高热故障下变压器油纸绝缘系统的产气机理研究

针对高热故障下超/特高压变压器内部绝缘系统状态变化和产气机理不清晰而严重制约变压器状态分析诊断的问题,本文基于热焓理论与仿真模拟手段相结合的方式对超/特高压变压器高热故障下油纸绝缘系统特征气体的生成路径与油纸绝缘系统的裂解机理开展研究。依据热焓理论得到气体的生成机理,并利用仿真模拟验证本文所提出的产气机理与路径。结果表明:高热故障下油纸绝缘系统中链烷烃要比环烷烃和双环芳香烃更容易发生裂解,各组分裂解生成特征气体的速率从大到小依次为纤维素、链烷烃、环烷烃、双环芳香烃。根据气体生成能可知,特征气体CH_4和C_(2)H_6最容易生成,C_(2)H_(2)最难生成,可通过特征气体在油纸绝缘系统中的生成速率判断高热故障的严重程度。

融合频谱特性与聚类云-证据推理的油纸绝缘老化程度诊断

油纸绝缘系统老化程度与电力变压器的稳定运行密切相关。针对油纸绝缘频域介电谱(frequency-domain spectroscopy,FDS)所提相关特征量单一和未考虑频谱特性指标间冲突性与随机性而导致老化诊断结果误差大的问题,提出了融合频谱特性与聚类云-证据推理的油纸绝缘老化程度诊断方法。首先,根据不同老化试样的频谱特征提取老化诊断多特征指标,并利用非线性拟合构建老化特征数据库。其次,基于Kmeans聚类提出适配非线性变化指标的聚类云模型基本概率分配方法。最后,针对多特征量的冲突性及相关性差异,利用CRITIC-G1综合赋权法计算各指标对应的证据修正因子,并进行基本概率再分配,利用证据融合推理得出油纸绝缘系统真实老化程度。实验结果表明,所提方法可准确诊断复合油纸绝缘样本的老化状态,为电力检修策略的制定提供了理论指导。

基于界面电荷极化特性的变压器油纸绝缘寿命预测方法研究

准确预测变压器油纸绝缘寿命对于保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。根据微观介电响应机制剖析界面极化与油纸绝缘老化的内在机理联系,并基于混合极化模型——一种在扩展德拜模型基础上引入界面极化支路的等效电路拓扑,探究界面电荷极化特性在油纸绝缘寿命预测中的应用。首先,分析温升过程中频谱特性变化背后蕴含的普适弛豫极化规律,基于混合极化模型重构回复电压极化谱。结合温度对主时间常数和模型参数的影响规律,提出一种单一温度测试下的油纸绝缘活化能计算方法,通过界面极化电容构建出频温平移因子。其次,剖析介质损耗因数随老化加深的变化规律,探究损耗峰偏移现象与界面极化弛豫时间的内在联系,凝练全新表征油纸绝缘聚合度含量的频域特征参量——界面极化支路极点Ph2。最后,联合界面极化支路极点Ph2、频温平移因子和损失累积动力学方程构建油纸绝缘寿命预测模型,并将不同运行年限变压器现场实测数据代入模型验证实效性,为油纸绝缘寿命预测提供了一种新思路。

基于二元相关退化的动车组车载变压器油纸绝缘剩余寿命预测

针对动车组车载变压器油纸绝缘剩余寿命预测中单性能退化指标难以全面反映油纸绝缘退化过程的问题,考虑车载变压器油纸绝缘退化的个体差异性及两性能指标间的相关关系,提出了基于Copula函数的两性能指标相关退化的油纸绝缘剩余寿命预测方法:采用具有随机效应的维纳过程建立油纸绝缘的两性能指标相关退化模型,基于赤池信息准则(Akaike Information Criterion, AIC)选择拟合效果更优的Copula函数来描述两性能指标间的相关关系,采用最大似然估计法估计初始时刻的模型参数,基于序列贝叶斯更新方法在线更新退化模型中的漂移系数,以实现油纸绝缘剩余寿命的在线预测。最后以加速热老化试验下油纸绝缘的聚合度和抗拉强度的退化数据进行实例验证。结果表明,两性能指标相关退化模型比单性能指标退化模型的剩余寿命预测值与实际值之间的平均绝对误差更小,预测的准确性更高,且随着模型参数不断更新,剩余寿命的预测值与实际值间的绝对误差在不断减小,预测结果的准确性在不断提升。

