变压器油纸绝缘频域介电响应非线性特性研究

频域介电响应(frequency domain dielectric response,FDS)技术作为变压器油纸绝缘无损评估的重要手段,而油纸绝缘介电性能非线性变化将影响评估的准确性,因此需要开展油纸绝缘FDS非线性变化规律的研究。该文在实验室条件下制备了多组不同老化程度、不同含水率的油纸绝缘试样,开展不同温度下油纸绝缘非线性FDS测试。研究发现,测试温度较低、油纸绝缘水分含量较小时,油纸绝缘低频介电响应与电压呈负相关,且随着测试温度的升高,非线性变化区域向高频且损耗因数增大的方向移动,FDS变化规律与测试激励幅值的关系减弱;当测试温度较高、油纸绝缘水分含量较大时,油纸绝缘低频介电响应出现与电压呈正相关的非线性变化规律;同时,根据频温平移计算发现,油纸绝缘的弛豫活化能与交流电导活化能均与其内部水分含量存在线性变化关系,而测试激励幅值对交流电导活化能的影响更为显著。为了消除测试温度对交流电导率的影响,该文建立电导率修正函数,实现了高温、高含水率下油纸绝缘低频交流电导率曲线的平移修正;最后,结合所构建的水分基团迁移率计算模型,定量计算水分含量对老化油纸绝缘频域介电响应非线性变化的影响,其规律与实验结果一致。

基于频域介电响应分频段优化计算的变压器油纸绝缘老化参数定量计算方法

变压器的稳定运行是维护电网安全的重要保证,频域介电谱中各频段可以对变压器内部油纸绝缘老化状态进行更准确的评估,而目前的评估方法多针对于单一油纸绝缘老化状态的评估,对变压器等效模型老化状态评估较少,评估软件在评估老化后变压器内部含水量时也十分不准确。为进一步满足实际工程应用,该文提出一种基于变压器等效模型,通过分频段计算得到变压器内部油纸绝缘老化状态的数值评估方法,并通过加速老化试验进行了相关验证。首先在实验室条件下通过变温介电谱测试,得到不同老化程度油浸纸板的频谱曲线,并根据"频温平移方式"计算不同老化程度油浸纸板的活化能,建立油浸纸板聚合度与活化能的定量表征方程;其次应用"反频温平移方式"得到不同测试温度下,不同老化程度油浸纸板频域介电响应基础数据;最后将绝缘纸板基础数据与变压器介电等效模型相结合并分频段进行数值迭代计算,当测试曲线与计算曲线拟合优度最佳时,可以得到变压器内部油浸纸板的聚合度、含水率、变压器油的电导率,并将其与理化性能分析结果进行对比,可得计算误差较小,因此可以有效地减小现场变压器绝缘老化评估的时间。

基于高压频域介电响应的交流500kV交联聚乙烯海缆绝缘老化状态检测与分析

开展海缆绝缘性能劣化状态检测与评估是保障其安全稳定运行的重要手段。该文搭建高压频域介电响应测量平台,基于此测试分析500kV交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)新海缆和电热老化海缆的高压频域介电响应特性变化规律,并结合Dissado-Hill QDC模型对海缆高压频域介电特性变化机制进行了分析。结果表明:与新海缆相比,电热老化海缆XLPE材料的晶面间距更大,簇间极化更强,这导致同等测量电压下电热老化海缆的电容和介损值更大,其频域介电曲线随测量电压升高呈现更为明显的分层现象;电热老化海缆的介质损耗标量变化幅度平均值较小,介质损耗标量变化幅度平均值可作为海缆老化状态的表征参量,该文结果为超高压海缆绝缘老化状态检测提供了借鉴。

