基于X-Y模型预测油纸绝缘系统低频段介电特性
变压器油纸绝缘系统低频介电参数方程
变压器油纸绝缘系统低频介电参数方程
王 东 阳 周 利 军 陈 雪 骄 刘 伟 迪 王 路 伽
(西 南 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院 成 都 610031)
摘 要 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 ，
Complex Relative Permittivity Expressions of Oil-Paper Insulation for Low Frequency Domain Dielectric Response
W ang D o ngyang Z h o u L iju n Chen X u e jia o L iu W e id i W a n g L u jia
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 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。
( C o llege o f E le c tr ic a l E n g in e e rin g
基于介电响应的油纸绝缘寿命预测方法
Vol. 25 No. 2Feb. 2021第25卷第2期2021年2月电机与控制学报 Electric Machines and Control基于介电响应的油纸绝缘寿命预测方法刘骥吕佳璐-张明泽池明赫V,齐朋帅I,陈昕'(1.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室，哈尔滨150080；2.哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培育基地，哈尔滨150080,3.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨150090)摘要：油纸绝缘是油浸式电力变压器的重要组成部分，其绝缘寿命受热老化因素影响很大。
因 此,针对不同温度、不同含水率下的油浸纸板的寿命预测问题进行分析，提出一种应用平移因子和 纤维素反应二阶动力学方程预测不同温度、不同含水率下的油浸纸板寿命的方法。
首先，针对不同 含水率的油浸纸板进行变温介电谱测试和130 V.条件下的加速老化试验;其次，依据频温叠加的基 本原理，将所测的介电损耗曲线进行计算平移，得到相应含水率油浸纸板的平移因子，根据平移因 子计算相应油浸纸板的活化能，并得出油浸纸板含水率与活化能的关系式，重新构造平移因子表达 式；最后，将130七下测得的老化试验数据和平移因子代入纤维素反应二阶动力学方程，使得该模 型可以计算不同温度、不同含水率下的油纸绝缘老化寿命。
关键词：油纸绝缘;含水率;二阶动力学方程;频温平移；寿命预测DOI ：10. 15938/j. emc. 2021.02.010 中图分类号:TM 85 文献标志码:A 文章编号：1007-449X(2021 )02-0082-08Method for predicting lifetime of oil-paper insulationbased on dielectric responseLIU Ji 1'2, LU Jia-lu 1, ZHANG Ming-ze 1'2, CHI Ming-he 1'2, QI Peng-shuai 1, CHEN Xin 3(1. Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application , Ministry of Education , Harbin University of Science and Technology , Harbin 150080, China ； 2. State Key Laboratory Breeding Base of Dielectrics Engineering , Harbin University of Science and Technology , Harbin 150080, China ； 3. Heilongjiang Electric Power Research Institute , Harbin 150090, China)Abstract : Oil paper insulation is an important part of the oil immersed power transformer , and its insula tion life is mainly affected by thermal aging ・ Therefore , this paper analyzes the life prediction of oil-im pregnated pressboard under different temperatures and moisture contents , and proposes a method to pre dict the life of oil impregnated paperboard under different temperatures and moisture contents by using translation factor and cellulose reaction second-order kinetic equation. Firstly , oil -impregnated pressboardwith different moisture content to variable temperature dielectric spectrum test and 130 °C under the con dition of accelerated aging test were carried out. Secondly , according to the basic idea of frequency tem perature superposition , the measured dielectric loss curve was calculated for translation , then the transla tion factor of oil-impregnated pressboard was obtained ・ According to the