确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体中的退化绝缘能力

摘要

本发明涉及一种用于确定在电感操作的元件(16)的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法、设备和计算机程序产品，其中至少一个物体是绕组。该设备包括分析单元，该分析单元获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱(40)，其中可以向电感操作的元件的第一物体施加频率改变信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得，该分析单元比较获得的第一频率频谱(40)与第二参考频率频谱(42)，在获得的第一频率频谱(40)中检测未出现于第二参考频率频谱(42)中的波峰(44)，分析检测到的波峰的形状，并且基于分析的形状来确定绝缘能力变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法、设备和计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组。

背景技术

在电感操作的元件中的物体之间的绝缘体(例如在变压器的两个绕组之间提供的绝缘体)可能随时间而退化。一个原因可能由于在许多高压应用中，由纸张或者纸板组成的这一绝缘体为例如硫化铜(Cu₂S)这一形式的污染物所污染。为了能够提供适当对策，于是关注于确定绝缘能力的退化程度。可以实现这一点以便知道将何时更换和/或保养变压器。对绝缘能力的更好了解可能具有高度的经济重要性。通过这样的了解，还更易于确定将在何时断开变压器，这从安全观点来看也可以是有利的。

如果无需拆卸变压器和直接检查绝缘材料即可做到这一点则是有利的。这既繁琐又耗时。在这样的调查期间不能使用变压器。另外存在变压器将因拆卸而受损的风险。

如今常用的一类这样的检查方法是电介质频率响应方法。关于这一方法已经进行一些研究。

在这一领域中的大量文献涉及对该方法的概括描述，但是关于应当如何在实践上应用它并未给出任何实际提示。

下文给出一些例子。

Chandima Ekanayake、Stanislaw M.Gubanski、Andrzej Graczkowski、Krzysztof Walczak的″Frequency response of oil impregnated pressboard and paper samples for estimating moisture in transformer insulation″(IEEE Transactions on Power Delivery，2006年7月第21卷第3期)描述了可以在电力变压器中的诊断测量结果的建模中使用的油浸式纸板和纸张样本的频域频谱。

P.K.Poovamma、A.Sudhindra、K.Mallikarjunappa、T.R.Afzal Ahamad的″Evaluation of Transformer Insulation by Frequency Domain Technique″(2007 International Conference on Solid Dielectrics，Winchester，UK，2007年7月8-13日)讨论了将电介质响应的测量用于评定变压器中的纸-油绝缘系统。

Uno Gafvert的″Dielectric Response Analysis of Real Insulation Systems″(2004 International Conference on Solid Dielectrics，Toulouse，France，2004年7月5-9日)讨论了将电介质频率响应方法应用于多个在实践中重要的实际绝缘系统。

US 7,292,048描述了一种用于测量电绝缘系统的电介质响应的方法和设备，其中通过频域方法确定第一测量结果而通过时域方法确定第二测量结果。组合第一测量结果和第二测量结果以形成总测量结果作为电介质响应。遗憾的是，该文献关于如何实际地使用频域方法并无记载。

然而，存在这样一篇文献，其确实描述了一种对确定在变压器中的两个绕组之间提供的绝缘体的退化绝缘能力这一问题的实用解决方案。这一文献为US 6,870,374。

US 6,870,374描述了一种用于识别电力变压器的绝缘系统中的异常类型的方法，其中测量绝缘系统的分区中的电介质损耗，基于该分区的材料性质、几何形状和温度来计算针对分区的理论电介质损耗，并且生成测量的电介质损耗与计算的电介质损耗之间百分比差的图形表示。根据对变压器的DFR测试来预备电介质响应签名。将签名和测量的响应与具有“正常”绝缘结构的变压器的建模响应和已知缺陷的签名库比较。然后基于该比较可以诊断受测试的变压器的绝缘结构中的功率因子缺陷。

在Mark Perkins、Asim Fazlagic、George Frimpong的″Dielectric Frequency Response Measurement as a Tool for Troubleshooting Insulation Power Factor Problems″(Conference Record of the 2002 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Boston，MA USA)中也描述了上文提到的方法。

鉴于上文已经描述的内容，因此需要提供一种用于确定绝缘能力变化的、也考虑变化原因的不同方式。

发明内容

本发明涉及提供一种对确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化这一问题的解决方案，其中至少一个物体为绕组。

这一问题主要通过以下操作来解决：获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信号是可以向电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得；比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱；在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰；分析检测到的波峰的形状；并且基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。