交流电压下油纸绝缘放电发展过程中电-磁-声特征参量的变化规律

沿面放电是变压器油纸绝缘结构最严重的放电故障类型之一。为了准确获取交流电压下油纸绝缘沿面放电发展过程中特征参量的变化规律,搭建了沿面放电发展过程模拟试验平台并建立了1套能够满足对放电发展过程中电、磁、声这3种物理量同步在线监测需求的测量系统。在此基础上,提取沿面放电发展过程中多物理参量的典型特征,通过对特征参量全过程幅值变化规律的分析对放电过程进行阶段划分,并给出相应的阶段特征及机理概述。试验结果表明,通过分析多参量典型特征及变化规律可以将沿面放电发展过程划分为4个阶段:微小能量放电阶段、低能量放电阶段、高能量放电阶段、临近击穿阶段,阶段特征与电荷分布及绝缘材料耐受强度有关。相比常规单参量监测手段,多参量同步检测方法为变压器沿面故障诊断和及时预警提供了更可靠准确的参考依据。

油纸绝缘层间气泡局部放电演化特性

在变压器内部电、热多重应力作用下,油纸绝缘匝间易产生气泡诱发局部放电,威胁变压器的安全运行。文中采用脉冲电流法研究油纸绝缘层间气泡局部放电的演化特性,掌握局部放电演化与气泡缺陷劣化的关联。结果表明,根据局部放电平均放电量(Q)、放电重复率(N)、局部放电相位谱图(PRPD)随时间的变化规律,气泡局部放电演化可分为起始、过渡和稳定3个阶段。通过改变加压时间和气泡位置,以及分析局部放电持续不同时间后气泡内部气体含量的变化,研究局部放电演化机制,发现起始阶段图谱特征产生的原因为绝缘纸表面电荷的积累,而过渡阶段的演化则源于以氧气为代表的电负性气体在局部放电持续作用下消耗殆尽,使得气泡内的放电模式发生改变。此外,气泡所处层间位置、气泡高度以及面积对放电量和重复率影响显著。定量结果表明:局部放电剧烈程度与气泡缺陷参数正相关,可以通过局部放电评估缺陷的劣化程度。研究揭示了层间气泡局部放电的演化规律及影响因素,能够为变压器油纸绝缘状态评估提供参考。

基于PSO-ELM的变压器油纸绝缘状态无损评估方法

油浸式电力变压器作为电网的重要组成部分,其可靠运行至关重要。针对变压器长期运行后无法定量评估其绝缘状态的问题,文中开展了油纸绝缘模型的加速老化及受潮试验,探究了油纸绝缘老化及受潮程度对其回复电压曲线的影响规律,并提出采用粒子群优化-极限学习机(particle swarm optimization-extreme learning machine,PSO-ELM)算法的参数预测方法,实现了基于回复电压曲线特征参量的油纸绝缘老化与受潮状态量化评估。由油纸绝缘模型理化性能分析的对比结果可知,基于PSO-ELM方法的预测值精度远高于传统ELM方法,油纸绝缘内含水率及纸板聚合度预测的绝对误差范围分别小于±0.4%、±30。

基于关联信息熵和轻量级梯度提升机的油纸绝缘特征优选策略

为了充分挖掘对变压器油纸绝缘综合诊断结果有利的老化特征量,提出一种基于关联信息熵和轻量级梯度提升机(LightGBM)的特征量优选策略。首先,基于不同老化状态的变压器介电响应实测数据,提取不同类别的时域特征量形成初始高维特征空间;其次,引入关联信息熵度量特征子集的相关性及冗余性,再利用轻量级梯度提升机评估特征的重要度,进而得到最优特征空间;最后,对比分析最优特征空间与不同对照组的诊断性能,有效验证了基于所提优选策略确定的最优特征空间的优越性。