受潮对油纸电容式套管频域介电响应的影响

设计制作了10 kV油浸纸套管模型,对该模型进行电势分布仿真,得出电势沿径向路径线性分布的结论。同时,套管模型实际工频电容测量值30.197 pF与理论计算值30.172 pF接近,套管模型基本满足实际需求。测试了不同受潮程度下套管的主绝缘与绝缘油的频域介电响应特性后发现:受潮缺陷会使主绝缘的介质损耗和电容在整个频域(10^-3-10^3Hz)内明显增加;受潮后的绝缘油介质损耗在整个频域内明显增加,而电容则在10^-3-10^-1Hz频段内明显增加,10^-1-10^3Hz内基本保持不变。最后选取特征频率点(10^-3、10^-2、10^-1Hz)下的电容值与工频电容值的比值为特征量有效地实现了对套管受潮状态的评估,为频域介电响应技术应用于油纸电容式套管的状态评估提供了理论参考。

油纸复合套管受潮状态的频域介电响应分析

油纸电容型套管是大型电力变压器的重要部件,其安全可靠性是电网稳定运行的关键因素。变压器出线套管结构复杂、设计紧凑,在安装设计不当,运行环境恶劣等条件下很容易成为变压器绝缘系统的最薄弱环节。统计表明,25%以上的电力变压器故障是由套管绝缘故障导致的,而套管绝缘受潮导致的事故案例居于套管绝缘故障类型中的前列。因此,对套管绝缘状态的有效评估显得尤为重要。为探究水分对油纸绝缘套管的影响,运用介电响应法,结合在实验中测量得到的单层油纸绝缘的结果,仿真得到简化套管均匀受潮时介电谱。并运用Kramer-Kroning方程将得到的介电谱虚部分解为电导损耗部分和极化损耗部分,观察各个部分随水分变化规律,总结为如下两点:第一是电导损耗分量随水分的增大急剧增大,变化量可以达到好几个数量级,且电导损耗随水分变化其趋势基本不会发生改变;第二,油纸中水分的加入使油纸出现了新的极化过程,在介电谱中0.1~10 Hz出现一个损耗峰,且损耗峰幅值随水分增大而增加。

不同受潮类型油纸绝缘套管的高压时/频域介电响应特性分析

水分是影响油纸绝缘套管绝缘性能的主要因素之一,对油纸绝缘套管的受潮状态开展诊断分析有重要工程价值。为研究油纸绝缘套管的不同类型受潮状态,本文针对正常套管、芯子受潮套管和绝缘油受潮套管开展了高压时/频域介电响应测试,分析了激励电压对套管的时/频域介电响应测试结果影响,针对不同激励电压对套管的不同受潮状态进行对比研究。研究结果表明,水分作为强极性物质,会引起套管的绝缘电阻下降以及介质损耗的提升,由于绝缘纸与绝缘油的亲水性差异,芯子受潮对套管绝缘性能的影响较绝缘油受潮情况更为显著。随着激励电压提高,套管的极化/去极化电流更大且不易受到噪声干扰,而介质损耗与电容因油纸界面处极化损耗的增大而表现出一定的电压依赖性。研究成果为分析不同受潮类型油纸绝缘套管在高电压下的绝缘特性提供了参考。

太平湾水电站3号变压器时频域介电响应研究

本文中笔者对变压器内部油纸绝缘模型进行了时频域介电响应的理论推导,对太平湾水电站3号220kV主变进行了频域介电响应测试,并通过算法编程计算得到了变压器时域去极化电流曲线。

基于频域介电响应的油浸纸套管受潮缺陷诊断分析

水分是影响油纸绝缘套管绝缘性能的主要因素之一,对油纸绝缘套管的受潮状态开展诊断分析有重要工程价值。为研究油纸绝缘套管在不同受潮状态下的频域介电特征,文中针对正常套管和芯体受潮套管开展了频域介电响应测试,获取芯体受潮程度与介电响应的分布关系,提取了0.1 Hz至1 kHz频率范围介损偏差平均值(average dielectric loss deviation)E(Δlg(tanδ))和实部电容比值KC′两类缺陷判断特征值。研究结果表明,水分作为强极性物质,会引起套管的绝缘电阻下降以及介质损耗的提升,由于绝缘纸与绝缘油的亲水性差异,芯体受潮对套管绝缘性能的影响较绝缘油受潮情况更为显著。在0.1 Hz至1 kHz频率范围内,芯体受潮套管存在E(Δlg(tanδ))>0.23和KC′>1.05%的特征。据此制定了0.1 Hz至1 kHz频率范围内介电损耗增量不大于70%,电容变化量不大于5%的缺陷判断依据,实际应用效果较好。研究成果为现场分析及诊断油纸绝缘套管受潮缺陷提供了参考。

