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基于PDC分析的时频混合绝缘诊断方法研究

刘骥  
【摘要】:介电谱绝缘诊断中老化弛豫特征参数的提取是理论研究的基础问题,通过时域极化去极化电流(PDC)检测数据数值计算介电响应频域特性和恢复电压,以及线性高压放大器的级联方法是介电谱诊断技术中的关键测试问题。 论文首先分析阶跃激励下介质的全电流响应,给出基于多指数函数拟合的PDC参数表征方法,该方法可用来求解德拜模型中的各支路电阻与支路电容。仿真研究油纸绝缘结构中不同松弛时间支路、电导率参数对复介电常数与损耗因数时域、频域特性的影响,并与文献中的实验结果进行对比,取得一致的规律,为研究介电谱绝缘诊断提供理论分析方法。 文中设计用于PDC分析的微电流检测电路,为解决高阻值电阻误差过大问题,文中采用T型电阻网络实现50倍的高阻值电阻,通过油纸绝缘PDC特性测试验证所设计微电流检测电路的合理性和有效性。 针对高阻抗介质材料的恢复电压无法测试问题,本文根据电介质的极化去极化电流测试数据,通过理论计算得到其恢复电压特性,提出根据极化去极化电流计算恢复电压的数值变换算法,推导出恢复电压递推公式,仿真与实验证明该公式的有效性。 论文结合PDC参数拟合所得的德拜等值电路模型各元件参数,给出复介电常数与损耗因数的频域计算公式。由于存在传统时频域变换哈蒙近似公式的局限性和频域法在低频段测量介电参数需要时间较长的问题,论文给出基于时域PDC分析的连续傅里叶变换与快速傅里叶变换的时频域变换方法,仿真得到油纸绝缘FDS特性,数值变换与试验测试结果取得一致。 论文针对基于PDC分析的时频混合绝缘诊断方法进行大量的实验研究,实验验证根据绝缘纸板的极化去极化电流通过傅里叶变换获得其频域复电容和损耗因数特性的正确性,设计并搭建变压器绝缘油测试系统平台,模拟现场实际情况对变压器油进行实验室加速电热联合老化实验,分析油中不同含水量、经过不同方法处理的油样和老化因素对FDS曲线的影响,测得的FDS曲线与理论分析取得一致。针对交联聚乙烯介电谱绝缘诊断,开展老化时间与老化温度影响的实验研究,实验得到在热、氧和铜催化加速热老化作用下,对于不同老化程度的交联聚乙烯试样,在相同老化时间、不同温度下损耗因数最小值基本恒定,该最小值随老化程度增加而增大,可以用损耗因数频域最小值作为交联聚乙烯绝缘老化程度的评估判据。 高压线性放大器是介电谱绝缘诊断测试技术关键环节,由于传统高压电源技术无法实现介电谱绝缘诊断的宽频范围,现有的线性高压放大器输出电压范围有限,因此本文提出一种高压线性放大电路的串级级联式结构,文中利用双运放差分输出解决高压电源供电问题,给出单元电路与级联结构,单元电路可以实现40倍线性放大范围,n级级联可以实现40n倍线性高压放大,应用频率范围在10-3~104Hz,单级电压转换率达40V/μs,论文实际测试所研制的2级串级式高压线性放大器幅频、相频等性能,结果验证这一电路设计的合理性和有效性。 由于传统介电谱绝缘诊断基于介电参数时域、频域测试曲线变化规律的比较,很难确定准确的绝缘评价指标问题,本文在系统研究介电谱绝缘时频混合诊断技术理论与实验基础上,提出介质松弛时间分布特征参数提取的多变量非线性最小二乘拟合方法。根据测量的介质PDC全电流数据,通过多指数拟合分析得出德拜模型各支路参数,依据频域分析中的复介电常数与损耗因数计算公式得到介电参数频域特性,进一步给出以Cole-Cole修正模型为基础的复介电常数经验公式,提出多变量函数非线性最小二乘拟合方法,用于介质松弛时间分布特征参数的提取。文中通过变压器油热老化FDS实验数据验证该方法的有效性,提取加速老化50h~200h不同老化时段的变压器油松弛时间分布特征参数,结果表明随着老化时间增加,特征参数值显著变化,可以用于绝缘老化状态评估。 论文提出介质松弛时间分布特征参数提取的多变量非线性最小二乘拟合方法,可以为电介质绝缘老化定量判据的确定奠定理论基础。用快速傅里叶变换方法将时域测量的极化去极化电流值变到频域,从而得到频域谱低频段值,代替直接用频域法进行测量,此方法很大程度上减少测量时间。提出的PDC电流测试数据直接计算出RVM测试波形的数值算法,可以解决高阻抗绝缘恢复电压测试难题,拓宽传统PDC测试的应用范围。此外,论文提出交联聚乙烯绝缘损耗因数频域最小值的绝缘老化判据,提出高压线性放大电路的串级级联式结构,使得本文研究对介电谱绝缘诊断相关理论与实验研究具有一定理论与应用价值。


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