CN112595941B - 一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法及***，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，作为基准；根据谐振点的位置依次划分为3个频段；在待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线；获取在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下的宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。本发明利用宽频共模阻抗响应曲线评估电力变压器绝缘状态，利用宽频共模阻抗响应曲线的不同频段，实现不同类型的层间绝缘监测；利用判定指标，实现不同类型的层间绝缘老化程度的定量评估，能够准确评估包括阀、网侧绕组之间的层间绝缘和每侧绕组内部的层间绝缘状态，无需侵入传感器安装方式，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及变压器建模技术领域，尤其涉及一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法及***。
背景技术
电力***容量和规模逐年扩大。其中，新能源并网的容量不断提升、消纳负荷的种类趋于多样化。分布式新能源并网、电动汽车充电桩接入以及储能技术飞速发展，使得网内发、输、配、用电各单元联系的紧密度和复杂性也随之增加。
电力电子换流器在这样的复杂电网***中起到至关重要的作用。电力电子换流器连接交、直流电网，保证不同能源类型之间的高效变换和灵活控制。电力电子换流器和负荷之间一般需要通过与换流变压器连接，实现电能转换和功率传输。因此，换流变压器在超/特高压交直流***、轨道交通***和工业变频负荷等应用场景广泛应用。
为了提高换流变压器的功率密度，在一定容量下可减小其体积，要求部分应用场景下换流变压器的绕组具有多层结构。因此，层间绝缘类型除了常规的阀侧、网侧绕组之间的层间绝缘，还包括同侧绕组之间的层间绝缘。然而，对同一侧绕组内层间绝缘的监测鲜少被提及。目前，尚未有针对电力变压器不同类型绕组层间绝缘的有效监测方法。
相较于传统的工频电力变压器，电力电子换流***的电力变压器(即上文所述换流变压器)造价更为昂贵、运行可靠性面临更严峻的挑战。西门子公司±800kV换流变压器单台售价高达1亿元。近几年，国家电网公司发生若干交流变电站/换流变电站重大事故。2018年4月±800kV天山换流站极I高端Y/D-B相换流变压器突发故障着火；2019年3月±800kV昭沂直流输电工程沂南换流站极II低端Y/Y-C相换流变压器突发故障着火；2019年11月，锡盟-山东1000kV特高压济南泉城变电站3号主变压器爆燃，致1死2伤。
由此可见，换流变压器故障的多发性和严重性可见一斑，带来了巨大的经济损失和人身安全隐患。换流变压器工况复杂、绝缘故障诱因众多，现场事故很大程度上由绝缘部件的老化演变而来。因此，相较于传统电力变压器，应对换流变压器绝缘老化在线监测方法提出更高要求。特别是，针对现在尚未深入开展的换流变压器绕组层间绝缘监测，亟需提出有效的监测技术。
目前，电力工业界广泛采用一类基于物理化学状态参量(温度、振动、油中气体等)和一类基于高频电磁状态信号(局部放电)的应用技术实现所有电力变压器在线绝缘状态监测。根据GB 50776-2012和IEEE Std C57.129-2007对油浸式换流变压器绝缘状态的测试要求与规程，换流变压器的出厂验收和带电测试规程与传统工频电力变压器并无根本差别。
(1)锡盟一泰州特高压直流输电工程一台换流变压器出厂测试过程中经历了雷电冲击试验、油色谱分析、低压局放试验、绝缘电阻测试等一系列离线检测仍未发现故障原因，只能将产品返回车间掉吊罩解体检查，才明确是由于绕组绝缘破损导致匝间短路。(2)天山换流变压器绕组制造工艺缺陷引发局部过热，由于缺少可靠的在线绝缘老化监测手段，无法保证运行过程中及时了解内部绝缘缺陷的发展情况。(3)泉城变电站事故报告指出，事故发生前几项带电检测结果数据未发现异常，包括3次油色谱分析的乙炔检测结果均在0.29～0.32uL/L范围内，小于GB 24846-2018规程规定的1uL/L，超声波、高频局放检测和红外测温也显示结果正常。
一类基于物理化学状态参量的电力变压器在线绝缘状态监测方法存在以下缺陷：(1)绝缘老化导致的物化状态量变化规律复杂，监测结果往往不直观，受环境条件和传感器安装影响复杂，基本依赖经验和数学方法处理，解释机理晦涩且标准难以统一。(2)物理化学状态参量的变化通常是微弱的，为保证精度和信噪比，传感器通常需要内置在电力变压器箱体内，使得这一类方法往往具备传感设备侵入性特点，反而加大了设备本体和传感装置运维检修的复杂度。(3)这一类方法通常是对监测变压器整体绝缘***的监测与评估，无法明确针对监测变压器的绕组层间绝缘进行指定绝缘类型老化程度的定量评估。
一类基于超/特高频局放信号的监测方法，通常需要特殊指定传感器，且传感器安装位置会影响监测结果的灵敏度，经济性较低且机制尚未完全清晰，评估方法过于复杂且不具备一般性。这一类方法通常也无法明确针对监测变压器的绕组层间绝缘进行指定绝缘类型老化程度的定量评估。
另一类基于简单电状态参量(电压、电流)的电力变压器绝缘监测方法仍无法实现大范围的在线应用。一方面，仅依赖电压、电流的工频分量无法实现可靠、灵敏的绝缘老化监测。当源侧送电、网侧受电功率实时调整和波动时，电力变压器运行电压和工作电流也将做出动态变化，不可避免引入了***动态运行工况对电气量信号测量精度的影响。从评估方法角度，鉴别由绝缘老化和运行工况分别造成的电压、电流量变化也存在挑战。另一方面，利用电压、电流宽频段分量能够获得更多的绝缘状态信息，如何有效利用换流***固有谐波分量实现对换流变压器绕组层间绝缘的监测，是本发明要解决的技术难题之一。
