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基于等效电路参数特征量的油纸绝缘老化状态评估

作者：贺德华 蔡金锭 黄云程

来源：《电机与控制学报》2017年第06期

摘 要：回复电压测试法作为一种研究电力变压器油纸绝缘老化状态的无损检测方法已得到广泛的应用，但对油纸绝缘等效电路参数与绝缘老化机理内在关系的研究较少。通过对变压器油纸绝缘等效电路参数与老化状态之间的关系进行分析，提出了利用等效电路中极化支路的平均弛豫时间常数作为评估变压器油纸绝缘老化状态的特征量，该参数受绝缘系统几何结构影响较小。通过大量数据分析获得利用平均弛豫时间常数与油纸绝缘老化之间的规律：油纸绝缘老化越严重，则平均弛豫时间常数越小。最后利用变压器实例验证了该特征量评估绝缘老化状态的有效性，为评估变压器绝缘状态提供新的思路与方法。 关键词：油纸绝缘；回复电压；等效电路；平均弛豫时间常数 DOI：10.15938/j.emc.

中图分类号：TM85 文献标志码：A 文章编号： Study on insulation condition of power transformer based on the equivalent circuit characteristic parameters HE De-hua， CAI Jin-ding， HUANG Yun-cheng

（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108，China）

Abstract：Return voltage measurement as a research power transformer insulation aging status of non-destructive detection method has been widely used， but the study on the inner relationship between oil paper insulation equivalent circuit parameters and insulation aging mechanism is less and immature. The relationship between the equivalent circuit parameters and oil paper insulation aging was analyzed in this paper. the influence of the equivalent circuit parameters on oil paper insulation aging of transformer is qualitatively studied. Finally， the new feature is average relaxation time

constant of equivalent circuit which is not affected by the geometry of the transformer and base on the equivalent circuit parameters. At the same time， the criterion is obtained to diagnose insulation condition of power transformers by using the average relaxation time constant of equivalent circuit. Meanwhile， the preliminary quantitative criterion is obtained by a lot of examples which were given

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to verify that the criterion is correct. The analysis results show that the method in this paper provide new ideas to diagnose insulation condition of power transformers.

Keywords： oil-paper insulation； recovery voltage； equivalent circuit； average relaxation time constant 0 引 言

电气设备是组成电力系统的基本元件，其安全性是电力网稳定运行的第一道防御系统，但输变电设备故障依然是引起我国电网停电事故的主要原因[1]。电力变压器作为输变电设备的重要元件，承担着电能的输送和转换任务。倘若电力变压器出现故障，将对电网的稳定运行造成致命的威胁，而油纸绝缘老化是导致电力变压器事故的主要原因，同时油纸绝缘老化情况会影响变压器的实际使用寿命[2]。因此研究能准确判断出油纸绝缘设备老化程度的机理和方法，及早地发现或排除油纸绝缘设备存在的隐患，避免因绝缘老化而导致故障，保障电网安全可靠运行都具有十分重要的意义[3]。

回复电压法是一种简便、有效、无损地绝缘检测方法，能准确地反映绝缘材料缓慢弛豫过程，并有效地诊断油纸绝缘的老化状态[4]。近几年，国内外大量学者定性分析由回复电压法测试数据获得的特征量与绝缘老化状态的关系，为进一步研究利用回复电压法对油纸绝缘的老化状态评估，文献[5]建立了油纸绝缘系统介质响应等效电路并对等效电路参数进行辨识；文献[6]利用回复电压特征量对等效电路参数进行了辨识。尽管在绝缘等效电路研究上取得了很多成果，但很少深入研究等效电路参数与油纸绝缘老化的关系，无法依据等效电路参数对变压器绝缘老化进行有效评估。

针对上述不足，本文以目前被广泛认同的介质响应等效电路——扩展德拜等效电路作为研究对象，对其等效电路参数进行理论分析，研究各等效电路参数与变压器油纸绝缘老化的关系，最后综合各等效电路参数提出利用等效电路的平均弛豫时间常数评估变压器油纸绝缘老化状态，为评估变压器油纸绝缘老化状态提供新的思路与方法。 1 德拜等效电路及其参数辨识