translation factor , the activationenergy of the corresponding oil-impregnated pressboard was calculated and the algebraic relationship was收稿日期：2018 -05 -14基金项目：国家重点研发计划(2017YFB0902705)作者简介：刘 骥(1972—),男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘诊断技术寿命评价和应用；吕佳璐(1994—),女，硕士，研究方向为变压器油纸绝缘老化状态检测与寿命评估； 张明泽(1992—),男，博士，讲师，研究方向为高压电器绝缘诊斷和无线电能传输应用； 池明赫(1985—),男，博士，讲师，研究方向为高压电器绝缘诊斷；齐朋帅(1994—),男，硕士，研究方向为油纸绝缘状态评估； 陈 昕(1992—),女，硕士，研究方向为电力电缆检测与状态评价。
基于介电响应技术的变压器油纸绝缘含水率数值评估方法
基于介电响应技术的变压器油纸绝缘含水率数值评估方法张明泽;刘骥;齐朋帅;陈庆国;廖俐琳;陈昕【摘要】变压器绝缘纸板中的含水率是评估变压器内部绝缘老化的重要指标,为了运用介电响应技术测量变压器绝缘纸板含水率,首先对变压器XY等效模型及复合介质介电常数算法进行理论推导,得到绝缘纸板中含水率与XY等效模型介质损耗因数之间的关系,同时结合实验测试数据与频温叠加的基本思想,得出关于纯新油浸纸板复介电常数实部、虚部的具体表达式,将其代入绝缘纸板含水率与损耗因数的关系式中,得到迭代拟合算法.为进一步验证上述含水率拟合算法有效性,现阶段本文在实验室条件下制备了三种不同比例的XY等效模型,在不同温度条件下进行模型损耗因数测试,应用IDAX?300绝缘纸板含水率测试软件与本文迭代算法对测试结果分别进行拟合计算,发现试验中本文迭代拟合算法计算含水率平均误差为4.83％.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)018【总页数】11页(P4397-4407)【关键词】油纸绝缘;含水率;XY等效模型;介电响应;定量评估【作者】张明泽;刘骥;齐朋帅;陈庆国;廖俐琳;陈昕【作者单位】哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培育基地,哈尔滨 150080;黑龙江电力科学研究院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TM85变压器是电网运行中的重要设备之一，其出现严重事故不仅会导致自身损坏，还会中断电力供应，故变压器的安全稳定运行是供电安全可靠的重要保障[1,2]。
变压器处于工作状态时，外部潮气的进入会使内部含水率大大升高，加速内绝缘老化，绝缘纸板聚合度进一步下降，绝缘性能削弱。
油纸绝缘频域介电谱影响因素研究
油纸绝缘频域介电谱影响因素研究
彭华东;董明;吴雪舟;缪金;李洪杰;邓维;刘卫东
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2013(49)1
【摘要】作为一种新型的、非破坏性的试验方法,频域介电谱技术正广泛应用于油纸绝缘型绝缘诊断和评估。
但在现场测试时发现,这种方法易受温度、空间电场等干扰因素的影响,从而给设备的绝缘诊断带来困难。
为了提高频域介电谱用于油纸绝缘诊断的可靠性和准确性,笔者基于变压器等效XY模型在实验室内制备了典型的油纸绝缘试品,并在控制温度和试品状态的情况下,研究了温度、接线方式和绝缘结构对频域谱的影响规律。
结果表明,3因素都对频域谱有特征性的影响,在实际测试中可通过温度校正、合理接线等方式排除这些因素的影响。
【总页数】7页(P6-12)
【关键词】油纸绝缘;状态诊断;介电响应;频域介电谱;影响因素
【作者】彭华东;董明;吴雪舟;缪金;李洪杰;邓维;刘卫东
【作者单位】西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室;湖南省电力公司超高压管理局
【正文语种】中文
【中图分类】TM855
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基于脱陷电流时域谱的变压器油纸绝缘老化特性研究
第28卷㊀第5期2023年10月㊀哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY㊀Vol.28No.5Oct.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀基于脱陷电流时域谱的变压器油纸绝缘老化特性研究刘贺千1,㊀孟繁昊2,㊀张㊀健1,㊀陈世玉1,㊀王㊀磊1,㊀许敏虎1,㊀张明泽2(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院,哈尔滨150030;2.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨150080)摘㊀要:变压器的稳定运行是维护电网安全的重要保证,准确评估变压器油纸绝缘的绝缘状态至关重要㊂本文制备了变压器油纸绝缘等效模型,并在不同温度下对老化变压器油纸绝缘等效模型的极化去极化电流进行测试,同时计算得到相应测试温度下油纸绝缘脱陷电流曲线㊂根据计算结果发现,测试温度越高,脱陷电流的松弛时间越小;随着测试温度升高㊁油纸绝缘老化程度增加,脱陷电流的时域介电谱曲线峰值出现的时间变大,其主松弛峰值㊁松弛时间常数也逐渐增大㊂为合理计算变压器油纸绝缘老化程度,本文建立了脱陷电流时域介电谱主峰值松弛时间与油纸绝缘聚合度的定量表征关系,可准确评估变压器油纸绝缘内绝缘的老化程度㊂关键词:油纸绝缘;时域介电响应;极化去极化电流;微分时域介电谱DOI :10.15938/j.jhust.2023.05.004中图分类号:TM855文献标志码:A文章编号:1007-2683(2023)05-0027-07Evaluation Method of Aging State of Oil-Paper InsulationBased on Isothermal Decay CurrentLIU Heqian 1,㊀MENG Fanhao 2,㊀ZHANG Jian 1,㊀CHEN Shiyu 1,㊀WANG Lei 1,㊀XU Minhu 1,㊀ZHANG Mingze 2(1.Electric Power Research Institute,State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited,Harbin 150030,China;2.