温度对套管环氧胶浸纸绝缘频域介电响应的影响研究

为研究温度对环氧胶浸纸绝缘套管频域介电响应特性的影响,开展了环氧胶浸纸绝缘样片在高低温(10℃~120℃)循环下的频域介电谱测试,绘制了不同循环次数下环氧胶浸纸绝缘样片的频域介电响应特性曲线。结果表明:随着高低温循环次数的增加,在120℃时介质损耗因数、复合电容实部和虚部频谱曲线整体向上和高频方向移动,在10℃时在高频区域下介质损耗因数和复合电容虚部的频谱曲线整体向上移动,而复合电容实部的频谱曲线基本保持不变。10℃和120℃频域谱曲线的变化是由于高低温环境限制了环氧胶浸纸单位体积内带电粒子响应速度而造成电导极化作用差异性导致的,而频域谱中高频域的频谱曲线向上移动是由于高低温循环环境使得皱纹纸的纤维素长链裂解和环氧胶的环氧分子分解,致使其内部的极化损耗作用加强导致的。研究结果可为干式环氧胶浸纸绝缘套管状态评估提供一定理论基础。

油纸绝缘频域介电谱归算方法研究

变压器油浸纸板是其油纸绝缘系统的重要组成部分,其频域介电响应曲线受测试温度、纸板内部含水率的严重影响,为研究不同因素对其归算准确性的影响,首先,在实验室条件下制备多组不同含水率的油浸纸板试样,并针对不同含水率试样进行变温介电谱测试;其次,通过上述测试试验结果,提出基于特征频率点的频谱平移方法,并对不同含水试样的温度介电谱进行平移归算;最后,通过不同含水率油浸纸板频域介电谱平移归算结果发现,不同水分含量油浸纸板的弛豫时间活化能会影响温度介电谱的平移趋势,随着含水率的增加,油浸纸板弛豫时间活化能呈指数增加,因此,为更好地将频谱归算方法与含水率影响激活能量的关系相结合,根据试验结果对油浸纸板的激活能量与含水率进行了定量表征,对提出的平移归算模型进行了进一步完善,并验证了不同含水率下频谱曲线频率归算方法的有效性。

时变温度下牵引变压器油纸绝缘介电响应研究

对变压器进行绝缘频域介电响应测试时需绝缘温度与环境温度平衡,但由于“天窗”时间的限制,牵引变压器内部绝缘始终处于时变温度下,因此针对时变温度下牵引变压器油纸绝缘介电响应进行研究。测试时变温度下油隙、油浸纸的频域介电响应,分析并得到时变温度对油纸绝缘频域介电响应的影响特征。结合不同温度下油纸绝缘的离子迁移率与直流电导率的测试结果,讨论分析并得到了时变温度对牵引变压器油纸绝缘频域介电响应测试影响的主要原因。结果表明:时变温度下油纸绝缘频域介电谱中低频段测试中,由于温度不断降低,油纸绝缘中的离子迁移率和离子浓度下降,导致测试中的电流发生畸变,造成中低频段的测试结果发生畸变,而高频段由于测试时间短温度变化不明显,因此高频的测试结果无明显变化。