本发明的一个目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法，其中至少一个物体为绕组，该方法无需拆卸电感操作的元件即可进行。

根据本发明的第一方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法来实现，其中至少一个物体为绕组，并且该方法包括步骤：

获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信号是可以向电感操作的元件的第一物体中施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得频率响应，

比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，

在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，

分析检测到的波峰的形状，并且

基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。

本发明的另一目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的设备，其中至少一个物体为绕组，该设备无需拆卸电感操作的元件即可进行这一确定。

根据本发明的第二方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的设备来实现，其中至少一个物体为绕组，并且该设备包括：

-分析单元，布置成：

-获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信号是可以向电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得，

-比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，

-在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，

-分析检测到的波峰的形状，并且

-基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。

本发明的另一目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组，该计算机程序产品允许无需拆卸电感操作的元件即可进行这一确定。

根据本发明的第三方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组，并且该计算机程序产品包括计算机程序代码，该计算机程序代码提供在计算机可读介质上，并且配置成在所述代码加载到所述计算机中时使计算机进行操作：

-获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信号是可以向电感操作的元件的第一物体中施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得，

-比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，

-在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，

-分析检测到的波峰的形状，并且

-基于检测到的波峰的形状来确定绝缘能力变化。

根据本发明的一种变化，基于波峰的峰值的频率来确定退化绝缘能力的量。

根据本发明的另一变化，基于波峰在参考频率频谱以上的高度来确定绝缘能力退化的绝缘体的体积。

本发明具有诸多优点。它确定绝缘体的绝缘能力退化而无需拆卸或者以别的方式负面地影响电感操作的元件。因此，通过这样的确定，比如在将更换、修复和/或保养元件时，更易于确定将对它进行的保养活动。对绝缘能力的更好了解因此可以有高度的经济重要性。通过这样的了解，还更易于确定将在何时断开元件，这从安全观点来看也可以是有利的。

附图说明

在下文中，将参照以下附图描述本发明，其中：

图1示意地示出了连接到变压器的初级绕组的根据本发明的设备，

图2示意地示出了穿过示例变压器的一半的截面图，

图3示意地示出了图2中的整个变压器的俯视图，

图4示意地示出了在初级绕组与次级绕组之间的绝缘体，其中由体积V组成的分区具有退化绝缘能力，

图5示意地示出了与在图4的初级绕组与次级绕组之间提供的绝缘能力退化的绝缘体对应的等效电路，

图6示出了对频率改变信号的频率响应的示例第一频率频谱以及对应第二参考频率频谱，其中，该频率改变信号已经向变压器的初级绕组发送，并且

图7示意地示出了在根据本发明的方法中进行的多个方法步骤。

具体实施方式

在下文中，将给出对根据本发明的设备和方法的优选实施例的详细描述。

在图1中，示出了用于确定在电感操作的元件16的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的设备10。本发明的设备10包括信号生成单元12和分析单元14。信号生成单元12在这里布置成连接到变压器的第一物体，这里为初级绕组18，并且分析单元14被布置成连接到变压器的第二物体，这里为次级绕组20。

在图1中，设备10连接到这里形式为变压器16的电感操作的元件。图1中的变压器16示意地表示为包括形式为初级绕组18的第一物体和形式为次级绕组20的第二物体。变压器16还具有多个端子，即，用于连接到初级绕组18的第一和第二馈送端子22和24，以及用于连接到次级绕组20的第三和第四馈送端子26和28。图1中所示变压器16还包括第五和第六端子30和32，其中经过提供与初级绕组18的连接性的套管抽头来布置第五端子30，并且经过提供与次级绕组18的连接性的套管抽头来提供第六端子32。

在这里给出的例子中，信号生成单元12连接到第一馈送端子22，并且分析单元14连接到第三馈送端子26，而第二和第四端子24和28接地，尽管这并非严格要求。应当认识到这仅为设备10可以连接到变压器16的一种方式并且存在后文将更详细描述的若干其它方式。

图2示出了变压器一半的截面图，并且图3示出了当从可以对其进行根据本发明的测量的整个变压器上方观察时的图示。如从图2和图3可见，示例变压器具有初级绕组18，该初级绕组包括在变压器芯34周围沿圆周提供的多匝缠绕导体。提供与这一初级绕组18径向间隔的次级绕组20，该次级绕组由在初级绕组18和芯34周围沿圆周提供的多匝缠绕导体组成。最后在两个绕组18与20之间提供有绝缘体36。这里应当认识到，本发明决不限于这一类圆柱形状的变压器或者对变压器芯的使用。

