油纸绝缘变压器介质响应极化谱的探索与研究

王凯，蔡金锭

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)

油纸绝缘变压器介质响应极化谱的探索与研究

王凯，蔡金锭

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)

基于扩展德拜模型，建立油纸绝缘变压器绝缘状态与介质响应等值电路之间的关系，并仿真分析模型(时间常数、支路数)改变引起回复电压特征参数和极化谱的变化规律。仿真分析结果表明，极化谱回复电压峰值与主时间常数可作为变压器绝缘诊断的判据，且时间常数不同的RC支路在回复电压极化谱的对应区段才有所影响。通过研究多台不同绝缘状态的变压器，总结出绝缘老化程度与支路数取值的内在联系，由此获取的等值参数最优，所建立模型与变压器实际状况相吻合，可作为油纸绝缘系统状态准确诊断和研究的基础。

油纸绝缘;变压器;回复电压;特征参数;极化谱

1 引言

油纸绝缘变压器在电力系统中是非常重要的枢纽设备，其安全运行直接关系到整个电力系统正常稳定工作，而根据报告指出，引起变压器故障的主要原因为其绝缘老化或受潮，所以能够对变压器绝缘状态进行准确评估具有重要意义。回复电压测量法(Return Voltage Measurement，RVM)是近些年对变压器绝缘状态诊断的一种新兴方法，其基于介质响应理论研究油纸绝缘系统的极化过程，有效追踪介质极化特性的变化情况。当绝缘老化或受潮时，回复电压响应特征参数与极化谱也将发生相应的变化，因此，通过监测这些参数的变化可反向有效地对绝缘状态进行评估。此外，基于介质响应的变压器绝缘状态新型检测法还有极化去极化电流法(PDC)［1］和频域谱法(FDS)［2，3］等。RVM易于进行现场实施，且具有较好的抗干扰能力;相对于传统的测量方法，回复电压法可实现在线无损对变压器进行绝缘检测，因此该方法具有很好的应用前景［4，5］。

目前，国内外很多学者都对基于回复电压的变压器绝缘系统状态诊断法作了大量研究，如T K Saha等人对大量的回复电压测试数据进行分析和研究，结果表明绝缘系统的老化状态与中心时间常数有很好的相关性［6］;刘刚等研究了温度对绝缘系统回复电压特征参数的影响，并在文献［7］中指出绝缘系统的温度与中心时间常数呈指数关系;文献［8］中廖瑞金等通过实验室加速老化实验，研究了不同老化程度与回复电压特征参数之间的规律，研究表明回复电压各特征参数和老化存在线性关系，同时指出水分对该线性关系的影响;本课题组现场测试大量回复电压数据，并与糠醛含量分析法测试结果相比较，结果显示两种方法的诊断结果具有较好的一致性，验证了基于回复电压的油纸绝缘系统诊断法的有效性，同时在用智能算法对变压器模型参数有效辨识方面也取得了一定成果［9］。虽然一些学者对变压器模型建立进行了研究［10-12］，但对基于扩展德拜模型中等值电路支路数的选取上并未深入讨论，其分析时的模型支路数一般都为根据经验而取定。而支路数多取一条时，参数求解的难度将增大很多;若少取，则模型可能就不够准确。所以本文从油纸绝缘变压器的扩展德拜模型出发，分别仿真分析模型支路时间常数和支路数对回复电压特征参数与极化谱的影响，为以后获取最优模型参数的工作打下基础。

2 回复电压测量法与绝缘模型

2.1 回复电压法

在绝缘介质两端施加一直流高压时，介质将呈现极化反应，在介质两端束缚大量电荷。当去除外施电压并短接介质后，介质则又将处于去极化过程，原两极束缚电荷被释放为自由电荷。停止短接后，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［13］。

回复电压的测试流程由充电、放电、测量和松弛四个阶段组成，其测试周期如图1所示。一个测试周期中可获取回复电压的三个特征参数(回复电压最大值Urmax、初始斜率Si以及中心时间常数tpeak)，通过调控充电时间tc，循环记录相应tc下的特征参数，并生成各次的回复电压最大值Urmax与充电时间tc之间的变化关系曲线，即回复电压极化谱。一经典油纸绝缘回复电压极化谱如图2所示。

