一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法。本方法通過測試得到實測參數溫度，測試得到紙筒總的厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度的比值，撐條的總寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長的比值，然后將上述測得的數據代入至低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式，最后得到低頻正弦激勵下變壓器油隙的相對介電常數。該方法能夠在有效地計算出低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的基礎上，還能夠通過數值計算的方法解決使用儀器測量低頻正弦激勵下油紙絕緣系介電參數時間長的問題，提高頻域介電響應法在實際工程中的應用效率。
【專利說明】
一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法
技術領域
[0001] 本發明屬于變壓器絕緣狀態檢測領域，具體涉及一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系 統相對介電常數的測試方法。
【背景技術】
[0002] 油浸式變壓器是電力系統的核心設備，其內部油紙絕緣系統性能的好壞是影響變 壓器壽命的重要因素，頻域介電響應法(Frequency Domain Dielectric Spectrum，FDS)是 能夠有效診斷油紙絕緣系統水分含量及其老化狀態的公認方法之一。油紙絕緣系統屬于復 合電介質，油浸式變壓器的油紙絕緣系統主要由油隙、紙筒壓板與撐條等構成，相關研究中 較多采用XY模型作為其幾何等效模型，油紙絕緣系統的介電特性因老化或受潮而發生變 化，頻域介電響應法正是以此為基礎對變壓器油紙絕緣系統的絕緣狀態進行評估、診斷。
[0003] 油紙絕緣系統進行頻域介電響應測試時，外施正弦激勵電壓由高頻到低頻進行逐 頻掃描測試，一般測試由lKHz逐頻掃描至ImHz需要40min，而僅僅ImHz頻率的測試就需 15min，對于特殊工況，如牽引變壓器檢修時間(開天窗)僅為2個小時左右，則此時變壓器檢 修時間不足以完成變壓器離線冷卻與頻域介電響應測試兩個環節，嚴重影響了頻域介電響 應法在實際工程中的應用效率，因此急需一種方法能夠在準確得到變壓器油紙絕緣系統相 對介電常數頻域譜的基礎上，還可以提高頻域介電響應法在實際工程中的應用效率。
【發明內容】
[0004] 為了能夠計算低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數，提高頻域介電響應法 在實際工程中的應用效率，本發明提供一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的 測試方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：一種低頻正弦激勵下變壓器變壓器油隙相對介電常 數的測試方法，包含以下步驟：
[0006] 1.1測試得到變壓器油隙的溫度T，單位開爾文(K);
[0007] 1.2測試得到油隙厚度U，油浸紙厚度L2;
[0008] 1.3測試溫度T下，油隙的初始直流電導率〇1，油隙的穩態直流電導率，油隙的 尚子遷移率yi;
[0009] 1.4測試溫度T下，油浸紙的初始直流電導率〇2，油浸紙的穩態直流電導率 〇(1。2，油 浸紙的離子迀移率y2;
[0010] 1.5測量得至lj施加低頻正弦激勵的角頻率《 ;
[0011] 1.6測試得到紙筒總的厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度的比值(記為X)，撐條的總 寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長的比值(記為Y)
[0012] 1.7上述測得的數據代入至低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式， 通過計算得到油紙絕緣系統相對介電常數。
[0013] 步驟1.7中所述的低頻激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式為：
[0015]式中，e't〇t為油紙絕緣系統相對復介電常數實部，e'ot為油紙絕緣系統相對復介 電常數虛部，e'。為油隙相對復介電常數實部，￡"。為油隙相對復介電常數虛部，e'PS油浸紙 相對復介電常數實部，e" P為油浸紙相對復介電常數虛部，A、B表達式如下：
