映不敏感，可以直接用來表征絕緣老化狀態(tài)。而Srl可 用于分析絕緣受潮的程度，而對(duì)老化的影響非常小;在實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別制備不 同的水分和老化樣本，探究SrdPS r2與水分和老化之間的關(guān)系;根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，結(jié) 合理論分析討論得出，srl可用于分析絕緣受潮的程度，與絕緣介質(zhì)的直流電導(dǎo)率有關(guān);而 Sr2主要受到熱老化的影響，與介質(zhì)的極化電導(dǎo)率有關(guān)。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其包括以下步驟：
[0008]步驟1:本發(fā)明提出了快速極化初始斜率峰值比Srl，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，Srl的值對(duì)變壓器 絕緣受潮反映靈敏，而對(duì)熱老化反映基本不變，因此可用于分析絕緣受潮的程度。
[0009]步驟2:定義緩慢極化初始斜率峰值比Sr2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Sr2的值對(duì)絕緣熱老化反 映靈敏，可用于表征絕緣老化狀態(tài)，而對(duì)受潮反映基本不變。因此可用SrjPSr2區(qū)分變壓器 絕緣狀態(tài)中的老化和受潮。
[0010]步驟3:實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，變壓器模型采用三電極結(jié)構(gòu)，回復(fù)電壓初始斜率 采用采用6517B靜電儀進(jìn)行測(cè)量，分別制備不同的水分和老化樣本，探究SrjPSr2與老化和 水分之間的關(guān)系。
[0011] 步驟4:根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，結(jié)合理論討論得出，Srl可用于分析絕緣受潮的程 度，與絕緣介質(zhì)的直流電導(dǎo)率有關(guān);而S r2主要受到熱老化的影響，與介質(zhì)的極化電導(dǎo)率有 關(guān)，在外加電場(chǎng)恒定的情況下，SrdPSr2越小，表明變壓器絕緣狀態(tài)越好。
[0012] 所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，步驟1)中，本文提出 測(cè)量充電1 〇〇〇 s，放電1 s的回復(fù)電壓初始斜率值，為Sd，快速極化初始斜率峰值比Srl = Sd/ Usd，Usd為回復(fù)電壓峰值，由于放電時(shí)間比較短，其值反映絕緣中快速極化過程的變化，這種 快速極化主要對(duì)應(yīng)絕緣介質(zhì)中水分等強(qiáng)極性物質(zhì)，可用于分析變壓器油紙絕緣是否受潮。
[0013] 所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，步驟2)中，定義充放 電比為2 : 1的回復(fù)電壓初始斜率值為Sr，緩慢極化初始斜率峰值比Sr2 = Sr/Usr，Usr為回復(fù)電 壓峰值，由于放電時(shí)間較長(zhǎng)，其值反映絕緣中緩慢極化過程的變化，這部分主要是絕緣介質(zhì) 中的夾層極化，與絕緣介質(zhì)的熱老化特性有著密切聯(lián)系。
[0014] 所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，步驟3)中，實(shí)驗(yàn)中采 用三電極結(jié)構(gòu)的變壓器模型，測(cè)量?jī)x器選用keithley公司生產(chǎn)6517B靜電儀，激勵(lì)電壓為 1000V，環(huán)境溫度均在30°C ;樣本制備時(shí)，統(tǒng)一選用厚0.5_，直徑110_的普通纖維素絕緣紙 和25號(hào)美力高礦物質(zhì)絕緣油，得到含水量為1 %和3 %的不同的樣本，以及含水量為0.3 %老 化14天、21天的短期的熱老化樣本和含水量為0.7 %老化56天、63天的長(zhǎng)期的熱老化樣本。