因此，现行的电力变压器在线绝缘状态监测方法存在灵敏度不足、准确度不够等问题，应用于换流变压器绝缘监测，同样存在难以实现针对性的绕组层间绝缘老化程度的定量评估。目前，电力工业界和学术研究工作鲜有专门针对电力电子换流***电力变压器设计的非侵入式在线绝缘状态监测技术。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法及***，实现定量评估换流变压器绕组层间绝缘，避免侵入传感器安装方式，降低传感装置自身带来的低可靠性问题；在强电磁干扰的运行环境中，保证监测状态参量的高精度、高信噪比测量结果；状态监测参量不受***动态运行工况影响，绝缘评估方法简单直观；，包括阀、网侧绕组之间的层间绝缘和每侧(阀侧/网侧)绕组内部的层间绝缘。
为达到上述目的，本发明提供了一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法，
获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，作为基准；根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段；
在待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线；
获取在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下的宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。
进一步地，基于判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态包括：当第一和第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段指标无变化时，判定内部无老化情况。
进一步地，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：
阀侧和网侧绕组中性点相连后利用阻抗分析仪直接测量获得离线宽频共模阻抗响应曲线；
进一步地，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：利用变压器等效模型计算获得离线宽频共模阻抗响应曲线。
进一步地，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：在待测变压器初始运行时，工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线。
进一步地，测量在线宽频共模阻抗响应曲线包括：测量任一相阀侧绕组的相电压up和网侧中性点电流i0；计算up和i0中的共模分量幅值为Up和I0，计算共模阻抗响应：
本发明另一方面提供一种换流变压器绕组层间绝缘监测***，包括检测模块、存储模块以及计算模块；
所述检测模块，检测待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线；
所述存储模块存储待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段；
所述计算模块计算在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。
进一步地，所述计算模块基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态包括：当第一和第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段指标无变化时，判定内部无老化情况。
进一步地，所述检测模块检测待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线包括：测量任一相阀侧绕组的相电压up和网侧中性点电流i0；计算up和i0中的共模分量幅值为Up和I0，计算共模阻抗响应：
进一步地，检测模块在待测变压器初始运行前，工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线并发送给所述存储模块作为绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线存储。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明利用宽频共模阻抗响应曲线评估电力变压器绝缘状态，利用宽频共模阻抗响应曲线的不同频段，实现不同类型的层间绝缘监测；利用判定指标，实现不同类型的层间绝缘老化程度的定量评估，能够准确评估包括阀、网侧绕组之间的层间绝缘和每侧(阀侧/网侧)绕组内部的层间绝缘状态。
(2)本发明无需额外安装传感器，避免侵入传感器安装方式，降低传感装置自身带来的低可靠性问题。
(3)状态监测参量不受***动态运行工况影响，绝缘评估方法简单直观；在强电磁干扰的运行环境中，保证监测状态参量的高精度、高信噪比测量结果。
附图说明
图1是待测变压器离线宽频共模阻抗响应的基准曲线；
图2为宽频共模阻抗响应三段式曲线；
图3为换流***示意图；
图4为实施例中变压器离线宽频共模阻抗响应的基准曲线；
图5为测试接线图；
