变压器油纸绝缘介电响应的非线性特性及其时--频域转换方法研究

摘要

变压器是电网运行过程中至关重要的枢纽设备，其安全可靠运行对于电力系统的稳定性有重大意义。介电响应测量技术具有对绝缘无损伤、包含绝缘信息丰富和便于实施等优点，目前广泛应用于油浸式电力变压器的绝缘状态诊断。介电响应测试可分为时域测试和频域测试，由于绝缘状态不同，变压器油纸绝缘在介电响应测试中会表现不同的非线性特性，影响介电响应测试结果。另外，在测试过程中，时域测试方法抗干扰能力较差和频域测试方法低频段耗时较长的缺点限制了介电响应测试的应用；在评估过程中，结合时域和频域介电特征量的评估策略能更为准确地表征变压器的绝缘状态。目前多采用扩展Debye模型或Fourier变换作为时–频域转换的桥梁，通过一次测试获得时域和频域介电响应信息，但传统时–频域转换方法无法等效非线性油纸绝缘系统，从而导致转换误差。因此，研究变压器油纸绝缘的不同绝缘状态对其非线性特性的影响，提出一种对线性和非线性绝缘均有效的介电响应时–频域转换方法，对于变压器油纸绝缘介电响应技术的测试和评估具有重要的工程应用参考价值。　　本文首先搭建了可实现特殊不规则波形激励输出的介电响应测试平台，通过自然吸潮和加速热老化实验制备了不同受潮和老化程度的油纸绝缘样品。然后，测试了油纸绝缘的受潮和老化状态对于介电响应测试的影响，提取非线性系数表征其非线性程度，并对非线性现象的产生原因作出微观解释。最后，针对传统线性时–频域转换方法对于非线性油纸绝缘的局限性，提出了一种兼有线性和非线性特征的介电响应时–频域转换方法，并分别以实验室制备的油纸绝缘样品和现场变压器主绝缘为测试对象验证了该方法的有效性。论文取得的主要成果为：　　①通过实验发现了油纸绝缘的受潮和老化会引起响应电流中奇次谐波产生，从而导致非线性特性。油纸绝缘受潮程度增加使u–i特性曲线呈下凸幂函数形式，表现正向非线性特性，介质损耗随激励电压增大而增大，认为主要由水分子扩散和自由离子增加引起；老化程度增加使u–i特性曲线呈上凸幂函数形式，表现反向非线性特性，介质损耗随激励电压增大而减小，认为主要由空间电荷削弱有效电场和纤维素的阻碍作用引起。　　②分析了基于扩展Debye模型和Fourier变换的时–频域转换方法应用于非线性油纸绝缘系统的局限性。当油纸绝缘由于受潮和老化表现出非线性特性时，两种传统时–频域转换方法不再有效，根据时域介电谱转换得到低频段的tanδ频域谱与标准扫频测试结果对比将出现较大误差，无法满足测试的精度需求，影响介电响应测试和评估结果的准确性。　　③提出了以兼有线性和非线性特征的Hammerstein–Wiener等效数学模型用作油纸绝缘介电响应的时–频域转换桥梁。Hammerstein–Wiener模型在动态线性环节的前后分别增加了输入和输出非线性环节，能同时等效线性和非线性绝缘系统。根据对不同受潮和老化程度的油纸绝缘的测试结果，发现Hammerstein–Wiener模型能够有效表征线性和非线性油纸绝缘系统，介电响应的时–频域转换精度均达到90%以上，保证了转换结果的准确性和可靠性，并以多个不同等级的变压器为实验对象，验证了该方法的有效性。

目录

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 变压器油纸绝缘的介电响应测试方法研究现状

1.2.1 时域介电响应测试方法

1.2.2 频域介电响应测试方法

1.3 变压器油纸绝缘介电响应非线性特性研究现状

1.4 变压器油纸绝缘介电响应的时–频域转换方法研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 介电响应测试平台及样品制备方法

2.1 介电响应测试平台测试原理

2.2 介电响应测试平台的硬件结构

2.2.1 数据采集卡

2.2.2 线性高压放大器

2.2.3 微弱电流前置放大器

2.2.4 调档通讯控制电路

2.3 介电响应测试平台的软件结构

2.3.1 电压的发生与电压电流的同步采集

2.3.2 介电响应参数的计算

2.3.3 调档通讯控制

2.4.1 样品预处理

2.4.2 不同受潮程度油浸绝缘纸板制备

2.4.3 不同老化程度油浸绝缘纸板制备

2.5 介电响应测试电极

2.6 本章小结

3 变压器油纸绝缘介电响应的非线性特性研究

3.1.1 非线性特性的测试方法

3.1.2 非线性特性的表达方法

3.2 1 油浸绝缘纸板u–i 特性曲线

3.2.2 油浸绝缘纸板响应电流谐波分析

3.2.3 测试电压U 对介质损耗tanδ的影响

3.3 油纸绝缘非线性特性的微观分析

3.4 变压器主绝缘的非线性特性研究

3.4.1 变压器主绝缘介电响应测试的接线方式

3.4.2 变压器主绝缘非线性特性测试结果

3.5 本章小结

4 非线性油纸绝缘介电响应时–频域转换方法

4.1 传统时–频域转换方法

4.1.1 基于扩展Debye 模型的时–频域转换方法

4.1.2 基于Fourier变换的时–频域转换方法

4.1.3 传统时–频域转换方法的转换有效性验证

4.2 基于H–W模型的时–频域转换方法

4.2.1 H–W模型的基本结构

4.2.2 H–W模型参数的获取方法

4.2.3 频域介电谱的获取方法

4.2.4 基于H–W模型的时–频域转换方法的转换有效性验证

4.3 变压器主绝缘的H–W模型等效

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