一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法
【专利摘要】一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，利用线性介质响应等值电路模拟变压器油纸绝缘系统的极化特性，建立线性介质响应等值电路参数与频域特征量复电容和介质损耗因数的关系式；然后利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，最后对预测段的低频段介损曲线进行积分：在介损频域谱中对频率段范围内等分为n个频率点(n≥1)，n个频率点对应n个介损积分值，将n个频率与其对应的介损积分值拟合成一条函数曲线。本发明为了能在有限的测量频域内获取到了更多的介质损耗因素所携带的绝缘信息，引入了在预测的低频段内采用介质损耗因素的积分作为绝缘状态评估的特征参量，利用计算得到的低频段介损积分值可准确定量评估油纸绝缘老化状态。
【专利说明】
-种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法
技术领域
[0001] 本发明设及电气设备绝缘老化与寿命预测技术领域，特别设及一种基于频域介电 谱特征量定量评估油浸式电力变压器油纸绝缘老化状态的方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器作为电力传输和分配的核屯、和枢纽，是电力系统中最重要、最昂贵的 设备之一，其运行状况的优劣直接影响到电网的安全与稳定。油浸式变压器主要分为外绝 缘和内绝缘，外绝缘是周边的空气绝缘，内绝缘是变压器内部的绝缘，油纸绝缘是变压器内 绝缘的主要组成部分，油纸绝缘系统是一种复合式油-纸绝缘结构，在长期运行过程中电、 热等因素的影响其物理、化学结构都发生了不同程度的改变，使其本身的介电特性也随之 变化，从而油纸绝缘系统逐渐老化，引起变压器绝缘性能降低，降低了变压器的电气寿命和 机械寿命，所W准确评估变压器油纸绝缘老化的状态，对于保证电网的正常运行，具有很重 要的意义。因此，利用现代测试技术和分析手段，深入研究能有效反映电力变压器油纸绝缘 老化状态的特征参量，进而对变压器的绝缘状态进行评估，减小事故发生率，已经成为电力 行业和相关研究部口关注的热点和迫切需要解决的技术难题。
[0003] 变压器的寿命很大程度上取决于油纸绝缘的老化程度，通过测量油纸绝缘系统的 介电特性数据，可W直观的了解绝缘系统的绝缘老化状态，W介质响应理论为基础的回复 电压法、极化去极化电流法及频域介电谱法作为一种新型的无损电气诊断方法，利用绝缘 介质的极化特性，能够提供更多绝缘老化的信息，是一种新的无损电气诊断方法，非常适合 于变压器绝缘状态的现场诊断频域介电谱法。其中频域介电谱法通过交流电场作用下的极 化响应，其测试频域范围较广、频带窄，具有较好的抗噪声干扰能力，而且所需试验电源电 压低，使其携带信息丰富，更方便地用于变压器的现场检测。该方法使用交流低压电源，通 过改变其测量频率，获取不同频率下的复电容和介质损耗因数，并获取运些特征量随频率 变化的函数曲线。研究表明，复电容、介电常数、介电损耗等曲线的不同部分包含着绝缘油 和绝缘纸的不同信息，通过分析不同条件下曲线各段的变化情况，确定各段与油纸绝缘系 统状态信息的关系，就可W对变压器油纸绝缘状态进行诊断。
[0004] 但现有的研究仅限于定性的分析影响因数对FDS特征参量的影响，无法定量评估 绝缘老化状态，同时低频段数据测量的时间很长并容易受到现场因素的影响。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是:针对现有的研究只是停留在定性的指 明了影响因素对FDS特征参量的影响且低频段测量时间过长、特征参量数据不足等问题，提 供一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，即利用频域介电谱法高频段测量 数据推测出低频段测量数据，引入了介质损耗因素的积分作为绝缘状态评估的特征参量， 从而在有限的测量频段内获得了更多介质损耗因素所携带的绝缘信息，避免低频段数据的 测量，减少频域介电谱法测量时间。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤1:首先利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，利用线 性介质响应等值电路模拟变压器油纸绝缘系统的极化特性，建立油纸绝缘系统线性介质响 应等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式。
[0009]
(1 ) (2) (3)
[0012] Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻；Cg为真空几何电容和无损极化的等效电容之和； Ri、Ci表示油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化;Co为油纸绝缘系统在干燥空气中的电 容。
[0013] 步骤2:利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，根据改进的 粒子群优化算法辨识含6种极化响应的等值电路参数值，基于辨识出线性介质响应模型等 值电路参数值计算出油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值。
