運用混聯等效電路診斷變壓器油紙絕緣狀態

林智勇， 蔡金錠

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350108）

運用混聯等效電路診斷變壓器油紙絕緣狀態

林智勇， 蔡金錠

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350108）

針對油紙絕緣變壓器內部絕緣介質弛豫響應的復雜性，根據油紙絕緣結構特征，提出建立混聯等效電路新模型來表征油紙絕緣弛豫過程。根據混聯等效電路的理論分析，推導出混聯等效電路參數和回復電壓的求解公式。先采用一臺變壓器回復電壓測試數據對該方法進行驗證后，再利用一臺變壓器檢修前后的測試數據進行基于混聯等效電路的變壓器油紙絕緣診斷研究。研究結果表明：通過混聯等效電路方法得到的回復電壓曲線能夠很好的與現場測量的回復電壓曲線吻合，且利用混聯等效電路能夠準確的診斷油紙絕緣變壓器的絕緣介質老化情況。

油紙絕緣；混聯等效電路；變壓器；回復電壓

0　引言

大型油浸式變壓器是電力系統最重要設備之一，它承擔電力系統的變電任務，處于電力網絡的關鍵和中間環節［1-2］。一旦它發生故障而停運，將嚴重影響電力系統安全可靠性和電力企業經濟效益，甚至影響國民經濟發展。目前，變壓器發生故障絕大多數是其內部絕緣老化引起的，若能提前預測變壓器油紙絕緣老化狀態，則可以進一步減少變壓器故障率，從而提高電力系統安全穩定性。所以研究一種能準確診斷變壓器油紙絕緣狀態方法對電力企業具有重要的工程應用價值［3-5］。

油紙絕緣變壓器內部絕緣結構主要有絕緣油、絕緣紙等組成［6-7］。在實際運行過程中，變壓器內部絕緣系統會受到外部環境和自身的影響，發生復雜的化學和物理變化，使得絕緣狀態變差。絕緣介質的老化程度會反映在其極化特性中，所以研究絕緣介質的極化特性是分析油紙絕緣狀態一個重要途徑［8］。

目前，國內外大部分學者主要利用時域介質響應理論建立擴展德拜等效電路模型對油紙絕緣介質的弛豫過程進行分析，常用的有回復電壓測量法，極化去極化電流法。例如，李軍浩等人在文獻［9］和唐盼等人在文獻［10］中均利用極化去極化電流曲線特征量來求解擴展德拜等效電路參數；杜振波提出利用頻域介電譜來研究擴展德拜模型［11］；文獻［12］中張軍強等人利用回復電壓極化譜特征量對等效電路進行研究。這些都對擴展德拜等效電路的求解和構建進行了研究與分析，然而對等效電路參數的求解都需要足夠的測量數據和算法精度才能準確辨識等效電路參數。本文根據油紙絕緣系統結構特點，提出全新的混聯等效電路模型來研究油紙絕緣介質弛豫過程，該模型不但結構簡單，而且無需采集大量數據，只需測量某一次的回復電壓曲線特征量，就可準確便捷求解混聯等效電路參數，過濾了受到干擾的不準確數據，進一步提高診斷變壓器油紙絕緣老化狀態的準確度。

1　回復電壓測量法

回復電壓測量法是一種無損的時域電氣絕緣診斷方法［13-15］。其優點是測試簡單，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，所以該方法被廣泛應用于變壓器油紙絕緣狀態診斷。回復電壓測量法是通過對變壓器測量獲得的回復電壓特征量進行分析來進一步診斷油紙絕緣變壓器的老化狀況。目前主要運用3個特征量：回復電壓曲線初始斜率k，回復電壓曲線最大值Um及其最大值所對應的時間常數tp。

回復電壓測試過程如下：首先對絕緣介質兩端加直流極化電壓U0，對絕緣介質進行充電，絕緣介質發生極化，其表面出現束縛電荷；經過充電tc時間后，對絕緣介質兩端進行短接處理，絕緣介質發生去極化，部分電荷被釋放；經過放電時間td后，殘余的極化電荷會在絕緣介質兩端形成一個回復電壓響應，此電壓稱為回復電壓，對應的測量曲線稱為回復電壓曲線。通過改變充電時間tc，可以獲得一系列對應的回復電壓曲線，將充電時間tc與對應的回復電壓曲線最大值畫出的曲線稱為回復電壓極化譜。

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

圖1　回復電壓測量過程Fig.1　Recovery voltage measurement process

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

圖2　RVM5461回復電壓測試儀Fig.2　Return voltage tester RVM5461

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

2　混聯等效電路原理分析

電力油紙絕緣變壓器內部的絕緣結構主要由絕緣紙、絕緣油和撐條等部分組成，其結構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構示意圖Fig.4　Schematic diagram of transformer oil-paper insulation system