变压器有利地为电力变压器，即通常可以在kV范围的高压操作的变压器。就这样的大型变压器而言，在绕组18与20之间的绝缘体38在许多情况下由可以浸于油中的纸张或者纸板组成。这一绝缘体可以在电性上视为在初级绕组与次级绕组之间相互并联提供的一个或者多个电容。

现在随着长期使用这样的变压器，它将退化。通常可能出现的一类退化在于在绕组之间的绝缘体将接收杂质，比如硫化铜(Cu₂S)。这样的杂质将退化绝缘体的绝缘能力，即绝缘体将在某一意义上传导电流。这一退化还可能是局部的，因为绝缘体的仅某一体积将受负面影响。在图4中示出了这一情形。

图4示意地示出了在初级绕组18与次级绕组20之间的绝缘体36。绝缘体36在这里由绝缘能力正常的主要分区37和绝缘能力退化的子分区38组成。这一子分区38在这里占据体积V。表示为虚线框的子分区38还具有深度d，即在从初级绕组18到次级绕组20的方向上的延伸。如上文所示，可以将绝缘体视为连接于初级绕组18与次级绕组20之间的一个或者多个电容。于是可以基于绝缘体的部分(即绝缘能力退化的具有体积V的子分区38)来修改绝缘体的这一模型。

图5示出了用于图4的子分区38的一种这样的修改模型，其中多个电元件连接于初级绕组18与次级绕组20之间。为了示出它们与绝缘材料的各种分区的关系，将它们表示为提供在绝缘体的无退化的主要分区37中以及在有退化的子分区38中。这里有两个示例支路：第一支路仅在主要分区37中提供并且因此仅包括连接于初级绕组18与次级绕组20之间的电容C_I1。也有伸展于初级绕组18与次级绕组20之间的第二支路。然而，第二支路提供在子分区38中以及在主要分区37中。在子分区38中提供的第二支路的部分在这里具有与电阻R_V并联的电容C_V。这一并联电路又与在主要分区37中提供的电容C_I2串联连接。该支路因此在这里由与电容C_I2串联的这一并联电路组成。

由于电阻R_V而存在绝缘体的绝缘能力退化。这里将子分区38表示为与初级绕组18接近地来提供。然而，应当认识到它可以基于绝缘能力退化可能出现于何处而放置于绝缘体36中的任何位置。子分区38还可以伸展从初级绕组到次级绕组的整个长度，并且也伸展在与初级绕组和次级绕组平行的方向上的整个长度。在这些情况下，当然将相应地修改图5的模型。然而一般而言，子分区3将如下并联电路组成，该并联电路由电阻和电容组成，并且根据这一体积在绕组之间或者与绕组的长度并联的延伸，而与主要分区的一个或者多个电容串联和/或并联连接。

根据本发明，可以确定子分区38的体积V以及深度d。还可以确定依赖于电阻R_V的退化绝缘能力的量。

由于这样的确定，于是更易于确定将何时进行保养、修复或者更换。

现在，也将参照图6和图7更详细地描述本发明的工作，其中图6示出了对已经向变压器的初级绕组中发送的频率改变信号的频率响应的示例第一频率频谱，以及与第一频率频谱对应的示例第二参考频率频谱，并且图7示意地示出了在根据本发明的方法中进行的多个方法步骤。

在图6中用实线示出了第一频率频谱40，而用虚线示出了第二参考频率频谱42。这些还表示为在具有X和Y轴的图中提供的曲线40和42，其中Y-轴以dB为单位将第一频率频谱和参考频谱表示为Tan-Delta，而X轴以对数形式示出了频率、即表示为log f。Tan-Delta是一种代表绝缘体频率频谱的公知方式，并且这里将不这样更详细地加以描述。示例第一频率频谱曲线40还具有不能在第二参考频率频谱42中发现的波峰44。这一波峰44具有在频率f₁提供的峰值。在这一频率f1，波峰44也提供有在第二参考频率频谱42以上高度Δ(Tan-Delta)。波峰44还具有宽度w。第二参考频率频谱可以基于绝缘体的性质来计算，并且可以考虑诸如绝缘体的元件(间隔物和屏障)、所用材料(比如纸张或者纸板和油)、温度等事项。就这一点而言，可以根据例如在通过引用结合于此的U.L.Adeen、M.Tapper、P.Ghasemi和B.的″Dielectric Spectroscopy in Time and Frequency Domain Applied to Diagnostics of Power Transformers″(2000 IEEE 6^th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials(ICPADM)，中国西安，2000年6月21-26日)中提到的原理来确定第二参考频率频谱。作为替代，它可以通过如下实际测量的频率响应来获得，当变压器在工厂被组装或者首次投入使用时可以已经获得该频率响应。当然也可以的是可以通过适当测量在某一其它时间获得第二参考频率频谱。

