油纸绝缘变压器非标准极化谱的仿真研究

蔡金锭， 王凯

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)

0 引言

油纸绝缘变压器的绝缘状况好坏不仅直接关系到其自身的正常运行，更为重要的是其与全社会的安全稳定发展紧密联系在一起，同时变压器绝缘状态在线无损检测是绝缘诊断技术的研究趋势，所以基于介质响应理论的回复电压法应运而生，通过追踪介质极化特性的变化，将绝缘老化受潮情况与回复电压特征参数与极化谱结合研究，确立之间的对应关系，最终通过监测这些参数的变化对变压器的绝缘状况进行有效评估。

在回复电压现场测试过程中，由于外界多种因素的影响，获取的回复电压极化谱可能出现畸变，如产生局部峰值等。而目前，国内外许多文献也都涉及到非标准极化谱的研究现状，如文献［1］中对影响回复电压极化谱的多种外界因素(残余电荷、温度和环境干扰等)进行研究，且通过与现场实际测试获取的数据结合，验证其对极化谱的畸变作用;M.H.Li等人在文献［2］中也指出湿度、温度等环境因素会对极化谱产生影响，同时指出通过回复电压极化谱可有效评估绝缘老化和受潮状况;J.P.Van Bolhuis等人的研究表明，油纸绝缘变压器的绝缘状态较差时，其回复电压极化谱可呈现为非标准极化谱［3］。而对非标准极化谱所隐含的绝缘状态信息的研究相对较少，本文则是在基于忽略外界因素干扰时，仍可测得含局部峰值的非标准极化谱情况进行仿真研究，通过等值电路模型探讨极化谱非标准化的内在原因。

1 回复电压法测量法

回复电压法以介质响应理论为基础，通过在绝缘介质两端施加直流高压，进行充放电处理后，由于绝缘介质的极化特性，可获取绝缘两端的回复电压，研究其与老化受潮之间的对应关系，从而建立回复电压对绝缘状态诊断的相关依据。

回复电压法的一次测试流程包括充电、放电、测量和松弛四个阶段，其测量示意图如图1所示。具体测试步骤如下:1)首先断开开关S2、S3，闭合开关S1，直流电源U对变压器进行充电，绝缘介质呈现极化反应，在介质两端束缚大量电荷;2)经过充电时间tc后，断开开关S1，闭合开关S2，开关S3仍保持断开状态，对变压器进行放电，则其处于去极化过程，原两极束缚电荷被释放为自由电荷，产生去极化电流;3)当放电时间达到td时，断开开关S1、S2，接通开关S3，若去极化过程还在继续，剩余的自由电荷将在两极形成回复电压，并对其回复电压特征参数(回复电压最大值Urmax、初始斜率Si以及中心时间常数tpeak)进行记录;4)将变压器残余电荷彻底放电，为下次测试做准备［4］。

图1 回复电压测量示意图Fig.1 Test circuit of return voltage measurement

逐步改变充电时间tc，循环进行回复电压测试，可获取各充电时间下的回复电压最大值Urmax，生成各次充电时间tc与回复电压最大值Urmax之间的关系曲线，即回复电压极化谱。具有唯一峰值的标准极化谱可准确诊断变压器绝缘状况［5－6］，如图2的(a)和(b)所示，但由于受到环境因素干扰、残余电荷和变压器绝缘状态的改变等影响，回复电压极化谱就可能出现畸变，即非标准极化谱，如图2中的(c)与(d)分别为总体平坦和含局部峰值的非标准极化谱。

图2 4种常见极化谱Fig.2 Four common polarization spectrums

2 非标准极化谱建模与仿真

2.1 非标准极化谱建模

油纸绝缘变压器的绝缘介质主要由变压器油和绝缘纸等组成，本文采用基于扩展德拜模型的介质响应等值电路来作为仿真模型［7］，如图3所示，其忽略绝缘的几何结构，可反映绝缘系统存在多种不同弛豫时间下的介质响应过程，其中Cg和Rg分别为变压器的几何电容与绝缘电阻，其在仿真中主要对极化谱的回复电压幅值产生影响，各条RC支路将表征极化过程中不同的松弛环节，极化电阻Rpi、极化电容Cpi值与支路数N可作为绝缘系统的宏观表征，且其将随着绝缘系统状态的不同而发生改变，下文的工作重点也是研究其与绝缘状态、回复电压极化谱之间的关系。

图3 基于扩展德拜模型的介质响应等值电路Fig.3 Dielectric response equivalent circuit based on extended Debye model

2.2 各时间支路对极化谱影响的仿真

2.2.1 时间常数对极化谱影响

保持几何电容Cg和绝缘电阻Rg恒定，仿真分析支路数不变时，各支路中的极化电阻Rp和极化电容Cp变化对变压器极化谱的影响，如图4所示。

图4(a)小时间常数支路参数发生变化时获得的极化谱仿真图，由图可知，小时间支路主要对回复电压极化谱前段产生影响，当保持小时间常数RpCp为定值，随着极化电阻Rp的下降，极化电容Cp的增加，极化谱前段的回复电压最大值Urmax相应增大，其它部分Urmax值基本不变，从而可形成局部峰值，但当小时间常数增大时，达到该局部峰值所对应的充电时间也增大，即局部峰值向右偏移，而此时极化谱主时间常数仍保持不变。而图4(b)和(c)分别为中时间与大时间支路参数发生变化对极化谱的影响，中时间常数支路的变化主要对极化谱中段产生较大影响，而大时间常数支路的变化影响则主要相对于极化谱的末段，随着各时间常数支路对应的极化电阻Rp和极化电容Cp的改变，相应区段内的极化谱将发生变化，不仅可出现局部峰值，且该峰值所对应的充电时间tc将随着绝缘系统弛豫时间的增大而增大，反之，则将减小。

