基于去极化电量时域微分谱线时域特征量的变压器绝缘老化研究

王 岭 蔡金锭



基于去极化电量时域微分谱线时域特征量的变压器绝缘老化研究

王 岭 蔡金锭

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

本文依据时域介电谱理论，提出去极化电量时域微分谱线。应用微分解谱法，对油纸绝缘去极化电量微分谱线进行逐次解谱，求取去极化电量谱的参数，提取去极化电量谱时域特征量，利用去极化电量平均电量和平均极化响应时间评估油纸绝缘的老化状态。通过分析多组不同绝缘状态变压器的去极化电量微分谱线，得到如下结论：随着变压器绝缘状态的劣化加剧，去极化平均电量逐渐增大，平均极化反应时间逐渐减小。本文结论为正确评估变压器绝缘状态提供了一种新的思路。

油纸绝缘；介质响应；去极化电量谱线

电力变压器是电力系统传输中最为重要的大型电气设备之一，其运行状况将会直接关系到电力系统的安全、稳定、可靠运行[1]。变压器在长期运行过程中，其油纸绝缘系统在电、热和机械应力等的联合作用下，逐渐发生老化和降解[2]。电力变压器老化是影响变压器使用寿命的一个主要因素[3]。因此，有效评估电力变压器的绝缘老化状态对电力系统连续稳定、安全、可靠的工作具有重要的现实 意义。

随着安全、准确、无损诊断电力设备的要求，大量诊断技术被提出[4]。其中，极化/去极化电流测试法是一种简单有效、无损的绝缘诊断方法[5-6]。目前，国内外一些学者利用PDC对油纸绝缘老化状态的诊断，主要是基于介电现象的比较，没有深入分析油纸绝缘内部老化机构的介电特性与绝缘老化的关系。

文献[7]采用极化/去极化电流曲线研究油纸绝缘的老化，只是介电现象的一种简单比较，不能表现出内部老化机构介电特性与油纸绝缘老化关系。文献[8]提出去极化能量谱线来诊断变压器的受潮程度，但其所提出的谱线的实际含义需要进一步探讨。文献[9]提出基于去极化电流的时域介电谱峰值大小分析油纸绝缘的热老化程度，但由于时域介电谱峰值点是由各子谱线的叠加的结果，因而可能出现峰值点竞争现象，即峰值大小差别较小，因此该方法对油纸绝缘老化的评估仍需要进一步讨论。本文依据油纸绝缘的极化机理和时域介电谱，提取出去极化电量微分谱线，通过微分解谱法，确定极化机构个数，提取能够反映油纸绝缘内部老化的时域特征量，并研究了特征量与油纸绝缘老化的关系，为正确评估变压器绝缘状态提供新的思路。

1 极化/去极化电流的测量

极化/去极化电流法是一种蕴含大量变压器油纸绝缘老化信息的常用的油纸绝缘无损诊断法[10-12]。该测试方法原理如下：首先在油纸绝缘变压器两端加一个直流脉冲极化电压0，持续充电时间为p，在该充电过程中变压器油纸绝缘系统开始极化，并产生极化电流p。然后，断开外施电压0并将油纸绝缘变压器短路，并维持时间d，此时将产生与之前极化过程相反的去极化电流d。一般设置适当的充电和放电时间，记录产生极化电流p和去极化电流d和时间的关系的关系曲线，即极化/去极化电流曲线。其测量过程如图1所示。

图1 极化/去极化电流曲线

2 去极化电量谱及其微分解谱

2.1 去极化电量微分时域谱

电介质在外施电场的作用下，表面将感应出束缚电荷，电介质在外施电场下极化程度越强，则表面束缚电荷的面密度就越大。根据时域介电谱理 论[8,13]，电介质在外部电场作用下，其内部极化机构的个数是有限的，且有不同的极化响应时间。当电解质外施电压时间足够长，电介质内部储存的电荷量将会达到平衡。当撤去外施电场时且短路时，储存的电荷将随时间衰减，衰减表达式可表示为