[0015] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特 征在于:所述步驟4)中，快速極化初始斜率和直流電導(dǎo)率之間有如下關(guān)系
[0017] 式中，γ為直流電導(dǎo)率，單位A/V · s，相對(duì)介電常數(shù)ε〇 = 8·86Χ10-14[A · sV/cm]，U〇 為充電電壓。結(jié)合Srl，可以得到
[0019] 式中，快速極化初始斜率峰值比，Usd為回復(fù)電壓峰值。
[0020] 綜上所述，可以得到不同狀態(tài)下的直流電導(dǎo)率γ。
[0021 ]緩慢極化初始斜率與極化電導(dǎo)率的關(guān)系如下
[0023]式中，β為極化電導(dǎo)率，單位A/V · s，是描述極化過程強(qiáng)度的特性，它是在絕緣介質(zhì) 去極化過程中產(chǎn)生的去極化場(chǎng)域電流密度之間的關(guān)系，同理，可得到
[0025] 式中，Sr2為緩慢極化初始斜率峰值比，Usr為回復(fù)電壓峰值。
[0026] 同樣，可得到Sr2與極化電導(dǎo)率邱勺關(guān)系，能夠計(jì)算出不同老化狀態(tài)下邱勺值。
[0027] 本發(fā)明一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，優(yōu)點(diǎn)在于：
[0028] 該方法提出兩個(gè)回復(fù)電壓初始斜率SrjPSr2,研究表明隨著絕緣紙的熱老化程度 的加深，緩慢極化初始斜率峰值比S r2變大，而Srl基本不變化，可以直接用來表征絕緣老化 狀態(tài)。快速極化初始斜率峰值比S rl隨著絕緣受潮的程度的增加而變大，而Sr2基本保持不 變。本發(fā)明可用于評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的老化和受潮程度，為提出了利用初始斜率區(qū)分受 潮和老化的方法提供新的研究思路。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0030] 圖2為回復(fù)電壓的測(cè)量過程圖；
[0031]圖3為三電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖4為不同水分狀態(tài)的初始斜率值；
[0033] 圖5為不同老化裝填的初始斜率值。
【具體實(shí)施方式】
[0034]為使本發(fā)明的技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì) 說明。
[0035] 圖1為本發(fā)明提供的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法流程圖， 包括以下步驟：
[0036] 圖2為回復(fù)電壓測(cè)量原理圖，t。為充電時(shí)間，td為放電時(shí)間，Uo為直流電壓，在回復(fù) 電壓測(cè)量過程中絕緣介質(zhì)兩端之間出現(xiàn)了一個(gè)電勢(shì)差，稱為回復(fù)電壓?；貜?fù)電壓在極板間 電壓增加的速率的初始值dU r/dt為初始斜率。
[0037] 水分樣本的制備:對(duì)已干燥的絕緣紙板用保鮮膜密封，稱重，稱重所用的精度為萬 分之一，將其暴漏在空氣中吸潮，每隔一段時(shí)間用相同的保鮮膜密封在次稱量，控制水分和 紙板的質(zhì)量比，以此制備出1 %和3%含水量的實(shí)驗(yàn)樣本。
[0038] 老化樣本的制備:為了確保含水量相同，分別將含水量為0.3 %和0.7 %兩組樣本 真空浸入處理后的變壓器油中48小時(shí)，放入130°C恒溫老化箱中進(jìn)行老化，含水量為0.3% 樣本用于獲取14天和21天短期熱老化樣本，而將含水量0.7 %的樣本獲取56天和63天長(zhǎng)期 的熱老化樣本。
[0039]搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，變壓器模型采用三電極，如圖3所示，測(cè)量?jī)x器選用6517B型靜電 計(jì)，輸出電壓為〇~1000V，測(cè)量電壓峰值±200V，采集速率0.1s。為防止外界溫度的干擾，實(shí) 驗(yàn)均在30°C恒溫箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)開始前都要在恒溫箱中預(yù)熱2h以上，確保測(cè)試樣本內(nèi)部也 達(dá)到30°C，每次測(cè)量完畢后都要放電2h以上，以完全消除剩余極化電荷。