该方法始于设备10的信号生成单元12向变压器16的初级绕组18施加频率改变信号(步骤46)，这可以通过向变压器16的初级绕组18的第一馈送端子22中发送频率扫描信号(sweeping signal)来完成。这一信号优选为具有幅度并且在低频范围中扫描(swept)的正弦信号。这一频率范围通常可以是在1mHz与1kHz之间的范围。作为替代，可以施加由脉冲组成的信号，其中这些脉冲包括足以在希望的频率范围中获得频率响应的频率内容。频率扫描信号通过初级绕组18并且造成在次级绕组20中生成响应信号。通过分析单元14经由次级绕组20的第三端子26接收该响应信号(步骤48)，由此提供第一频率频谱40。分析单元14在这里可以在存储器中存储接收的第一频率频谱40以及将它可能与第二参考频率频谱42一起呈现，以便用户能够确定是否存在绝缘体36的绝缘材料的绝缘能力变化。

分析单元14还比较接收的第一频率频谱40与第二参考频率频谱42(步骤50)，并且检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰44(步骤52)。分析单元14随后分析波峰44的形状(步骤54)、然后基于检测到的波峰44来确定绝缘体的绝缘能力变化(步骤56)。

可以按照以下方式更详细地进行比较。

高度差可以表达为：

$>\Delta (\mathrm{Tan}-\mathrm{Delta})=\frac{1}{2·(1-d)}·V---\left(1\right)$>

其中Δ(Tan-Delta)是波峰44在频率f₁位于第二参考频率频谱42以上的高度，d是归一化深度，并且V是绝缘能力退化的分区的标准化体积。归一化深度是已经与绝缘体在第一与第二绕组之间的长度相除的、由绝缘能力退化的子分区覆盖的在从初级绕组到次级绕组的方向上的距离。类似地，归一化体积是与绝缘体的整个体积相除的绝缘能力退化的子分区的体积。

基于这一等式(1)，因此可以确定绝缘能力退化的绝缘体的体积V。

频率f₁也可以表达为：

$>f_1=\frac{\sigma }{2\pi ·{ϵ}_0{ϵ}_r}·(1-d)---\left(2\right)$>

其中σ是体积V的导电率，ε₀是真空中的介电常数，ε_r是绝缘体的相对介电常数，并且d是归一化深度。

基于这一等式(2)，因此可以确定形式为导电率σ的退化绝缘能力的量。

因而根据对波峰44的考察，因此可以确定导电率，根据该导电率可以获得该体积的绝缘能力退化、该体积的大小以及深度d。因此基于波峰的峰值的频率，来确定退化绝缘能力的量。基于波峰在第二参考频率频谱以上的高度来确定该体积，并且也基于频率来确定体积在从初级绕组到次级绕组的方向上的深度或者延伸。

具体地，可以基于使用上述等式(2)来确定深度d。通过频率f₁的位置来确定乘积(1-d)*σ。然后将第一频率频谱的虚部和实部相互分离，并且比较第一频率频谱的实部与第二参考频率频谱的实部，同时比较响应的虚部与第二参考频率频谱的虚部。这里，虚部对应于电容，而虚部对应于电介质材料的损耗。根据这些比较，可以获得深度。大的深度将通常提供与参考频谱的实部相比时响应的实部的增加，而小的深度(比如0.01的深度)将具有可忽略的差值。因此，响应与第二参考频率频谱的实部之差可以用来确定深度。也可以使用虚部，其中更大的深度与更小的深度相比能提供频率频谱中的更大差值，并且也提供在更低的频率处的这些差值。这里也可以看到波峰，其中更大的深度与更小的深度相比能提供在更低频率处更宽的波峰。

一旦已经确定深度d，则简单的事情是回到等式(1)和(2)并且更好地确定体积V和导电率σ。

可能的是在体积中有若干杂质或者污染物。这些然后杂质或者污染物可能引起相互叠加的若干波峰。它们一起提供比针对单独污染物的波峰更宽的波峰。因此，通过考察接收的响应的波峰的宽度w，还可以辨别各种杂质和这些各种杂质的绝缘能力退化。