基于介质响应电流频变特性的油纸绝缘受潮状态评估方法

油纸绝缘受潮状态的准确评估对于电力设备安全稳定运行至关重要,该文研究并提出了一种以介质响应电流幅值I_(m)随激励电压频率f变化为特征的油纸绝缘受潮评估新方法。试验测试了不同水分含量油纸绝缘样品在频率f为0.01~50 Hz正弦激励电压下的f-I_(m)特性,并对I_(m)按照其最小值进行归一化处理得到f-I^(*)曲线。结果表明:在双对数坐标下,随着受潮程度增加油纸绝缘的f-I^(*)曲线会由干燥时的一条直线逐渐变为一条下凹的曲线。进一步提出将50 Hz处的I^(*)值I^(*)_(@50Hz)作为特征参量,用于量化油纸绝缘水分含量,并在实验室模型和实际油浸式设备上验证了该方法的有效性。与传统利用频域介电谱诊断油纸绝缘受潮的方法相比,该文所提特征参量与水分含量的量化关系受绝缘结构差异和油纸绝缘聚合度变化的影响较小,在设备绝缘结构和老化状态信息缺失的情况下具有更好的普适性。另外,该方法所需测试时间仅约100 s,具有高效、准确和便捷的特点。

多光谱信息下的油纸绝缘局部放电深度学习融合诊断方法

为了获得更丰富的放电特征信息,提高局部放电诊断的效率,提出了一种多光谱信息下的油纸绝缘局部放电深度学习融合方法。首先,基于微型光学传感器件和局部放电光谱分布,构建了局部放电多光谱同步检测平台,通过实验获得了四种放电类型的多光谱数据;然后构建卷积神经网络模型,将不同光谱段的局部放电数据作为模型不同通道的输入,利用通道级融合提取多光谱信号中的有效信息,对油纸绝缘局部放电类型进行准确辨识。结果表明:不同放电类型的多光谱信息可以作为模式识别的有效特征;引入多光谱信息后,本文所提方法的识别准确率可以达到98%以上,相比于仅使用脉冲电流信号有着明显的提升;相比于统计特征参数分析法和深度神经网络,提出的方法对多光谱信息融合的效果更好,识别的准确率更高。

复杂运行条件下非均匀老化油纸绝缘典型电场变化特性

油纸绝缘作为变压器的主要绝缘部分,长期运行后变压器主绝缘发生的非均匀老化现象,在复杂运行条件下(环境温度、受潮情况,电压类型)将导致工况运行时主绝缘内的电场分布发生变化,因此明确工况运行下非均匀老化油纸绝缘内特征位点(最大场强处)电场的变化特性至关重要。通过开展不同老化、受潮程度油纸绝缘材料的介电参数测试,明确了老化后油纸绝缘材料的工频介电常数、直流电导率随着运行条件的变化规律,通过构建基于GA-BP神经网络的老化油纸绝缘材料介电参数模型,实现了非均匀老化油纸绝缘介电参数的多元非线性定量表征;同时考虑油浸纸板老化对油纸间水分平衡规律存在的影响,修正了非均匀老化油纸绝缘内的油纸水分分布,并根据典型非均匀老化主绝缘结构,构建了非均匀老化油纸绝缘典型电场分布模型;最后,考虑到当前特高压电网中,区别于普通交流变压器绝缘所承担的交流电压,换流变压器阀侧绕组承担的电压中含有较高的直流分量,导致其面对的更高的绝缘水平要求。通过分别设定两种外施电压,并在复杂运行条件下,针对不同非均匀老化阶段的油纸绝缘模型的典型电场分布进行仿真计算,揭示了非均匀老化油纸绝缘电场变化特性,明确了实际运行中应加以注意的运行工况,为变压器的运维策略提供了重要的理论支撑。