[0040]水分對(duì)初始斜率的影響：
[0041]圖4為不同含水量測(cè)得的初始斜率數(shù)據(jù)，由圖可見，絕緣介質(zhì)中水分由1%增加到 3 %，快速極化初始斜率峰值比Srl由0.1179上升到0.1706，近似增大了50 %，而緩慢極化初 始斜率峰值比Sr2的值都在0.03左右，基本沒有變化。
[0042] 老化對(duì)初始斜率的影響：
[0043] 圖5為不同老化狀態(tài)測(cè)得的初始斜率數(shù)據(jù)，由圖可見，在第一組短期老化樣本中， 隨著老化時(shí)間的增加，緩慢極化斜率峰值比Sr2由0.040增加到0.261，將近變大了6倍，而S rl 由0.231減小到0.221，變化非常??；相同的，第二組老化56天到63天，緩慢極化斜率峰值比 Sr2由0.030上升到0.089，變化較大，而SrlS本沒有變化。
[0044] 由于水分受快速極化過程的影響，與直流電導(dǎo)率有關(guān)，下面探討其與直流電導(dǎo)率 的關(guān)系。
[0045] 快速極化初始斜率和直流電導(dǎo)率之間有如下關(guān)系
[0047] 式中，γ為直流電導(dǎo)率，單位A/V · s，相對(duì)介電常數(shù)ε〇 = 8·86Χ10-14[A · sV/cm]，Uo 為充電電壓。結(jié)合Srl，可以得到
[0049] 式中，Srl*快速極化初始斜率峰值比，Usd為回復(fù)電壓峰值。
[0050] 綜上所述，可以得到不同水分下的直流電導(dǎo)率γ，如表3所示：
[0052] 表中可見，水分由0.4%上升到0.7%，直流電導(dǎo)率γ明顯的增大，絕緣介質(zhì)的電阻 率變小，整體的絕緣狀態(tài)變差，快速極化過程變強(qiáng)，快速極化初始斜率峰值比Srl也響應(yīng)的變 大。
[0053]由于老化受緩慢極化過程的影響，與極化電導(dǎo)率有關(guān)，下面探討其與極化電導(dǎo)率 的關(guān)系。
[0054]緩慢極化初始斜率與極化電導(dǎo)率的關(guān)系如下

[0056] 式中，β為極化電導(dǎo)率，單位A/V · s，是描述極化過程強(qiáng)度的特性，它是在絕緣介質(zhì) 去極化過程中產(chǎn)生的去極化場(chǎng)域電流密度之間的關(guān)系，同理，
[0057] 式中，Sr2為緩慢極化初始斜率峰值比，Usr為回復(fù)電壓峰值。
[0058] 同樣，可得到不同老化狀態(tài)的極化電導(dǎo)率邱勺值，如表4所示：
[0060]由表可見，對(duì)于兩組老化樣本，含水量相同的情況下，隨著老化天數(shù)的增加，極化 電導(dǎo)率β都明顯的增大。老化天數(shù)越深，固體絕緣介質(zhì)劣化越嚴(yán)重，緩慢極化就越強(qiáng)，Sr2也會(huì) 相應(yīng)的變大。
[0061]本發(fā)明研究初始斜率隨絕緣狀態(tài)而變化的規(guī)律，揭示其與絕緣老化和受潮了的關(guān) 系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果可見，兩種初始斜率可以分別測(cè)量，所以電導(dǎo)和極化可以獨(dú)立研 究。絕緣紙的緩慢極化初始斜率峰值比s r2主要受到熱老化的影響，可以直接用來作為表征 絕緣狀態(tài)。而快速極化初始斜率峰值比Srl可用于分析絕緣受潮的程度。在外加電場(chǎng)恒定的 情況下，SrdPS r2越小，表明變壓器絕緣狀態(tài)越好。本發(fā)明為進(jìn)一步提出利用初始斜率特征 量的診斷絕緣狀態(tài)提供了新的研究思路。