基于时域介电谱平均弛豫因子的变压器油纸绝缘诊断

蔡金锭 林晓宁

摘  要：将带有弛豫因子的介质响应函数应用于回复电压时域介电谱的分析，对时域微分介电谱线进行解谱，得到包含不同弛豫信息的子谱线，并确定变压器油纸绝缘拓扑结构和求取弛豫参数值。进一步，对30多台不同型号的油纸绝缘变压器的弛豫参数及其绝缘状态进行分析，挖掘弛豫因子与变压器绝缘油劣化、绝缘纸老化等内在关系，提出新的特征量--绝缘油的平均弛豫因子、绝缘纸的平均弛豫因子来评估油纸变压器中绝缘油和绝缘纸的绝缘状态。最后，利用实际变压器测试数据进行分析验证，结果表明两个新特征量可有效地用于评估变压器中绝缘油和绝缘纸的绝缘状态。

關键词：弛豫因子;拓扑分析;绝缘油平均弛豫因子;绝缘纸平均弛豫因子;绝缘评估

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号：TM854             文献标志码：A          文章编号：1007 -449X（2017）00-0000-00（编辑填写）

Abstract： The dielectric response function with relaxation factor is applied to the analysis of the time-domain dielectric spectrum of the recovery voltage， the spectrum of the time-differential dielectric line is decomposed， the sub-spectral lines containing different relaxation information are obtained， the transformer oil-paper insulation topological structure is determined， and relaxation parameters are found. Further， the relaxation parameters and self-insulation status of more than 30 different models of oil-paper insulation transformers were analyzed. The relationship between relaxation factors and deterioration of transformer insulating oil and aging of transformer paper was excavated， and new characteristic quantities—the average relaxation factor of insulating oil and insulating paper averages were proposed to evaluate insulation status of insulating oil and insulating paper in oil-paper transformers. Finally， the actual transformer test data is used for analysis and verification. The results prove that the two new feature quantities can effectively evaluate the insulation status of the insulating oil and insulating paper in the transformer.

Keywords： relaxation factor; topological analysis; insulating oil average relaxation factor; insulating paper average relaxation factor; insulation evaluation

0 引  言

变压器正常稳定运行对于电网的安全运行至关重要，所以准确评估变压器的绝缘状态显得十分重要[1，2]。基于弛豫响应的变压器绝缘拓扑数学建模是评估变压器绝缘状态的重要方法之一[3-6]。

目前，通过引入扩展德拜等效电路进行介电弛豫响应的拓扑建模来挖掘特征量分析变压器油纸绝缘状态已有许多研究成果，但在变压器油纸绝缘拓扑建模[6]以及利用提取的特征量进行绝缘评估仍然存在诸多问题： 1）不少研究中所使用的的弛豫响应函数不能精确描述油纸绝缘弛豫响应的实际过程，如文献[7-9]在拓扑分析中假设不同绝缘介质之间不会相互影响，虽简化了拓扑建模的计算但影响了建模的准确性;2）目前相当多的的油纸绝缘状态评估仅停留在定性评估的层面，只能得出弛豫响应特征量和绝缘状态之间一个大致的关系，如文献[10-12]分别采用扩展Debye模型的大时间常数、去极化能量谱峰值能量、陷阱密度谱峰值等特征量分析油纸绝缘状态，但未涉及定量评估方法;3）多数研究者提出的基于弛豫响应特征量的评估方法只能从总体上评估变压器的绝缘状态，并不能细化评估结果，分别评估绝缘油与绝缘纸的绝缘状态，如文献[13，14]提出的绝缘评估方法，只能判断变压器总体绝缘的好坏，对于绝缘油和绝缘纸的具体情况无法分别给出评估结果。

针对上述问题，本文引入带弛豫因子的介质响应函数来分析回复电压时域微分谱线，得到各条包含不同弛豫响应参数的子谱线，从而构建变压器绝缘的弛豫响应拓扑。该模型不仅提升了油纸绝缘拓扑参数辨识的精确度，且更贴近绝缘介质弛豫过程的实际情况。同时利用大量变压器实测和拓扑分析得到的数据，深入挖掘弛豫因子和变压器绝缘油以及绝缘纸的绝缘状态之间的关系，以提取新的绝缘评估特征量分别对绝缘油与绝缘纸的绝缘状态进行评估。

