周茂等

【摘 要】本文首先闡述了采用極化/去極化電流和頻域介電譜測(cè)試技術(shù)評(píng)估變壓器油紙絕緣狀態(tài)的特征參量，然后以實(shí)際變壓器為例，闡述了如何應(yīng)用特征參量對(duì)變壓器絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，可以根據(jù)時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變壓器的主絕緣狀態(tài)進(jìn)行定性評(píng)判，進(jìn)一步結(jié)合頻域介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)主絕緣系統(tǒng)水分含量和固體絕緣老化程度參量的定量評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】變壓器；絕緣狀態(tài)評(píng)估；介電響應(yīng)；特征參量

1.前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，基于時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)技術(shù)的回復(fù)電壓法（RVM）、極化去極化電流法（PDC）和頻域的頻域譜分析技術(shù)（FDS）在變壓器絕緣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)診斷中得應(yīng)用，在變壓器絕緣老化的研究中也受到重視[1]。

本文以變壓器油紙系統(tǒng)的時(shí)頻介電響應(yīng)物理及電路模型為依據(jù)，分析相關(guān)介電響應(yīng)特征圖譜及參量與絕緣狀態(tài)的關(guān)系，研究提取了用于油紙絕緣狀態(tài)評(píng)估的時(shí)頻域介電特征參量，并闡述了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相關(guān)參量評(píng)估油紙絕緣狀態(tài)的方法。

2.變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的時(shí)頻域介電響應(yīng)相關(guān)理論

2.1 RVM、PDC相關(guān)理論

整個(gè)變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)的物理模型可用圖1所示等效電路來(lái)表示。

Debye模型中的幾何電容Cg可由傳統(tǒng)測(cè)量的工頻電容與油紙絕緣系統(tǒng)的相對(duì)介電常數(shù)之商求得，即Cg=C50 Hz / ε0；絕緣電阻Rg由最大測(cè)量時(shí)間處的極化電流與去極化電流的差與測(cè)試電壓的比值得到。極化去極化電流是由變壓器絕緣中不同部位的松弛過(guò)程所產(chǎn)生的電流組成，可以通過(guò)一系列不同松弛機(jī)制的指數(shù)和來(lái)模擬。PDC電流可表示為下式。

其中ip和id分別為極化、去極化電流值，Ai為第i條支路的指前函數(shù)值，τi為第i條支路的時(shí)間常數(shù)，Ri，Ci為第i支路的電阻、電容值。U0為充電電壓值，Rg為絕緣電阻。從以上分析可以看出，只要測(cè)得絕緣介質(zhì)的極化或去極化電流曲線，則可以根據(jù)式進(jìn)行Debye電路參數(shù)的擬合。

根據(jù)RVM測(cè)量原理，并分析上述Debye等效電路模型可知，在絕緣介質(zhì)兩端施加階躍電壓U0充電時(shí)間tc后，第n條支路電容的充電電壓為：

1.2 FDS相關(guān)理論

變壓器主絕緣系統(tǒng)由一系列絕緣紙筒、油隙及對(duì)紙筒起支撐作用的撐條構(gòu)成，如圖3所示。為了分析方便，常將主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將所有紙筒、油道和撐條分別集成，得到如X值為紙筒總厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度之比，Y值為撐條總寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長(zhǎng)之比。對(duì)于不同幾何結(jié)構(gòu)的油浸式電力變壓器，通常X值在0.2～0.5之間，Y值在0.15～0.25之間。X-Y模型既能反映油紙絕緣的介電響應(yīng)特性又能直接和變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，被廣泛用來(lái)診斷變壓器主絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)某臺(tái)變壓器的X和Y值確定后，變壓器主絕緣系統(tǒng)在溫度T下的頻域介特性表示如下：

