电气工程学报, 2020, 15(4): 1-17 doi: 10.11985/2020.04.001

基于介电响应特性的油浸式电力变压器绝缘状态评估研究进展

余浩,, 黄彦钦, 尹钧毅, 孟国栋,, 成永红

西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049

Review Progress on Insulation Condition Assessment of Oil Immersed Power Transformer Based on Dielectric Response Characteristics

YU Hao,, HUANG Yanqin, YIN Junyi, MENG Guodong,, CHENG Yonghong

State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049

通讯作者: 孟国栋,男,1985年生,博士,副教授。主要研究方向为电力设备绝缘状态评估及检测诊断技术、微纳尺度绝缘性能评价及放电等离子体特性、二维材料制备及其电气性能等。E-mail：gdmengxjtu@xjtu.edu.cn

收稿日期: 2020-08-6   修回日期: 2020-10-8   网络出版日期: 2020-12-25

Received: 2020-08-6   Revised: 2020-10-8   Online: 2020-12-25

作者简介 About authors

余浩,男,1997年生,硕士研究生。主要研究方向为电力设备绝缘状态评估、二维材料及器件的制备与表征。E-mail： yuhao_4107@stu.xjtu.edu.cn

摘要

油浸式电力变压器绝缘状态的可靠评估关乎整个电力系统的安稳运行,变压器油纸绝缘的介电响应特性具有测量简便、受环境干扰小、携带绝缘信息丰富、对绝缘问题灵敏性强等优点,国内外专家学者将其应用于变压器绝缘状态的无损评估中,并展开了大量研究工作。基于此,阐述了介电响应特性测量方法和原理,重点在介电响应曲线随变压器绝缘状态变化规律的定性分析、新介电响应特征参数的提取和多维介电响应特征的融合这几方面成果进行了总结,指出了现有研究的问题和不足,并根据如今智能电网的发展,展望了未来基于介电响应特性在变压器绝缘状态评估应用的研究方向。

关键词： 油浸式电力变压器 ; 介电响应 ; 绝缘状态评估 ; 智能融合

Abstract

The reliable assessment of insulation state of oil immersed power transformer is related to the safe and stable operation of the whole power system. Owing to the advantages of convenient measurement, slight environmental interference, abundant insulation information, and strong sensitivity of insulation problems, the dielectric response characteristics of oil immersed power transformer are applied to the insulation state assessment of transformer by many experts and scholars at home and abroad and a lot of research work is carried out. The measurement method and principle of dielectric response characteristics are described, focusing on qualitative analysis of dielectric response curve with transformer insulation state, extraction of new dielectric response characteristic parameters and mutual fusion of multi-dimensional dielectric response characteristics. It points out the problems and shortcomings of existing research, and prospects the future research direction of the dielectric response characteristics in the transformer insulation state assessment according to the development of smart grid.

Keywords： Oil immersed power transformer ; dielectric response ; insulation condition evaluation ; intelligent fusion

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本文引用格式

余浩, 黄彦钦, 尹钧毅, 孟国栋, 成永红. 基于介电响应特性的油浸式电力变压器绝缘状态评估研究进展. 电气工程学报[J], 2020, 15(4): 1-17 doi:10.11985/2020.04.001

YU Hao, HUANG Yanqin, YIN Junyi, MENG Guodong, CHENG Yonghong. Review Progress on Insulation Condition Assessment of Oil Immersed Power Transformer Based on Dielectric Response Characteristics. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(4): 1-17 doi:10.11985/2020.04.001

1 引言

电力变压器作为变电站的核心电力设备,其运行状态的安全直接关乎变电站的安全和稳定。目前电力系统普遍采用的是油浸式电力变压器(下称电力变压器或变压器),油纸绝缘是其最普遍的主绝缘结构,其中的油浸绝缘纸基本决定了变压器的绝缘寿命[1,2,3,4]。变压器在运行过程中,受到温度、电场、机械、化学等应力的长期作用,造成绝缘劣化,进而引发故障和事故[2,3,4,5,6]。因此需要采取有效措施对电力变压器的运行状况判断,及时发现变压器中的潜伏性缺陷,降低故障发生的概率,保障变电站和电力系统的可靠运行。

如今广泛适用于评估电力变压器绝缘状态评估的方法,主要包括以测量变压器油中溶解气体[7,8]、糠醛含量[9]和绝缘纸聚合度[10]等理化参数为代表的化学诊断方法以及测量变压器绝缘电阻[11]、极化指数[12]、介电损耗角正切[13]、局部放电[14,15]等电气参数为代表的电诊断方法。然而以上方法存在着以下问题：取样困难,难以实现现场测量,或者容易受到外界环境干扰,蕴含的绝缘信息单一,与绝缘状态的内在联系不够充分等。近年来,得益于电介质物理理论和计算机测量技术的发展,基于介电响应特性的变压器绝缘状态评估方法受到了人们的广泛关注。介电响应法是通过测量绝缘介质在直流或正弦交流电压下的介电驰豫特性,分析得到其绝缘老化、受潮等状况,甚至对绝缘寿命进行预测[3,4,5,6]。目前广泛使用的介电响应测量方法包括基于时域的极化去极化电流法(Polarization depolarization current,PDC)、回复电压法(Return voltage method,RVM)和基于频域的频域介电谱法(Frequency domain spectroscopy,FDS)。介电响应法由于其现场测量方便、受环境干扰小、携带绝缘信息丰富,具有良好的可解释性等优点,是变压器绝缘状态评估中最有前景的无损检测方法之一。

早在20世纪50~60年代,国外专家学者就针对实验室绝缘样品对绝缘劣化的电缆、变压器等电力设备开展试验[16,17,18],分析其介电弛豫现象的变化。本世纪初大量学者对电力变压器油纸绝缘的介电响应特性开展研究,主要是针对介电响应特性曲线中的特征参数与变压器绝缘老化、老化衍生物、受潮等状况之间做定性分析,发现其与变压器绝缘状态具有紧密联系,大量研究都将油纸绝缘介电响应特性视为对变压器绝缘状态评估的重要手段。

本文回顾了近20年来国内外学者在基于介电响应特性的变压器绝缘状态评估的研究进展,分别从介电响应测量的方法和原理、介电响应曲线随油纸绝缘状态的变化规律、新介电响应特征参数的提取、多维介电响应特征的信息融合等方面进行归纳和总结,指出了当前研究面临的主要问题和不足,并根据现有技术的发展,提出未来基于介电响应特性的变压器绝缘状态评估的发展前景和挑战,对于保证电力变压器状态可靠评估,乃至整个电力系统的安稳运行都有着重要研究意义。

2 介电响应测量原理

2.1 介电响应

对于线性电介质材料在电场的作用下,会发生极化现象,形成电位移

$D(t)=\varepsilon_{0} E(t)+P(t)$

式中,$\varepsilon_{0}$表示真空介电常数;响应函数f(t)定义为在电场激励E(t)下,关于极化强度P(t)的时间函数,它表示介质极化强度关于电场激励的脉冲响应,是一个单调衰减函数。则极化强度可以通过电场强度与介电响应函数f(t)的卷积表示为

$P(t)= \varepsilon_{0} \int_{-\infty}^{t}f(t- \tau)E(\tau)d \tau=\varepsilon_{0} \int_{0}^{\infty}f(\tau)E(t- \tau)d \tau$

式中,$\varepsilon_{0}$表示卷积积分的时域。由式(2)可得,当t=0时,对电介质施加阶跃响应电压Ec,则极化强度变为

$P(t)= \varepsilon_{0}E_{c} \int_{0}^{t}f(t)dt=\varepsilon_{0}E_{c}h(t)$

式中,h(t)表示电介质材料的阶跃响应。

2.2 极化去极化电流(PDC)

极化去极化电流法是对电介质在电压激励下的电流时域响应的测量。由于电介质在电场的作用下会发生极化,位移极化会瞬时建立,而像偶极子转向极化、界面极化等的建立就需要时间,极化建立时间称为松弛时间,即在电压的激励下通过电介质的电流需要一段时间才能到达稳态[19]。

根据麦克斯韦方程,通过电介质材料的电流密度可以表示为传导电流密度和位移电流密度之和,再代入式(1)和(3),有

$j(t)=\sigma_{0}E(t)+ \frac{dD(t)}{dt}$
$j(t)= \sigma_{0} E(t)+ \varepsilon _{0} \frac{dE(t)}{dt}+\varepsilon _{0} \frac{d}{dt} \int_{0}^{t} f(t- \tau)E(\tau)d \tau=\sigma_{0}E(t)+ \varepsilon_{0}\frac{dE(t)}{dt}+\varepsilon_{0}f(0)E(t)+ \varepsilon_{0} \int_{0}^{t} \frac{df(t-\tau)}{dt}E(\tau)d \tau$