直流电压下油纸绝缘纤维杂质迁移运动特性及动力分析模型

换流变压器阀侧绕组运行过程中长期承受直流电场分量,其内部纤维杂质易积聚成桥,严重影响复合绝缘性能。为此,探究了直流电压下油纸绝缘纤维杂质迁移运动特性,对其轨迹、速度、偏移距离等特征参数进行了定量分析。在此基础上,建立了直流电压下纤维杂质动力分析模型,还原了纤维杂质的整个运动轨迹,并定量解释了其运动过程中速度及偏移距离变化的动力学机制。结果表明:球板电极下,单个纤维杂质在电极间往复运动,同时向强场区域水平迁移。其单次运动周期分为“抬升”、“上升”、“下降”3个阶段,最大运动速度可达10^(2)mm/s量级。随加压时间增加,油中纤维杂质在强场区域积聚为杂质小桥,小桥间因同号电荷相斥最终呈现中间密集而边缘稀疏的形态特征。仿真研究纤维杂质迁移运动特性,发现其“上升”阶段运动速度先急速增大再缓慢增加,“下降”阶段速度则先急剧增大至极大值而后逐渐减小,最大加速度可达10^(2)m/s^(2)量级。进一步地,纤维杂质运动过程中水平方向偏移距离随碰撞次数增加逐渐减小,其关系服从指数函数。以上研究可明确直流电压下纤维杂质全运动过程,实现杂质动力学特征定量计算,为后续纤维杂质绝缘危害性评估工作提供理论依据。

油纸绝缘缺陷局放UHF抗干扰定位及优化布置方法

特高频(ultra high frequency,UHF)局放检测是变压器油纸绝缘缺陷定位的常用方法,实际应用过程中局放定位准确性易受噪声和传感器布置方式影响。为保证变压器油纸绝缘缺陷局放定位检测有效性,文中首先建立油纸绝缘缺陷UHF局放定位检测平台,在常规K-means方法的基础上,提出基于修正聚类分界的变压器油纸绝缘缺陷局放抗干扰定位方法,有效降低了定位误差。然后针对样本聚类分界混叠问题,选择最优修正系数L为1.1时,UHF局放定位误差可减小至0.1 m内,验证了文中方法的有效性。最后分析不同传感器布置方式的定位误差变化规律,提出变压器油纸绝缘缺陷检测用UHF传感器优化布置方案,可为变压器局放在线监测传感器布置及定位提供参考。

变压器油纸绝缘受潮状态对频域介电谱的影响特性分析

阐述对多种不同受潮程度的变压器油浸绝缘纸样本进行频域介电谱测试,探讨受潮程度对变压器绝缘纸频域介电谱特性的影响规律,分析变压器绝缘纸受潮状态评估的特征参量,为评估提供依据。

基于多策略融合粒子群算法的油纸绝缘参数辨识

针对粒子群优化算法收敛速度较慢、易陷入局部最优、收敛结果不够稳定等问题,本文从初始种群、边界处理、惯性权重三个方面对传统粒子群算法进行改进,提出多策略融合粒子群算法(MSF-PSO),并通过测试函数证明了MSF-PSO可大幅提高计算速度和计算效率。将MSF-PSO应用于变压器油纸绝缘介电响应的德拜等效电路参数辨识中,计算结果表明,与其他粒子群优化算法相比,该算法获得的回复电压极化谱能更好地与现场测试获得的回复电压极化谱相吻合,进一步验证了本文所提改进算法的准确性,可为诊断变压器油纸绝缘设备老化情况提供参考。

基于电热耦合的油纸绝缘套管内部压强变化特性

油纸绝缘套管作为目前电力系统应用最广泛的套管类型,因在运行时无法掌握内部动态压强,不能及时发现内部缺陷,严重影响套管使用寿命。为此,提出了油纸绝缘套管内部压强的解析数学算法,建立了试验用油纸绝缘套管的电热耦合分析模型,考虑了导电杆载流量和外界环境温度对油纸绝缘套管内部压强的影响,通过搭建试验用油纸绝缘套管平台对所提算法模型进行了准确性验证。结果表明:套管内部压强解析数学算法具有较高的计算精度,套管油枕处呼吸腔中空气的压缩量是影响油纸绝缘套管内部压强变化的主要因素;结合仿真分析,呼吸腔内空气压强占套管内部压强的76.9%。研究成果对于掌握油纸绝缘套管内部压强分布,及时捕捉套管异常状态有重要的指导意义。