回复电压测试法是一种不需要吊芯、无损的绝缘检测方法，能揭示绝缘介质材料内部缓慢极化作用的过程[6]。该测试方法的原理如下：充电极化过程，即在绝缘介质两端施加直流高压，绝缘介质呈现极化现象，表面出现束缚电荷，内部偶极子定向排列；撤去外施直流电压并短接两极，绝缘介质表面电荷立即释放，同时内部会发生缓慢去极化过程，该过程称为放电过程；去掉两极间的短接线，绝缘介质的去极化过程仍在继续，自由电荷会在电极之间呈现一个电势差，称为回复电压，测量电路如图1所示。由图1可见，闭合开关S1，即在绝缘介质两端施加直流高压U0，充电tc时间后打开S1，闭合开关S2，即去除外施电压并短接介质，td时间后，停止短接，即打开S1，闭合S3，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，得到回复电压曲线，如图2所示。

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油纸绝缘是一种复合介质材料，不仅有绝缘油和绝缘纸的弛豫过程，还包含绝缘老化有关的各种产物如酸、微水和糠醛等的弛豫响应过程，油纸绝缘系统的内部结构如图3所示[7]。目前，油纸绝缘系统复杂的弛豫过程广泛采用扩展德拜等效电路来表征，该电路包含几何等效电路与极化等效电路，如图4所示[8-11]。

文献[12]在扩展徳拜等效电路基础上，应用回复电压测试获得的特征参数和极化谱来确定变压器油纸绝缘极化等效电路支路数，并讨论支路数对油纸绝缘老化的影响规律；文献[13]在粒子群智能算法基础上加入混沌理论，更精确地辨识油纸绝缘等效电路参数。本文综合上述文献的方法对油纸绝缘系统的扩展德拜等效电路进行参数辨识，从而建立等效电路，方法如下： 第一步：辨识除绝缘电阻外的所有等效电路参数。回复电压测试仪器通过m次改变充放电时间记录每次测量的初始斜率、峰值电压及峰值测量时间，因此将实测数据代入文献[13]式（7）可以列写出非线性方程组，再将非线性方程组求解转换为目标函数最优化问题，最后通过混沌-粒子群算法来求解几何电容Cg和各极化电阻、极化电容的参数值。

第二步：辨识绝缘电阻值。通过第一步求得的等效电路参数最优值，以及实测变压器的回复电压测量值（m次测试获得的峰值测量时间tp和回复电压峰值Ur（tp））作为已知量带入文献[13]中的回复电压表达式即可反推求解出绝缘电阻，最后应用混沌-粒子群算法寻求计算结果与测量结果贴近度最优的绝缘电阻值。

第三步：检验参数正确性。将m次实测变压器峰值测量时间tp和辨识出的等效电路参数带入文献[13]中的回复电压表达式求得回复电压极化谱计算值，绘出回复电压极化谱实测值与计算值的对比图，验证计算结果的可靠性，若偏差较大，返回第一步，直至回复电压极化谱实测值与计算值基本完全吻合为止。 2 电路参数与绝缘状态之间的关系 2.1 绝缘老化与绝缘电阻和几何电容的关系

根据上述分析，变压器绝缘电阻Rg与绝缘介质的直流电导率和真空电容乘积成反比，真空电容值与变压器油纸绝缘系统几何结构有关。几何结构相似的电力变压器，随着油纸绝缘材料老化程度的加深，绝缘系统中老化产物含量增加，等效电路的绝缘电阻Rg值变小，绝缘电阻反映油纸绝缘状态的整体情况，其值越小表征绝缘劣化越严重。

由几何电容表达式Cg=r0 s/d可知，等效电路中几何电容Cg与相对介电常数和真空电容乘积成正比。几何结构相似的油纸绝缘系统，绝缘性能越差，绝缘材料的相对介电常数越大，贮电能力越强，对应等效电路的几何电容Cg值越大，绝缘电容可反映油纸绝缘状态的整体情况，其值越大表征绝缘劣化越严重。 2.2 绝缘老化与弛豫时间常数的关系