[0017]式(1)中油隙與油浸紙相對介電常數實部與虛部的表達式分別為：
[0020] 式中，e為單位電荷帶電量，k=1.38Xl(T23J/K為玻爾茲曼常數，e r_Q = 2.2為變壓 器油工頻相對介電常數，er』= 4.5為油浸紙工頻相對介電常數，eQ = 8.85Xl(T12F/m為真空 介電常數。
[0021] -種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法的公式推導過程如 下：
[0022] 建立平板電極模型，極板間距離為L，極板中間填充絕緣電介質，為油隙或油浸紙 (板），極板之間可通過施加外部激勵電壓從而產生電場E。在外施電場的作用下，絕緣電介 質中的載流子(正、負離子)會產生定向地移動，并且分別會大量的聚集在電極附近，形成電 極極化層，為了補償束縛離子產生的影響并且維持極板間電場強度不變，外施電源會補充 電荷到極板并成為極板上的束縛電荷。絕緣電介質中離子運動除受電場作用之外，還受到 因離子濃度差產生的熱擴散作用，則當電場作用和熱擴散作用達到平衡時，絕緣電介質中 的離子濃度分布即達到平衡，致使絕緣電介質整體上表現為宏觀上的偶極子。極板間絕緣 電介質在外施電場作用下發生電極極化的弛豫時間t為：
[0024]式中，er為絕緣電介質的工頻相對介電常數，eQ為真空介電常數，e為單位電荷帶電 量，no為離子濃度，y為離子迀移率。當絕緣電介質中離子濃度分布穩定后，在極板之間形成 的電極極化層厚度(德拜長度)Ld為：
[0026] 式中，k = 1.38X10-23J/K為玻爾茲曼常數，T為溫度，單位為開爾文。[0027] 絕緣電介質的初始直流電導率〇〇與離子濃度no有如下關系：
[0031]當極板間外施低頻激勵是角頻率為《，相位角為〇的正弦交流電壓u(t)時，因電極 極化作用產生的介電參數隨頻率的變化滿足德拜弛豫方程，即：
[0035]則將式(8、（10)代入式(9)，并將式(9)實部、虛部分離可得：
[0037]考慮絕緣電介質在低頻激勵下電導引起的損耗，則基于式（11)可以得到低頻激勵 下絕緣電介質的介電參數方程：
[0039]式中，〇d。為絕緣電介質的穩態直流電導率。則將油隙與油浸紙的相關參數代入式 (12)，可得油隙與油浸紙的相對介電常數表達式：
[0042] 式中，er_c> = 2.2為變壓器油工頻相對介電常數，er_P = 4.5為油浸紙工頻相對介電 常數，e〇 = 8.85X10-12F/m為真空介電常數。
[0043] XY模型為變壓器油紙絕緣系統等效幾何模型，X定義為紙筒總的厚度與高低壓繞 組間主絕緣厚度的比值，Y定義為撐條的總寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長的比值，相 關研究中將撐條、紙筒統一視為油浸紙(板）。在溫度T下施加角頻率為co的正弦低頻交流激 勵電壓，則油紙絕緣系統的介電參數可以表示為：
[0045]式中，，T )為油紙絕緣系統的相對復介電常數，e%( ?，T )為油浸紙(板）的 相對復介電常數，?，T)為油隙的相對復介電常數。根據式（15)分離得到油紙絕緣系 統相對復介電常數實部與虛部表達式為：
[0047]式中，e't〇t為油紙絕緣系統相對復介電常數實部，e'ot為油紙絕緣系統相對復介 電常數虛部，e'。為油隙相對復介電常數實部，￡"。為油隙相對復介電常數虛部，e'PS油浸紙 相對復介電常數實部，e" P為油浸紙相對復介電常數虛部，A、B表達式如下：
[0049] 本發明能夠在準確地計算得到變壓器油紙絕緣系統相對介電常數頻域譜的基礎 上，通過數值計算的方法解決使用儀器測量低頻正弦激勵下油隙復電容時間長的問題，提 高頻域介電響應法在實際工程中的應用效率。
【附圖說明】
[0050] 圖1是一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法流程圖。
[0051] 圖2是一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法示例。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖對本發明作進一步說明：
[0053]圖1所示為一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法流程圖。 從圖中可以看出一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法，主要包括以 下步驟：
[0054] 1.1測試得到變壓器油隙的溫度T;