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application,Ministry of Education,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract :The stable operation of the transformer is an important guarantee for maintaining the safety of the power grid.It is veryimportant to accurately assess the insulation state of oil-paper insulation of transformer.In this paper,the equivalent model of transformer oil-paper insulation was prepared,and the polarization depolarization current of the equivalent model of aging transformer oil-paper insulation was tested at different temperatures.Meanwhile,the current curves of oil-paper insulation at the corresponding testtemperature was calculated.According to the calculation results,it is found that the higher the test temperature,the smaller the relaxation time of the isothermal relaxation current is.With the increase of test temperature and oil-paper insulation aging,the time for the peak value of time domain dielectric spectrum curve of the trap current to appear becomes longer,and its main relaxation peak value and relaxation time constant also gradually increase.To reasonably calculate the aging for oil-paper insulation of transformers,this paper establishes the calculation equation of main peak relaxation time and cellulose oil-impregnated pressboard cellulose,which can reasonably assess the aging of oil-paper insulation in transformer.Keywords :Oil-paper insulation;Time domain dielectric response;Isothermal relaxation current;Differential Time Domain Dielectric Spectroscopy㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-06-16基金项目:国网黑龙江省电力有限公司科技项目(52243722000M);国家自然科学基金(51977051).作者简介:刘贺千(1989 ),男,博士,高级工程师;孟繁昊(1997 ),男,硕士研究生.通信作者:张明泽(1992 ),男,讲师,硕士研究生导师,E-mail:zhangmingze@.0㊀引㊀言油浸式电力变压器是电网中电能传输的重要电力设备之一,其安全稳定运行是电网稳定的关键,现阶段,我国有较多变压器的赋役年限超过了30年,内部绝缘由于温度㊁电压㊁外部环境等因素的共同作用,使得其内部油纸绝缘老化速率加快,部分变压器已经到达了使用年限,因此如何准确的判断油纸绝缘的老化程度成为研究的热点[1-3]㊂针对油纸绝缘时域介电响应分析为主的分析概括为以下几个方面:①研究了外施电压[4]㊁测试温度[5]㊁极化时间[4]㊁油纸绝缘老化程度[6]㊁绝缘纸板含水率[4]㊁变压器油电导率[7]㊁油纸绝缘几何结构[4]等因素对极化去极化电流的影响;同时可以利用时温平移㊁幅值平移等理论,进行极化去极化电流的平移归算,可以消除温度的影响[8],并根据利用极化去极化电量对油纸绝缘老化程度等进行了定量研究[9];②应用时域微分解谱[10](一次微分㊁二次微分)的方法对极化去极化电流进行分析,通过微分子谱线参数可辨识得到弛豫支路数及相应元件参数,利用小波分析方法[11]可以得到微分后时域介电谱的极化类型㊁极化响应时间㊁极化响应速度与油纸绝缘老化程度的定量关系;③基于Debye模型为理论研究基础,对去极化电流进行多条支路拟合计算,分析不同极化支路参数对极化去极化电流的影响,寻找最大/最小极化支路的松弛时间㊁电阻㊁电容值与油纸绝缘老化时间㊁纸板含水率的定量关系[12]㊂雷清泉提出在等温条件下热释放产生的衰减电流,以及在线性升温条件下,由这些载流子热释放产生的热激电流或其他类似的热激松弛过程,介质内部陷阱对载流子运输机理将会产生影响[13]㊂D.Mishra等根据极化和去极化电流曲线计算得出脱陷电流的变化曲线,获得了变压器油㊁纸电导率与松弛时间常数的表征关系,建立了绝缘纸板含水率㊁介电损耗因数与归一化后的脱陷电荷量的关系方程[14]㊂蔡金锭等根据介电响应和陷阱理论,提出绘制去极化陷阱密度谱,并从中提取峰值大小S max和峰值时间常数T max这两个新特征量,用以评估变压器油纸绝缘老化状态,但其未进行去电子俘获电流与偶极子转向松弛进行区分,使得去极化陷阱密度谱计算值偏大[15]㊂由于单一的油纸绝缘材料的脱陷电流变化不大,其未考虑油纸界面处空间电荷对其脱陷电流的影响,基于此本文考虑实际变压器结构,以变压器等效XY模型为研究对象,进行了模型的加速热老化试验,在不同老化天数时进行了不同温度的极化和去极化电流测试,并得到了脱陷电流变化规律;其次针对不同老化程度脱陷电流时域介电谱进行拟合分析,建立了油浸纸板聚合度与弛豫活化能的表征方程;最后本文以油纸绝缘脱陷电流时域介电谱的主松弛时间为老化依据,实现对油纸绝缘老化状态的评估㊂1㊀时域介电响应理论计算理想情况下,极化去极化电流PDC(polarization