式中，0为电介质在施电场下达到平衡时内部的总电荷量，()为某时刻电介质的电荷量，为极化机构的个数，、分别为第个极化机构的极化响应时间和极化电量，即

式中，()为绝缘机构储存的电荷量释放时的电流，即绝缘介质的去极化电流。

图2 去极化电量谱

2.2 去极化电量微分谱线的数学解析

通过对上式分析，得去极化电量谱子谱线的性质如下。

2.3 去极化电量谱解谱

根据去极化电量谱子谱线的特性，去极化电量谱的解谱步骤如下。

第1步：测量变压器去极化电流数据。

第2步：根据去极化电量时域微分谱线组成部分——指数型衰减函数末端可忽略前一项-1（小）对后一项的影响，在去极化电量曲线末端任意取两点2、1（2＞1），可求出当前曲线最大弛豫时间下的衰减函数，方程组如下：

若去极化电量谱线经过逐次解谱后解出条子谱线，则油纸绝缘极化机构个数为（=-1）。

3 油纸绝缘老化评估

不同极化支路反应时间描述了绝缘材料介质内部不同极化过程，如绝缘油、绝缘纸、油纸绝缘界面等[15]。极化反应时间只与绝缘介质老化或受潮有关，与绝缘材料介质内部构成无关，随着绝缘介质不断劣化，导致绝缘性能下降，绝缘介质响应速度变快，极化反应时间值减小，因此可以用极化反应时间评估绝缘材料介质的劣化状况。然而，对于劣化程度不同的油纸绝缘变压器，极化机构个数不同，得到的个极化反应时间常数，难以通过其中某个值来直接作出绝缘状态评判，因此，在求得多条极化支路时间基础上，引上了均值化极化反应时间，该值可以全面表征不同绝缘材料介质的极化过程，即

式中，为2.3节中去极化电量谱解谱求得的极化机构个数，为不同极化支路反应时间。求得的均值化的极化反应时间与极化反应时间对油纸绝缘劣化判断具有相同的规律：无论电力变压器油纸绝缘系统内部结构是否一致，均值化的极化反应时间值较大者，油纸绝缘状况较好；均值化的极化反应时间较小者，油纸绝缘状况较差。但对于一些容量和电压等级较大的电力变压器，直接通过值大小进行比较，难以给出准确的判断，并且单指标进行绝缘状态判断时，所得出的状态难免会有误差或与其他方法（比如糠醛含量等方法）确定的状态相悖。

根据电路理论极化机构电量Q与极化机构去极化电流d()关系式为

（6）

即根据电介质理论相关知识，介质弛豫极化强度ri()与各极化支路电流di()存在关系式为

（7）

式中，为绝缘材料介质截面积；不随油纸绝缘劣化发生变化，因此，式（6）和式（7）通过各极化机构电流将极化机构电量与弛豫极化强度ri()联系起来，可知等价为ri()，即用来表征油纸绝缘状况的。同样情况，油纸绝缘状况不同变压器，对应的极化支路数有差异，且去极化电量测量易受到试验条件和测试环境的影响，为了使去极化电量对油纸绝缘劣化反映的灵敏度更高，尽可能消除测量误差的影响，引入均值化去极化电量，表达式为

4 举例

在相同实验条件下，获得3台变压器的实测数据，同时测得相应的糠醛含量，根据实验报告和3台不同绝缘状态变压器为例，基本信息见表1。在进行极化/去极化测试验时，同时进行油中糠醛含量的试验，并根据《电力设备预防性试验规程》的规定，得到3台不同老化状态的变压器，见表1。仿真建模后得到的去极化电量谱如图3所示。

表1 三台不同老化程度的变压器

图3 三台不同老化程度的去极化电量谱线

然后按照去极化电量谱的解谱步骤1至步骤4，从T1变压器的去极化电量谱函数末端开始，逐次解出去极化电量谱线中隐含的各条子谱线，并求得各极化机构的参数即第个极化机构贡献电量和极化反应时间。根据最后油纸绝缘老化评估判据，评估油纸绝缘的老化状态。

