一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法

摘要

本发明公开了一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法，它包括：步骤1、频域介电谱测试准备；步骤2、求解满足频域介电谱匹配要求的油浸绝缘纸板扩展德拜模型的相关参数，从而完成油浸绝缘纸板频域介电谱测试的解谱；步骤3、基于油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试解谱结果，计算油浸绝缘纸板的电导损耗及极化损耗；步骤4、根据电导损耗及极化损耗分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率，通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来计算油浸绝缘纸板的含水量；解决了现有技术基于理化性质的油纸绝缘含水量评估方法可靠性不足，而时域介电响应技术测量频带窄且受环境干扰显著等问题。

说明书

技术领域：

本发明属于油纸绝缘含水量测量技术，尤其涉及一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法。

背景技术：

油浸绝缘纸板是油浸式变压器及油浸式高压套管、油浸式互感器等电气设备的主要绝缘组成部分，在长期运行中受电、热、机械应力、水分等因素的影响而逐渐老化，引起设备电气及机械性能的下降。其中，受潮是影响油纸绝缘性能的重要因素，并导致油纸绝缘设备故障的主要原因。因此，准确诊断油纸绝缘的受潮状态对于油纸绝缘设备的运行维护，减小设备事故概率，维护电网安全稳定运行具有重要意义。

对于油纸绝缘受潮状态的诊断方法，传统方法通过卡尔费休库伦滴定测取油中的微水含量，继而利用水分平衡曲线得到绝缘纸的微水含量，但该方法易受油纸间水分平衡状态的制约，导致水分评估结果不准确。目前，介电响应法是国内外学者探索总结出的一种油纸绝缘受潮状态的无损检测手段和方法，包括回复电压法(Recovery Voltage Method,RVM)，极化/去极化电流法(Polarization and Depolarization Current,PDC)及频域介电谱法(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)。其中，频域介电谱法相较于前两种方法具有携带介质绝缘信息丰富且抗干扰能力强的优势。但介电响应技术在实际应用中也暴露出诸多不足，具体表现为只能定性评估油纸绝缘整体状态、易受环境因素干扰等，这是由于目前的研究大多基于介电响应测试结果，单纯通过观察介电谱曲线并相互对比来定性诊断油纸绝缘受潮状态，无法深入挖掘介电谱携带介质状态特性等丰富信息，因而无法对油纸绝缘受潮状态进行定量评估。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法，以解决现有技术基于理化性质的油纸绝缘含水量评估方法可靠性不足，而时域介电响应技术测量频带窄且受环境干扰显著的问题，同时考虑到目前基于频域介电谱的油纸绝缘受潮状态诊断方法尚未充分发挥频域介电谱法携带绝缘信息丰富的优势，而能够有效量化反映油纸绝缘受潮状态的频域特征参量又难以提取等技术问题。

本发明技术方案：

一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法，它包括：

步骤1、频域介电谱测试准备：在三电极系统平台上，将油浸绝缘纸板放置在高压电极与测量电极之间，频域介电谱仪高压端连接高压电极，低压端连接测量电极，接地端与保护电极同时接地并设置频域介电谱仪测试参数；

步骤2、频域介电谱测试测量得到油浸绝缘纸板的复电容实部C′和虚部C″，采用扩展德拜模型作为油浸绝缘纸板的等效电路模型，通过求解满足频域介电谱匹配要求的油浸绝缘纸板扩展德拜模型的相关参数，从而完成油浸绝缘纸板频域介电谱测试的解谱；

步骤3、基于油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试解谱结果，计算油浸绝缘纸板的电导损耗及极化损耗；

步骤4、根据电导损耗及极化损耗分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率，通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来计算油浸绝缘纸板的含水量。

步骤2所述的油浸绝缘纸板频域介电谱测试的解谱方法包括：

步骤2.1、建立扩展德拜模型的等效复电容实部C′和虚部C″计

算公式

式中C₀为表征真空几何电容和无损极化的等效电容，单位nF；R₀表征绝缘电阻，单位GΩ；串联电容电阻支路反映不同弛豫时间的松弛极化过程，R_i为各串联RC支路的电阻值，单位GΩ，C_i为各串联RC支路的电容值，单位nF；

步骤2.2、建立扩展德拜模型参数优化目标函数为：

式中，C′_测量(ω)和C″_测量(ω)分别为油浸绝缘纸板频域介电谱测试得到的复电容实部和虚部值，单位F；C′_拟合(ω)和C″_拟合(ω)分别为通过扩展德拜模型参数计算得出的复电容实部和虚部值，单位F；m为实测频域介电谱频率点个数；

步骤2.3、利用遗传算法对扩展德拜模型参数优化目标函数展开迭代计算，最终确定一组满足精度要求的扩展德拜模型参数最优值，实现油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试的解谱。

步骤3所述基于油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试解谱结果计算油浸绝缘纸板的电导损耗及极化损耗的方法包括：

步骤3.1、通过公式计算电导损耗P_C,单位W；式中U为绝缘介质两端的作用电压，为便于计算，将作用电压统一设为R₀为绝缘电阻值，单位GΩ；

步骤3.2、通过公式计算极化损耗P_P,单位W；式中，R_i、C_i分别为各串联RC支路的电阻、电容值,单位分别为GΩ、nF，ω为频域介电谱测试角频率,单位为rad/s。步骤4所述根据电导损耗及极化损耗分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率，通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来计算油浸绝缘纸板的含水量的方法包括：

步骤4.1、据电导损耗及极化损耗的计算公式分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率；

步骤4.2、通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来评估含水量，计算公式为：f_P＝0.0226e^0.5487m，式中，f_P为极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率单位为Hz，m为含水量单位为％。

