一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法

摘要

一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法，是一次长时间充电多次短时间持续放电的改进的回复电压测量方法，通过对采集回复电压数据的静电计编程实现自动采集，对不同受潮程度的样品进行实验，并根据每次放电过程测得的初始斜率辨识出扩展德拜等效电路各支路的参数；最后结合网络函数分析计算出各放电环节的回复电压和初始斜率；分析发现，初始斜率计算值与测量值曲线重合度较高，说明通过这种改进的回复电压测量方法获得的初始斜率辨识出的等效电路中的参数是有效的；同时，利用matlab在该等效电路上模拟常规回复电压循环多次充放电过程。本发明将实验时间缩短至传统方法的三分之一以下的同时，还原的回复电压极化谱同样能够对变压器油纸绝缘样品的绝缘状态进行评估。

说明书

技术领域

本发明涉及变压器油纸绝缘老化与寿命预测技术领域，尤其是基于一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法。

背景技术

油浸式电力变压器具有较高的绝缘强度、较长的使用寿命等优点因而被广泛用于电力系统中，然而变压器在运行过程中，不可避免地会受到电、热、机械应力以及其它环境因素的影响，导致介质的绝缘性能不断劣化，因此，研究变压器油纸绝缘状态的诊断方法，并正确地评估变压器的绝缘状态,对确保整个电网的安全、稳定和可靠运行具有重大理论和实际意义。

目前，针对变压器油纸绝缘状态的诊断方法均是以介电响应为理论基础的无损诊断方法,其中，回复电压法得益于其敏感度高、信息量大，抗干扰能力强，且便于现场测试，因而得到广泛关注。然而传统的回复电压法测量时间长是一大缺陷，重复充放电多次本就需要耗费大量时间，在每次循环中还需要测得回复电压峰值，更加延长了测量时间，整个实验过程需耗费3～5小时，效率低下；现有的一些改进方法也大都是在充一次电放一次电，重复测量多个周期的基础上进行的，只是为了通过改变充放电时间研究其对特征量的影响规律，并没有从缩短实验时间的角度考虑对测量方式进行改进；此外，传统的回复电压测量法用测量的特征量直接对变压器油纸绝缘状态进行评估，实验误差对结果的影响很大，而主时间常数是回复电压测量法中最常用的绝缘诊断特征量，主时间常数的确定直接影响到最终的诊断结果，因此需要尽量准确确定极化谱中的峰值对应的时间。

发明内容

为了解决这些问题，本发明的目的在于提供一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法，在同样极化时间下，将实验时间缩短至传统方法的三分之一以下。同时，对辨识出参数的等效电路进行仿真，还原的回复电压极化谱的峰值时间与绝缘纸中水分含量之间存在对应关系，能够对油纸绝缘的状态进行评估。

本发明采取的技术方案为：

一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1：在实验室中将干燥的绝缘纸暴露在空气中自然吸潮，然后将其充分浸泡于新变压器绝缘油中，得到不同水分含量的实验样本；

步骤2：变压器油纸绝缘回复电压自动采集系统主要通过对6517B静电仪写入VB程序，控制其中的高压直流电源模块和电表测量模块的自动投切，实现充放电及测量流程的循环控制，以及对变压器油纸绝缘回复电压的自动采集；

步骤3：将样品置于三电极装置并接入系统中，打开回复电压测量系统，在参数设置界面对充电电压、充电时间、放电循环次数、各放电时间进行设置，启动静电仪，将其初始化，开始采集后系统将自动执行充电环节，然后按照逐渐递增的步长进行循环放电、测量的过程，每个测量环节初始时刻回复电压在采样间隔内的增量即为该环节的初始斜率；

步骤4：将获得的持续放电过程中每次放电环节的初始斜率对扩展德拜等效电路中各支路的参数进行辨识；

步骤5：辨识出各支路参数后，通过网络函数对等值电路进行分析，利用线性电路的叠加定理，可计算出多放电过程中各放电环节的回复电压及其初始斜率；将初始斜率计算值与测量值进行对比，调整优化算法的参数，使得持续放电过程中各放电环节的初始斜率计算值与测量值重合度尽可能高，即辨识出的参数尽可能精确。

步骤6：将辨识出参数的等效电路，在matlab中模拟重复多次充放电的传统回复电压测量方式，编程仿真出回复电压极化谱，观察不同水分含量的样本还原出的回复电压极化谱所呈现的规律，根据极化谱中峰值时间与水分含量的对应关系对油纸绝缘状态进行评估，峰值时间越大，则绝缘纸中水分含量越多，绝缘状态越差。

所述步骤4中，辨识过程如下：

经过第j次放电后支路i上电容电压为：

其中，i代表各支路，j代表各放电环节，U₀为测量前设置的充电电压，t_c为充电时间，t_dcj为各放电时间，τ_i表示各支路的时间常数，由对应支路RC参数的乘积表示。

根据电路特性对等效电路进行分析，结合换路定理，利用测得的初始斜率可构建关于等效电路中各支路RC参数以及变压器几何电容C_g的目标函数，通过优化算法求得最优解，带入到式