从T1变压器中可以解出6条去极化电量子谱线的参数值和曲线，求解结果和过程如表2和图4 所示。

表2 T1变压器子谱线的系数

（a）第一个条子谱线

（b）第二条子谱线

（c）第三条子谱线

（d）第四条子谱线

（e）第五条子谱线

（f）第六条子谱线

图4 T1变压器解谱过程

根据变压器T1的各子谱线的参数，可求得判断变压器T1老化状况的判据平均极化反应时间为58.3597和平均去极化电量为4.3056×10-5。

按照T1变压器的求解方法也可以分解出隐含在T2变压器去极化电量谱线中的4条子谱线的参数值和曲线以及当前剩余谱线，求解结果见表3解谱过程如图5所示。

表3 T2变压器子谱线的系数

（a）第一条子谱线

（b）第二条子谱线

（c）第三条子谱线

（d）第四条子谱线

图5 T2变压器解谱过程

根据变压器T2的各子谱线的参数，可求得判断变压器T2老化状况的判据平均极化反应时间为247.1983和平均去极化电量为9.3883×10-6。

按照上述同样的方法解出T3变压器去极化电量谱线中的5条子谱线的参数值和曲线以及当前剩余谱线，求解结果和过程如表4和图6所示。

表4 T3变压器子谱线的系数

根据变压器T3的各子谱线的参数，可求得判断变压器T3老化状况的判据平均极化反应时间为138.2657和平均去极化电量为3.2932×10-5。

（a）第一条子谱线

（b）第二条子谱线

（c）第三条子谱线

（d）第四条子谱线

（e）第五条子谱线

根据以上计算，可得T1、T2、T3变压器的平均去极化电量和平均极化反应时间见表5。

表5 三台变压器的平均去极化电量和极化反应时间

根据油纸绝缘老化状态的评判规律可知，T2变压器绝缘良好，T1变压器绝缘老化严重，T3变压器老化较严重。

5 结论

去极化电流法作为一种无损的变压器油纸绝缘老化状态评估技术，目前对于提取表征油纸绝缘老化的特征参量还有待研究。本文基于时域介电响应原理和时域介电谱理论，利用去极化电流测量过程蕴含的数据信息，挖掘出一种能够真实反映变压器油纸绝缘老化状态的新的特征参量平均去极化电量和平均极化反应时间，并利用实例验证了所提出诊断油纸绝缘老化特征量的正确性，得出如下结论。

1）通过时域介电谱理论和油纸绝缘系统的介电特性，构建了能够反映油纸绝缘内部极化过程的去极化电量谱函数表达式。

2）利用油纸绝缘系统的去极化电量谱线，提取了能够反映油纸绝缘老化状态的新的特征参量平均去极化电量和平均去极化反应时间：绝缘状态越差，油纸绝缘系统的平均去极化电量越大，极化反应时间越短。

3）利用实例3台老化程度不同的变压器油纸绝缘，验证了本文提出的判断油纸绝缘老化特征参量的正确性。

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Differential Time-Domain Spectroscopy based on Depolarization Charge Measurement for Diagnosis of Oil-paper Insulation Condition

Wang Ling Cai Jinding

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper proposes a judgment method of Differential dielectric spectroscopy method for the polarization branches number of equivalent circuit of oil-paper insulation.In order to better assess the state of the transformer oil-paper insulation aging,this paper put forward depolarization quantity of electricity models to assess the state of the transformer oil-paper insulation based on the theory of dielectric and Equivalent Circuit Method. The depolarization current curve for different insulation status is different, so several characteristics are proposed. They include the polarization branches number, polarization component, atypical linear and polarization response time. Based on the multiple sets of transformer depolarization current curve, the polarization response time will be smaller and the others will be biger with the deterioration of insulating state. This method provides a new way for the accurate assessment of oil-paper insulation.

oil-paper insulation; dielectric response; depolarization charge spectroscopy