圖5　變壓器油紙絕緣結構剖面圖Fig.5　Profile of transformer oil-paper insulation system

由于絕緣油是主要成分碳氫化合物，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，絕緣油對應快極化響應，絕緣紙對應慢極化響應。電介質極化根據其介電常數的不同在極化過程中會呈現快慢響應，主要表征在衰減過程中的時間常數。根據變壓器絕緣結構和絕緣介質極化特性，結合Maxwell電路理論，本文提出一種新型混聯等效電路來分析油紙絕緣變壓器的老化狀態情況，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　混聯等效電路Fig.6　Hybrid equivalent circuit

根據電路回路分析法，可知回復電壓為

式中：τ1=R1C1；τ2=R2C2；λ=τ2/τ1。

根據式（1），可以求出回復電壓3個特征初始斜率k，最大值Um及對應的時間常數tp。

在某一充電時間tc下的一組［k Umtp］特征參數，運用改進粒子群算法就可以求出對應的一組［Usλ τ1］參數。再利用式（1）～式（3）可求出等效電路的［R1R2C1C2］。

3　混聯等效電路現場測試運用分析

本文采用RVM5461回復電壓測試儀對福建泉州一臺停運檢修的220 kV，240 MW的變壓器T1進行現場回復電壓測試，得到一系列［k Umtp］特征參數數組。取充電時間為20 s的特征量參數數組［k Umtp］=［0.5 24.8297］，按上述公式求出對應［Usλ τ1］=［47.012 3 4.863 8 149.155 4］，進而求出混聯等效電路參數［R1R2C1C2］=［24.852 4 74.93 6.001 7 9.681 8］。

將求解得到的混聯等效電路參數帶入回復電壓公式，求得回復電壓曲線。圖7為實測回復電壓曲線和混聯等效電路參數得來的回復電壓曲線的比較結果圖。

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

從圖7可以看出，兩條回復電壓曲線相當吻合，表明在誤差允許范圍內，利用混聯等效電路參數得來的回復電壓曲線與實測回復電壓曲線一致。

4　變壓器絕緣老化診斷研究

為進一步驗證混聯等效電路模型診斷油紙絕緣變壓器絕緣狀況的可靠性，本文對福建福州一臺220 kV，240 MW變壓器T2的檢修前后絕緣狀況進行回復電壓法分析。

運用RVM5461回復電壓測試儀對變壓器T2濾油處理的檢修前后分別進行充電時間為20 s、1 000 s的回復電壓測試，獲得數據如表1所示。

根據表1數據，結合本文提出的構建混聯等效電路方法，求得變壓器T2充電時間分別為20 s、1 000 s的檢修前后的混聯等效電路參數如表2所示。

表1　回復電壓測試數據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，其等效電路的極化電阻變小，而極化電容變大，與實際絕緣介質發生老化時其等效極化電路參數變化情況一致。

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

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

為進一步形象的研究混聯等效電路診斷油紙絕緣變壓器的絕緣狀況，對充電時間為20 s、1 000 s時各兩條混聯等效電路獲得的檢修前后回復電壓曲線進行對比分析，如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9可以看出，當充電時間為20 s時，檢修前的主時間常數比檢修后的大，檢修前的回復電壓最大值比檢修后的大；當充電時間為1 000 s時，檢修前的主時間常數比檢修后的小，檢修前的回復電壓最大值比檢修后的大。

圖8　tc=20 s時檢修前后回復電壓曲線對比圖Fig.8　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=20 s

圖9　tc=1 000 s時檢修前后回復電壓曲線對比圖Fig.9　Return voltage curve before and after being maintained comparison chart when tc=1 000 s

5　結論

通過實例驗證表明，本文提出的混聯等效電路模型得到的回復電壓曲線能夠很好與現場實測獲得的回復電壓曲線吻合，能夠真實反映絕緣介質內部極化過程，進而為后續診斷變壓器油紙絕緣老化狀況奠定重要基礎。

本文運用混聯等效電路，結合回復電壓測量法診斷油紙絕緣變壓器得到如下結論：

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

3）絕緣油的絕緣狀態越好，當采用短充電時間測量，其混聯等效電路的主時間常數越小；絕緣紙的絕緣狀態越好，當采用長充電時間測量，其混聯等效電路的主時間常數越大。

4）油紙絕緣變壓器絕緣狀態越好，其回復電壓最大值就越小。

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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，Fuzhou University，Fuzhou 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

國家自然科學基金（61174117）

林智勇（1989—），男，博士研究生，研究方向為電氣設備絕緣監測與故障診斷；

蔡金錠（1954—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為人工智能技術在電力工程中的應用研究。

蔡金錠