and depolarization current,PDC)反映了介质的缓慢极化过程,极化电流由3部分组成:电导电流㊁位移极化引起的瞬时充电电流和松弛极化引起的吸收电流,可表示为:i pol(t)=C0U0[σ0ε+εɕδ(t)-f(t)](1)式中:U0为外加直流电压,V;C0为电极间的几何电容,F;σ0为介质的直流电导率,s/m;ε0为真空相对介电常数,8.854ˑ10-12F/m;εɕ为光频介电常数;δ(t)为冲击函数;f(t)为反映慢极化行为的响应函数;当加压一段时间(t p)后将介质短接,在介质内部有去极化电流产生,去极化电流与极化电流方向相反,表示为:i depol(t)=-C0U0[f(t-t p)-f(t)](2)随着变压器油纸绝缘老化程度不断加深,油纸绝缘内部缺陷逐渐产生,其内部缺陷形成能量水平处于禁带的局域态,即载流子陷阱,油纸绝缘老化后介质内部电荷的入陷和脱陷的过程在极化和去极化过程中均有表现[13]㊂传统Debye模型提供了变压器绝缘的线性介电模型,其假设极化电流是由于油纸绝缘内部的松弛极化电流和传导电流形成的,而去极化只存在松弛极化过程㊂然而根据实际测试结果发现极化和去极化电流差并非一成不变,而是随着时间逐渐衰减至稳定值,这表明极化和去极化过程中的弛豫行为存在一定的 不对称性 ㊂在一定测试温度下,根据极化电流和去极化电流的数值关系,从去极化过程中分离出逐渐衰减的去极化电流,即脱陷电流可表示为:i depol(t)=i d(depol)(t)+i de-(trap)(t)(3)82哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀式中:i depol (t )为去极化电流;i d(depol)(t )为材料去极化过程中的松弛电流;i de -(trap)(t )为脱陷电流㊂由于介质在极化与去极化过程中偶极子的转向松弛极化行为基本相同,因此:i d(pol)(t )=i d(depol)(t )(4)式中i d(pol)(t )为极化电流㊂结合式(1)㊁(3)㊁(4)可以计算不同测试环境下的油纸绝缘极化去极化电流曲线㊂相对于极化和去极化电流,常用于聚合物测试中表征材料的极化行为的时域介电谱TDDS (timedomain dielectric spectroscopy,TDDS)[16],波峰的峰值反映了该极化的极化强度,峰值时间常数反映了这种极化的响应速度,累计电荷量时域介电响应函数为:Q (t )=ðNn =1Q n -ðNn =1Q n exp[-(t /τn )αn ](5)由于传统的时域介电谱公式(5)为单调递减函数,不能从曲线中获取更多与极化过程有关的信息;此外,在时间t =0时,式(5)中的衰减函数会出现差异,因此在时域介电谱的基础上,发展了微分时域介电谱DTDS (differential time domain spectroscopy,OTDS)的方法,通过不同微分峰值进行极化行为的分析,微分时域介电响应函数为d Q (t )dln t =t d Q (t )d t=ðNn =1Q n αn (t /τn )αn exp[-(t /τn )αn ](6)式中:Q (t )极化电荷量,C;τn 不同极化支路的松弛时间,s;αn 支路形状参数,0.5ɤαn ɤ1㊂2㊀试验设计试验中可将上下试验电极等效为变压器高低压绕组,如图1所示,X 表示为高低压绕组间所有的隔板的体积分数;Y 表示为高低压绕组间所有撑条所占体积分数,其余1-X ㊁1-Y 表示为高低压绕组间的油隙的体积分数㊂图1㊀XY 模型等效示意图Fig.1㊀Equivalent diagram of transformer XY model主要分析变压器老化极化和去极化电流的变化规律,实验中制备XY 模型(X =50%,Y =30%)进行了130ħ加速热老化试验;分别在老化0天㊁10天㊁20天㊁30天时进行不同温度(30ħ㊁50ħ㊁70ħ)的极化和去极化电流测试(测试接线图如图2所示,电流采样选用静电计6517B),施加测试电压1000V,采用周期0.1s,极化去极化测试时间分别为3000s;对于老化后绝缘纸板进行聚合度测试(GBT 29305-2012‘新的和老化后的纤维素电气绝缘材料粘均聚合度的测量“)㊂图2㊀极化去极化电流测试接线图Fig.2㊀Principle diagram of polarization depolarizationcurrent measurement实验中选用克拉玛依45#变压器油㊁及魏德曼1mm 的纤维素绝缘纸板作为实验材料㊂其中,XY 模型的制备:将处理后的绝缘纸板制作成隔板尺寸130mm ˑ130mm ˑ1mm㊁撑条尺寸130mm ˑ30mm ˑ1mm 的XY 模型,即XY 模型比例为X =50%㊁Y =30%,模型中油纸质量比为10ʒ1㊂在初始实验前,将制备好的绝缘纸板进行干燥处理,减少绝缘纸板中初始含水率对纸板老化速率产生的影响㊂3㊀分析和讨论3.1㊀不同温度极化去极化电流测试结果分析不同测试温度下极化和去极化电流测试曲线如图3所示㊂对比3组不同测试温度下电流曲线可知,测试温度越高,初始电流值越大,对于油纸绝缘模型而言,初始电流值主要与变压器油电导率有关,测试温度越高,变压器油电导率越大㊂当测试温度越高时,分子热运动增加,松弛时间减小,与热运动有关的松弛极化过程很快建立,因此各支路极化过程越快,极化电流越早达到稳定,同理在高温环境下,去极化电流的松弛过程衰减速率更快㊂当油纸绝缘老化程度增加后,油纸绝缘内部的92第5期刘贺千等:基于脱陷电流时域谱的变压器油纸绝缘老化特性研究高分子结构被破坏,介质对其内部极性分子的束缚能力减弱,同时在油纸绝缘老化过程中将产生大量的杂质粒子,极化分子数将明显增多,因此在上述两种因素的共同相互作用下老化后油纸绝缘的极化去极化电流曲线值显著增大㊂图3㊀不同测试温度下极化去极化电流曲线Fig.3㊀Polarization-depolarization current curveat different test temperature为合理计算不同测试温度下油纸绝缘脱陷电流,分别对不同测试温度下老化油纸绝缘模型的极化去极化电流采用式(3)㊁(4)进行计算㊂不同测试温度下老化油纸绝缘模型脱陷电流计算曲线如图4所示㊂图4㊀不同老化程度去极化松弛电流计算曲线Fig.4㊀Calculation