式中,σ0表示直流电导率。当电介质施加阶跃响应激励Uc,代入到式(5),易得极化电流为ip为

$i_{p}(t)=U_{c}C_{0}[\frac{\sigma_{0}}{\varepsilon_{0}}+f(t)]$

式中,C0表示介质的真空电容量。根据叠加原理,激励消失后的去极化电流id为

$i_{d}(t)=-U_{c}C_{0}[f(t)-f(t+T_{c})]$

为简化表示,一般用含松弛时间常数的e为底指数函数来模拟极化、去极化电流。极化去极化电流的测量原理如图1a所示,U0为直流电压源,测量绝缘样品两端电流的变化,当t=0时,开关S置于1侧,恒定激励对绝缘样品充电,保持一段时间Tc,称为充电时间,测得的充电电流就是极化电流ip,最终稳定于传导电流。由式(6)极化电流的大小取决于介质内部极化和电导的强度。当充电结束后,将开关置于2侧,绝缘样品开始放电,保持一段时间Td称为放电时间,放电电流称为去极化电流id,其最终趋于0。测得的典型极化电流和去极化电流如图1b所示。

图1

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图1   PDC测试原理示意图


2.3 回复电压(RVM)

回复电压法是测量电介质材料时域介电响应另一种重要的方法。在电介质两端施加电压发生极化现象,内部偶极子定向排列,介质表面出现束缚电荷。当撤去外施电压并短接介质两端,介质内部发生去极化过程,表面束缚电荷开始释放。一段时间后断开短接线,未释放完全的残余束缚电荷在介质两端建立一个电势差,则称为回复电压[20]。

回复电压的测量原理如图2所示,U0为直流电压源,测量绝缘样品两端的电压。t=0时,闭合开关S1,恒定激励给绝缘介质充电一段时间Tc;随后断开S1闭合S2,短接绝缘介质两侧,保持一段时间Td(Td<Tc)。这时断开S2,绝缘介质两边会出现二次极化现象,在样品两侧产生回复电压。

图2

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图2   RVM测试原理示意图


根据式(4)~(7)的推导,回复电压ur随时间的关系可以得出如下关系

$\frac{\sigma_{0}}{\varepsilon_{0}}u_{r}(t) +\varepsilon_{r}\frac{du_{r}}{dt}+f(0)u_{r}(t)+U_{c}[f(t)-f(t-t_{1})]+\int_{t}^{t_{2}} \frac{df(t-\tau)}{dt}u_{r}(t)d\tau=0$

方程的初始条件是ur(t2)=0,通过以上方程可以求解出回复电压的理论曲线以及相关参数。

2.4 频域介电谱(FDS)

频域介电谱是测量绝缘介质表征介电响应特性的复电容C*、复介电常数ε*、介质损耗角正切tanδ等参数随外施电压频率的变化[21]。

复磁化率χ(ω)定义为介电响应函数f(t)的傅里叶变换,所以有P(ω)*=ε0χ(ω)*·E(ω)*,易得E(ω)与D(ω)的关系有

$D(\omega)^{*}=\varepsilon_{0}(1+x^{*})E(\omega)^{*}$

对式(4)进行傅里叶变换后,代入式(9)得到

$j(\omega)^{*}=\sigma_{0}E(\omega)^{*}+i \omega D(\omega)^{*}=\{ \sigma_{0}+i \omega \varepsilon _{0}[1+x^{’}(\omega)-ix^{’’}(\omega)]\}E(\omega)^{*}=
\{\sigma_{0}+\varepsilon _{0}\omega x^{’’}(\omega)+I \omega \ varepsilon_{0}[1+x^{’}(\omega)]\}E(\omega)^{*}$

根据相对介电常数εr=D/ε0E的定义式,有

$\varepsilon_{r}^{*}=\varepsilon_{r}^{’}(\omega)-I \varepsilon_{r}^{’’}(\omega)=1+x^{’}(\omega)-ix^{’’}(\omega)$

频域介电谱测量原理如图3所示,通过测量绝缘介质在不同频率的正弦交流激励下两端的电压和电流,得到其复电容随频率的变化关系。根据其欧姆关系,即I(ω)*=iω·C(ω)*U(ω)*,可以得到复电容值

$C(\omega)^{*}=C^{’}(\omega)-iC^{”}(\omega)=C_{0}{\varepsilon_{r}^{’}(\omega)-i[\varepsilon_{r}^{”}(\omega)+\sigma_{0}/\varepsilon_{0} \omega]}$

介电损耗正切可以表示为tanδ=C''(ω)/C'(ω),由电导引起的损耗也被归结于C''(ω),在实际测量中为了方便,很难区别直流电导和介电损耗对于复电容虚部的贡献,所以把测量的C''(ω)/C0作为复介电常数虚部,即把εr''+σ0/(ε0ω)作为复介电常数的虚部。

图3

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图3   FDS测试原理示意图


在上述推导中,显然介电常数实部与介电常数具有相同的意义,表征电介质极化的强弱,而介电常数的虚部表征的是介质电导和松弛极化所引起的能量损耗。

3 介电响应特性研究

3.1 基于极化去极化电流(PDC)

针对变压器油纸绝缘状态对其测量PDC曲线形状影响的定性分析,国内外展开了大量试验工作,研究结果表明,PDC曲线的起始部分主要由绝缘油的老化状态决定,而曲线的中间部分主要和绝缘结构、形状等因素等有关,曲线的末端部分则主要受到绝缘纸的绝缘状态的影响[22,23,24,25]。

在绝缘老化的影响方面,大量试验研究发现油纸绝缘老化的变压器较新变压器的PDC曲线更高,SAHA等[25,26]测量了变压器油纸绝缘不同老化程度下的PDC曲线,发现PDC曲线的衰减程度会随油纸绝缘老化程度的加深而加快,老化变压器的PDC曲线前段明显高于未老化变压器,而在中后段则略低于未老化变压器。虽然PDC曲线与油纸绝缘老化状态密切相关,但是映射的灵敏度较低,难以量化分析。重庆大学杨雁等[27]根据变压器油纸绝缘样品的PDC测量,引入了去极化电量,定义为去极化电流对测量时间的积分,采用以指数函数C-Aexp(-t/τ)进行拟合,结果发现参数A、C与老化时间呈线性关系,且其函数与聚合度的变化满足动力学模型,可以用来对油纸绝缘老化状态评估。

在水分的影响方面,HOUHANESSIAN等[28]对不同水分含量的变压器油纸绝缘样品的PDC曲线进行测量,研究表明,随着水分含量的升高,极化电流曲线在末端部分上翘越明显,SAHA等[25, 29]通过对油纸绝缘样品的PDC测试,也得到了相似的结果,这与绝缘纸电导率增加对极化电流几乎有着相同的影响。为实现对变压器绝缘纸含水量的定量评估,重庆大学刘捷丰等[30]根据不同含水量的油纸绝缘样品PDC曲线中,提取了新特征量极化电量斜率Kp和稳定极化电量—Qp-5000,与绝缘纸含水量呈指数关系。

在温度的影响方面,SAHA等[31]还研究了不同温度下变压器油纸绝缘的PDC曲线随温度的变化关系,发现随着温度的上升,PDC曲线有整体上移的趋势。而国内重庆大学杨丽君等[32]也得到了相同的试验结果,提出可以通过阿伦尼乌斯方程得到时幅平移因子,平移后可以将参考温度下的PDC曲线拓展到测量温度下,从而消除了PDC曲线测量时温度对结果的影响。

目前还有一些报道也针对油电导率、油中老化产物对PDC曲线的影响,油电导率的增加将会造成PDC曲线前半段的翘起,而纸电导率的提高则对PDC曲线的后半段影响显著[25, 33]。

在基于PDC方法的现场变压器绝缘状态评估方面,西安交通大学李军浩等[22]研究了不同老化、微水程度下变压器油纸绝缘样品的PDC曲线,如 图4所示。研究发现样品的绝缘结构、油电导率、含水量和老化状态等对PDC测量曲线有着显著影响,通过对PDC曲线不同分段的分析,能够对现场变压器油纸绝缘老化状况做出定性判断,并在现场评估中验证了PDC方法的有效性。

