CN109917254B - 一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法。首先获取油浸式套管的基本参数，然后建立油浸式套管频域介电响应模型，计算模型的初始参数，计算油浸式套管内绝缘在不同工况下的水分分布，根据内绝缘水分分布情况计算套管内绝缘阻抗值和频域介电谱，通过对比频域介电响应模型计算出的频域介电谱曲线与将实测介电谱曲线，完成频域介电响应模型参数调优。通过本发明提供油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，能有效地计算处油浸式套管绝缘不同受潮状态的频域介电谱曲线。

Description

一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法

技术领域

本发明属于套管绝缘状态评估领域，具体涉及一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法。

背景技术

油浸式套管是大型电力变压器的重要构件，其绝缘性能的优劣直接影响套管甚至电力***的安全可靠运行。绝缘受潮是导致油浸式套管内绝缘劣化的主要因素之一，绝缘中水分使绝缘性能明显下降、局部放电现象更易产生，最终绝缘击穿导致重大电力事故。

频域介电谱法由于其测试无损性、携带绝缘信息丰富、抗干扰性强等优点被应用于套管油纸绝缘状态评估领域中。但频域介电谱与套管内绝缘受潮之间的映射关系尚不明确，无法直接将频域介电谱曲线用于套管内绝缘受潮状态诊断。同时，不同水分含量套管内绝缘的频域介电谱曲线的测试样本制备难度极大，因此急需一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法。

发明内容

为了得到不同受潮状态下油浸式套管的频域介电谱曲线，本发明提供一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，包括以下步骤：

第一步：油浸式套管的基本参数获取

读取油浸式套管绝缘结构设计参数，获取套管最大工作电压U_m、导电杆外径r₀、内绝缘最大外径r_m、最外层极板长度l_n、最内层极板长度l₁、电容值C₀；

测量不同水分含量mc油纸绝缘材料在频率f范围在0.001Hz至1kH下的电导率，其中测试频率点依次为0.001Hz，0.0022Hz，0.0046Hz，0.1Hz，0.22Hz，0.46Hz，1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20Hz，40Hz，70Hz，110Hz，220Hz，470Hz，1000Hz，形成电导率参数库σ_f,mc；

全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀；

第二步：建立油浸式套管频域介电响应模型

建立油浸式套管频域介电响应模型，所述模型主要由电容元件和电阻元件组成；油浸式套管介电响应模型的层数为n，在套管内绝缘的n层模型中，第i层绝缘模型分为M部分，电阻R_i1和电阻R_i2串联，电容C_i1和电容C_i2串联，串联后的电阻R_i1、电阻R_i2、电容C_i1和电容C_i2并联连接，这四个元件组成第i1个小模块，按这种模式组成第i2个、第i3个、…、第iM个小模块，小模块之间用电阻R_i串联，组成第i层的介电响应模型，i＝1，2，…，n，其中M为待定参数，初始化为15；不同层之间的介电响应模型使用串联连接，最终形成油浸式套管频域介电响应模型；

第三步：计算模型的初始参数

模型的初始参数包括电容初始值C₀、电阻初始值R₀和模型层数n，首先计算模型层数n，计算方式为

其中，k₁为修正系数，值为常数10.6；d为厚度系数，值为1.2～1.5；ε_r相对介电常数，值为3.5；

计算模型电容初始值C₀

其中，ε₀为真空介电常数；

模型电阻参数R_ik的确定方法

其中，i＝1，2，…，n；k＝1，2，…，2M；

第四步：油浸式套管内绝缘水分分布获取

在有限元仿真软件中搭建油浸式套管绝缘水分扩散模型，在软件中将套管电容芯子的第i层绝缘均分为M个小区域，在每个小区域放置水分含量探针，小区域对应介电响应模型相应的小模块，计算套管内绝缘在不同工况下的水分分布mc_im，m＝1，2，…，M；

第五步：计算套管内绝缘阻抗值和频域介电谱

根据第二步、第三步和第四步，计算第i层的介电响应模型的第im个小模块中的电容C_ik的电容值为2C₀/M；第im个区域的水分代入电导率参数库σ_f,mc，可得到不同频率下第im个区域的电导率，通过式(3)计算电阻R_ik的电阻值，i＝1，2，…，n