图1 回复电压测试过程Fig．1 Measurement process of return voltage

图2 典型油纸绝缘变压器极化谱Fig．2 Typical polarization spectrum of oil-paper transformer

2.2 油纸绝缘系统模型建立

由于油纸绝缘变压器的绝缘介质主要由变压器油、隔板和撑条等组成，所以该绝缘系统存在多种不同弛豫时间下的介质响应过程。此外当绝缘状态发生变化时，原有的松弛机制也将发生变化，而均一绝缘介质响应电路无法真实反映介质实际情况。因此，本文引用扩展德拜模型作为介质响应等值电路，如图3所示。绝缘电阻Rg和几何电容Cg主要与系统的实际结构相关［14］，各条RC支路表征极化过程中不同的松弛环节［15］，模型中的极化电阻Rpi、极化电容Cpi与支路数N作为绝缘系统的宏观表现，且其随着绝缘系统状态的不同而发生改变。

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 Debyemodel

3 油纸绝缘系统等值模型变化仿真

为了研究油纸绝缘系统等值模型与极化谱的内在关联，本文建立了一台油纸绝缘变压器T1的介质响应等值模型作为辅助分析，该变压器制造于2002年1月，型号为SZg-31500/110，其额定容量为31.5MVA，测试时温度为20℃，本文关于模型的参数辨识主要采用文献［9］所介绍的方法。下面将以此为基础，分别仿真分析该变压器介质响应模型的支路时间常数与支路数变化对极化谱的影响。

3.1 支路时间常数对极化谱影响的仿真

保持几何参数(Rg、Cg)以及支路数N不变，同时改变各支路中的极化电阻Rpi和极化电容Cpi，仿真分析其对变压器T1极化谱的影响。图4(a)为各条支路的时间常数不变，Rpi和Cpi变化时所获得的极化谱情况。由图4(a)可知，Urmax受其变化影响显著，随着Rpi的下降，Cpi的增加，Urmax则相应增大，即极化谱整体上移，反之，则Urmax降低。但由于绝缘系统的弛豫时间并未改变，达到回复电压峰值时对应的充电时间tc不变，即主时间常数不变。在保持其他参数恒定的前提下，图4(b)和图4(c)分别为Rpi与Cpi各自单一变化时的回复电压极化谱。随着Rpi和Cpi的增大，达到回复电压峰值时对应的充电时间tc将随着绝缘系统弛豫时间的增大而增大，即主时间常数将增大;反之，主时间常数将减小。而且根据图4中的各极化谱亦可得，随着Rpi增大或Cpi的降低，回复电压峰值将降低;反之，回复电压峰值将增大。

图4 极化电容Cpi和极化电阻Rpi变化时的极化谱Fig．4 Polarization spectrum of polarization capacitance Cpiand polarization resistance Rpichange

综上可知，极化电阻与极化电容的改变会对极化谱的主时间常数、回复电压峰值产生相应影响。对于同一台变压器而言，当其绝缘状态越差时，等值极化电阻会随着电导率的提高而降低，而极化电容会随着绝缘介质的介电常数增大而增大，则极化谱中的回复电压峰值有增大趋势，反之则降低;另外，当各支路的时间常数增大，极化谱主时间常数也将随之增大，反之减小。因此，极化谱的回复电压峰值和主时间常数可作为变压器绝缘状态好坏的判据。

3.2 支路数对极化谱影响的仿真

在变压器T1的等值电路参数保持不变的前提下，仿真分析模型支路数N变化对回复电压极化谱产生的影响，如图5所示。

图5 支路数改变的极化谱仿真图Fig．5 Polarization spectrum of branch number change

从图5(a)可见，当增加模型中大时间常数支路时，极化谱回复电压峰值明显提高，而在此所增加的支路与原有的大时间常数支路中的参数完全相同，从而弛豫时间不变，即达到回复电压峰值所对应的充电时间tc也将不变，若增加支路参数不同时，主时间常数也将发生相应变化;而当滤除原有模型中的大时间常数支路部分后，极化谱末段发生塌陷，所以回复电压峰值与主时间常数主要由大时间常数支路支持，可知，当大时间常数支路发生变化时，极化谱的回复电压峰值与主时间常数将发生相应变化。图5(b)和图5(c)分别为中时间与小时间常数支路数的增减对极化谱的影响，中时间常数支路的变化主要对极化谱中段产生较大影响，而小时间常数支路的变化则主要影响极化谱的前段，且各自受影响部分对应的回复电压值随着支路数的增加而提高，随着支路数的减小而下降。此时图5(b)与图5(c)中极化谱主时间常数并未发生变化。

仿真结果表明，大时间常数支路主要影响极化谱末段部分，极化谱主时间常数及回复电压峰值也主要受其影响，而中时间常数支路主要影响极化谱的中段，小时间常数支路则对极化谱前段产生较大影响。当变压器绝缘越差，绝缘系统由于各种老化产物的影响，其松弛机制将更多样，在外电场作用下，绝缘介质极化过程也更加复杂，系统的松弛环节将也随之增加［16］，即RC支路增多，相应的回复电压值随着支路数增大而增大，且主时间常数也将发生相应变化。这与上文关于回复电压峰值时间越大，绝缘相对变差的仿真结果相一致。因此，支路数N的取值可侧面反映变压器绝缘状态。