图4

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图4   油纸绝缘样品的PDC曲线随绝缘变化


3.2 基于回复电压(RVM)

RVM法是利用固体材料在直流电压下的极化特性,获得回复电压波形曲线、以及最大回复电压随充电时间变化的极化谱曲线的方法。目前大量研究针对曲线的一些特征参数与变压器绝缘含水量和老化程度等的关系展开定性分析。RVM常用的分析参数包括最大回复电压Urmax、到达峰值的时间Trmax、波形起始斜率dU/dt、极化谱主时间常数Tcdom、极化谱最大回复电压峰值Upeak等。

在绝缘老化影响方面,SAHA等[34]测量得到了实验室中不同老化程度油纸绝缘样品的RVM和极化谱曲线,发现随着绝缘纸板老化加剧,极化谱最大回复电圧Urmax峰值会增加,而此回复电圧所对应的RVM曲线初始斜率会增加,峰值时间大幅减小。OSVATH等[35]进一步研究了不同老化程度下变压器与回复电压极化谱之间的定性关系,发现随着老化程度的增加,回复电压极化谱的主时间常数显著减小。

在绝缘受潮影响方面,最早BOGNAR等[36]通过对不同水分含量的油浸绝缘纸RVM曲线测量后,发现绝缘水分含量升高会使得回复电压峰值Upeak略有增加,变化不大,而极化谱主时间常数则明显减小。SAHA等[26]通过实验室测试,发现油纸绝缘的纸中水分含量与极化谱主时间常数Tcdom的对数值有较好的线性关系,认为可以考虑将此参数作为定量对变压器绝缘水分定量评估的特征量。

在温度影响方面,OSVATH等[35]对不同温度下的绝缘试品的RVM曲线测试,并得到了回复电压极化谱,发现随着温度的上升,最大回复电压峰值Upeak和主时间常数Tcdom将会下降,随后HASSAN等[37]和SAHA等[31]通过试验也得到了相似的结论。

但是RVM和极化谱曲线特征更容易受到测量温度、油纸电导率、绝缘结构等影响且难以消除,另一方面,油纸绝缘老化加剧和水分增加对RVM和极化谱曲线的影响相似,也无法区分绝缘油和绝缘纸绝缘状态劣化的区别,难以对变压器绝缘状态做出更加精准、可靠的分析。

目前基于RVM的研究普遍都是针对实验室条件下,曲线特征参数受老化、水分、温度等因素影响的定性分析,对变压器绝缘状态进行评估的研究还比较少。西安交通大学彭华东等[38]研究了变压器油纸绝缘状态与RVM极化谱特征参量间的关系,如图5所示。结果表明,由于油纸绝缘老化加深使得极化谱峰值升高,主时间常数减小,此外老化加深还可能引起水分分布不均,使得极化谱出现多个峰值。另一方面,油纸绝缘含水量与极化谱曲线的起始斜率和峰值的关系不大,而与主时间常数有着良好的线性拟合。最终他们选取极化谱主时间常数作为变压器状态评估的特征参量,并结合现场实测经验,提出了一种基于RVM的对现场变压器油纸绝缘老化状态的定性评估方法。

图5

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图5   油纸绝缘样品的RVM极化谱随绝缘变化


3.3 基于频域介电谱(FDS)

FDS曲线反映的是电介质在不同频率激励下的介电响应,所含绝缘信息更多,对油纸绝缘状态的响应更为灵敏。大量针对变压器油纸绝缘FDS曲线的研究表明,介电损耗的FDS曲线在低频段和高频段主要反映的是绝缘微水和老化的作用,而曲线中间部分则主要受到油电导率及油纸绝缘的几何结构影响[39,40,41]。

在绝缘老化影响方面,LINHJELL等[42]测量了绝缘纸不同老化程度下的FDS曲线,发现随着老化时间的增加,复介电常数的虚部起始先略有下降,然后逐步增大,随着老化的加大,与水分相关的弛豫峰变得更加明显,这是由于油纸绝缘老化会引起轻微的水分含量和酸度增加[42]。

在绝缘受潮影响方面,EKANAYAKE等[43]研究了不同水分含量下油纸绝缘的FDS曲线,发现随着水分的增加,在频率低于10-2 Hz时,复介电常数的实部与虚部向着高频方向移动,介电损耗峰会增加,而在频率高于10 kHz,FDS曲线几乎没有什么差异。重庆大学LIAO等[40, 44]进一步发现,绝缘老化和受潮对介电损耗角正切的FDS曲线敏感频率范围略有不同,前者为10-3~10-1 Hz,而后者在10-3~102 Hz更为敏感。

温度同样会对FDS曲线造成重要的影响,YEW等[45]发现随温度的增加,复介电常数的实部和虚部曲线都将上移,介电损耗峰也会上升并向高频方向移动。且随温度升高,β损耗峰越来越不明显,最后在120 ℃几乎消失。LUNDGAARD等[46]深入分析了不同温度下油纸绝缘的介电常数FDS曲线,指出在对数坐标下曲线的形状不会随着温度发生变化,只是向高频移动,于是他们利用阿伦尼斯方程将不同温度的介电常数曲线平移到一条20 ℃的主曲线,曲线基本重合,平移因子与反应的化学能有关,解决了温度对FDS曲线测量带来的影响。

而其他包括绝缘结构、油电导率等都会对介电谱曲线在不同特征频率产生一定的影响,这也为对变压器油纸绝缘状态的评估提供了依据。重庆大学杨丽君等[44]测试了不同老化、水分含量下油纸绝缘样品的FDS曲线,如图6所示,建立了油纸绝缘样品在特征频率处的曲线特征与绝缘纸老化程度及水分含量的量化关系,进而提出了一种新的变压器油纸绝缘老化状态评估方法。该方法首先测试了变压器主绝缘的复电容,通过变压器X-Y模型得到油浸绝缘纸的FDS曲线,然后根据实验室油纸绝缘样品的测试规律,提取曲线的特征参量,从而实现对变压器主绝缘老化程度和微水含量的定量评估,并通过现场试验证明了其方法有效性。

图6

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图6   油纸绝缘样品的介损角正切FDS曲线随绝缘变化


综上所述,国内外针对PDC、RVM、FDS测量方法的介电响应特性随绝缘老化、水分含量、温度、油电导率等因素的变化规律展开了大量的研究,也通过以上规律,根据介电响应特性曲线对变压器油纸绝缘的老化情况、水分含量等绝缘状态评估展开了分析,并在实际应用过程中有着较好的效果。根据各方法的测量原理和前人的研究结果,可以总结出基于不同介电响应测量的变压器绝缘状态评估方法的优劣以及适用情况,如表1所示。

表1   基于各介电响应的变压器油纸绝缘评估方法的比较

检测方法优点缺点主要结论
PDC对于变压器绝缘状态变化的反应较灵敏、测量设备简单,现场测量容易实现测量容易受到电荷累积的影响,初始极化去极化电流难以测量,高频信息损失严重曲线的起始部分主要由绝缘油的老化状态决定,而曲线的中间部分主要和绝缘结构、形状等因素有关,曲线的末端部分则主要受到绝缘纸的影响
RVM测量设备简单,现场测量容易实现除了包含PDC方法的缺点外,对变压器绝缘状态映射不够精准、全面,只能得到油纸绝缘的老化整体状况绝缘老化和水分含量会导致极化谱主时间常数显著减小
FDS测量不会受到介质空间电荷积累的影响;携带绝缘信息更加丰富、能够对变压器不同绝缘位置、结构和不同绝缘问题类型进行更准确评估在低频测量时,耗费时间太长FDS曲线的低频和高频部分反映的是绝缘微水和老化状态的作用,而曲线中间部分则受到油电导率和绝缘几何结构影响

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3.4 介电响应现场测量装置及新方法

除了用于实验室研究油纸试样介电响应的测量系统外,目前国内外也已经开发出许多用于变压器介电特性现场测量的装置,例如ALFF ENGINEERING公司的PDC- Analyser和HAEFELY公司的RVM 5462, OMICRON公司的DIRANA等,如图7所示。这些装置不仅可以对变压器油纸绝缘的FDS、PDC、RVM曲线进行较为精准的现场测量,而且通过设备自身强大的数据处理能力,还可以实现对变压器绝缘纸含水率、油电导率甚至油纸绝缘老化状态等的无损评估。其中DIRANA采用了特有的时频域测量结合的模式,有效弥补了时域方法介电响应高频信息不足,频域方法低频测量耗时长的问题。国内也有一些研究团队开发了类似的介电响应现场测试平台,能够对变压器、电缆、绝缘套管等电力设备的绝缘状态进行现场评估[47]。