[0055] 1.2測試得到油隙厚度U，油浸紙厚度L2;
[0056] 1.3測試溫度T下，油隙的初始直流電導率〇1，油隙的穩態直流電導率，油隙的 尚子遷移率yi;
[0057] 1.4測試溫度T下，油浸紙的初始直流電導率〇2，油浸紙的穩態直流電導率〇 dc2,油 浸紙的離子迀移率y2;
[0058] 1.5測量得到施加低頻正弦激勵的角頻率〇 ;
[0059] 1.6測試得到紙筒總的厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度的比值(記為X)，撐條的總 寬度與高低壓繞組間主絕緣平均周長的比值(記為Y)
[0060] 1.7上述測得的數據代入至低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式， 通過計算得到油紙絕緣系統低頻介電參數。
[0061] 圖2所示為一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法示例。測 試得到油隙的初始直流電導率與穩態直流電導率如表1所示，油浸紙的初始直流電導率與 穩態直流電導率如表2所示，測試得到油隙與油浸紙的離子迀移率如表3所示，測試得到油 隙厚度為1mm，油浸紙厚度為1.3mm，X為0.23，Y為0.25，將測試得到的油隙與油浸紙的相關 參數（離子迀移率、擴散系數等）代入到式（13-14)中可分別得到油隙、油浸紙在1Hz~ 0.001Hz范圍內的相對復介電常數計算值，然后將油隙、油浸紙相對復介電常數的計算值代 入到公式（16)中，則可得到油紙絕緣系統在1Hz~0.001Hz范圍內相對復介電常數計算值， 如圖2所示。分析圖2中所示結果可知，油紙絕緣系統在1Hz~0.001Hz范圍內各測試頻率點 的相對復介電常數計算值與測試值的誤差均在3%以內，則計算值能夠與實驗測試值較好 地相符合。
【主權項】
1. 一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方法，其特征在于:包含以 下步驟： 1.1測試得到油紙絕緣系統的溫度T，單位開爾文； 1.2測試得到油隙厚度U，油浸紙厚度L2; 1.3測試溫度T下，油隙的初始直流電導率〇1，油隙的穩態直流電導率on，油隙的離子迀 移率yi; 1.4測試溫度T下，油浸紙的初始直流電導率〇2，油浸紙的穩態直流電導率〇(1。2，油浸紙的 尚子遷移率此； 1.5測量得到施加低頻正弦激勵的角頻率《 ; 1.6測試得到紙筒總的厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度的比值(記為X)，撐條的總寬度 與高低壓繞組間主絕緣平均周長的比值(記為Y); 1.7上述測得的數據代入至低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式，通過 計算得到油紙絕緣系統相對介電常數。2. 根據權利要求1所述的一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方 法，其特征在于:步驟1.7中所述的低頻激勵下油紙絕緣系統相對介電常數表達式為：式中，為油紙絕緣系統相對復介電常數實部，￡'。*為油紙絕緣系統相對復介電常 數虛部，e'。為油隙相對復介電常數實部，e"。為油隙相對復介電常數虛部，e'P為油浸紙相對 復介電常數實部，e" P為油浸紙相對復介電常數虛部，A、B表達式如下：3. 根據權利要求2所述的一種低頻正弦激勵下油紙絕緣系統相對介電常數的測試方 法，其特征在于:其中油隙與油浸紙相對介電常數實部與虛部的表達式分別為：式中，e'。為油隙相對復介電常數實部，￡"。為油隙相對復介電常數虛部，e'P為油浸紙相 對復介電常數實部，e"P為油浸紙相對復介電常數虛部，T為油紙絕緣系統的溫度(單位開爾 文），e為單位電荷帶電量，k= 1.38 X 1(T23J/K為玻爾茲曼常數，^_。= 2.2為變壓器油工頻相 對介電常數，er』= 4.5為油浸紙工頻相對介電常數，￡〇 = 8.85乂1〇-1￥/111為真空介電常數，〇1 為油隙的初始直流電導率，〇dca為油隙的穩態直流電導率，講為油隙的離子迀移率，〇2為油浸 紙的初始直流電導率，〇<1。 2為油浸紙的穩態直流電導率，叱為油浸紙的離子迀移率，U為油隙 厚度，L2為油浸紙厚度，w為施加低頻正弦激勵的角頻率。
【文檔編號】G01R27/26GK106053955SQ201610538792
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】王東陽, 周利軍, 陳雪驕, 廖維, 王路伽, 郭蕾
【申請人】西南交通大學