变压器绝缘系统一般包括油、纸、隔板、撑条以及油隙，一般采用如图1所示的扩展德拜等效电路来构建绝缘系统的弛豫响应拓扑模型。

按照第二节所介绍的步骤进行解谱，首先利用回复电压测试仪RVM5461测量变压器D1得到其回复电压曲线，构建回复电圧微分谱线。任意选取末端三点t1、t2、t3（t1< t2

在很多研究中，研究人员一般假定弛豫机构数为6进行拓扑构建，这种方法虽然简便但是会带来较大误差，现将两种弛豫机构数对应的变压器D1的极化谱分别绘图进行比较，如图3所示。

由图3可见，采用5条弛豫机构进行拓扑构建绘出的极化谱，其吻合度明显高于直接假定6条弛豫机构的方法，与极化谱实测值几乎吻合，特别是在极化谱的末端，这反应本文提出的拓扑构建方法更能准确反应变压器油纸绝缘系统多界面弛豫机理。

同理，对变压器D2同样用上述的方法进行分析验证。分析结果如图4所示。

同理可知，变压器D2扩展德拜等效电路有7条等效弛豫机构。同样针对变压器D2，运用上述方法进行分析拓扑建模准确性的验证，假定法假定弛豫机构数为6而引入弛豫因子的建模方法求得弛豫机构数为7，将两种方法得到的极化谱和实测极化谱绘于同一张图中进行比较，如图5所示。由图可以看出7条弛豫机构的吻合度明显高于直接假定6条弛豫机构的吻合度，说明引入弛豫因子能有效提升拓扑分析的吻合度。

4 新特征量的提取

为了提取能够评估变压器绝缘状态的时域特征量，本文采用回复电压测试仪RVM5461对将近40台变压器进行实地测试，得到回复电压时域介电谱线，并对所得谱线应用本文所介绍的弛豫拓扑结构辨识方法进行油纸绝缘拓扑分析。研究结果表明，回复电压谱线上的特征量弛豫因子β与变压器油纸绝缘状态有着密切的关系，且能够用于分别诊断变压器绝缘油与绝缘纸两种介质的绝缘状态。此处仅列出部分变压器的测试及解谱分析所得的数据，如表2 所示。

现有的很多研究表明：大时间常数支路表征绝缘纸的拓扑结构，小时间常数支路表征绝缘油的拓扑结构[16]。绝缘油和绝缘纸的弛豫因子可以在一定程度上反应各自绝缘结构的老化情况，但不同变压器的大时间常数支路和小时间常数支路数目一般不相等，所以无法直接将单个弛豫支路的弛豫因子进行比较评估变压器各部分的绝缘状态。可以将小时间常数支路的全部弛豫因子取均值得到一个新的特征量：绝缘油平均弛豫因子β油;将大时间常数支路的全部弛豫因子取均值得到一个新的特征量：绝缘纸平均弛豫因子β纸。

4.1 绝缘纸平均弛豫因子

已有研究表明，变压器中绝缘纸老化产物是变压器油中糠醛的最主要来源[17]，变压器油中糠醛含量可以有效反应绝缘纸的老化情况。为了进一步研究新提出的特征量平均纸支路弛豫因子β纸和绝缘纸老化状态之间关系，将二者绘制在同一张图，如图所示。由图6可见，新特征量与糠醛含量呈现正相关，故绝缘纸平均弛豫因子β纸越小，即糠醛含量越小。依据《油浸式变压器绝缘老化判断导则》和《电力设备预防性试验规程》，可判断绝缘纸的绝缘状态越好。这是因为弛豫因子越大，则弛豫机构随时间变化越剧烈，这意味着介质响应速度加快，也就表明绝缘纸的老化程度加深，老化产物糠醛的含量也必然随之增加。 从图也可以看出，当β纸值落在区间[0.561，0.792]之间时，绝缘纸的状况是良好;当β纸>0.792时， 绝缘纸趋近于老化状态。所以用β纸值可以定量判断油纸绝缘变压器绝缘纸是否发生老化。