图7

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图7   介电响应在线测量装置


针对目前介电响应测量设备自带测试电源的电压较低,测量会受到一定外界电磁噪声等因素干扰,以及对电力设备绝缘局部缺陷灵敏度较低的问题,重庆大学郝建等[48]发明了一种电力设备的高电压源(1 000 V)时/频域介电测量装置,相较于传统测量装置,由于该装置测量电压更高,介电响应采集信号强度大,具有抗干扰能力更强、灵敏度高的优势,提高了介电响应测量精准性。

此外,由于介电响应测量原理的特性,目前普遍只能采用变压器离线的方法来对其测试。为了减少变压器停电时间,如何使现场测试装置实现介电响应的快速精准测量成为了关键问题。西南交通大学周利军等[49]采用一种混频电压激励的FDS测试方法,将采集到的电流曲线分解为混频激励信号对应频率下的多个正弦波形,分别计算获得各频率下的复电容,从而得到FDS曲线。与传统FDS测试方法相比,两者得到的复电容几乎一致,但混频电压激励的FDS测试能大幅缩短测试时间。

当前也有一些研究针对变压器带电的介电响应在线测量展开尝试。昆士兰科技大学YANG等[50]从变压器高、低压中性点分别施加测试电压和进行电流测试,由于中性点是零电势零功率点,可以实现对星型变压器油纸绝缘系统FDS曲线的测量。而对于没有中性点和单相变压器,可以使用适当的电压测试方法来创造虚拟中性点。国内国网陕西省电力公司电力科学研究院张璐等[51]利用电网发生扰动和电力设备自身容性器件产生的谐波作为激励源,采集电力设备油纸绝缘处的电压和电流信号,并对相关数据进行处理和记录,逐渐积累各频率下的数据,最终实现了电力设备FDS曲线的无源在线测量。西安交通大学穆海宝等[52]则提出一种在变压器绕组附近内置油纸绝缘试样的介电响应在线测量方法,试样采用与变压器绕组相同的绝缘结构与布置,在变压器绕组附近受到类似的电、热、水分等作用,并与测量介电响应探头连接,在低电压变频激励下实现对试样FDS曲线的测量,最终通过试样的介电响应特性可以实现对变压器油纸绝缘水分的估计。

4 新介电响应参数的提取

鉴于传统介电响应方法所提取的参数与变压器油纸绝缘状态的映射不够灵敏,不够全面,无法有效分离不同绝缘劣化情况的问题,目前也有大量的研究针对新介电参数的提取展开了研究,主要是基于扩展Debye模型、修正的介质驰豫模型等方面,本文对其在变压器绝缘状态评估展开的相关工作进行了介绍。

4.1 基于扩展Debye模型

根据Debye驰豫模型,变压器的油纸绝缘结构用一系列电阻和电容串并联来表示,其等效电路如图8所示,称为扩展Debye模型。其中,Rg是绝缘电阻,表征油纸绝缘的直流电导,由测试电压和极化电流去极化电流差的比值得到。Cg表征瞬时极化强度,由测量的工频电容与油纸绝缘系统的相对介电常数之商求得。而一系列Ri与Ci的串联支路表示的是油纸绝缘的n条松弛极化支路,通常可以通过极化与去极化电流求得[53]。在得到扩展Debye模型的电路参数后,可以实现对RVM、PDC、FDS曲线的拟合[54,55,56,57],因此扩展Debye模型的电路参数也一定程度地反映了变压器油纸绝缘状态的变化,所以对基于扩展Debye模型参数提取的深入研究有着重要的意义。

图8

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图8   扩展Debye模型


在变压器绝缘老化评估方面,重庆大学高竣等[58]制备了不同老化程度下的变压器油纸绝缘样品,通过对样品测试的极化去极化电流,求解出油纸绝缘的扩展Debye模型,进而分析出的扩展Debye模型的电路参数随样品绝缘状态老化的规律。研究表明四个参数对变压器油纸绝缘老化状态特别敏感,其中最大时间常数分支电阻Rmax和最小时间常数分支电容Cmin与绝缘纸聚合度存在线性拟合关系,而Rmin和Cmax与绝缘纸聚合度具有指数函数关系。上海交通大学唐盼等[59]同样通过PDC曲线测量得到了油纸绝缘样品的Debye等效电路模型各极化支路的参数,结果表明,最大时间常数所对应的Rmax、Cmax反映了绝缘油的老化情况,而最小时间常数对应的Rmin、Cmin反映了绝缘纸的老化情况。这些特征参量的提取为实现变压器油纸绝缘老化的定量评估带来了可能。

在变压器现场评估方面,福州大学蔡金锭等[60]进一步分析了表征变压器老化程度的油中糠醛含量,与变压器Debye等效电路参数之间的关系。结果表明,最大驰豫支路时间常数τ与油中糠醛含量有良好的线性函数关系,可作为对变压器绝缘老化定量状态评估的新参量,并通过现场实例验证了该方法用于油中糠醛评估的可靠性。

在变压器绝缘水分含量评估方面,重庆大学杜林等[61]分析基于FDS的油纸绝缘扩展Debye模型参数随温度及微水含量的变化规律,研究表明扩展Debye模型参数对油纸绝缘微水含量也十分敏感。随含水量增加,Debye模型的绝缘电阻Rg减小,最大时间常数和中等时间常数、支路极化电容Ci增大,而几何电容Cg几乎不变。此外,他们通过扩展Debye模型拟合了FDS曲线,发现介质损耗在10-3~100 Hz频段内对绝缘微水十分敏感,分别提取了在4个特征频率处的介质损耗Pi,以10-2~102 Hz频段的介损斜率Kp为特征参量,研究表明二者分别与微水含量存在指数关系和线性关系,有助于实现对变压器油纸绝缘微水含量的定量评估。

以上研究通过介电响应测量技术得到油纸绝缘的扩展Debye模型的电路参数,深入分析了各介电参数随变压器绝缘状态的变化规律,发现一些特征参量与变压器绝缘老化状态或者微水含量有着良好的函数关系,可以作为变压器绝缘状态定量评估的重要参量。

4.2 基于修正的介质弛豫模型

在介电常数的复平面上,具有单一弛豫时间的Debye模型曲线是一个半圆,然而大多数电介质不可能只有单一的弛豫时间。为了更准确地描述电介质的弛豫过程,包括Cole-Cole模型等在内的修正介质弛豫模型受到广泛关注[62,63],如表2所示。近年来,一些学者对基于修正的介质弛豫模型的特征参数与介质的绝缘状态之间的关系展开了研究。

表2   各介质驰豫模型的复介电常数表达式和复平面曲线

模型函数复介电常数复平面图
Debye ${{\varepsilon }^{*}}={{\varepsilon }_{h}}+\frac{\Delta \varepsilon }{1+jw\tau }$
Cole-Cole $\begin{matrix} & {{\varepsilon }^{*}}={{\varepsilon }_{h}}+\frac{\Delta \varepsilon }{1+{{(jw\tau )}^{1-\alpha }}} \\ & \ \ \ \ \ \ (0＜\alpha ＜1) \\ \end{matrix}$
Davidson-Cole $\begin{matrix} & {{\varepsilon }^{*}}={{\varepsilon }_{h}}+\frac{\Delta \varepsilon }{1+{{(jw\tau )}^{\beta }}} \\ & \ \ \ \ \ \ (0＜\beta ＜1) \\ \end{matrix}$
Havriliak-Negami $\begin{matrix} & {{\varepsilon }^{*}}={{\varepsilon }_{h}}+\frac{\Delta \varepsilon }{{{[1+{{(jw\tau )}^{1-\alpha }}]}^{\beta }}} \\ & \ \ \ \ \ \ (0＜\alpha ＜1,\ \ 0＜\beta ＜1) \\ \end{matrix}$

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Cole-Cole模型：对多分布弛豫时间的介质,假设其弛豫时间分布在τ为中心的区域。Cole-Cole模型的复介电常数曲线在复平面变为一段劣弧,复介电常数的表达式如表2所示,其中的α(0<α<1)为柯尔指数,表示弛豫时间的分散程度。