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特征在于包括W下步驟： 1 )、定義快速極化初始斜率峰值比Sri，Sri的值對(duì)變壓器絕緣受潮反映靈敏，而對(duì)熱老化 反映基本不變，用于分析絕緣受潮的程度； 2) 、定義緩慢極化初始斜率峰值比Sr2，Sr2的值對(duì)絕緣熱老化反映靈敏，而對(duì)受潮反映基 本不變，用于表征絕緣老化狀態(tài);可用Sri和Sr2區(qū)分變壓器絕緣狀態(tài)中的受潮和老化； 3) 、實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別制備不同的水分和老化樣本，變壓器模型采用Ξ電極 結(jié)構(gòu)，回復(fù)電壓初始斜率采用采用靜電儀進(jìn)行測(cè)量，探究Sri和Sr2與老化和水分之間的關(guān) 系； 4) 、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，Sri可用于分析絕緣受潮的程度，與絕緣介質(zhì)的直流電導(dǎo)率 有關(guān);而Sr2主要受到熱老化的影響，與介質(zhì)的極化電導(dǎo)率有關(guān)，在外加電場(chǎng)恒定的情況下， Sri和Sr2越小，表明變壓器絕緣狀態(tài)越好。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特征 在于:所述步驟1)中，測(cè)量充電lOOOs，放電Is的回復(fù)電壓初始斜率值為Sd，快速極化初始斜 率峰值比Srl = Sd/Usd，Usd為回復(fù)電壓峰值，由于放電時(shí)間比較短，其值反映絕緣中快速極化 過程的變化，運(yùn)種快速極化主要對(duì)應(yīng)絕緣介質(zhì)中水分等強(qiáng)極性物質(zhì)，用于分析變壓器油紙 絕緣是否受潮。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特征 在于:所述步驟2)中，定義充放電比為2:1的回復(fù)電壓初始斜率值為Sr，緩慢極化初始斜率 峰值比Sr2 = Sr/Usr，Usr為回復(fù)電壓峰值，由于放電時(shí)間較長(zhǎng)，其值反映絕緣中緩慢極化過程 的變化，運(yùn)部分主要是絕緣介質(zhì)中的夾層極化，與絕緣介質(zhì)的熱老化特性有著密切聯(lián)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特征 在于:所述步驟3)中，實(shí)驗(yàn)中采用Ξ電極結(jié)構(gòu)的變壓器模型，測(cè)量?jī)x器選用靜電儀，激勵(lì)電 壓為1000V，環(huán)境溫度均在30°C ;樣本制備時(shí)，統(tǒng)一選用厚0.5mm，直徑110mm的普通纖維素絕 緣紙和25號(hào)美力高礦物質(zhì)絕緣油，得到含水量為1 %和3%的不同的樣本，W及含水量為 0.3%老化14天、21天的短期的熱老化樣本和含水量為0.7%老化56天、63天的長(zhǎng)期的熱老 化樣本。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回復(fù)電壓初始斜率評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的方法，其特征 在于:所述步驟4)中，快速極化初始斜率和直流電導(dǎo)率之間有如下關(guān)系：式中，丫為直流電導(dǎo)率，單位A/V.S，相對(duì)介電常數(shù)ε〇 = 8.86Χ1〇-?4[Α · sV/cm]，Uo為充 電電壓，結(jié)合Srl，可W得到：式中，Sri為快速極化初始斜率峰值比，Usd為回復(fù)電壓峰值。 綜上所述，可W得到不同狀態(tài)下的直流電導(dǎo)率丫； 緩慢極化初始斜率與極化電導(dǎo)率的關(guān)系如下：式中，β為極化電導(dǎo)率，單位Α/ν · s，是描述極化過程強(qiáng)度的特性，它是在絕緣介質(zhì)去極 化過程中產(chǎn)生的去極化場(chǎng)域電流密度之間的關(guān)系，同理，可得到：式中，Sr2為緩慢極化初始斜率峰值比，Usr為回復(fù)電壓峰值。 同樣，可得到Sr2與極化電導(dǎo)率β的關(guān)系，能夠計(jì)算出不同老化狀態(tài)下β的值。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK106093614SQ201610362175
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】張濤, 張斌, 談小瑞, 薛尚青
【申請(qǐng)人】三峽大學(xué)