curve of depolarization relaxationcurrent with different aging03哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀㊀㊀根据图3所示,30ħ测试温度下,不同老化程度油纸绝缘模型的去极化电流的松弛电流分量在测试周期内始终较极化电流内松弛电流分量大,此时可有效计算测试全周期内油纸绝缘的脱陷电流㊂此外,根据图4中各老化程度脱陷电流计算曲线可以发现,油纸绝缘老化越严重,其脱陷电流的松弛时间越长,其主要原因为纤维素纸板老化严重,分子链裂解严重,导致绝缘纸板内部缺陷数量增加㊂相比之下,当升温至50ħ测试时,去极化电流内松弛电流分量在测试前半周期内始终较极化电流的大,而在测试后半周期,脱陷电流衰减为0,两电流量值趋于相等㊂其主要原因为测试温度升高后,加快了介质内部载流子运动,脱陷电流的松弛时间相应减小㊂当测试温度升高为70ħ时,仅在前10s测试时间内存在脱陷电流,且与30ħ㊁50ħ测试曲线不同的是,油纸绝缘老化程度与脱陷电流的松弛时间无关,但油纸绝缘老化后其脱陷电流衰减速率却显著增加㊂3.2㊀不同温度时域介电谱曲线分析根据微分时域介电响应计算公式(6)对极化去极化电流时域介电谱曲线进行计算,如图5所示㊂图5㊀不同老化程度油纸绝缘模型时域介电谱曲线Fig.5㊀Time domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation model with different aging㊀㊀如曲线变化规律可知,随着测试油纸绝缘老化程度的增加,脱陷电流的时域介电谱曲线出现曲线峰值的位置逐渐向右移动,峰值逐渐增大,即老化后油纸绝缘内部陷阱数明显增多,脱陷电流增加;而测试温度升高时,出现脱陷电流的时间段显著减小,这主要是由于高温使得陷阱内电荷脱陷所需克服的势垒高度降低,加速了油纸绝缘陷阱中电荷的消散速度,使得测试阶段后期油纸绝缘极化㊁去极化过程中的松弛电流基本相同㊂文中选用双松弛峰支路拟合公式(6)对脱陷电流时域介电响应曲线曲线进行计算,提取双峰值支路极化电量及松弛时间参数,其中主松弛峰支路的松弛时间与电荷脱陷过程密切相关,因此可表征绝缘的老化程度,本文以30ħ测试温度下不同老化程度油纸绝缘测试结果为例,获得了油纸绝缘聚合度与主松弛时间的关系如图6所示㊂如图可知,主松弛峰时间常数与聚合度存在明显的指数关系,因此主松支路可表征油纸绝缘的老化程度㊂基于此,在实际对变压器进行测试时,可通13第5期刘贺千等:基于脱陷电流时域谱的变压器油纸绝缘老化特性研究过脱陷电流时域介电谱曲线中的主松弛时间常数的计算,间接得到了油纸绝缘的老化程度㊂图6㊀绝缘纸板聚合度与主松弛峰衰减时间常数拟合关系Fig.6㊀Fitting curve between polymerization degreeof oil-paper insulation and time constantof main relaxation peak4㊀结㊀论本文以变压器油纸绝缘等效的XY 模型为基础,在实验室环境下进行了不同老化程度的加速热老化试验,获得了不同测试温度下老化油纸绝缘模型的极化去极化电流以及聚合度等参量;同时通过老化后油纸绝缘脱陷电流时域介电谱的分析,得到主要结论如下:1)对于测试温度越高,脱陷电流的松弛时间越小;而油纸绝缘老化对脱陷电流的松弛时间影响与测试温度有关,测试温度较高时脱陷电流的松弛时间将保持不变㊂2)随着测试温度的升高㊁油纸绝缘老化程度的增加,脱陷电流的时域介电谱曲线出现曲线峰值的位置逐渐向右移动,主松弛峰值㊁松弛时间常数逐渐增大㊂本文现阶段仅考虑老化对极化去极化电流的影响,而暂未考虑水分㊁模型结构的影响㊂后续将进一步分析模型结构㊁水分不同时脱陷电流曲线衰减速率㊁初值变化规律,消除模型结构对测试结果的影响,并建立水分含量与油纸绝缘脱陷电流特征参数的定量关系㊂参考文献:[1]㊀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.DU Lin,RAN Liman,WEI Chao,et al.Study on Fre-quency Domain Characteristics of Moisture in Oil-Paper Insulation Based on Extended Debye Model [J].ransac-tions of China Electrotechnical Society,2018,33(13):3051.[2]㊀杨丽君,孙伟栋,李金忠,等.变压器油纸绝缘绕组过载条件下的热老化试验方法研究[J].电工技术学报,2018,33(3):609.YANG Lijun,SUN Weidong,WEI Chao,et al.Investi-gation of Thermal Aging Test Method for Transformer Oil-Paper Insulation under Over-Load Condition [J].Trans-actions of China Electrotechnical Society,2018,33(3):609.[3]㊀张明泽,刘骥,齐朋帅,等.基于介电响应技术的变压器油纸绝缘含水率数值评估方法[J].电工技术学报,2018,33(18):4397.ZHANG 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基于频域介电谱的变压器主绝缘状态评估方法应用
基于频域介电谱的变压器主绝缘状态评估方法应用摘要：本文阐述了X-Y 模型基本原理，利用 X-Y 模型建立了单层绝缘纸板与变压器主绝缘频域介电谱的联系，并给出变压器主绝缘水分含量与老化状态的现场评估方案，最后现场测试了实际变压器主绝缘系统的频域介电谱。
关键字：频域介电谱；变压器；主绝缘；状态评估0引言在变压器运行过程中，其内部油纸绝缘在电、热、机械应力作用下不断劣化，甚至丧失绝缘性能。
其中，绝缘油的劣化常用直流电导率、酸值等表征，绝缘纸的劣化最可靠的证据是聚合度。
绝缘油劣化后可通过换油或滤油处理恢复其绝缘性能，而绝缘纸的老化具有不可逆性，因此对变压器油纸绝缘状态评估的重点关注在绝缘纸板上。
1变压器主绝缘X-Y模型变压器主绝缘系统由一系列绝缘纸筒、油隙及对纸筒起支撑作用的撑条构成，如图1所示。
为了分析方便，常将主绝缘结构进行简化，将所有纸筒、油道和撑条分别集成，得到如图2所示的变压器主绝缘结构的简化模型。