油纸绝缘宽频介电响应谱分析及等效模型研究

利用频谱模型对频域介电响应曲线进行解释,是介电响应技术在绝缘材料状态评估方面的常用手段。近年来,在油纸绝缘状态诊断方面,频域介电响应技术得到了广泛关注,但由于介电响应模型和频谱解释方法研究的不足,其进一步应用受到限制。以油纸绝缘宽频介电响应的解谱分析和频谱模型研究为主要工作,在不同温度下的频域介电响应测量结果的基础上,分离出不同温度下的极化和电导过程的频谱曲线,对其温度特性进行分析和拟合,并结合热激励去极化电流,讨论各极化过程的类型和微观参数。结果表明,油纸绝缘宽频介电响应由电导过程及低频和高频极化过程构成,在此基础上提出相应的频谱模型,发现该模型的计算结果与实验结果吻合良好。

油纸绝缘频域介电谱特性与聚合度的关联影响规律研究

为研究绝缘纸聚合度与油纸绝缘频域介电谱特性间的关联影响规律,搭建了油纸绝缘频域介电响应测试平台,测试了新绝缘油、低含酸量绝缘油、高含酸量绝缘油、一定老化程度绝缘油分别与不同聚合度绝缘纸所组成的油纸绝缘的复介电常数以及新绝缘油分别与低含水量、高含水量绝缘纸组成的油纸绝缘的复介电常数,并对测试结果进行了对比分析。分析结果表明:绝缘纸聚合度通过影响水分和酸在油纸间的分布情况而对油纸绝缘复介电常数产生关联性影响。利用频域介电谱法诊断油纸绝缘中水分或小分子酸含量时,应考虑聚合度影响两者在油纸间的分布情况后对油纸绝缘频域介电谱特性产生的关联性影响。

频域介电谱温度归一化微观机理及优化策略研究

作为极具应用前景的电力设备绝缘状态现场评估新方法,频域介电谱在近年来受到了广泛关注。温度归一化是基于频域介电谱的绝缘评估流程中必要和基础的一环,关系最终评估结果的准确性。为建立有效而准确的油纸绝缘频域介电响应温度归一化方法,在深入分析电介质材料频域复介电常数物理内涵的基础上,建立了以频域介电谱1阶偏微分衍生方程和复介电常数实部–虚部综合推导相结合的介电响应机制分析方法,实现了从宽频带内油纸材料的响应曲线中分离电导、低频极化和高频极化等独立的微观介电过程。应用该方法对具有不同温度和不同老化状态的多组油纸材料频域介电谱曲线进行了分析,定量观察了不同介电过程各自的温度特性,并提取势垒高度这一温度特性关键参量。试验结果表明,各介电过程在不同温度下的分布规律具有显著差异,而宏观测量所得的油纸绝缘频域介电响应曲线随温度的平移特性是各微观介电过程在不同温度下分布特性的共同结果。由此,建立了宽频带内基于各独立微观过程热力学特征参量的油纸绝缘频域介电响应温度归一化方法。该方法具有明确的物理意义和完整的流程步骤,在材料频谱分析和现场绝缘评估领域具有普适性。

热老化对变压器油纸绝缘介电响应特征参量影响的研究

基于介电响应理论的回复电压法、极化去极化电流法和频域谱法,作为无损的诊断技术正逐渐被应用于变压器油纸绝缘的状态评估。但是研究结果表明其测量结果会受测量过程中诸多因素的影响。在一个复杂的油纸绝缘系统中,水分在油纸之间的分布,迁移和平衡过程取决实际运行温度和老化程度。只有充分理解绝缘系统在温度和老化影响下的物理变化过程,才能更加准确的分析测量结果。本文引入了一种描述变压器油纸绝缘系统介电特性的电路模型,研究了该模型中各参数值的确定方法,最后设计了130℃下加速热老化试验和变温试验,分别在不同老化程度和不同温度下对试品进行了介电响应测量,根据测量结果分别研究了热老化和温度对介电谱法测量的影响;并基于介电响应测量曲线提取了介电响应特征参量,深入研究了热老化和温度对介电响应特征参量的影响规律。