WOLNY等[64]讨论了变压器油纸绝缘Cole-Cole模型的柯尔指数α和弛豫时间τ随温度、水分的定性变化情况。国内重庆大学廖瑞金等制备了不同水分含量的油纸绝缘样品,分析了水分含量对样品频域介电特性的影响规律。他们根据频域介电谱曲线的双弛豫峰,引入了双弛豫时间的修正Cole-Cole模型拟合,提取了对水分含量十分敏感的特征参量,包括高频介电常数εhf、α弛豫分量的极化率χsα、弛豫时间分布参数nα、弛豫时间τα和β弛豫分量χsβ 、nβ、τβ、直流电导σdc,共8个参数,研究了水分含量对特征参量的影响规律。其中,α弛豫时间常数τα随着水分含量的增加呈现指数关系减小,而直流电导率σdc则呈现线性增大,通过变压器的X-Y模型,可以考虑将这两个参数作为现场变压器油纸绝缘水分定量评估的特征参量[65]。

Davidson-Cole模型充分考虑了介电弛豫峰出现偏移的实际情况,这种现象是由弛豫时间分布不均匀引起的,模型引入了与弛豫时间分布有密切关系的曲线不对称度β(0<β<1),如表2所示,复介电常数在复平面变为一段不对称的曲线。

哈尔滨理工大学刘骥等[66]提出了一种基于Davidson-Cole模型的绝缘老化定量评价方法,通过提取变压器油纸绝缘扩展Debye模型参数,得到油纸绝缘材料的复介电常数,采用拟合算法提取了Davidson-Cole模型的参数,分析了Davidson-Cole模型参数与油纸绝缘老化的定量关系。试验结果表明,Davidson-Cole模型参数中的弛豫极化介电常数Δε(ε∞-εs)、复平面复介电常数曲线不对称度β、弛豫时间τ与油纸绝缘的老化直接相关,具有作为对变压器油纸绝缘状态评估的前景。

Havriliak-Negami模型是Cole-Cole 模型与Davidson-Cole模型的结合,能够很好地解释复合绝缘体系的介电弛豫过程,并且在定量描述其宽频介电谱方面具有优势。

清华大学ZHENG等[62]分别对电力变压器绝缘油、纸的介电频域谱进行了测试,并用四种典型的介电驰豫模型进行拟合,发现Havriliak-Negami和Cole-Cole模型函数更有优势,能对变压器绝缘油、纸的频域介电谱较好拟合。西安交通大学董明等[67]测试了不同受潮情况、老化程度下油浸式纸板的频域介电谱,并用Havriliak-Negami模型进行了拟合,提取了特征参数。研究表明,介电响应函数模型中的参数直流电导率σ0 与油浸纸板中的含水量m之间具有指数关系,可作为含水量定量表征的参数;而复介电常数复平面曲线形状参数α、β以及松弛时间τ能定量表征油浸纸板老化程度,因为参数α和τ与老化时间存在线性关系,参数β与老化时间具有指数关系。接下来利用有限元仿真,将得到的油浸式纸板频域介电谱,外推更为复杂的油纸绝缘结构的频域介电谱,分析了绝缘老化、受潮对变压器油纸绝缘频域介电谱的影响。

5 介电响应信息的智能融合

目前大量的研究都是基于单一的介电响应方法,针对少数几个特征量对变压器的状态进行评估。 然而,单一的特征量往往反映的是油纸绝缘单个方面的问题,无法精准、全面地反映变压器油纸绝缘的整体情况,因此对变压器的绝缘评估并不一定完全可靠和全面。另一方面,单一检测方法得到的变压器油纸绝缘介电响应特征信息并不一定测量方便或准确[55],而多特征信息融合能够较好地弥补在介电响应测量中存在的漏测、错测、难测等问题。

得益于计算机测量技术的发展,对变压器油纸绝缘多维特征参量现场的测量和提取已经成为了现实,本文对一些学者在介电响应在特征层的多维信息的融合,并对变压器油纸绝缘状态可靠评估的工作进行介绍和分析。目前广泛采用的信息融合算法可以归纳为基于信息论和统计法的算法,前者主要是依赖提取的介电响应参量与油纸绝缘状态之间的映射关系来对变压器绝缘进行评估,而后者是根据先验假设对变压器绝缘状态的概率估计和推理。

在基于信息论的融合方法方面,福州大学刘庆珍等[68]通过测试变压器油纸绝缘的PDC谱图,得到扩展Debye等效电路模型的相关参数,并结合回复电压测试特征量和极化去极化电流特征量,提出了一种基于多元模糊联系度的变压器状态评估方法,如图9所示。该方法首先通过模糊C均值聚类算法确定了变压器绝缘状态的三级评价体系,然后结合集对分析和模糊集组合理论,将多元模糊联系度模型应用于变压器油纸绝缘老化状态评价中,利用层次分析法和熵权法分别确定了各指标主客观权重。通过计算得到最大组合联系度,将其对应的状态作为集对分析结果。最后通过现场变压器实例评估,验证了其方法的可行性。

图9

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图9   基于多元模糊联系度的变压器油纸绝缘状态评估方法的层次结构模型


此外,重庆大学LIU等[69]采用灰色关联分析(Grey relation analysis,GRA)技术对绝缘状态进行评估。他们从不同的介电响应测量方法的数据中,提取出对样品绝缘状态敏感的参数,并与用GRA技术预测绝缘状态的实验室控制条件下建立的标准绝缘状态矢量模型进行对比。利用实验室样品和电力变压器对该方法的性能进行了测试,证明该方法能提供可靠有效的绝缘诊断。

在基于统计法的融合方法方面,西南交通大学吴晋媛等[70]通过PDC及扩展Debye模型中提取了特征参量绝缘纸电量Qpaper、稳定平均电导电流iσ以及平均极化时间常数τpaper,结合引入绝缘电阻R60s、吸收比K和介质损耗角tanδ三个传统电气特征量,并考虑到前面时刻绝缘状态对后面时刻的影响,建立了油纸绝缘的动态贝叶斯网络老化状态评估模型,如图10所示[70]。最终通过实验室条件下油纸绝缘数据验证了此方法的可靠性。

图10

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图10   油纸绝缘老化阶段评估的动态贝叶斯网络示意图


在此之前,智能融合算法已经广泛应用于变压器的智能评估,特征量主要包括局部放电信息、油中溶解气体信息、铁心接地电流、绕组绝缘电阻 等[71,72,73,74,75,76]。智能融合技术弥补了提取变压器单一特征量具有的信息不全、易受干扰、稳定性较差等不足,具有更加可靠、稳定、准确的评估效果。上述研究和现场实测证明,对于变压器基于介电响应特征信息融合,并运用于变压器的绝缘状态评估是有效的,此过程可以归纳为从介电响应信息测量到特征信息提取,到信息融合的过程,如图11所示。

图11

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图11   基于介电响应特征融合的变压器绝缘状态评估方法


6 讨论

通过以上对介电响应特性在变压器绝缘状态评估中的研究工作进行归纳总结,可以发现介电响应特性与变压器油纸绝缘老化、受潮状态有着紧密的联系,同时也会受到温度、绝缘结构、油中电导率、老化产物等一系列因素的影响。关于介电响应随这些因素定性变化规律的研究已经很充分,实现了通过介电响应测量对变压器绝缘状态的定性评估和验证,但在介电响应与变压器绝缘状态定量关系方面的研究还比较少。因此今后的工作应该围绕如何有效分离各因素对介电响应的影响,并深入电介质物理理论的研究,找到与变压器绝缘状态联系紧密,并能够灵敏、全面地反映变压器绝缘状态的特征参量,这是对变压器绝缘状态定量评估、寿命预测的关键。

同时,随着测量技术的快速发展,对变压器油纸绝缘多维特征参量的现场测量已不再困难,对变压器包括局部放电、热点温度、接地电流为代表的在线监测量、以及负载情况、预防试验数据、历史检修数据等在内的多层次运维信息都能实现智能化感知[77,78,79,80,81],变压器的状态信息已经有了典型的大数据特征,如何将以上多维异构数据进行有效融合成为了关键问题。一方面,如今以大数据深度学习算法为代表的新一代人工智能技术已有飞跃性发展,目前已经有许多研究在电力设备上基于人工智能算法[79,80,81,82],在多特征信息[72,73]、多时段[74]、多判据[75,76]上进行融合。基于此,有望将测量的介电响应信息与变压器在线监测量、历史运维信息、环境信息等结合,通过大数据样本和深度学习算法的统计、分析能力,挖掘数据的深层特征并进行多源异构信息的智能融合,建立与变压器绝缘状态之间的非线性映射关系,最终实现以数据驱动、人工智能驱动的变压器状态评估。而另一方面,大部分的深度学习算法都是黑箱模型,不够具有解释性[81],所以需要对变压器绝缘老化机理展开更深入的研究。从变压器油纸绝缘材料的物理化学性质出发,探究油纸绝缘老化规律、反应过程,建立或优化油纸绝缘的介电驰豫模型、绝缘寿命模型,提取更有解释性、通用性、相关性的介电响应特征参量,从机理层面进行融合,建立更可靠的变压器绝缘状态评估模型。