其中，X 值为纸筒总厚度与高低压绕组间主绝缘厚度之比，Y值为撑条总宽度与高低压绕组间主绝缘平均周长之比。
对于不同几何结构的油浸式电力变压器，通常X值在0.2~0.5之间，Y值在 0.15~0.25之间。
图1变压器主绝缘结构图图2 变压器主绝缘结构简化X-Y模型X-Y模型能将变压器主绝缘系统总的频域介电谱与绝缘油和绝缘纸板各自的介电谱联系起来，同时又考虑了温度、几何结构等相关因素的影响，当某台变压器的X和Y值确定后，变压器主绝缘系统在温度T下的频域介电谱即可按照公式计算得到：其中，为主绝缘系统总的复介电常数频域谱；为矿物绝缘油的复介电常数频域谱；为绝缘纸板的复介电常数频域谱；为绝缘油在温度为T时的直流电导率；为真空介电常数，=8.85×10-12F/m。
2变压器主绝缘状态评估方案首先，利用介电响应测试设备IDAX-300测得变压器主绝缘在温度为T时的复电容频域谱，并将复电容频域谱除以主绝缘的几何电容得到其复介电常数频域谱。
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
第52卷 第7期 电力系统保护与控制 Vol.52 No.7 2024年4月1日 Power System Protection and Control Apr. 1, 2024 DOI: 10.19783/ki.pspc.230941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邹 阳，陈啸轩，张云霄，林锦茄，林昕亮(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)摘要：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h2P 。
最后，联合界面极化支路极点h2P 、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。
关键词：油纸绝缘；活化能；频域介电谱；混合极化模型；寿命预测A life prediction method of transformer oil -paper insulation based oninterfacial charge polarization characteristicsZOU Yang, CHEN Xiaoxuan, ZHANG Yunxiao, LIN Jinjia, LIN Xinliang(School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)Abstract: Accurate lifetime prediction of transformer oil-paper insulation is of great significance in ensuring the safe and stable operation of a power system. In this paper, the internal mechanism relationship between interfacial polarization and aging oil-paper insulation is analyzed based on a microscopic dielectric response mechanism. Based on a mixed polarization model, an equivalent circuit topology with an interfacial polarization branch is introduced on the basis of an extended Debye model, and the application of interfacial charge polarization characteristics in oil-paper insulation life prediction is explored. First, the universal relaxation polarization law behind the spectrum changes in the process of temperature rise is analyzed, and the recovery voltage polarization spectrum is reconstructed based on the mixed polarization model. Combined with the influence law of temperature on the principal time constant and model parameters, a calculation method for the activation energy of oil-paper insulation in a single temperature test is proposed. The frequency-temperature translation factor is constructed from the interface polarization capacitance. Secondly, the change rule of dielectric loss factor with the deepening of aging is analyzed, the internal relationship between loss peak shift and relaxation time of interfacial polarization is explored, and a new characteristic parameter in frequency domain, the interfacial polarization branch pole h2P is refined to characterize the polymerization degree content of oil-paper insulation. Finally, an oil-paper insulation life prediction model is constructed by combining interface polarization branch pole h2P , frequency-temperature translation