本发明的有益效果：

本发明提出一种基于极化损耗和电导损耗频率曲线交点频率的油纸绝缘含水量评估方法，首先基于油纸绝缘FDS测试结果建立油纸绝缘介电等效模型，在此基础上，提取油纸绝缘受潮状态特征量，实现油纸绝缘含水量定量评估，本发明基于极化损耗和电导损耗频率曲线交点频率的油纸绝缘含水量评估方法，充分挖掘了FDS携带的油纸绝缘状态信息，将绝缘系统微观机构从极化响应提供的信息中分开来，使其在物理本质上同油纸绝缘受潮状态建立联系，为油纸绝缘受潮状态诊断提供了定量诊断依据。该方法准确有效，可操作性强，并为频域介电响应技术在本领域的工程实际应用奠定基础；解决了现有技术基于理化性质的油纸绝缘含水量评估方法可靠性不足，而时域介电响应技术测量频带窄且受环境干扰显著的问题，同时考虑到目前基于频域介电谱的油纸绝缘受潮状态诊断方法尚未充分发挥频域介电谱法携带绝缘信息丰富的优势，而能够有效量化反映油纸绝缘受潮状态的频域特征参量又难以提取等技术问题。

附图说明：

图1为本发明方法流程框图；

图2为本发明对某油浸绝缘纸板进行频域介电谱测试获得的谱图；

图3为扩展德拜模型结构示意图。

具体实施方式：

一种基于极化损耗和电导损耗的油纸绝缘含水量评估方法，它包括：

步骤1、频域介电谱测试准备：在三电极系统平台上，将油浸绝缘纸板放置在高压电极与测量电极之间，频域介电谱仪高压端连接高压电极，低压端连接测量电极，接地端与保护电极同时接地并设置频域介电谱仪测试参数；包括测试电源电压峰值为200V，测试频率范围为1mHz-1kHz。

步骤2、频域介电谱测试测量得到油浸绝缘纸板的复电容实部C′和虚部C″，采用扩展德拜模型作为油浸绝缘纸板的等效电路模型如图3所示，图3中，C₀为表征真空几何电容和无损极化的等效电容，单位：nF；R₀表征绝缘电阻，单位：GΩ；Cn和Rn组成的RC串联电路表示不同弛豫时间的松弛极化过程,单位分别为nF、GΩ。

通过求解满足频域介电谱匹配要求的油浸绝缘纸板扩展德拜模型的相关参数，从而完成油浸绝缘纸板频域介电谱测试的解谱；

步骤2所述的油浸绝缘纸板频域介电谱测试的解谱方法包括：

步骤2.1、建立扩展德拜模型的等效复电容实部C′和虚部C″计算公式

式中C₀为表征真空几何电容和无损极化的等效电容，单位nF；R₀表征绝缘电阻，单位GΩ；串联电容电阻支路反映不同弛豫时间的松弛极化过程，R_i为各串联RC支路的电阻值，单位GΩ，C_i为各串联RC支路的电容值，单位nF；

步骤2.2、建立扩展德拜模型参数优化目标函数为：

式中，C′_测量(ω)和C″_测量(ω)分别为油浸绝缘纸板频域介电谱测试得到的复电容实部和虚部值，单位F；C′_拟合(ω)和C″_拟合(ω)分别为通过扩展德拜模型参数计算得出的复电容实部和虚部值，单位F；其根据上述扩展德拜模型复电容表达式得到，m为实测频域介电谱频率点个数；

步骤2.3、利用遗传算法对扩展德拜模型参数优化目标函数展开迭代计算，最终确定一组满足精度要求的扩展德拜模型参数最优值，实现油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试的解谱。扩展德拜模型RC串联支路数n取为6。

步骤3、基于油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试解谱结果，利用辨识得到的等效模型参数计算油浸绝缘纸板的电导损耗及极化损耗；该步骤也称为数据处理。

步骤3所述基于油浸绝缘纸板频域介电谱复电容测试解谱结果计算油浸绝缘纸板的电导损耗及极化损耗的方法包括：

步骤3.1、通过公式计算电导损耗P_C,单位W；式中U为绝缘介质两端的作用电压，为便于计算，将作用电压统一设为R₀为绝缘电阻值，单位GΩ；

步骤3.2、通过公式计算极化损耗P_P,单位W；式中，R_i、C_i分别为各串联RC支路的电阻、电容值,单位分别为GΩ、nF，ω为频域介电谱测试角频率,单位为rad/s。

步骤4、根据电导损耗计算公式及极化损耗计算公式分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率，通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来计算油浸绝缘纸板的含水量。

步骤4所述根据电导损耗及极化损耗分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率，通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来计算油浸绝缘纸板的含水量的方法包括：

步骤4.1、据电导损耗及极化损耗的计算公式分别作出电导损耗和极化损耗的频率曲线，并得到两曲线交点频率；

步骤4.2、通过极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率来评估含水量，计算公式为：f_P＝0.0226e^0.5487m，式中，f_P为极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率单位为Hz，m为含水量单位为％。

表1为本发明对上述油浸绝缘纸板扩展德拜模型参数辨识的结果。通过绘制极化损耗和电导损耗频率曲线得到两曲线的交点频率f_P为0.209Hz，将f_P值代入含水量估计公式可推测其含水量为4.05％，该结果与通过卡尔菲休库伦滴定法得到的含水量4％结果相近，证明了本发明在油浸绝缘纸板含水量评估方面的有效性。

表1

本发明通过建立基于频域介电谱测试数据的油纸绝缘介电等效模型，并从等效模型的角度提取油纸绝缘受潮状态特征量——极化损耗和电导损耗频率曲线的交点频率，完成油纸绝缘含水量定量估计。