随着智能传感技术、云计算技术、5G通信技术等的发展,物联网体系的内涵不断完善丰富[80],将其结合到坚强智能电网的建设之中成为可能,为电力系统特别是变电站设备的安稳运行带来了福音。就介电响应特性在变压器绝缘状态评估而言,在物联网技术发展下,有以下发展前瞻：① 变压器介电响应测量系统的研发。提高介电响应测量的抗干扰能力、快速性、灵敏度,甚至探索可广泛应用的变压器介电响应在线测量系统;② 物联网技术的边云协同,可以考虑将测量的介电响应数据利用边缘计算模块进行数据清理工作,与物联网云端的计算能力、知识库等资源配合,实现变压器的快速可靠评估;③ 5G通信技术,具有低延时、低功耗等特点,能够将包括变压器介电响应在内的多维大容量数据快速准确地上传到平台层,是实现变电站变压器等电力设备高效运维管理的关键技术。

同时,目前在基于介电响应特性的绝缘状态评估方面仍存在以下挑战：① 数据质量问题,由于目前介电响应测量方法在测量过程中仍然存在一定的误差,对介电响应的测量难以保证精准。这就需要对测量的数据展开质量评估和数据清理工作。另一方面,还要对介电响应测量技术展开更加深入的研究以提高测量准确性;② 介电响应特征的通用性,需要对实验室油纸绝缘样本和现场变压器展开试验,收集更多的试验数据,验证提取的介电响应特征量在不同运行环境,对不同变压器的绝缘状态定量评估中的可靠性和通用性;③ 人工智能算法的可解释性,大部分运用于智能融合的机器学习方法并不具有很好的可解释性和泛化能力,所以对变压器介电响应特征的融合要更多地考虑从机理层面的融合,而不只是简单的数据到状态的映射。另一方面,也需要研究更具解释性、鲁棒性、泛化能力的智能算法。

综上,在人工智能技术、电力物联网技术等的发展下,深入对油纸绝缘老化机理及介电弛豫理论的研究,实现基于变压器介电响应特性实现对其绝缘状态的定量评估是十分具有前景的,是未来实现变电站状态感知、可靠运维的关键技术之一。

7 结论

随着智能电网建设不断的扩张,对变压器可靠运行提出了更重要的要求,如何对变压器绝缘状态进行可靠评估显得十分关键。本文总结了近20年来基于介电响应特性方法在变压器油纸绝缘故障诊断中的研究工作进展,得出如下结论。

(1) 包括PDC、RVM、FDS在内的介电响应特性与变压器油纸绝缘状态、温度、油电导率等有着十分敏感的关系,目前已有大量的研究将变压器油纸绝缘介电响应特性应用于变压器绝缘状态的定性评估,取得了显著的成果,但在变压器绝缘老化、微水的定量评估方面还比较少。

(2) 在基于介电响应的变压器绝缘状态评估的特征提取方面,大多数的研究是针对介电响应测试曲线参量的提取。而在基于扩展Debye模型电路参数和修正介电驰豫模型的特征参量,同样与油纸绝缘的老化状态有着良好的映射。并且对于变压器油纸绝缘复合结构,通过多弛豫过程的物理模型来描述,具有更好的可解释性,在介电响应新特征参数的提取上有更广阔的前景。

(3) 在物联网技术和人工智能技术的发展下,如何实现变压器介电响应的快速精准测量,深层特征的有效提取和信息融合是未来变压器绝缘状态评估发展的重要方向。

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[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008,15(2):568-582.

DOI:10.1109/TDEI.2008.4483479      URL     [本文引用: 1]

刘捷丰, 廖瑞金, 吕彦冬, 等.

电力变压器油纸绝缘含水量定量评估的时域介电特征量

[J]. 电工技术学报, 2015,30(2):196-203.

URL     [本文引用: 1]

Kp与稳定极化电量Qp-5000。分析结果表明：特征量Kp与Qp-5000对纸板样品的含水量变化非常敏感。该特征量与纸板含水量存在指数函数关系。因此,Kp和Qp-5000可以用于变压器油纸绝缘含水量的定量评估。]]>

LIU Jiefeng, LIAO Ruijin, LÜ Yandong, et al.

Time domain dielectric characteristics for quantitative assessment of moisture content in transformer oil-paper insulation

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015,30(2):196-203.

[本文引用: 1]

SAHA T K, PURKAIT P.

Investigations of temperature effects on the dielectric response measurements of transformer oil-paper insulation system

[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008,23(1):252-260.

DOI:10.1109/TPWRD.2007.911123      URL     [本文引用: 2]

杨丽君, 齐超亮, 吕彦冬, 等.

热老化时间及测试温度对油纸绝缘时域介电特性的影响

[J]. 中国电机工程学报, 2013,33(31):162-169.

URL     [本文引用: 1]

为研究热老化时间及测试温度对油纸绝缘时域介电特性的影响,以及更好地应用时域介电响应技术评估变压器油纸绝缘老化状态,首先进行了不同热老化时间及不同测试温度下油纸绝缘绕组模型的极化/去极化电流(polarization and depolarization current,PDC)测试,然后通过扩展Debye模型实现时域介电测试技术间转换,深入研究了热老化时间及测试温度对时域介电特性及其特征参量的影响,最后提出运用时间及幅值平移因子构造电流标准主曲线以消除测试温度对时域介电特性影响的方法。结果表明：油纸绝缘时域介电特性及特征参量受热老化时间及测试温度影响较大；在应用时域介电响应技术评估变压器油纸绝缘状态时,必须考虑测试温度的影响,否则将导致评估结果失实；通过本文方法绘制的电流标准主曲线不仅能消除测试温度对时域介电特性的影响,还能实现在不额外延长实际测试时间的前提下,获得更多反映油纸绝缘状态的时域介电响应信息,并通过实验验证该方法的有效性。

YANG Lijun, QI Chaoliang, LÜ Yandong, et al.

Study on influences of thermal aging time and testing temperatures on time-domain dielectric characteristics of oil-paper insulation

[J]. Proceedings of the CSEE, 2013,33(31):162-169.

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FRIMPONG G, GAFVERT U, FUHR J.

Measurement and modeling of dielectric response of composite oil/paper insulation

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SAHA T K, DARVENIZA M, HILL D J T, et al.

Electrical and chemical diagnostics of transformers insulation-Part A:Aged transformer samples

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DOI:10.1109/61.634174      URL     [本文引用: 1]

OSVATH P, ZAHN H.

Polarisation spectrum analysis for diagnosis of oil/paper insulation systems

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BOGNAR A, KALOCSAI L, CSEPES G.

Diagnostic tests of high voltage oil-paper insulating systems(in particular transformer insulation)using DC dielectrometrics

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HASSAN O, BORSI H, GOCKENBACH E, et al.

Diagnostic of insulation condition of oil impregnated paper insulation systems with return voltage measurements

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彭华东, 董明, 刘媛, 等.

回复电压法用于变压器油纸绝缘老化状态评估

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PENG Huadong, DONG Ming, LIU Yuan, et al.

Transformer oil-paper insulation ageing condition assessment using return voltage measurements

[J]. Power System and Clean Energy, 2012,28(9):6-12.

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JADAV R, EKANAYAKE C, SAHA T K.

Understanding the impact of moisture and ageing of transformer insulation on frequency domain spectroscopy

[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014,21(1):369-379.

DOI:10.1109/TDEI.2013.003984      URL     [本文引用: 1]

Moisture is one of the most significant parameters that can accelerate ageing in paper/pressboard insulation. In order to understand the impact of moisture and ageing on Frequency Domain Spectroscopy (FDS) measurements, oil impregnated pressboard samples of different moisture contents are prepared and aged at 105 degrees C temperature. FDS measurements on pressboard samples are carried out at different ageing time. Other measurements such as moisture, degree of polymerization (DP), Furan and Dissolved Gas Analysis (DGA) are also performed on oil and pressboard samples. It is observed that FDS measurements on pressboard samples are mostly influenced by the moisture contents. Several other pressboard samples are prepared under different conditions to determine how FDS measurements are affected by moisture, aged oil and ageing of pressboard sample considering each of the parameter individually as well as in different combinations. Results suggest that FDS measurements are sensitive to the change in moisture, ageing products and ageing of pressboard (DP) sample. However, impact of ageing products and ageing of pressboard sample (DP) on FDS measurements are smaller in comparison to moisture.