基于弛豫时间分布函数的油纸绝缘老化状态研究

为减小基于扩展Debye模型的老化状态评估方法对描述套管油纸绝缘劣化过程和解释老化机理时存在的误差,本文测试分析了不同老化程度油纸绝缘样品的极化-去极化(PDC)曲线,建立了考虑弛豫支路呈概率分布的分布式Debye模型,并通过正则化方法进行求解,最终提出了油纸绝缘套管老化状态的精确评估方法。结果表明:随老化程度的增加,极化电流整体向去极化电流增大、弛豫时间减小的方向移动,曲线达到稳定值的时间缩短;分布式Debye模型能够较好地描述老化油纸绝缘样品的多弛豫过程,正则化方法则能够较好地解决求解病态线性方程组时遇到的系统不适定问题;随着老化程度的增加,样品弛豫主峰所对应的弛豫时间分布函数概率密度增大,最可几弛豫时间常数逐渐减小;本文构建的老化状态评估模型具有较高的评估精度,误差均小于1.37%。

变压器油纸绝缘非线性介电弛豫模型构建方法研究

基于频域介电响应(FDS)对变压器油纸绝缘状态进行检测时,油纸绝缘频域介电响应的非线性变化会影响绝缘评估的准确性,因此亟须开展不同老化程度油纸绝缘材料FDS非线性变化规律的研究。在实验室环境下制备了多组不同老化程度的油纸绝缘模型,并在不同温度下对油纸绝缘非线性FDS进行测试。结果表明:测试激励幅值越大,FDS曲线在低频段降低越明显,且随着测试温度的升高及老化程度的增加,介质损耗因数曲线出现非线变化的特征频段向高频方向移动;本文基于修正的Davidson-Cole模型,通过曲线拟合计算得到模型中的形状参数,并以此建立基于传递函数的等效电路模型,仿真计算得到了油纸绝缘阻抗模值非线性的变化规律。根据仿真结果可知,各阶阻抗模型的电路参数与油纸绝缘介电特性非线性的变化规律密切相关,而阻抗的改变使得曲线在相应频段发生变化。

基于改进雪融优化算法的油纸绝缘扩展德拜模型参数辨识

基于回复电压法求解变压器油纸绝缘扩展德拜模型等效电路参数,是典型的非线性多目标优化问题。为了提高扩展德拜模型参数辨识的效率和准确度,提出一种新颖的改进雪融优化(improved snow ablation optimizer,ISAO)算法,旨在有效解决扩展德拜模型参数辨识问题。ISAO算法融合了多种改进策略,运用Tent混沌映射和折射镜像学习机制提高搜索效率,引入莱维飞行策略和贪婪策略增强优化性能,并提出参数预设机制,进一步简化辨识流程、提高求解效率。将ISAO算法应用于油纸绝缘扩展德拜等效电路参数的优化求解,并与几种常用的智能优化算法进行对比,结果表明该算法在扩展德拜模型参数辨识问题上具有显著优势。

直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响

为了更加深入地了解换流变压器中交直流叠加电压下油纸绝缘的沿面闪络问题,通过搭建直流电压分量可以任意调节的交直流叠加电源系统,研究了具有背面电极和不具有背面电极这2种结构下油纸绝缘的沿面闪络问题。试验结果表明:在复合电场下,有背面电极时,沿面闪络电压比无背面电极时稍低;在2种结构下,沿面闪络电压均表现为纯交流电压时最低,随着直流电压分量的增加,沿面闪络电压也逐渐增加。此外为分析油纸绝缘界面的影响,还研究了相同电极结构下纯油的击穿电压。对比分析纯油的击穿电压和油纸绝缘的沿面闪络电压后发现:直流电压分量较低时,油纸绝缘界面的存在降低了该结构的击穿电压;而直流电压分量较高时,油纸绝缘界面的存在反而稍微提高了该结构的击穿电压。最后从复合电场分布的特点出发,分析了不同直流电压分量下油纸绝缘的沿面闪络过程。分析后认为:直流电压分量较小时,电极附近电场强度较高,导致油易于电离并产生大量载流子,从而促进了油纸沿面闪络的发展;而随着直流电压分量的变大,电场分布将变得不同,其沿面闪络电压升高;同时,上述电场分布的特点也是造成直流电压分量较低时沿面闪络电压低于纯油击穿电压的原因。