4.2 绝缘油平均弛豫因子

通过对大约40台不同绝缘水平变压器的数据分析可知，绝缘油的平均弛豫因子β油在绝缘性能良好与劣化的这两种状态下，对应着不同的数值，具体情况如下表3所示。

若以表2中T3和T4变压器作为示例进行分析，二者是同一台变压器，型号为SFP9-24000/220，T3为换油前，而T4是换油后的。换油检修前，β油值为0.906，而检修后β油值为0.846，表征绝缘油的弛豫支路也从4条下降为2条，绝缘油平均弛豫因子β油在换油后出现了较为显著的下降。这是因为，变压器经过换油后，油中老化产物含量明显下降，所以去极化响应速度减缓，β油也相应减小。由此可见，换油后绝缘油的状态优于换油前，这符合变压器实际绝缘状态。同理，表2中的其他变压器数据也可证明新提出的特征量--绝缘油平均弛豫因子β油是可以有效评估绝缘油的劣化情况。

5 绝缘评估

利用上节提出的2个特征量对3台待诊断变压器进行绝缘状况评估，3台变压器基本信息和解谱分析得到的结果见表4。

由表4可见：绝缘状况评估结果与实际绝缘情况是相符合的。T19变压器经过拓扑分析和解谱后得到的β油值为0.755∈[0.66，0.85]， 其绝缘油的性能是良好的;β纸值为0.664<0.792， 所以评估其绝缘纸状况也是良好的，而该台变压器实际状况是绝缘良好，且糠醛含量为0.03mg/L，评估结果与实际情况状态相吻合。对于T20变压器，其β油值为0.864∈[0.85，0.99]，评估后其绝缘油是劣化;而β纸值为0.790<0.792，所以评估后其绝缘纸状况尚好，而该台变压器实际状况是绝缘油劣化，评估结果与实际情况也是相吻合。绝缘系统老化的部分是绝缘油，需进行换油处理。对于T21变压器的β油值为0.775∈[0.66，0.85]，则其绝缘油绝缘状况是良好的;而β纸值为0.861>0.792，所以评估后其绝缘纸状况有老化，而该台变压器实际状况是绝缘老化。诊断结果与实际情况也是相吻合的。从以上诊断结果可见，本文提出的新特征量可分别有效地评估变压器的绝缘油和绝缘纸的绝缘状态。

6 结论

将带有弛豫因子的介质响应函数引入到回复电圧时域介电谱的分析，从而提出一种分析变压器绝缘拓扑结构的新方法。经过实例验证，该方法能准确可靠地辨识油纸绝缘极化响应等效电路的拓扑结构。在此基础上，挖掘出两个新的时域介质响应特征量：绝缘油平均弛豫因子β油和绝缘纸平均弛豫因子β纸，并分析二者与变压器的绝缘油和绝缘纸的关系。最后通过实例验证这两个新特征量可有效地用于评估变压器中绝缘油和绝缘纸的绝缘状态。

（1）绝缘油平均弛豫因子β油和变压器油的绝缘状态密切相关。β油值越大，变压器油的绝缘状态越差。当β油∈[0.66，0.85]时，可以判断变压器绝缘油性能良好;当β油∈[0.85，0.99]，则可判断变压器绝缘油已发生劣化。

（2）绝缘纸平均弛豫因子β纸与变压器纸的绝缘状态密切相关。通过多台变压器实测的数据经过分析得出，β纸大小与变压器油中糠醛含量呈现正相关。β纸值越小，油中糠醛含量就越小。当β纸值落在 [0.561， 0.792] 区间时，绝缘纸的状况是良好的;当β纸值大于0.792时， 油中糠醛含量超出0.4mg/L，则可判断出变压器绝缘纸已发生老化，且β纸值越大，老化程度就越严重。

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