LIAO Ruijin, LIU Jiefeng, YANG Lijun, et al.

Quantitative analysis of insulation condition of oil-paper insulation based on frequency domain spectroscopy

[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015,22(1):322-334.

DOI:10.1109/TDEI.2014.004490      URL     [本文引用: 2]

BLENNOW J, EKANAYAKE C, WALCZAK K, et al.

Field experiences with measurements of dielectric response in frequency domain for power transformer diagnostics

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LINHJELL D, LUNDGAARD L, GAFVERT U.

Dielectric response of mineral oil impregnated cellulose and the impact of aging

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EKANAYAKE C, GUBANSKI S M, GRACZKOWSKI A, et al.

Frequency response of oil impregnated pressboard and paper samples for estimating moisture in transformer insulation

[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006,21(3):1309-1317.

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杨丽君, 齐超亮, 吕彦冬, 等.

变压器油纸绝缘状态的频域介电谱特征参量及评估方法

[J]. 电工技术学报, 2015,30(1):212-219.

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δ为特征参量,以区分水分和老化状态影响的评估方法,并初步给出了各参量与水分含量和老化状态的定量拟合公式。结果表明,tanδ在10-3~102Hz范围内随油纸绝缘水分含量增加而增大,而老化程度增加仅影响其在10-3~10-1Hz范围内的值;不同频率点对应的tanδ值与水分含量和绝缘纸聚合度的拟合曲线呈现指数函数关系。应用该研究方法对一台现场运行的电力变压器主绝缘绝缘纸的水分含量和聚合度值进行评估,初步验证了该方法的有效性。]]>

YANG Lijun, QI Chaoliang, LÜ Yandong, et al.

Characteristic parameters and assessment methods of frequency-domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation for transformers

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015,30(1):212-219.

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YEW J H, PRADHAN M K, SAHA T K.

Effects of moisture and temperature on the frequency domain spectroscopy analysis of power transformer insulation

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LUNDGAARD L E, LINHJELL D, HESTAD O L, et al.

High frequency dielectric response of paper/oil insulation

[C]// 2008 IEEE International Conference on Dielectric Liquids,June 30-July 3,2008,Futuroscope-Chasseneuil. Piscataway:IEEE, 2008: 1-4.

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MENG F B, LI W D, ZHAO A X, et al.

Development of time and frequency domain dielectric response testing device for power apparatus insulation

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郝建, 程佳路, 戴锡泽, 等.

电力设备高电压时/频域介电响应特性测量系统及方法:中国,CN202010129629.1

[P]. 2020-05-29.

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HAO Jian, CHENG Jialu, DAI Xize, et al.

High voltage time/frequency domain dielectric response measurement system and method for power equipment:China,CN202010129629.1

[P] 2020-05-29.

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周利军, 叶果, 刘栋财, 等.

基于复合频率激励的低频介电响应快速测试方法

[J]. 高电压技术, 2016,42(11):3548-3553.

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ZHOU Lijun, YE Guo, LIU Dongcai, et al.

Rapid testing method of low frequency dielectric response based on multiple frequency excitation

[J]. High Voltage Engineering, 2016,42(11):3548-3553.

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YANG X, NIELSEN S, LEDWICH G.

Frequency domain spectroscopy measurements of oil-paper insulation for energized transformers

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张璐, 李洋, 吴经锋, 等.

无源式频域介电谱在线测量分析系统及方法:中国,CN201910411814.7

[P]. 2019-09-03.

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ZHANG Lu, LI Yang, WU Jingfeng, et al.

Passive on line measurement and analysis system and method of frequency domain dielectric spectrum:China,CN201910411814.7

[P]. 2019-09-03.

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穆海宝, 赵浩翔, 詹江杨, 等.

一种基于变压器内置油纸绝缘试样介电响应特性的变压器内水分测量系统:中国,CN201810327879.9

[P]. 2018-09-28.

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MU Haibao, ZHAO Haoxiang, ZHAN Jiangyang, et al.

A moisture measurement system in transformer based on dielectric response characteristics of oil paper insulation sample in transformer:China,CN201810327879.9

[P]. 2018-09-28.

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SAHA T K, PURKAIT P, MULLER F.

Deriving an equivalent circuit of transformers insulation for understanding the dielectric response measurements

[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005,20(1):149-157.

DOI:10.1109/TPWRD.2004.835436      URL     [本文引用: 1]

廖瑞金, 郝建, 杨丽君, 等.

变压器油纸绝缘频域介电谱特性的仿真与实验研究

[J]. 中国电机工程学报, 2010,30(22):113-119.

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变压器油纸绝缘是一种复合电介质，油纸绝缘的老化会引起油纸绝缘体系介电特性的变化。为研究油纸绝缘频域介电谱特性参数与油纸绝缘复合电介质极化过程的关系，以及更好地将频域介电谱技术用于变压器老化状态无损诊断，通过变压器油纸绝缘扩展Debye等效电路模型仿真了绝缘电阻、几何电容以及时间常数分支电路参数的变化对油纸绝缘系统复电容频域介电谱的影响规律，通过频域介电谱实验研究了油纸绝缘系统的复相对介电常数、复电容、介损等参数与油纸绝缘状态和测试温度的关系，并根据电介质极化理论深入分析了油纸绝缘极化参数随频率和温度变化的规律。结果表明，频域介电谱法既可准确评估绝缘纸含水量和油纸绝缘试品老化程度，又能反映油纸绝缘试品的介电性能；用频域介电谱法评估油纸绝缘状态要保证测试温度的同一性。

LIAO Ruijin, HAO Jian, YANG Lijun, et al.

Simulation and experimental study on frequency-domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation for transformers

[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(22):113-119.

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汤明杰, 雷敏, 白帆, 等.

采用向量匹配法的油纸绝缘系统扩展Debye模型参数识别

[J]. 高电压技术, 2014,40(2):548-556.

[本文引用: 2]

TANG Mingjie, LEI Min, BAI Fan, et al.

Parameter identification based on vector fitting method for extended Debye model of oil-paper insulation system

[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(2):548-556.

[本文引用: 2]

吴广宁, 宋臻杰, 辛东立.

基于扩展Debye模型仿真的回复电压特征量分析

[J]. 高压电器, 2017,53(1):8-13.

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WU Guangning, SONG Zhenjie, XIN Dongli.

Analysis of RVM characteristics based on the extended Debye model simulation

[J]. High Voltage Apparatus, 2017,53(1):8-13.

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杜林, 杨峰, 蔚超, 等.

基于频域介电谱的油纸绝缘宽频等效模型参数辨识研究

[J]. 电工技术学报, 2018,33(5):1158-1166.

[本文引用: 1]

DU Lin, YANG Feng, WEI Chao, et al.

Parameter identification of the wide-band model of oil-impregnated paper insulation using frequency domain spectroscopy

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018,33(5):1158-1166.

[本文引用: 1]

高竣, 廖瑞金, 王有元, 等.

基于扩展Debye模型的变压器油纸绝缘老化特征量研究

[J]. 电工技术学报, 2016,31(4):211-217.

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GAO Jun, LIAO Ruijin, WANG Youyuan, et al.

Ageing characteristic quantities of oil-paper insulation for transformers based on extended Debye model

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016,31(4):211-217.

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唐盼, 尹毅, 吴建东, 等.

基于去极化电流法的变压器油纸绝缘状态

[J]. 电工电能新技术, 2012,31(4):39-42,47.

[本文引用: 1]

TANG Pan, YIN Yi, WU Jiandong, et al.

Study of oil-paper insulated transformers aging state based on depolarization current measurements

[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2012,31(4):39-42,47.

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蔡金锭, 林智勇, 蔡嘉.

基于等效电路参数的变压器油中糠醛含量判别法研究

[J]. 仪器仪表学报, 2016,37(3):706-713.

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CAI Jinding, LIN Zhiyong, CAI Jia.

Study on the discrimination method of furfural content in transformer oil based on equivalent circuit parameters

[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2016,37(3):706-713.

[本文引用: 1]

杜林, 冉鹂蔓, 蔚超, 等.