得到模型电阻R_ik和电容C_ik参数后，在PSPICE软件中计算介电响应模型中的阻抗值z(ω)；

根据计算所得的阻抗值z(ω)，计算油浸式套管的介电谱

其中，ε′为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，j为虚数单位，ω为角频率，ω＝2πf；

第六步：模型参数调优

将全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀与模型相应的曲线进行对比，通过梯度下降法调整模型的M和R_i值，所述R_i值为电阻R_i的电阻值，使得模型介电谱曲线与初始曲线F₀的误差小于1％，则停止调整参数，并输出最终的模型参数。

本发明的优点在于：

本发明提供了一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，首先获取油浸式套管的基本参数，然后建立油浸式套管频域介电响应模型，计算模型的初始参数，计算油浸式套管内绝缘在不同工况下的水分分布，根据内绝缘水分分布情况计算套管内绝缘阻抗值和频域介电谱，通过对比频域介电响应模型计算出的频域介电谱曲线与将实测介电谱曲线，完成频域介电响应模型参数调优，最终得到。通过本发明提供油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，能有效地计算处油浸式套管绝缘不同受潮状态的频域介电谱曲线。

附图说明

图1油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法流程图。

图2油浸式套管频域介电响应部分模型。

具体实施方式

下面对本发明进行进一步说明。

一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，包括如下步骤：

第一步：油浸式套管的基本参数获取

读取油浸式套管绝缘结构设计参数，获取套管最大工作电压U_m、导电杆外径r₀、内绝缘最大外径r_m、最外层极板长度l_n、最内层极板长度l₁、电容值C₀；

测量不同水分含量mc油纸绝缘材料在频率f范围在0.001Hz至1kH下的电导率，其中测试频率点依次为0.001Hz，0.0022Hz，0.0046Hz，0.1Hz，0.22Hz，0.46Hz，1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20Hz，40Hz，70Hz，110Hz，220Hz，470Hz，1000Hz，形成电导率参数库σ_f,mc；

全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀；

第二步：建立油浸式套管频域介电响应模型

建立油浸式套管频域介电响应模型，所述模型主要由电容元件和电阻元件组成；油浸式套管介电响应模型的层数为n，在套管内绝缘的n层模型中，第i层绝缘模型分为M部分，电阻R_i1和电阻R_i2串联，电容C_i1和电容C_i2串联，串联后的电阻R_i1、电阻R_i2、电容C_i1和电容C_i2并联连接，这四个元件组成第i1个小模块，按这种模式组成第i2个、第i3个、…、第iM个小模块，小模块之间用电阻R_i串联，组成第i层的介电响应模型，i＝1，2，…，n，其中M为待定参数，初始化为15；不同层之间的介电响应模型使用串联连接，最终形成油浸式套管频域介电响应模型；

第三步：计算模型的初始参数

模型的初始参数包括电容初始值C₀、电阻初始值R₀和模型层数n，首先计算模型层数n，计算方式为

其中，k₁为修正系数，值为常数10.6；d为厚度系数，值为1.2～1.5；ε_r相对介电常数，值为3.5；

计算模型电容初始值C₀

其中，ε₀为真空介电常数；

模型电阻参数R_ik的确定方法

其中，i＝1，2，…，n；k＝1，2，…，2M；

第四步：油浸式套管内绝缘水分分布获取

在有限元仿真软件中搭建油浸式套管绝缘水分扩散模型，在软件中将套管电容芯子的第i层绝缘均分为M个小区域，在每个小区域放置水分含量探针，小区域对应介电响应模型相应的小模块，计算套管内绝缘在不同工况下的水分分布mc_im，m＝1，2，…，M；

第五步：计算套管内绝缘阻抗值和频域介电谱

根据第二步、第三步和第四步，计算第i层的介电响应模型的第im个小模块中的电容C_ik的电容值为2C₀/M；第im个区域的水分代入电导率参数库σ_f,mc，可得到不同频率下第im个区域的电导率，通过式(3)计算电阻R_ik的电阻值，i＝1，2，…，n

