变压器绝缘老化模拟实验设计与实现

曹海洋，杨 欢，沈建辉，严家明

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116)

0 引言

变压器绝缘是“电气设备故障诊断技术”课程教学中的重要部分。油纸绝缘是大型电力变压器内部绝缘的主要组成形式。热环境会造成油纸绝缘性能的下降，表现为绝缘的破坏［1-3]。局部放电是引起绝缘老化的一个重要因素。为了研究绝缘热老化过程中局部放电的发生规律，需对现场局部放电信号进行采集，分析其电气特性的变化，根据热老化过程中理化特征和电气特征参数的对比研究，找出绝缘纸在不同时间段局部放电的发展规律［4-8]。

本文设计了一个模拟变压器绝缘内部老化的实验平台，在平台上，对样品局部放电信号进行数字化测量，然后将数据在Matlab软件中分析其电气特性的变化。

本文所涉及到的内容对“电气设备故障诊断技术”课程的日常教学和研究都有一定的帮助作用。

1 模拟实验平台设计

1.1 油纸绝缘系统设计

变压器油的主要成分是以环烷烃、少量芳香烃和烷烃组成的一些分子量不同的碳氢类的混合物。固体绝缘材料包括层压纸板、绝缘纸等，层压纸板和绝缘纸都是以木浆作为原料制成的，一般情况下，纤维素中会伴随着半纤维素或者是木质素。本实验采用牛皮纸，其纤维含量为100%，未经漂白。

为了尽可能模拟真实的变压器的内部油纸绝缘系统，以使实验得出的结论真实可靠。需对实验样品进行如下预处理:

(1)将变压器绝缘纸裁剪为长宽一致的纸带，每条绝缘纸带质量约为5克。

(2)将裁剪好的样品置于真空箱中。在90摄氏度，50 Pa的环境下干燥48小时。然后在40摄氏度下真空浸油24小时。经过上述处理，能有效排除绝缘纸中的空气和水分。在制作时上下两层是普通绝缘纸板(图1-a中序号6所示)，绝缘纸板厚度为1毫米，在中间一层纸板中心裁剪出直径为38毫米的圆孔，形成绝缘纸气隙。

图1 油纸绝缘系统模型

在实验中，为了模拟变压器环境，上述设计的模型要浸入密闭的装有25号试验油的有机玻璃容器中，同时为防止气隙以外发生放电，上述三层绝缘纸板间都要用硅胶来进行密封处理。

1.2 实验电路图设计

本实验采用脉冲电流法对局部放电信号进行测量，采用的局部放电测量装置及接线如图2所示。

图2 局部放电测量系统

交流高压电源由自耦调压器和高压实验变压器B构成，静电电压表V监视实验电压;水电阻R主要起短路保护作用;局部放电为高频信号，采用耦合电容器Ck来耦合局部放电时的高频脉冲电流;通过C2、C3分压的方式来将局部放电所加高压变成低压信号，来测量局部放电时的电压信号，Cx模拟变压器局部放电的标准电极。所用仪器设备如表1所示。

表1 实验主要仪器设备

实验采用罗氏线圈作为电流传感器，将其安装在油纸绝缘系统末接地线处，检测局部放电信号［9]。罗氏线圈具有良好的信号响应特性，示波器将耦合过来的局部放电信号进行显示和存储。

2 实验数据测量

将1.1节介绍的经过预处理过的油纸绝缘样品放在老化箱中进行热老化，按照0.2小时、0.5小时、0.9小时、1.4小时、2.8小时和4.2小时的时间间隔取出老化箱中的样品并测量其各性能参数，用来模拟变压器内部绝缘6个老化阶段(即:2天、5天、9天、14天、28天和42天)的气隙放电信号。

实验时将变压器缓慢升压，升压过程中观察示波器，当产生如图3所示的稳定局部放电信号后停止加压［10-12]。

通过示波器观察局部放电信号的特点，每个阶段采集10组数据，每组1000个工频周期，以完成实验数据的测量。

3 实验数据分析

为了通过统计的方式获得局部放电的特征量，需要构造二维谱图来发现局部放电的规律。采用Matlab软件编程实现小波去噪，并将所有周期的放电信息统计在一个周期内，横坐标平均分成360个相位，统计每个相位中的放电量及其对应的相位，可以得到对应的φ－qmax谱图、φ－qadv谱图以及φ－n谱图。

图3 油纸绝缘局部放电实验波形

(1)φ－qmax谱图:是在外加工频正弦电压的不同相位区间内，发生的视在放电电荷最大值的分布图，用以表示在外加电压的不同相位上，放电电荷量大小的分布情况。如图4所示:

图4 不同时间段的φ－qmax谱图

从该分布谱图可以看出:在不同的老化阶段中，在第一象限和第三象限放电比较明显。初前期在第三象限放电更为明显，而在第二、四象限几乎没有放电现象发生。在中期，第一、三象限放电由相似转变为第一象限更为明显，到后期二者都有所较低，放电最大量相同。

(2)φ-qadv谱图:是在外加工频正弦电压的不同相位区间内，发生的视在放电电荷平均值的分布图，用以表示在外加电压的不同相位上，放电电荷量大小的分布情况。如图5所示:

平均放电量的大小、相位不仅与最大放电量的大小、相位有关，还和放电次数的大小、相位有关。从平均放电量相位分布φ-qadv谱图可以看出:在放电初前期放电比较明显，中后期稍微减弱。

图5 不同时间段的φ-qadv谱图

(3)φ-n谱图:是不同相位区间内放电次数总数的分布图。用以表示在外加电压不同的相位上，放电次数的分布。如图6所示:

图6 不同时间段的φ-n谱图

从φ-n谱图可以看出:在老化过程中随着老化时间的加长，放电次数的值整体上也不断变化。在老化前期，放电次数的大小在稳固地上升，而且变化的速度很快。这是因为从新纸开始的油纸绝缘的老化特征十分明显，受到热老化的影响很突出。在老化中期，放电次数的大小处于一个平稳期，相对比较平衡，这是因为经历一个老化前期之后，油纸绝缘性能开始稳定，而放电次数会随着这种稳定而饱和。但是在老化的后期，油纸的绝缘性能因为长期受电、热和机械等多因素的影响而变弱，所以放电次数突然变大。

4 结语

本文通过设计油纸绝缘局部放电实验模型，并对六个时间段热老化状态下的气隙放电信号数据进行分析来研究变压器内部绝缘老化。利用Matlab软件对采集的数据进行处理，并绘制φ-qmax谱图、φqadv谱图以及φ-n谱图，研究人员可以通过这些谱图提取相关统计特征量做进一步的变压器内部绝缘老化故障识别分析。

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