基于扩展德拜模型的油纸绝缘受潮频域特征量研究

[J]. 电工技术学报, 2018,33(13):3051-3058.

[本文引用: 1]

DU Lin, RAN Liman, WEI Chao, et al.

Study on frequency domain characteristics of moisture in oil-paper insulation based on extended Debye model

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018,33(13):3051-3058.

[本文引用: 1]

ZHENG Yiming, WANG Zanji.

Study on broadband loss characteristics of oil-immersed papers for fast transient modeling of power transformer

[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013,20(2):564-570.

URL     [本文引用: 2]

In order to complete the broadband simulation model of power transformer, and establish a systematic and complete model for studying fast transient interaction between transformer and power system, the frequency dependent characteristics of dielectric losses in power transformer were investigated. Several typical insulation structures in power transformers were considered and measuring techniques determined to study the dielectric losses. Frequency dependent dielectric losses in the range of 10-10(7) Hz were measured by a dielectric spectroscopy analyzer produced by Novocontrol. The characteristics of insulating papers and pressboard measured in the air and after immersing in the mineral oil were compared. Based on the dielectric relaxation theory, the number of dielectric relaxation was determined according to the measured data, and four typical model functions were adopted to fit the data and the consistency of fitting by these functions were compared and physical explanations of fitting parameters were described. Finally, a quantitative description of frequency dependent characteristics of insulation losses was proposed for improving the transformer simulation model.

董明, 刘媛, 任明, 等.

油纸绝缘频域介电谱解释方法研究

[J]. 中国电机工程学报, 2015,35(4):1002-1008.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.04.030      URL     [本文引用: 1]

为了探索频域介电谱测试结果的解释方法,提升其应用于油纸复合绝缘状态无损检测效果,在深入研究频域介电响应理论的基础上,首先在实验室内构建了油纸绝缘频域介电谱试验平台,然后分析了电导及极化损耗的机制及特性,重点讨论了复介电常数与电场频率之间的关系,提取了典型损耗特性规律,并建立了基于电导及极化损耗模型的频域介电谱理论解释方法。研究表明：复介电常数谱在低频段的特征主要因电导损耗作用所致,可用Dyre模型解释;在高频段的特征主要是因极化损耗作用所致,可用H-N模型解释;而中频段特征则是因电导及极化损耗共同作用所致,可用两种理论模型联合解释。通过该方法可获得复介电常数重构曲线,其与频域介电谱实测曲线具有良好的一致性。所提出的频域介电谱解释方法依据FDS测试结果对油浸纸板复介电常数谱进行分析与拟合,分别获得了电导为主、极化为主的损耗与电场频率之间的统计函数关系,可进一步应用于介电响应特征参数提取,从而为油纸绝缘状态定量评估奠定一定的理论基础。

DONG Ming, LIU Yuan, REN Ming, et al.

Explanation study of frequency-domain dielectric spectroscopy for oil-paper insulation system

[J]. Proceedings of the CSEE, 2015,35(4):1002-1008.

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WOLNY S, ADAMOWICZ A, LEPICH M.

Influence of temperature and moisture level in paper-oil insulation on the parameters of the Cole-Cole model

[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014,29(1):246-250.

DOI:10.1109/TPWRD.2013.2270917      URL     [本文引用: 1]

The paper presents results of a laboratory study on the effect of temperature and moisture level of paper-oil insulation on the parameters of the Cole-Cole model. It also discusses how to determine the values of coefficient alpha and time constant tau (parameters of the Cole-Cole model) of the characteristics resulting from the experimental frequency spectroscopy method (FDS) of paper-oil insulation.

杨丽君, 高思航, 高竣, 等.

油纸绝缘频域介电谱的修正Cole-Cole模型特征参量提取及水分含量评估方法

[J]. 电工技术学报, 2016,31(10):26-33.

[本文引用: 1]

YANG Lijun, GAO Sihang, GAO Jun, et al.

Characteristic parameters extracted from modified Cole-Cole model and moisture content assessment methods study on frequency-domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016,31(10):26-33.

[本文引用: 1]

刘骥, 尹梦涵, 李秀婧, 等.

油纸绝缘老化评估的Davidson-Cole模型参数提取方法

[J]. 电机与控制学报, 2017,21(3):63-70.

[本文引用: 1]

LIU Ji, YIN Menghan, LI Xiujing, et al.

Parameters extraction of Davidson-Cole model on aging assessment of oil-paper insulation

[J]. Electric Machines and Control, 2017,21(3):63-70.

[本文引用: 1]

董明, 刘媛, 任明, 等.

油纸绝缘频域介电谱特征参数提取及绝缘状态相关性研究

[J]. 中国电机工程学报, 2015,35(23):6246-6253.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.033      URL     [本文引用: 1]

ε*-f曲线与基于油浸纸板介电响应函数的拟合曲线在整个频段内具有良好的一致性;介电响应函数模型中的参数直流电导率σ0能够表征油浸纸板中的含水量m,σ0与m之间具有指数关系;参数α、β以及τ能够表征油浸纸板老化程度,其中,参数α和τ与老化时间t之间存在线性关系,而参数β与老化时间t之间具有指数关系;随着油浸纸板含水量的增加,油纸绝缘系统ε''值在全频段都增大,而随着纸板老化程度加深,ε''值只有在f<0.01 Hz和1Hz<f<100Hz范围内增大。]]>

DONG Ming, LIU Yuan, REN Ming, et al.

Study of characteristic parameter extraction and insulation condition correlation of frequency-domain dielectric spectroscopy for oil-paper insulation systems

[J]. Proceedings of the CSEE, 2015,35(23):6246-6253.

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刘庆珍, 张晓燕, 蔡金锭.

基于多元模糊联系度模型的变压器油纸绝缘老化评价

[J]. 高压电器, 2020,56(5):47-54.

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LIU Qingzhen, ZHANG Xiaoyan, CAI Jinding.

Aging state evaluation of oil-paper insulation transformer based on multivariate fuzzy relation degree model

[J]. High Voltage Apparatus, 2020,56(5):47-54.

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LIU Jiefeng, ZHENG Hanbo, ZHANG Yiyi, et al.

Grey relational analysis for insulation condition assessment of power transformers based upon conventional dielectric response measurement

[J]. Energies, 2017,10(10):1526.

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吴晋媛, 夏国强, 李通, 等.

基于时域介电法和动态贝叶斯网络的变压器油纸绝缘老化状态评估

[J]. 高压电器, 2019,55(10):196-203.

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WU Jinyuan, XIA Guoqiang, LI Tong, et al.

Assessment of aging state of transformer oil-paper insulation based on time domain dielectric method and dynamic bayesian network

[J]. High Voltage Apparatus, 2019,55(10):196-203.

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廖瑞金, 孟繁津, 周年荣, 等.

基于集对分析和证据理论融合的变压器内绝缘状态评估方法

[J]. 高电压技术, 2014,40(2):474-481.

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LIAO Ruijin, MENG Fanjin, ZHOU Nianrong, et al.

Assessment strategy for inner insulation condition of power transformer based on set-pair analysis and evidential reasoning decision-making

[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(2):474-481.

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阮羚, 谢齐家, 高胜友, 等.

人工神经网络和信息融合技术在变压器状态评估中的应用

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RUAN Ling, XIE Qijia, GAO Shengyou, et al.

Application of artificial neural network and information fusion technology in power transformer condition assessment

[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(3):822-828.

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廖瑞金, 张镱议, 黄飞龙, 等.

基于可拓分析法的电力变压器本体绝缘状态评估

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LIAO Ruijin, ZHANG Yiyi, HUANG Feilong, et al.

Power transformer condition assessment strategy using matter element analysis

[J]. High Voltage Engineering, 2012,38(3):521-526.

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孙莹, 高贺, 李可军, 等.

基于多时段信息融合的配电变压器运行状态评估模型

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SUN Ying, GAO He, LI Kejun, et al.

Condition assessment model of distribution transformer based on multi-period information fusion

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齐波, 张鹏, 荣智海, 等.

基于数据驱动和多判据融合的油色谱监测传感器有效性评估方法

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QI Bo, ZHANG Peng, RONG Zhihai, et al.

Validity assessment method of dga sensors based on data driven and multiple criterion integration

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周湶, 王时征, 廖瑞金, 等.

基于AdaBoost优化云理论的变压器故障诊断方法

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ZHOU Quan, WANG Shizheng, LIAO Ruijin, et al.

Power transformer fault diagnosis method based on cloud model of AdaBoost algorithm

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输变电设备智能化运维系统研究与应用

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