4 试验研究及结果应用

为了验证本文提出的油纸绝缘变压器绝缘状态诊断方法的可行性，采用回复电压法现场对两台变压器(T2、T3)进行了测试，其基本信息见表1。

表1 变压器T2与T3的基本信息Tab．1 Basic information of two distribution transformers

当设定介质模型支路数为5条时，对两台变压器分别进行参数辨识，辨识结果见表2。根据获得的等值电路参数可求解出回复电压值［9］，生成计算所得的回复电压极化谱，将其与实际测量的极化谱进行比较，结果如图6所示。

表2 变压器T2与T3支路数为5时等值电路参数辨识结果Tab．2 Equivalent circuit parameters of transformers T2and T3at five branches

图6 变压器T2、T3极化谱测量值与计算值比较Fig．6 Comparison of calculated and measured values on transformers T2and T3

首先，观察图6中变压器T2、T3两条测量所得的极化谱可知，T2的主时间常数比T3的大，且T2的回复电压峰值在T3的下方，根据仿真结果可判断出T2的绝缘状态比T3的好。而实际中，变压器T2是一台新投变压器，T3则是已退出运行变压器。其次，从图中两变压器各自测量与计算的极化谱比较中可发现，虽然两者采用的支路数都一样，但由于运行年限导致绝缘状态的不同，变压器T3计算所得极化谱与实际的吻合性不如T2的好，采用7条支路重新对变压器T3进行参数辨识，图7为此时其测量与计算所得的极化谱的对比图。

图7 支路数为7时T3的测量值与计算值比较Fig．7 Comparison of calculated and measured values on transformers T3at seven branches

从图7可以发现，采用7条支路的重合性明显优于5条支路时计算获得的极化谱，即7条支路获得的极化谱与实际测量结果更吻合。从而得出结论:油纸绝缘变压器随着运行年限增加，绝缘状态越差，介质响应等值电路支路数应相对增多。

在以上结论基础上，根据变压器T4(其基本信息见表3)大修前后的现场回复电压测试数据，按本文方法对其进行参数辨识，与结果对比发现，大修前的等值电路支路为6条，而大修后的则减少为4条，且大修后的主时间常数明显增大，回复电压峰值则相对减小。此次大修的项目为将老化严重的低压绕组更换成新绕组，从而可知，变压器实际绝缘状态的改善可以减少等值电路支路数。经过反复多次测试分析，尽管所选变压器型号各有不同，但测试分析结果是相同的，由此验证了上文的结论具有一般性，即主时间常数与回复电压峰值可对油纸绝缘状态有效诊断，而等值模型的支路数随着绝缘状态的变化而变化。

表3 变压器T4基本信息Tab．3 Basic information of distribution transformer T4

5 结论

本文通过回复电压极化谱的仿真分析表明，绝缘介质等值模型内部参数(极化电容Cpi、极化电阻Rpi和支路数N)可对极化谱产生影响;验证了极化谱主时间常数与回复电压峰值可作为油纸绝缘变压器绝缘状态的诊断依据，且其主要受大时间常数支路的影响，同时说明了绝缘介质响应等值电路中支路数的具体取值与变压器运行年限、绝缘状态存在联系，并得出变压器模型支路数选取与其绝缘状态之间的规律。确定合适的支路数不仅可获得更为准确的模型结构，而且能充分提高求解参数时的效率，获取最优模型参数。

［1］宋伟(SongWei)，Kachler A J．变压器老化评估的极化去极化电流分析法(Polarization current analysis for transformer ageing assessment)［J］．变压器(Transformer)，2005，42(7):28-33．

［2］Ekanayake C，Gubanski SM，Graczkowski A，etal．Frequency response of oil impregnated pressboard and paper samples for estimating moisture in transformer insulation［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21 (3):1309-1317．

［3］Blennow J，Ekanayake C，Walczak K，etal．Field experiences with measurements of dielectric response in frequency domain for power transformer diagnostics［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21(2): 681-688．

［4］Islam SM，Jota P R S，Stace M．Detection of oil-paper equilibrium moisture content in power transformers using hybrid intelligent interpretation of polarisation spectrums from recovery voltage measurements［A］．Conference record of 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation［C］．Arlington，USA，1998.16-19．