factor and a loss accumulation dynamic equation, and the measured data of a transformer of different operating years are substituted into the model to verify its effectiveness. This provides a new idea for oil-paper insulation life prediction.This work is supported by the National Natural Science Foundation Major Research Program Cultivation Project of China (No. 92266110).Key words: oil-paper insulation; activation energy; frequency domain dielectric spectrum; mixed polarization model; life prediction基金项目：国家自然科学基金重大研究计划培育项目资助(92266110)；福建省自然科学基金项目资助(2019J01248)邹阳，等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- 139 -0 引言近年来，随着国家将“碳达峰 碳中和”的双碳目标纳入生态文明建设的整体布局，对新型电力系统的构建也提出了更高的要求和挑战。
油纸绝缘电力设备绝缘纸中含水量估算方法、频域介电谱测试案例
11
DL/T××××. ×—2020
附录 F
（资料性附录）
油纸设备频域介电谱测试案例
F.1 500kV 油纸电容式变压器套管频域介电谱（FDS）法测试案例
收集中国南方地区 2015~2019 年 500kV 油纸电容式变压器套管部分介电谱分析案例，对不同套管
故障类型和频域介电谱特征进行说明。表 F.1 为异常套管基本情况及油色谱试验数据：
DL/T××××. ×—2020
附录 E
（资料性附录）
设备绝缘纸中含水量估算方法
E.1 油-纸绝缘介质损耗因数随频率的关系曲线 电容型油纸绝缘设备油-纸绝缘系统的介质损耗因数 tanδ 与频率 f 之间呈典型的“S”形曲线，如
图 E.1 所示。水分影响低频区域和高频区域。曲线的中间，斜率比较陡的部分体现了油的传导性。绝 缘材料的几何形状确定了斜率较陡的左侧“突起”。
(E.2)
测量绝缘纸（板）含水量常采用曲线比对的方法，具体流程如图 E.3 所示，主要包括四个步骤：
（1）制备不同含水量的绝缘纸（板），测量各绝缘纸（板）不同温度下的复介电常数，建立不同
含水量绝缘纸（板）在各温度时的复介电常数数据库。
（2）测量待测试设备的 tanδ-f 曲线，记录测量时的温度 T，并根据绝缘纸（板）与油道的尺寸估 算体积分数 X 和 Y；
电抗器、电磁式电压互感器、电流互感器、电容式套管绝缘结构的等效模型与变压器的相似，只
需要根据绝缘结构调整 X、Y 即可获得。
测量的tanδ-f曲线
数据库
温度T
变压器油 电导率
变压器油 复介电常数
油浸纸板 复介电常数
XY等效模型 复介电常数
比较
计算的tanδ-f曲线
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基于X-Y模型预测油纸绝缘系统低频段介电特性李杰【摘要】频域介电谱法是一种无损的电气诊断技术,非常适用于变压器油纸绝缘状态的现场诊断,尤其是低频段和超低频段下的参数测量,更能准确反映高压电力设备绝缘老化的实际发展状况.但是频域介电谱法在低频段测试需要非常长的时间,并且易受环境因素的干扰.文中提供一种基于X-Y等值电路参数辨识,估算油纸绝缘系统低频段介损的方法,建立油纸X-Y等值电路模型参数与频域介电谱特征量的关系式,利用测量的高频段频域介电谱数据,基于粒子群优化算法辨识等效电路参数,用辨识得到的参数值代入参数与特征量的关系式,计算得到低频段频域介电谱.这种方法因只需要测量高频段的频域介电谱特征量,避免了低频段的测量,有效地减少了现场测量时间,快速有效地研究变压器的绝缘状态.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2017(034)006【总页数】3页(P42-44)【关键词】频域介电谱;绝缘结构;参数辨识;优化模型;预测【作者】李杰【作者单位】湖北工业大学,湖北武汉430068【正文语种】中文0 引言电力变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行状态直接反映出电网的安全与稳定[1]。
因此，准确有效地对变压器的绝缘状态进行诊断评估，对于保证电网的正常、稳定、安全的运行，具有尤为重要的意义。
介电响应法作为一种油纸绝缘老化诊断的无损测量手段，根据激励源的不同可分为时域介质响应测量方法和频域介质响应测量方法[2]，其中时域介质响应测量方法包括回复电压法[3]、极化去极化电流法，频域介电响应法主要有频域介电谱法。
本文选用频域介电谱法，因其测试频域范围较广，在低频和超低频段下的测量数据最能精准地体现介质中界面极化，空间电荷极化等松弛极化特点[4]。
但频域介电谱法在低频段的测量存在着很多不足之处，如需要花费非常长的测量时间；易受现场周围环境因素的干扰等。
因此，如何在低频段测量时缩短测量时间和避免外界因素的干扰一直是国内外在研究频域介电谱法上的突破口。
本文提出了仅利用实际测量得到高频段频域介电谱特征量数据，基于X-Y等效电路模型预测出频域介电谱低频段数据的方法。
首先在实验室内对油纸绝缘样品进行FDS测试，并建立X-Y等值电路模型参数与频域特征量之间的数学对应关系；再利用FDS测试得到的高频段特征量参数化等值电路模型，建立基于改进粒子群优化算法的参数预测优化模型，将辨识出的XY模型等值电路参数值代入对应公式中得到油纸绝缘系统低频段的复电容和介损的计算值，得到较宽范围的频域介电谱。
最后对比低频段数据的计算值和测量值，从而验证了此方法的可行性。
这种方法避免了在低频段的长时间测量，有效减少了诊断时间，能快速准确地得到变压器在实际运行中的绝缘状态。
1 频域介电谱法测试原理频率介电谱法是在特征频域内研究绝缘系统中介质极化和损耗的方法。
首先对变压器的油纸绝缘系统施加正弦激励电源，通过改变其测量频率，得到不同频率下的介损、复电容和介电常数等特征量及其随频率变化的函数曲线，得到的函数曲线即为频域介电谱，根据频域介电谱在不同频段的变化规律来反映变压器的绝缘情况，目前已经获得了普遍的应用[5]。