3.變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的時(shí)頻域介電響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本文對(duì)某500kV變電站2#主變采用介電響應(yīng)儀DIRANA與PDC設(shè)備進(jìn)行介電測(cè)量，該變壓器采用YYΔ連接， B相產(chǎn)自西電集團(tuán)，A相與C相產(chǎn)自ABB集團(tuán)。高中壓采用自耦繞組，與低壓繞組間采用傳統(tǒng)的油道、紙筒絕緣。圖5所示為變壓器中低壓繞組間主絕緣的結(jié)構(gòu)圖。中、低壓繞組間采用傳統(tǒng)的油隙、紙筒絕緣。主絕緣扇形區(qū)的個(gè)數(shù)n=36，墊片寬度s=50mm，隔板總厚度B=12mm，主絕緣厚度d =44mm，被絕緣紙板環(huán)繞的低壓繞組高度h=2012mm。由于X為隔板厚度與主絕緣厚度之比，Y為撐條總寬度與主絕緣平均周長(zhǎng)之比，因4.應(yīng)用時(shí)頻域介電特征量評(píng)估變壓器油紙絕緣狀態(tài)

4.1應(yīng)用時(shí)域介電特征量定性評(píng)判變壓器油紙絕緣狀態(tài)

由于沒(méi)有被試變壓器的時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)歷史測(cè)試數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行變壓器絕緣狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的縱向?qū)Ρ?，以下僅對(duì)A、B、C三相變壓器的時(shí)域介電響應(yīng)參量進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?。在?fù)合絕緣電導(dǎo)率和絕緣油電導(dǎo)率特征參數(shù)中，B相繞組的值最低，說(shuō)明其絕緣狀態(tài)相對(duì)A、C相處于更好的狀態(tài)。三相繞組的極化譜峰值個(gè)數(shù)Peak_IPS均為1個(gè)，且譜圖形狀較為對(duì)稱，說(shuō)明其絕緣狀況均良好。 從P.I.和Tmax（IPS）參數(shù)來(lái)看，B相變壓器的極化指數(shù)偏小，且IPS最大值偏小、所對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間值偏大。由于B相變壓器與A、C相出自不同的生產(chǎn)廠家，所得參數(shù)值是否具有可比性還有待進(jìn)一步研究，A、C相的各項(xiàng)指標(biāo)相差不大，說(shuō)明其所處絕緣狀態(tài)也較為接近。

4.2應(yīng)用頻域介電特征量定量評(píng)判變壓器油紙絕緣狀態(tài)

利用頻域介電響應(yīng)技術(shù)評(píng)估變壓器主絕緣狀態(tài)的流程如下：

（1） 首先利用介電響應(yīng)分析儀采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行變壓器的復(fù)電容頻域譜，結(jié)合變壓器主絕緣的幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算其復(fù)介電常數(shù)譜；

（2） 同時(shí)根據(jù)國(guó)標(biāo)DL/T 421-1991《絕緣油的體積電阻率測(cè)定方法》在變壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度下進(jìn)行測(cè)量得到絕緣油的直流電導(dǎo)率；

（3） 其次將變壓器主絕緣系統(tǒng)的頻域介電譜和絕緣油的頻域介電譜代入X-Y模型，得到變壓器絕緣紙板介電常數(shù)頻域譜和介質(zhì)損耗頻域譜；

（4） 隨后對(duì)介電常數(shù)頻域譜進(jìn)行溫度修正，采用“頻溫平移”的方法將變壓器絕緣紙板頻域譜平移到主曲線溫度下[2， 4]，得到標(biāo)準(zhǔn)介損頻域譜并分別提取特征頻域處的介質(zhì)損耗值，采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，評(píng)估出變壓器絕緣紙板當(dāng)前老化狀態(tài)。

采用以上流程，對(duì)上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的某500kV變電站2#主變中、低壓主絕緣進(jìn)行評(píng)估?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的A相變壓器中、低壓繞組間主絕緣的復(fù)電容頻域譜如圖7所示，將其除以幾何電容C0可得到其復(fù)介電常數(shù)頻域譜?，F(xiàn)場(chǎng)從變壓器中取油并測(cè)得30℃下的直流電導(dǎo)率為0.01pS/m。將絕緣油的電導(dǎo)率、A相主絕緣結(jié)構(gòu)的X、Y值以及其主絕緣系統(tǒng)的復(fù)介電常數(shù)頻域譜代入X-Y模型可得主絕緣油浸紙板的頻域譜，如圖8所示。