得到模型电阻R_ik和电容C_ik参数后，在PSPICE软件中计算介电响应模型中的阻抗值z(ω)；

根据计算所得的阻抗值z(ω)，计算油浸式套管的介电谱

其中，ε′为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，j为虚数单位，ω为角频率，ω＝2πf；

第六步：模型参数调优

将全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀与模型相应的曲线进行对比，通过梯度下降法调整模型的M和R_i值，所述R_i值为电阻R_i的电阻值，使得模型介电谱曲线与初始曲线F₀的误差小于1％，则停止调整参数，并输出最终的模型参数。

Claims (1)

1.一种油浸式套管内绝缘受潮的频域介电谱建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：油浸式套管的基本参数获取

读取油浸式套管绝缘结构设计参数，获取套管最大工作电压U_m、导电杆外径r₀、内绝缘最大外径r_m、最外层极板长度l_n、最内层极板长度l₁、电容值C₀；

测量不同水分含量mc油纸绝缘材料在频率f范围在0.001Hz至1kH下的电导率，其中测试频率点依次为0.001Hz，0.0022Hz，0.0046Hz，0.1Hz，0.22Hz，0.46Hz，1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20Hz，40Hz，70Hz，110Hz，220Hz，470Hz，1000Hz，形成电导率参数库σ_f,mc；

全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀；

第二步：建立油浸式套管频域介电响应模型

建立油浸式套管频域介电响应模型，所述模型主要由电容元件和电阻元件组成；油浸式套管介电响应模型的层数为n，在套管内绝缘的n层模型中，第i层绝缘模型分为M部分，电阻R_i1和电阻R_i2串联，电容C_i1和电容C_i2串联，串联后的电阻R_i1、电阻R_i2、电容C_i1和电容C_i2并联连接，这四个元件组成第i1个小模块，按这种模式组成第i2个、第i3个、…、第iM个小模块，小模块之间用电阻R_i串联，组成第i层的介电响应模型，i＝1，2，…，n，其中M为待定参数，初始化为15；不同层之间的介电响应模型使用串联连接，最终形成油浸式套管频域介电响应模型；

第三步：计算模型的初始参数

模型的初始参数包括电容初始值C₀、电阻初始值R₀和模型层数n，首先计算模型层数n，计算方式为

其中，k₁为修正系数，值为常数10.6；d为厚度系数，值为1.2～1.5；ε_r相对介电常数，值为3.5；

计算模型电容初始值C₀

其中，ε₀为真空介电常数；

模型电阻参数R_ik的确定方法

其中，i＝1，2，…，n；k＝1，2，…，2M；

第四步：油浸式套管内绝缘水分分布获取

在有限元仿真软件中搭建油浸式套管绝缘水分扩散模型，在软件中将套管电容芯子的第i层绝缘均分为M个小区域，在每个小区域放置水分含量探针，小区域对应介电响应模型相应的小模块，计算套管内绝缘在不同工况下的水分分布mc_im，m＝1，2，…，M；

第五步：计算套管内绝缘阻抗值和频域介电谱

根据第二步、第三步和第四步，计算第i层的介电响应模型的第im个小模块中的电容C_ik的电容值为2C₀/M；第im个区域的水分代入电导率参数库σ_f,mc，可得到不同频率下第im个区域的电导率，通过式(3)计算电阻R_ik的电阻值，i＝1，2，…，n

得到模型电阻R_ik和电容C_ik参数后，在PSPICE软件中计算介电响应模型中的阻抗值z(ω)；

根据计算所得的阻抗值z(ω)，计算油浸式套管的介电谱

其中，ε′为相对介电常数实部，ε″为相对介电常数虚部，j为虚数单位，ω为角频率，ω＝2πf；

第六步：模型参数调优

将全新油浸式套管在f频率范围的实测介电谱曲线F₀与模型相应的曲线进行对比，通过梯度下降法调整模型的M和R_i值，所述R_i值为电阻R_i的电阻值，使得模型介电谱曲线与初始曲线F₀的误差小于1％，则停止调整参数，并输出最终的模型参数。

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