图6是一次侧和二次侧绕组之间的层间绝缘老化模拟实验结果，其中(a)是测量共模阻抗随频率变化曲线，(b)是判定指标随频率变化曲线，(c)是判定指标与老化程度的关系曲线；
图7是阀侧绕组内层间绝缘老化模拟实验结果，其中(a)是测量共模阻抗随频率变化曲线，(b)是判定指标随频率变化曲线，(c)是判定指标与老化程度的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法，包括以下步骤：
(1)获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段。
在一个实施方式中，离线宽频共模阻抗响应曲线根据图1的接线方式，阀侧和网侧绕组中性点相连后，利用阻抗分析仪测试待测变压器在绝缘健康状况下的离线宽频共模阻抗响应曲线，作为基准。
在另一实施方式中，利用变压器等效模型计算获得离线宽频共模阻抗响应曲线。根据变压器的变压器等效模型确定各个扫描频率下的待测变压器共模宽频电路模型各元器件的特性参数。在Simulink软件中，构建变压器共模宽频电路模型，给出不同扫描频率下的激励求响应，得到响应曲线。变压器等效模型采用现有计算模型。
在另一实施方式中，宽频共模阻抗响应曲线不采用离线方式获得，而是在待测变压器初始运行时，工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线作为绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线存储。
宽频共模阻抗响应曲线的测试频率范围需要包括谐振频段。换言之，根据谐振点的位置，可将离线宽频共模阻抗响应曲线分为三段，如图2所示的一般性曲线Z0。对于不同的变压器划分的位置不同，需要满足第一、第三频段为线性段，谐振段位于第二频段。
(2)在待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线。
换流***如图3所示，在线宽频共模阻抗响应曲线测量方法，以A相为例，步骤如下：
i)测量A相阀侧绕组的相电压uap和网侧中性点电流i0；
ii)计算uap和i0中的共模分量幅值为Uap和I0；
iii)计算共模阻抗响应Z，在宽频段内画出三段式的在线宽频共模阻抗响应。
本领域技术人员能够理解，A相仅仅作为示例，不应当理解为对本发明的限制，可以替换为B相、C相测量相电压，采用幅值计算共模阻抗响应。
(3)获取在线宽频共模阻抗与离线宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。
定义量化判定指标
即在线宽频共模阻抗响应与离线基准的比值。
在两个线性段，即第一频段I和第三频段III内，结合判定指标，做出不同层间绝缘类型的老化程度定量评估，当第一和第三频段判断指标下降(小于1)时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段指标无变化(等于1)时，判定内部无老化情况。不存在绝缘变大的情况，如表1所示。
表1
本发明另一方面提供一种换流变压器绕组层间绝缘监测***，采用上述方法实现对变压器绝缘情况的在线监测。包括检测模块、存储模块以及计算模块；
检测模块，检测待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线。测量任一相阀侧绕组的相电压up和网侧中性点电流i0；计算up和i0中的共模分量幅值为Up和I0，计算共模阻抗响应：
存储模块存储待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段。在一个实施例中，存储模块存储的为离线宽频共模阻抗响应曲线。在一个实施例中，存储模块存储绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线为在线测量的宽频共模阻抗响应曲线，检测模块在待测变压器初始运行前，工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线并发送给所述存储模块作为绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线存储，3个频段为根据变压器的特性，事先划定范围。
所述计算模块计算在线宽频共模阻抗与离线宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。所述计算模块基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态包括：当第一和第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段指标无变化时，判定内部无老化情况。
实施例
变压器为15kVA 380/220V三相YN/yn接线干式变压器。
如图4所示，利用阻抗分析仪测试示例变压器在绝缘健康状况下的离线宽频共模阻抗响应曲线，作为基准。第一频段为小于100kHz，第二频段为100～200kHz，第三频段为200～300kHz。
如图5所示，工业用变频器输出谐波含量丰富的电压作用在连接示例变压器上。利用差分探头，测量一次侧A相绕组相电压uap和采样电阻上的电压uR0。
计算uap和uR0共模分量，在线实验的宽频共模阻抗响应为
分别对两个类型的层间绝缘进行老化模拟实验：
对一次侧和二次侧绕组之间的层间绝缘进行7％，20％和42％的老化程度模拟后，获得实时在线宽频共模阻抗响应曲线。图6(a)和(b)分别是频段I和频段III上的几组曲线对比，图6(c)是在频率等于fp1时计算的判定指标与老化程度的关系曲线，线性度良好，证明具备定量评估的能力。