[0014] 步骤3:对预测段的低频段介损曲线进行积分：在介损硫城谱中对硫率段「fmin， fmax]等分为n个频率点fn(n> 1)，n个频率点对应n个介损积分值 ，将n 个频率与其对应的介损积分值拟合成一条函数曲线。
[0015] 步骤4:试验研究表明，通过本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，在频率f< 1〇-1化时，现慢值与计算值的相对误差控制在±1.5%，在频率f<l〇-2Hz时，现慢值与计算值 的相对误差控制在±0.2%。
[0016] -种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，油纸绝缘老化状态是根据 被测试品的特征量来进行定量的判断；
[0017] 所述的一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，将关系式中等效电 路参数的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，目标函数为
[001引
式中C"i( ? )和tanS( O )为测量 的数据，tg( CO )和C'（ CO )为模型参数的估计值，n为参数求解的个数。
[0019] 所述的一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，利用测量高频段的 复电容和介损特征量参数化等值电路模型，利用改进的粒子群优化算法辨识含6种极化响 应的等值电路参数值。
[0020] 所述的一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，利用辨识出的 Debye模型等值电路参数值计算出油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值，对预测出的低 频段介质损耗积分曲线进行油纸绝缘老化状态的定量评估。
[0021] 本发明一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，优点在于：
[0022] 通过本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，在频率化时，测量值与计算 值的相对误差控制在±1.5%，在频率时，测量值与计算值的相对误差控制在± 0.2%，证实了本文提出的方法的有效性和参数辨识的准确性;本发明在有限的测量频域内 获取到了更多的介质损耗因素所携带的绝缘信息，避免频域介电谱法对试品进行低频段的 测量，有效减少了频域介电谱法测量时间，利用计算得到的低频段介损积分值可准确定量 评估油纸绝缘老化状态，该发明成果可实现基于频域介电谱方法快速评估大型电力变压器 油纸绝缘状态。
【附图说明】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0024] 图1为本发明一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的新方法流程图；
[0025] 图2为本发明的采用线性介质响应等值电路模拟变压器油纸绝缘系极化特性的示 意图；
[0026] 图3为本发明的所测变压器介质损耗因数积分的计算值与测量值的对比图；
[0027] 图4为本发明的所测变压器介质损耗因数积分的计算值与测量值的误差曲线图。
【具体实施方式】
[0028] W下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
[0029] 图1为本发明实施例提供的一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的新方 法流程图，如图所示:本发明提供的一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的新方 法，包括W下步骤：
[0030] 步骤1利用线性介质响应等值电路模拟变压器油纸绝缘系统极化特性，建立油纸 绝缘系统线性介质响应等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式。：
[00311 (1)
[0 (2)
[0 (3；
[0034] Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻；Cg为真空几何电容和无损极化的等效电容之和； Ri、Ci表示油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化;Co为油纸绝缘系统在干燥空气中的电 容。
[0035] 步骤2:利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，利用改进的 粒子群优化算法辨识含6种极化响应的等值电路参数值，将参数值计算出油纸绝缘系统低 频段的复电容和介损值。
[0036] 步骤3:对预测段的介损频率谱进行积分，拟合出具有函数关系的介损积分频域 谱。
[0037] 步骤4:对预测出的低频段介质损耗积分曲线进行油纸绝缘老化状态的定量评估.