来自若干杂质的贡献也可以视为由称为“低频色散”(LFD)的广义导电率引起。在下面等式(3)中示出了用于这一导电率的表达式：

$>{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{LFD}}=\frac{A_n}{{ϵ}_0}·{(i·\omega )}^{-n}---\left(3\right)$>

A在这里是实幅度，该幅度已经用真空介电常数ε₀来归一化，以便对于幅度A_n具有针对n＝1的导电率的含义。这可以简化成：

$>{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\mathrm{DC}}=\frac{\sigma }{{ϵ}_0}·{(i·\omega )}^{-1}---\left(4\right)$>

指数对波峰的宽度具有影响。低于n＝1的值给出更宽的波峰。波峰位置在指数n变化时也将移位。如果希望对于n＝1在f₁＝ω₁/2π维持波峰的相同位置，则必须根据下式来缩放幅度：

A_n·ω₀^-n＝A₁·ω₀^-1    (5)

通过确定体积、深度和体积的退化绝缘能力的量，于是更易于选择适当对策并且首先更好地确定将何时应用这样的对策。还可以不经拆卸或者不用负面地影响变压器的其它方式就能实现这一点。通过这样的确定，于是更易于确定将对它进行的保养活动，比如何时将更换、修复和/或保养变压器。对绝缘能力的更好了解因此可能具有高度的经济重要性。通过这样的了解，还更易于确定何时将断开元件，这从安全观点以及功率递送观点来看也是有利的。上文提到的确定当然可以与其它类型的确定组合，以便确定保养活动，比如考察绝缘体中的潮湿和绝缘体中油的老化。

可以通过适当编程的网络分析器(NA)或者计算机来提供根据本发明的设备。事实上，可以用包括计算机程序代码的计算机程序产品这一形式来提供由本发明的分析单元提供的方法步骤，该计算机程序代码提供在计算机可读介质上，比如在CD ROM或者其它类型的存储介质上，并且被配置成使计算机或网络分析器在所述代码加载到所述计算机或者网络分析器中时执行上文与分析单元相关所描述的方法步骤。

可以用多种方式变化本发明。

可以提供本发明作为纯软件工具，其中未通过软件工具接收但是通过其生成第一频率频谱。然后可以基于上文提到的电模型来生成针对各种体积、深度和导电率差值的各种响应。然后，将利用正常背景导电率，基于“正常”计算的未受影响的响应，来计算第一频率频谱，其中绝缘能力退化的体积被提供为与修改的介电常数相加的插入。这里的修改考虑到绝缘体的电模型。这一插入然后将限定所分析的波峰。在这一情况下，该响应实际上仅对应于基于向变压器的绕组施加的“虚”频率改变信号而接收的“虚”频率响应。然后，可以将这样的仿真频率频谱与接收的响应的频率频谱进行比较，以便确定退化的绝缘能力。

也应当认识到，可以向第二馈送端子而不是第一馈送端子发送在向绕组中发送时的频率改变信号，并且从第四馈送端子接收结果。还应当认识到，也可以与第二套管抽头一样使用第一套管抽头，以便发送频率改变信号并且接收该测量的结果。当然，也可以基于向次级绕组中发送频率改变信号并且测量初级绕组上的响应，来进行相似类型的分析。本发明事实上可以用于分析在变压器的任何绕组之间提供的绝缘体。因此，其并不限于在初级与次级绕组之间的绝缘体。如果波峰的各种性质和/或响应的虚实部中的一个或者多个不同于对应预设值，则分析单元还可以发出告警信号。本发明因此可以与警报阈值一起使用。

上文示例分析的电感操作的元件是变压器。应当认识到，这里分析的变压器可以是任一类变压器，例如三相电力变压器。因此可以在这样的变压器的任何两个绕组之间进行这样的分析。然而，本发明并不限于应用于变压器。它可以应用于任何电感操作的元件上、例如应用于电感器或者电抗器上。可以在电感操作的元件的由绝缘体分离的两个物体之间进行分析，其中一个物体是绕组。另一物体因此可以是另一绕组，并且可以例如是芯支柱或者静电屏蔽。根据前文讨论清楚的是，可以用多种方式变化本发明。因而，应当认识到本发明仅由所附权利要求书限定。