如图7所示对于阀侧绕组内层间绝缘具备定量评估能力。对一次侧绕组的层间绝缘进行20％和50％的老化程度模拟后，获得实时在线宽频共模阻抗响应曲线。图7(a)和(b)分别是频段I和频段III上的几组曲线对比，图7(c)是在频率等于fp2时判定指标与老化程度的关系曲线，线性度良好，证明具备定量评估的能力。
综上所述，本发明涉及一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法及***，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，作为基准；根据谐振点的位置依次划分为3个频段；在待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线；获取在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下的宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，评估待测变压器的绕组层间绝缘状态。本发明利用宽频共模阻抗响应曲线评估电力变压器绝缘状态，利用宽频共模阻抗响应曲线的不同频段，实现不同类型的层间绝缘监测；利用判定指标，实现不同类型的层间绝缘老化程度的定量评估，能够准确评估包括阀、网侧绕组之间的层间绝缘和每侧绕组内部的层间绝缘状态，无需侵入传感器安装方式，可靠性高。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种换流变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，包括：
获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，作为基准；根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段；
在待测变压器工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线；
获取在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下的宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态；
基于判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态包括：当第一和第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段判断指标无变化时，判定内部无老化情况。
2.根据权利要求1所述的换流变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：
阀侧和网侧绕组中性点相连后利用阻抗分析仪直接测量获得离线宽频共模阻抗响应曲线。
3.根据权利要求1所述的换流变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：利用变压器等效模型计算获得离线宽频共模阻抗响应曲线。
4.根据权利要求1所述的换流变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，获取待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线包括：在待测变压器初始运行时工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线。
5.根据权利要求1至4之一所述的换流变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，测量在线宽频共模阻抗响应曲线包括：测量任一相阀侧绕组的相电压up和网侧中性点电流i0；计算up和i0中的共模分量幅值为Up和I0，计算共模阻抗响应：
6.一种换流变压器绕组层间绝缘监测***，其特征在于，包括检测模块、存储模块以及计算模块；
所述检测模块，检测待测变压器工作状态下的在线宽频共模阻抗响应曲线；
所述存储模块存储待测变压器在绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线，根据谐振点的位置依次划分为3个频段，第一频段为线性段、第二频段为谐振段，第三频段为线性段；
所述计算模块计算在线宽频共模阻抗与绝缘健康状况下宽频共模阻抗的比值曲线作为判断指标，基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态；
所述计算模块基于所述判断指标评估待测变压器的绕组层间绝缘状态包括：当第一和第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧和网侧绕组之间的层间绝缘老化；当第一频段判断指标无变化，第三频段判断指标下降时，判定变压器阀侧或网侧绕组内部层间绝缘老化；当第一和第三频段判断指标无变化时，判定内部无老化情况。
7.根据权利要求6所述的换流变压器绕组层间绝缘监测***，其特征在于，所述检测模块检测待测变压器工作状态下的在线宽频共模阻抗响应曲线包括：测量任一相阀侧绕组的相电压up和网侧中性点电流i0；计算up和i0中的共模分量幅值为Up和I0，计算共模阻抗响应：
8.根据权利要求6或7所述的换流变压器绕组层间绝缘监测***，其特征在于，检测模块在待测变压器初始运行前，工作状态下测量在线宽频共模阻抗响应曲线并发送给所述存储模块作为绝缘健康状况下的宽频共模阻抗响应曲线存储。
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