中解出绝缘电阻R_g，此时，U_rj(t)为第j个放电环节后测得的第二个回复电压值，表示对应采样点的斜率。

所述步骤5中，回复电压及其初始斜率计算如下：

第j次放电后，支路i上的电容单独作用时产生的回复电压通式如下：

其中，u_cpij(0_-)为开路测量瞬间电容电压值，多项式N_ij(s)和D_ij(s)通过分析等效电路方程的运算形式得出，系数a_0,ij、a_1,ij、…、a_n-1,ij以及b_0,ij、b_1,ij、…、b_n+1,ij与等值电路中的参数有关，是R_pi、C_pi、C_g、R_g组合的结果，分析过程复杂，可利用matlab编程分析得出，并求出零点z₁、z₂、…、z_n-1和极点p₁、p₂、…、p_n+1。

通过拉氏逆变换可得，第j次放电后，支路i电容电压单独作用产生的回复电压为:

其中，K_r,ij代表在对N_ij(s)/D_ij(s)中的分母多项式做因式分解时对应的每项系数，个数与D_ij(s)多项式的阶数有关，运用极限法确定K_r,ij的值，公式如下：

D_ij’(s)为D_ij(s)的一阶导，p_r,ij为极点。

根据叠加定理，即可得出第j次放电后，n条支路上的电容电压共同作用时，在电路两端产生的回复电压及其初始斜率。

本发明一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法，优点在于：

改进后的方法除了在测量方式上作了突破性的改进，极大地缩短了实验时间之外，根据该方法测得的数据辨识出的等值电路还原的回复电压极化谱，同样可以对不同水分含量的变压器油纸绝缘样品的绝缘状态进行评估，且该极化谱是通过较精确的等效电路计算出来的，测量过程中引入的误差大大减小，提取出的峰值时间特征量评估的结果也更可靠。

附图说明

图1为本发明实验的流程示意图。

图2为三电极系统结构图；

其中：V：电压表，1-变压器油，2-上极板，3-油浸纸板，4-下极板。

图3为回复电压测量原理接线图。

图4为常规回复电压法的测量过程图。

图5为改进回复电压法的测量过程图。

图6为扩展德拜等效电路图。

图7为第j个放电环节支路1电容电压单独作用对应的运算电路。

图8为0.7％水分含量的样本在0.1s、1s、10s、100s放电时间后的计算回复电压曲线图。

图9为持续放电过程中各放电环节初始斜率的测量值与计算值对比图。

图10为还原的各水分含量样品的回复电压极化谱图。

具体实施方式

一种改进回复电压测量方式的油纸绝缘状态评估方法，

1)、在测量方式方面：通过一个长时间的充电和多个短时间连续的放电过程实现，相比于传统的以充放电时间比2:1重复多个周期的回复电压测量方法，在同样极化时间下实验时间缩短为原来的三分之一以下，提高了实验效率；

2)、在支路电容电压描述方面：测量方式的改变后，采用累乘衰减指数的形式对每次放电过程后的支路电容电压进行描述，每放一次电即在前一次电容电压的基础上乘一个衰减指数，层层递进；

3)、在参数辨识方面：利用测得的整个持续放电过程中各放电环节的初始斜率，以及第二个采样点的斜率对扩展德拜等效电路的参数进行辨识；

4)、在绝缘评估特征量方面：利用辨识出的等值电路参数计算回复电压极化谱的峰值时间作为评估变压器油纸绝缘状态的特征量，而不是直接通过测量数据获得的极化谱中的主时间常数特征量进行评估。

所述1)中：一次长时间充电多次短时间连续放电的过程，在同样极化时间下本就能够将实验时间缩短至传统方法的三分之一，同时，每次测量环节仅需测得前三个回复电压值即可，无需一直测到该环节的回复电压峰值才结束，更加提高了实验效率。

所述2)中：由于改进后的方法的放电过程是多次连续进行的，因此，采用累乘衰减指数的形式对每次放电过程后各支路电容的电压进行描述如式(1)。

所述3)中：根据测得的整个持续放电过程中每次放电环节后的初始斜率，求出等效电路中各支路的RC参数及变压器几何电容后，将其带入到式(2)中解出绝缘电阻R_g，此时，U_rj(t)为第j个放电环节后测得的第二个回复电压值，表示对应采样点的斜率。

所述4)中：实验结果表明，改进后的方法还原的回复电压极化谱中的峰值时间随绝缘纸中水分含量的增加而增大，即通过该方法还原的回复电压极化谱的峰值时间越大，油纸绝缘状态就越差。

如图1所示，本发明通过一次长时间充电多次连续放电的测量方式，在同样极化时间下将测量时间缩短至传统方法的三分之一以下，提高了实验效率，且测得的数据能够较精确地辨识出扩展德拜等效电路中的参数，根据该等效电路可计算出改进测量方式后的回复电压及其初始斜率，同时，在该等效电路上模拟常规回复电压测量方法仿真出回复电压极化谱，利用该极化谱的峰值时间可对油纸绝缘样品的绝缘状态进行评估。具体实施步骤如下：

