油纸绝缘变压器在电力系统中是非常重要的枢纽设备,其安全运行直接关系到整个电力系统正常稳定工作,而引起变压器故障的主要原因为其绝缘老化或受潮,所以能够对变压器绝缘状态的准确评估具有重要意义.近些年,以介质响应理论为基础,涌现出多种新兴的油纸绝缘变压器绝缘状态诊断方法,包括回复电压测量法(RVM)、极化去极化电流法(PDC)和频域谱法(FDS)等,其中RVM更易于现场线路布局,具有较好的抗干扰能力、单次测试获取的信息量大等优点,而相对于传统检测法而言,回复电压法又可对变压器现场无损绝缘状态诊断.因此,回复电压法仍具有很好的应用前景,且对其深入研究也是很有价值和意义的.国内外对基于回复电压的变压器绝缘系统状态诊断法作了许多研究工作,此前,基于RVM对不同变压器的大量测试结果验证了该法的有效性,也有不少学者研究了温度、湿度、水分等对回复电压特征量的影响,但根据回复电压法对油纸绝缘系统气隙(气泡)的研究尚少.当绝缘系统外加电压超过一定值后,系统中的气隙将易引发局部放电,若任其发展,对变压器的绝缘破坏是毁灭性的,所以对油纸绝缘系统气隙的准确检测研究是很有必要的.但由于油纸绝缘变压器具体的介质响应机理复杂,所以引用回复电压法对油纸绝缘状态的准确诊断仍需要采集更多的现场数据来进行分析和验证,而实际中,能够对油纸绝缘变压器进行测试的机会并不多,只有当变压器停机检修时才可同步进行回复电压测试,且测试时间也不充裕.因此,该文建立回复电压模拟测试实验平台,在其基础上,主要研究气隙对回复电压参数的影响规律,通过模拟实验为深入探究充分应用回复电压法对油纸绝缘状态准确诊断打下基础.
1、 回复电压测量原理
回复电压法以介质响应理论为基础,通过在绝缘介质两端施加直流高压,进行充放电处理后,由于绝缘介质的极化特性,可获取绝缘两端的回复电压,研究其与老化受潮之间的对应关系,从而建立回复电压法对绝缘状态诊断的相关依据.回复电压法的一次测试流程包括充电、放电、测量和松弛4个阶段,其测量电路如图1所示.具体测试步骤:
1)首先断开开关S2,S3,闭合开关S1,直流电源U对变压器进行充电,绝缘介质呈现极化反应,在介质两端束缚大量电荷;2)经过充电时间tc后,断开开关S1,闭合开关S2,开关S3仍保持断开状态,对变压器进行放电,则其处于去极化过程,原两极束缚电荷被释放为自由电荷,产生去极化电流;3)当放电时间达到放电时间td时,断开开关S1和S2,接通开关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,并对其回复电压参数进行记录;4)将变压器残余电荷彻底放电,为下次测试做准备.
此过程产生的回复电压曲线如图2所示.一个测试周期中可获取回复电压的3个主要参数(回复电压最大值Urmax、初始斜率Sr以及回复电压峰值时间tpeak),通过调控充电时间tc,循环记录相应充电时间tc下的各参数,并生成各次的回复电压最大值Urmax与充电时间tc之间的变化关系曲线,即回复电压极化谱.
2、回复电压模拟实验
2.1油纸绝缘系统实验模型
油纸绝缘变压器的绝缘系统主要由变压器油、隔板和撑条等组成,其剖面排列结构如图3所示,油纸绝缘系统主要位于高低压绕组之间,由于撑条的加固作用,变压器油与隔板交替排列.根据图3,选取其中的结构单元作为本油纸绝缘系统的实验模型,如图4所示,而隔板和撑条的成分都为纤维素,所以在实验中将二者简化为相同材料的变压器绝缘纸.
2.2 实验装置及步骤
实验装置主要有RVM5461回复电压测试仪和盛样装置,实验装置及其接线方式如图5所示,实验材料为0.1mm变压器绝缘纸(单层)和25号变压器油.实验具体步骤:
1)清洗盛样装置与实验用的电极,并进行彻底干燥;2)将新变压器绝缘油加入到盛样装置;3)将所需实验项目的绝缘纸平坦放在油中的负电极上,为了降低装置对试品极化效果的影响,将电极与绝缘纸放于装置中心位置;4)待绝缘纸都被绝缘油浸透均匀时,正电极覆盖于绝缘纸上面;5)关上盛样装置的密封盖;6)分别将正、负电极的外接引线连接到RVM5461仪器的两极探测线;7)检查接线并确认开始实验,打开RVM5461电源开关,设置极化电压、充放电时间比(该文取2)、充电时间范围等量;8)依次进行各充电时间下的回复电压测试,并保存其间获取的回复电压参数;9)实验结束,记录数据以及自动生成的回复电压极化谱;10)重新调整量,进行下一个实验项目.