FDS测量通过正弦电压下流过测试系统的电流I(ω)的幅值和相位来研究，测试电路如图1所示。
图1 频域介电谱法实际测试电路图I*(ω)=jωC*(ω)U*(ω)(1)式中，U*(ω)为施加的正弦电压；C*(ω)为复电容。
(2)式中，ε∞光谱介电常数，ε0为真空介电常数，ε′为实部，对应电容项，ε″虚部，对应损耗项；σ为介质的电导率；χ′(ω)、χ″(ω)为复极化率的实部和虚部。
复电容、介电常数及介损等这些频域特征量值会受老化程度、温度和水分含量等因素影响而随频率变化。
因此通过测量复电容、介电常数及介损与频率之间的关系，能够更全面、更有效地评估绝缘状态。
2 预测方法2.1 X-Y等值电路的数学建模变压器主绝缘系统的绝缘结构是典型的复合型电介质，若将绝缘系统物理模型进行简化，在等值电路中可以设为单一元件。
图2即为变压器油纸绝缘的X-Y等值电路模型。
图2 基于X-Y模型的变压器主绝缘等值电路模型图2各参数中Csg、Rsg分别为撑条与纸板并联部分的几何电容和绝缘电阻；Cbg、Rbg分别为单独纸板的几何电容和绝缘电阻；C0、R0分别为油隙的几何电容和绝缘电阻。
其余参数中，下标s代表撑条与纸板并联部分极化值，b代表单独纸板极化值。
等值电路模型中的撑条与纸板并联部分采用n个不同等值的R-C支路并联来表示其极化特性，单独纸板部分采用m个不同等值R-C支路来表示其极化特性,相对应的等值时间常数分别为τsi=RsiCsi, τbi=RbiCbi。
复电容表达式为：C*(ω)=C′(ω)-jC″(ω)(3)式(3)中C'(ω)、C"(ω)分别为复电容的实部和虚部，复电容的实部及虚部表达式由复电容公式推导得到：(5)介质损耗表达式如下：(6)根据复电容等值电路计算公式，得到介质损耗的表达式为：(7)通过上面推导出的等值电路参数与频域介电谱特征量之间的对应公式可知，仅需通过优化算法辨识出X-Y等值电路模型参数值，便可计算出油纸绝缘系统的复电容实部、虚部和介损值。
2.2基于高频段频域介电谱数据进行参数辨识预测低频段频谱数据本文采用粒子群优化算法对X-Y等值电路模型参数进行辨识，利用计算值与测量值之间的误差平方和作为判断所求解的“优劣”情况的目标函数[6]。
在图2所示的等值电路中，设置n=1、m=3的X-Y模型进行参数辨识，则有4条松弛电路，14个等效电路参数,此时参数辨识的方程组由14个非线性方程组成。
选取基于FDS测试得到的频域介电谱高频段前14组数据代入(4)、(5)、(7)中，其中x=[Rsg,Csg,R0,C0,Rbg,Cbg,Rs1,Cs1,Rb1,Cb1,Rb2,Cb2,Rb3,Cb3]为待求的参数变量。
本文选用粒子群优化算法对此类非线性方程组进行优化辨识。
将辨识得到的等值电路参数值代入式(7)中，计算得出油纸绝缘试品低频段的介损值。
达到根据所测的高频段数据利用优化辨识出的等值电路模型参数值通过数学关系预测计算得到低频段介损值的效果。
3 算例分析试验材料选择25号变压器绝缘油，厚度0.5 mm的普通绝缘纸，绝缘系统采用三电极实验装置结构，本试验系统装置包括频域介电谱测试仪IDAX300、电热恒温鼓风干燥箱、高压控制开关、数据传输线和PC机。
选择n=1、m=3的X-Y模型进行参数辨识，从FDS试验测得的频域介电谱中选取前14组高频段测量数据。
将所选14组数据代入目标函数中基于改进的粒子群算法参数辨识。
该辨识为高度非线性优化问题，过程较为复杂，控制参数的设置非常重要。
为了得到更好的效果，本次算法中，辨识设置种群规模为100，迭代次数为3 000次，电路模型参数值分别设置为：极化电阻在[0.01 GΩ，1 000 GΩ]之间，极化电容和几何电容在[0.01 nF,100 nF]之间。
c1、c2值都取2，参数辨识的结果如表1所示。
表1 辨识出的等效电路参数值参数撑条油隙纸板电阻/GΩRsgRsi14.2897612.8586R0140.1807RbgRbi652.3104227.6476735.34026 38.0933电容/nFCsgCsi0.00392.4070C02.5383CbgCbi0.17120.95051.26791.2040根据表1可知经过优化辨识得到的等值电路模型参数都在规定的范围内，其中四条松弛支路的时间常数分别为：τs1=Rs1Cs1=1475.1506、τb1=Rb1Cb1=216.379、τb2=Rb2Cb2=932.3378、τb3=Rb3Cb3=768.2643。
从时间常数的差别可以知道，此辨识参数反映出油纸绝缘复合电介质中既有快速极化又有缓慢极化。
为了验证基于X-Y等值电路模型，通过识实测到的频域介电谱高频段数据预测出低频段频域介电谱，这一方法的有效性和可行性，将测量得到的高频段有限频域介电谱数据参数化等值电路，经粒子群优化算法辨识得到的等值电路参数代入式(7)中，通过Mat lab仿真对比频域介电谱低频段的测量值和计算值，仿真如图3所示。
图3 低频段频域介电谱计算值与测量值对比分析曲线可得，计算值与测量值整体趋势一致。
在小于0.001 Hz时，其计算值与测量值良好吻合；在0.001 Hz～0.01 Hz时，计算值与测量值相差在-0.33～0.82之间；在0.01 Hz～0.1 Hz时，计算值略小于测量值在1.2～1.64之间，整段可近似于同一曲线。
对比结果显示，在超低频段计算值与测量值近乎相等，低频段的计算值稍小于测量值，但差距并不明显，可以忽略其差距。
对频域介电谱低频段的计算值与测量值的绝对误差和相对误差曲线进行分析，其误差分析曲线分别如图4所示。
由图4可以得到相对误差在±1%之间,绝对误差在±2%之间，均属于要求范围之内，从而证明了利用高频段数据，基于X-Y等值电路模型预测低频段频域介电谱方法的可行性。
4 结论本文提出了利用频域介电谱高频段数据,基于X-Y等值电路预测出低频段频域介电谱，得到如下结论：(1)建立了变压器油纸绝缘系统的X-Y等值电路模型，并推导等值电路参数值与频域介电谱特征量复电容和介质损耗的对应关系。
图4 低频段频域介电谱误差曲线(2)利用实验室实测频域介电谱的有限数据进行基于粒子群优化算法进行了参数辨识，从而根据等值电路参数值与介损之间的关系式计算得到低频段频域介电谱数据。
(3)基于MATLAB将低频段频域介电谱的计算值与测量值进行仿真，仿真结果表明低频段频域介电谱的计算值与测量值在整体上吻合良好，误差均在规定允许范围内，验证了基于X-Y等值电路模型利用高频段频域介电谱数据预测低频段频域介电谱方法的可行有效性。
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