［5］董明，张瑞刚，张冠军，等(Dong Ming，Zhang Ruigang，Zhang Guanjun，et al．)．回复电压法在变压器故障诊断中的应用(Application of recovery voltage measurement in fault diagnosis of oil-immersed transformer)［J］．电网与水力发电进展(Advances of Power System and Hydroelectric Engineering)，2007，23(7): 21-25．

［6］Saha T K，Purkait P．Understanding the impacts ofmoisture and thermal ageing on transformer’s insulation by dielectric response and molecular weight measurements［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(2):568-582．

［7］刘刚，廖瑞金，冯运，等(Liu Gang，Liao Ruijin，Feng Yun，et al．)．温度对变压器油纸绝缘系统回复电压参数影响规律的研究(Temperature influence on parameters of return voltage measurement of oil-paper insulation system in transformer)［J］．高压电器(High Voltage Apparatus)，2010，6(1):80-84．

［8］廖瑞金，孙会刚，袁泉，等(Liao Ruijin，Sun Huigang，Yuan Quan，et al．)．采用回复电压法分析油纸绝缘老化特征量(Analysis of oil-paper insulation aging characteristics using recovery voltagemethod)［J］．高电压技术(High Voltage Engineering)，2011，37(1): 136-142．

［9］张涛，蔡金锭(Zhang Tao，Cai Jinding)．油纸绝缘变压器介质响应电路参数辨识的研究(Research on moisture parameters identification for dielectric response equivalent circuit of transformers with oil-paper insulation)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering＆Energy)，2010，29(4):35-39．

［10］Blennow J，Ekanayake C，Walczak K，et al．Field experiences with measurements of dielectric response in frequency domain for power transformer diagnostics［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21(2): 681-688．

［11］Birlasekaran S，Yu Xinzhou．Relaxation studies on power equipment［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and E-lectrical Insulation，2003，10(6):1061-1077．

［12］魏建林，王世强，吴凤娇，等(Wei Jianlin，Wang Shiqiang，Wu Fengjiao，et al．)．变压器绝缘老化引起预试电气绝缘参数变化的仿真研究(Simulation on variation of electrical insulation parameters in predictive test caused by insulation aging of power transformer)［J］．高电压技术(High Voltage Engineering)，2009，35(7):1618-1623．

［13］李明华，董明，严璋(Li Minghua，Dong Ming，Yan Zhang)．一种新的绝缘测试方法——回复电压法(A new insulation testing method—return voltage method)［J］．高电压技术(High Voltage Engineering)，2002，28(8):43-45．

［14］王晓剑，彭倩，刘君，等(Wang Xiaojian，Peng Qian，Liu Jun，et al．)．基于最小二乘法的变压器油纸绝缘频域介电谱法的研究(Least square method-based frequency domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation for transformer)［J］．绝缘材料(Insulating Materials)，2012，45(4):64-72．

［15］Saha TK，Yao Z T．Experiencewith return voltagemeasurements for assessing insulation conditions in service aged transformers［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2003，18(1):128-135．

［16］江修波，张涛，黄彦婕(Jiang Xiubo，Zhang Tao，Huang Yanjie)．变压器油纸绝缘极化谱的仿真研究(Simulation of transformer insulation polarization spectrum)［J］．电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment)，2011，31(2):31-35．

Studies on dielectric response characteristic parameters of oil-paper insulation transformers

WANG Kai，CAIJin-ding
(College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

This paper established the relationship between insulation condition of oil-paper insulated transformers and dielectric response equivalent circuit based on the extended Debyemodel，and the change laws of return voltage characteristic parameters and polarization spectrum caused by variation ofmodel(time constant or branch number)are simulated and analyzed．Simulation results show that the return voltage peak and dominant time constantof polarization spectrum can be used as a criterion to the diagnosis of transformer insulation．The time constant of the RC branch’s influence on polarization spectrum’s distribution is segmental，then the number of branches that own different time constants has the different performances in the corresponding section of the polarization spectrum．If the operating life is longer or the insulation status isworse of a transformer，the number of branches of its dielectric responsemodelwould relatively increase．The relationship between transformerswith different operation life and the model number of branches is researched，and the calculation of polarization spectrum will bemore consistent with the transformer’s actual situation．So the judgments and researches on its statuswill bemore accurate，and the optimum model parameters can be obtained．

oil-paper insulation;transformer;return voltage;characteristic parameters;polarization spectrum

TM411

A

1003-3076(2015)01-0041-06

2013-06-25

国家自然科学基金(61174117)资助项目

王凯(1988-)，男，福建籍，硕士研究生，研究方向为电气设备绝缘监测与故障诊断;蔡金锭(1954-)，男，福建籍，教授，博士，主攻电力网络的优化设计、电力系统及电力变压器故障的智能诊断。