油纸绝缘介电响应宽频等效建模研究

频域介电响应方法(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)因其具有良好的抗干扰特性和丰富的宽频信息,成为在供电现场被广泛应用的一种油纸绝缘状态无损诊断方法。但是,FDS测量结果同被试对象绝缘状态之间确切的定量关联关系尚不明确,制约了FDS方法的进一步推广应用。为向定量解读FDS测量结果提供分析工具,针对FDS的宽频建模及参数辨识问题进行了研究。首先利用油纸电容式套管模型开展人工受潮模拟及介电响应测量实验,获得对应不同绝缘状态的实际介电响应数据。然后,基于介电响应的扩展德拜等效模型,采用一种改进的人工蜂群算法同序列二次规划算法的融合算法,对模型进行了参数辨识。通过对3组不同水分含量下的FDS谱图进行建模表明,在整个宽频测试频带(10^(−4) Hz~10^(3) Hz量级)内,复电容的实测谱图和模型重建谱图之间具有良好的一致性,模型对实测FDS的拟合优度均超过0.95,且模型中电阻和电容辨识值均分别位于10^(9)Ω和10^(⁃9)F的合理范围内。表明所采用的扩展德拜模型及参数辨识算法能够实现在宽频范围内对频域介电响应的精确建模,为下一步探究模型参数变化规律提供前期基础。

低频激励下油隙的电极极化建模与介电参数方程

针对变压器油频域介电谱低频部分弥散现象的原因,即电极极化进行了研究。分析了变压器油隙在低频正弦激励下内部离子动态分布的过程,建立了离子分布模型,依据离子分布构建了弛豫时间和德拜(Debye)长度的表达函数,并用于Debye弛豫模型的参数计算,从而得到了以电极极化为基础的介电参数方程。计算并分析了所述试验条件下的电极极化参数,通过仿真与实测数据的对比,验证了电极极化模型及其相应介电参数方程的正确性。研究结果表明:仿真电流与试验测试电流相符合,建立的离子分布模型能够有效地表征变压器油隙频域介电响应中的电极极化机制;介电参数计算值与试验测值相符合,建立的介电参数方程能够有效地表征变压器油频域介电响应中受电极极化作用时的介电参数。所建立的离子分布模型与介电参数方程能够给油纸绝缘频域介电谱低频弥散特性研究提供基础,以便更好的将频域介电谱技术应用到工程中。

变压器油纸绝缘系统低频介电参数方程

油纸绝缘系统频域介电谱的低频部分更有利于诊断、评估绝缘系统的老化状态与水分含量,为了将频域介电响应法更好地应用到工程中,针对变压器油纸绝缘系统低频激励下的介电响应进行了研究。首先分析了绝缘电介质(油隙、油浸纸)在低频激励下的电极极化过程,进而提出以电导率、离子迁移率等为参量的绝缘电介质的介电参数方程;然后基于变压器油纸绝缘系统的XY几何等效模型,构建变压器油纸绝缘系统低频介电参数方程;最后通过试验对所构建的介电参数方程进行验证。研究结果表明:油纸绝缘系统介电参数计算值与试验值相符合,建立的介电参数方程能够有效地表征变压器油纸绝缘系统频域介电响应低频部分的介电参数。

关于高压套管介损异常的解体分析与讨论

本文中作者介绍了一起变压器高压套管介损异常缺陷,对缺陷套管开展了电气诊断性试验,进行了频域介电响应测试和分析,对缺陷套管进一步解体分析,测试了绝缘纸聚合度和表面物质成分,并进行分析讨论,针对讨论的结果,提出了几点运行建议和措施。

基于Matlab的绝缘材料电气性能测试系统设计

针对传统的绝缘性能测试仪存在功能单一和无法兼容频域介电响应等新方法的问题,通过选用常见设备,设计了一套基于Matlab绝缘材料电气性能测试系统;该系统利用前置滤波器消除了频率响应函数对系统输出的不利影响,使系统不仅拥有常规的直流跟工频检测功能,也具备在50Hz^1kHz频率范围内进行电压试验的能力,测试时的最高电压能够达到10kV;通过测量试验中流过介质的漏电流,该系统适用于对被测物的绝缘性能进行综合的评估;试验结果表明该系统达到了设计指标,并且能够满足日常工作中的测试需要。