综上，各时间常数支路的极化电阻Rp与极化电容Cp的改变会使极化谱各对应区段产生影响。当其绝缘状态变差时，油纸绝缘变压器的等值极化电阻Rp会随着电导率的提高而降低，极化电容Cp会随着绝缘介质的介电常数增大而增大，通过上文仿真可知，所获取的极化谱就可能出现局部峰值，且Cp与Rp的综合效能可对局部峰值的纵向和横向都产生作用。

图4 极化电容Cp和极化电阻Rp变化时的极化谱Fig.4 Polarization spectrum of polarization capacitance Cpand polarization resistance Rpchanges

2.2.2 支路数对极化谱影响

基于同一变压器等值模型分析支路数N对回复电压极化谱的非标准化影响，如图5所示。图5分别为小时间常数支路、中时间常数支路和大时间常数支路各自对应条数发生变化时的极化谱仿真图，如从图5(a)可见，随着小时间常数支路条数的增加，极化谱前段的回复电压最大值都有所提高，且条数越多，局部峰值越明显，而为了便于观察，所增加支路的参数值保持不变，所以此时条数只对极化谱局部峰值的大小产生影响，而若其所增加支路的时间常数也改变时，极化谱的局部峰值所对应充电时间将随之变动。而图5(b)和(c)中的极化谱仿真亦有类似的规律，不再赘述。

图5 支路数改变时的极化谱仿真图Fig.5 Polarization spectrum of branch number changes

仿真结果表明，支路数的不同主要对各时间常数在极化谱的对应区段有所影响，此与上节的仿真结论相吻合，且在油纸绝缘系统中，绝缘油代表着快速极化过程，绝缘纸代表着缓慢极化过程［8－9］，即回复电压极化谱的前段应该反映绝缘油的状态，当绝缘油受潮和老化时，小时间常数的极化电容Cp将增加，而极化电阻Rp降低，在充电时间tc较小时，去极化电流则将增大，回复电压最大值也将相应增大，此时极化谱前段将出现局部峰值，极化谱后段由于绝缘纸状态变差同样也可能产生局部峰值。此外，经研究发现，变压器运行年限越久或绝缘越差，在外电场作用下，绝缘介质极化过程也更加复杂，则等值模型的支路数将相对增加，从而支路数N也可作为非标准极化谱的表征量。

3 试验研究

介质响应等值模型中，若极化电容Cp、极化电阻Rp和支路数N取值合理，可仿真出油纸绝缘变压器的非标准极化谱，为了对该思路进行验证，本文引用一台现场油纸绝缘变压器T1的回复电压测试数据来分析，该变压器测试时已退出运行，型号为SFZ－31500/110，其额定容量为31.5 MVA，测试时温度为20℃，根据获得的回复电压特征参数对其进行等值参数辨识，其中绝缘电阻Rg为3.414 3 GΩ，绝缘电容Cg值为58.395 5 nF，获得的支路参数结果如表1所示。并根据计算得到的参数值求出回复电压值［10］，生成计算所得的回复电压极化谱，将二者进行比较，如图6所示。

表1 变压器等值电路参数辨识结果Table 1 Equivalent circuit parameter of transformer

图6 变压器T1极化谱测量值与计算值比较Fig.6 Comparison of calculated and measured values on transformers T1

计算结果表明在充电时间为100 s的测量值与计算值有一定的误差，且平均相对误差为［11］

所以两者的误差在允许范围之内，实际测量与计算获得的极化谱较为吻合。而测试前对变压器充分放电，排除外界其它干扰因素，所以该获得的非标准极化谱是变压器T1油纸绝缘系统的真实反映，而前两个回复电压峰值处于极化谱的前段，其主要代表着绝缘油的含水量过多，由于受潮导致极化电阻Rp降低，而随着其运行年限越久，极化电容Cp和支路数N有所增大，根据仿真结果，极化谱前段可出现局部峰值。同时经数据分析，第一个峰值对应的水分含量为4.4%，第二个峰值则为2.7%，所以变压器T1绝缘系统局部受潮;而与绝缘纸缓慢极化过程对应的极化谱末段还未出现峰值，可认为未知峰值对应的充电时间更长，则绝缘纸的绝缘状态良好。综合分析表明，仿真分析结果与变压器T1实际情况相符，其总体的绝缘状态为局部受潮，但由于运行年限已久，从安全考虑而退出运行。

4 结语

外界环境干扰、残余电荷等可导致回复电压极化谱非标准化，然而变压器自身绝缘情况也可影响极化谱有多个局部峰值，本文对该类型的非标准极化谱进行仿真研究，绝缘介质等值模型内部参数(极化电容Cp、极化电阻Rp和支路数N)可对非标准极化谱有效表征，为局部峰值的产生机理提供仿真基础，且仿真结果表明极化谱前段主要与绝缘油状态相关，后段则主要受绝缘纸状态的影响。因此，非标准极化谱亦可对绝缘系统的绝缘状态进行诊断，提高充分运用回复电压极化谱评估油纸绝缘变压器绝缘状态的效率。

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