3、 实验结果及分析
3.1 极化电压对回复电压曲线的影响
通过RVM5461获取回复电压数据,依次改变极化电压(分别选取200,400和600V)和充电时间tc,并进行回复电压测试,得到各次的回复电压曲线,如图6所示.各充电时间下的回复电压曲线与极化电压成正比例关系,即回复电压随着极化电压的增大而增大,这是由于极化电压增大,绝缘系统的极化过程更强烈,从而聚集大量电荷导致产生较大的回复电压.考虑到实验室外在干扰不大,且绝缘系统相对简单并不需要太高实验电压,而为便于观察,该文将极化电压设置为400V.为将油纸绝缘系统中所隐含的所有极化信息完整反映出来,对各不同充电时间下的回复电压曲线进行测试,获取对应参数,并将它们与充电时间相结合.
3.2 气隙对回复电压最大值的影响
绝缘系统气隙对各充电时间下的回复电压最大值Urmax构成的关系曲线(回复电压极化谱)影响较大,如图7所示.由图7可知,极化谱前端出现局部峰值,因为空气主要成分为非极性电介质,在外电场作用下,产生感应偶极矩,在电介质表面出现极化电荷,而该部分极化建立时间较小,当外加电场移去后,感应偶极矩快速消失,对应的极化电荷也迅速中和,同时由于界面极化引起的吸收电流也为衰减形式,所以气隙主要对充放电时间较小情况下的回复电压最大值产生影响.同时,图7中极化谱的主时间常数并未受到气隙的作用而改变,这是由于随着充放电时间增加,进行回复电压测试时,受气隙感应偶极矩和吸收电流的影响显著降低.另外,极化谱末端与绝缘纸状态相关联,说明固体绝缘状态并未发生较大变化,与实际相符,而末端有所偏差,可能是由于后期的残余电荷积累产生的作用.
3.3气隙对回复电压峰值时间的影响
在各次充电时间tc下,绝缘系统气隙对回复电压峰值时间tpeak的影响如图8所示.绝缘系统不管是否含有气隙,回复电压峰值时间与充电时间呈正比例关系,即tpeak随着充电时间的增大而增大,且从测试数据中可发现小充电时间下,含有气隙时的回复电压峰值时间比无气隙的小,由于气隙极化而束缚的电荷导致去极化电流在短时增大,所对应达到回复电压最大值的时间也有所减小.而充电时间较大后,其与tpeak呈线性关系,且相对于无气隙时的情况,含有气隙的斜率更大.
图9所示,气隙并不改变初始斜率的总体趋势,但含有气隙使小充电时间下的初始斜率明显增大,而最后二者都缓慢衰减为零,气隙积累的自由电荷在感应偶极矩消失后快速释放,回复电压在较短的时间内增大,则含有气隙的绝缘系统的初始斜率比无气隙时的大,而后期由于充放电时间都较大,气隙极化产生的那部分电荷已释放完全,对初始斜率的影响不大.
另外,回复电压初始斜率与极化电导率的关系为dUr/dt=βE/ε0.(1)式中E为外加直流电场;β为极化电导率;ε0为真空介电常数.根据式(1)可知,气隙的引入使得绝缘系统的极化电导率增大,即系统的绝缘状态将越差,反之,回复电压初始斜率越小,表示绝缘系统状态良好.而实际中,变压器若存在气隙可对绝缘产生严重破坏,引起局部击穿等,与实验分析结果相一致.
4、 结语
笔者通过实验室模拟回复电压测试,定性研究分析了气隙对绝缘系统回复电压特性的影响,得到详细的实验结果,表明气隙与回复电压参数之间有较好的相关性.综合考量回复电压最大值Urmax、回复电压峰值时间tpeak以及初始斜率Sr与充电时间tc间的关系变化,可对油纸绝缘系统中是否含有气隙进行有效诊断.此外,笔者后续将对气隙进行定量以深入研究气隙量的不同与回复电压参数的影响规律.
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