1)在实验室中制备绝缘纸中水分含量分别为0.7％、1.3％、3.4％的实验样品，将样品放置于图2所示的用于模拟实验变压器的三电极装置中；

2)按照图3测量系统的原理接线图将实验变压器接入系统中，打开回复电压测量系统，在参数设置界面对充电电压1000V、充电时间2000s、放电循环次数13次、各放电时间分别设置为0.1s、0.2s、0.5s、1s、2s、5s、10s、20s、50s、100s、200s、500s、1000s，启动静电计，将其初始化，点击开始采集后系统将自动执行充电环节，并根据设置的放电时间进行放电、测量的循环过程，示意图如图5，常规回复电压测量过程示意图如图4。

根据每个测量环节初始时刻回复电压增量与采样间隔的比值即可得出该环节的初始斜率值，不同水分含量样品在各放电环节后测得的初始斜率数据如下：

表1不同水分含量样品在各放电环节后测得的初始斜率

0.1_s0.2_s0.5_s1_s2_s5_s10_s20_s50_s100_s200_s500_s1000_s0.7％38.8227.1820.7616.9415.4516.0514.2012.807.4625.5943.6881.9090.8901.3％37.4629.7827.6425.6823.4220.1416.1021.7815.696.293.911.920.383.4％41.6929.3823.6920.3017.6015.4213.6020.5916.877.354.742.421.03

3)扩展德拜等效电路由多条RC支路并联构成，如图6所示，能够在理论上很直观地描述不同程度的介质驰豫过程，一般采用6条支路就能较准确地反映真实状态，即n＝6。用上述初始斜率结合优化算法能够辨识出等效电路中各支路的参数，具体分析过程如下：

经过第j次放电后支路i上电容电压如式(1),根据电路特性对等效电路进行分析，结合换路定理，利用测得的初始斜率可构建关于等效电路中各支路RC参数以及变压器几何电容C_g的目标函数，通过优化算法求得最优解，带入到式(2)中解出绝缘电阻R_g，此时，U_rj(t)为第j个放电环节后测得的第二个回复电压值，表示对应采样点的斜率。

通过混合蛙跳算法对扩展德拜等效电路中的参数进行辨识，以绝缘纸中水分含量0.7％为例，辨识结果如下表：

表2水分含量0.7％时的辨识结果

4)辨识出各支路参数后，通过网络函数对等值电路进行分析，可计算出回复电压及其初始斜率：

当支路1的电容电压单独作用时，对应的运算电路如图7所示，其它支路单独作用时只需将电压源移到相应的支路上即可。

当n＝6时，第j次放电后，支路i上的电容单独作用时产生的回复电压可化简为如下形式：

其中，u_cpij(0_-)为开路测量瞬间电容电压值，多项式N_ij(s)和D_ij(s)通过分析等效电路方程的运算形式得出，系数a_0,ij、a_1,ij、…、a_5,ij以及b_0,ij、b_1,ij、…、b_7,ij与等值电路中的参数有关，是R_pi、C_pi、C_g、R_g组合的结果，可利用matlab得到求出零点z和极点p。

通过拉氏逆变换可得，第j次放电后，支路i电容电压单独作用产生的回复电压为:

其中，K_r,ij代表在对N_ij(s)/D_ij(s)中的分母多项式做因式分解时对应的每项系数，个数与D_ij(s)多项式的阶数有关。运用极限法确定K_r,ij的值，公式如下：

D_ij’(s)为D_ij(s)的一阶导，p_r,ij为极点。

根据叠加定理，即可得出第j次放电后，6条支路上的电容电压共同作用时，在电路两端产生的回复电压及其初始斜率。

0.7％水分含量的样本在0.1s、1s、10s、100s放电时间后的计算回复电压曲线如图8，计算出的持续放电过程中各放电环节的初始斜率与测量获得的初始斜率对比如图9，两者重合度为92.52％，说明通过改进后的方法测得的各放电环节的回复电压初始斜率值辨识出的等值电路的参数是有效的，通过该等值电路能够较好地反映出多次放电过程中绝缘介质内部的极化、去极化过程，从理论上验证了该实验方法的可行性。还可进一步调整算法的参数，使得辨识出的参数尽可能精确。

在辨识出参数的等值电路上按充放电比2:1循环多次模拟常规回复电压测量法，可通过matlab仿真出各水分含量样品的回复电压极化谱如图10，可以看出，通过等值电路还原的回复电压极化谱的峰值时间随绝缘纸中水分含量的增大而增加，而水分含量与油纸绝缘状态之间存在着很好的对应关系，更加验证了改进后的测量方法获得的数据的有效性，以及用这种测量方法实现后续油纸绝缘状态评估的可行性。

综上所述，改进后的方法除了在测量方式上作了突破性的改进，极大地缩短了实验时间之外，根据该方法测得的数据辨识出的等值电路还原的回复电压极化谱，同样可以对不同水分含量的变压器油纸绝缘样品的绝缘状态进行评估，且该极化谱是通过较精确的等效电路计算出来的，测量过程中引入的误差大大减小，提取出的峰值时间特征量评估的结果也更可靠。

本发明的应用仅用于说明本发明，但不限于上述举例，在此基础上进行的改进和等同变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。