[0038] 图2为本发明实施例提供的油纸绝缘线性介质响应模型示意图，本实施例中油纸 绝缘系统的介质响应等值电路可用n个不同RC串联支路并联组成的等值电路来描述其极化 特性，如图2，Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻;Cg为真空几何电容和无损极化的等效电容之 和;Ri、Ci表示油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化。本发明实施例辨识出的线性介质 响应模型是含6种极化响应的等值电路。
[0039] 图3为本发明实施例提供的对某变电站主变压器采用频域介电谱法进行测量，利 用本发明方法得到介质损耗因数积分曲线计算值与测量值的对比图，从图中可W看出二者 良好的吻合，说明辨识得到的等效电路参数的准确性，可W用低频段计算得到的介质损耗 因数值评估油纸绝缘老化状态。
[0040] 图4为本发明实施例提供的变压器介质损耗因数积分的频域谱计算值与测量值的 误差曲线图，试验研究表明，通过本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，在频率f<l(T 1化时，测量值与计算值的相对误差控制在±1.5%，在频率f<l〇-2^时，测量值与计算值的 相对误差控制在±0.2%。可知误差曲线图也在要求范围之内，可W得出本文计算模型的可 行性等效电路参数的获得将有助于分析随着绝缘状态的变化引起介电响应特征量的变化， 为评估变压器提供了研究的理论基础，它能有效地分析特征量与绝缘参数之间的关系，具 有重要的意义。
[0041] W上所述仅为本发明优选实施例而已，当然不能W此来限定本发明，因此等同变 化，仍属本发明所包含范围。
【主权项】
1. 一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1:首先利用线性介质响应等值电路模拟变压器油纸绝缘系统的极化特性，建立线 性介质响应等值电路参数与频域特征量复电容和介质损耗因数的关系式； 步骤2:然后利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，根据改进的 粒子群优化算法辨识模拟含6种极化响应的等值电路参数值，基于辨识出参数值估算出油 纸绝缘系统低频段的复电容和介损值； 步骤3:最后对预测段的低频段介损曲线进行积分：在介损频域谱中对频率段[fmin， fmax]等分为η个频率点fn(n多I)，n个频率点对应η个介损积分值将η个频率与其对应的介损积分值拟合成一条函数曲线； 步骤4:通过本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，在频率KHT1Hz时，测量值与计 算值的相对误差控制在± 1.5%，在频率f〈10-2Hz时，测量值与计算值的相对误差控制在土 0.2%〇2. 根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于:油纸绝缘老化状态是根据被测试品的特征量来进行定量的判断。3. 根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于:所述油纸绝缘系统Debye模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系 式为：(1) C2): (3) Rg为油纸绝缘系统的绝缘电阻;Cg为真空几何电容和无损极化的等效电容之和;Ri、C i表 示油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化;Co为油纸绝缘系统在干燥空气中的电容。4. 根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于:将关系式中等效电路参数的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，目标函数 为为测量的数据， tg( ω )和C'（ ω )为模型参数的估计值，n为参数求解的个数。5. 根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于:利用测量高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，利用改进的粒子群优 化算法辨识含6种极化响应的等值电路参数值。6. 根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于：引入介损积分曲线概念，即在介损频域谱中对频率段[f_，f max]等分为η个频率点匕 (η多I)，n个频率点对应η个介损积分值介损积分值随频率变化 的曲线即为介损积分曲线。7.根据权利要求1所述一种基于频域介电谱特征量评估油纸绝缘状态的方法，其特征 在于:利用辨识出的线性介质响应等值电路参数值计算出油纸绝缘系统低频段的复电容和 介损值，对预测出的低频段介质损耗积分曲线进行油纸绝缘老化状态的定量评估。
【文档编号】G06F17/50GK106021756SQ201610362174
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】张涛, 刘雅琴, 张晓林
【申请人】三峡大学