工程实践-基于电介质响应法油纸绝缘微水测试技术与系

1、. 西南交通大学重点实验室工程论文 第I页：.；第11期工程实际工程总结报告 工程称号 基于电介质呼应法油纸绝缘微水测试技术 及系统研讨 工程参与人 陈俊贤 学号：20212437 陈峰 学号：20275 彭松 学号：20212462 林静英 学号：20212647 林莉 学号：20212638 指点教师 周利军 2021年 05月 20日 西南交通大学重点实验室工程论文 第 页第1章 绪论11 油纸绝缘电介质频率呼应的研讨意义我国水电资源蕴藏量达6.76亿kW，居世界首位。煤、石油、天然气资源也很丰富。煤的预丈量约为45亿吨。可利用的风力资源约为1.6亿kW。这些丰富的自然资源为我国电力工业

2、的开展提供了物质根底。经过50年的开展建立，至1999年底我国电力系统已建成500kV输电线22927km，500kV变电所变电容量8012万kVA；己建成330kV输电线7878km，330kV变电所变电容量1248万kVA；它们分别是以500kV为网架的东北、华北、华中、华东、川渝5大区域电网和广东、山东、广西、福建、云南、贵州6个省级电网；以330kV为网架的西北电网；220kV的海南、新疆电网；110kV的西藏电网。目前，随着我国国民经济的快速稳定开展，人们对电能需求的迅速增长，我国电网的规模日益扩展。在电力系统向超高压、大容量、大电网、自动化方向开展的同时，提高电力设备的运转可靠性和

3、稳定性更为重要。而在电力系统运转中，油浸式变压器由于具有较高的绝缘强度、较长的运用寿命，广泛用于高压、超高压输电系统以及电气化铁路牵引供电系统中。绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘构成了油浸式变压器的绝缘系统，变压器的运用寿命是主要由绝缘资料的绝缘强度决议，它的运转情况直接关系到电力系统的平安运转。假设一台大型电力变压器在系统中运转时出现缺点，能够引发大面积停电，其检修期普通要半年以上，给国民经济呵斥宏大的损失，给人民带来宏大不便。因此，对变压器的绝缘情况进展诊断，掌握变压器的运转形状，制定科学、合理的变压器运转、维护以及更新方案，对提高变压器的可用率和整个电网运转可靠性都具有重要意义。对电力变压器

4、油纸绝缘系统老化的研讨曾经过了40余年的历程，然而已用于变压器绝缘老化形状诊断的糠醛、聚合度、油中溶解气体等方法1由于需求取油样、纸样进展丈量，给实践任务中带来很大的不便，并且本身也存在一定的缺陷2，3，故不能用来直接处理工程实践问题。介电呼应法作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，具有抗干扰才干强、携带信息丰富等特点，因此，应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介电呼应技术的回复电压法RVM、极化去极化电流法PDC和基于频域介电呼应的频域谱法FDS。其中，FDS是利用介质在交流电压下的极化特性，经过外加正弦电压，丈量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复容率

5、等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS 具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，这一特点使得FDS法在研讨低介质损耗资料方面具有重要的优势4。本文采用以电介质呼应为实际根底的介电频谱法FDS，借助实验室的仪器和设备，搭建油纸绝缘介质呼应测试的实验平台，模拟变压器实践运转中复杂多变的外界条件，并经过实验室加速热老化实验模拟变压器油纸绝缘的老化，研讨油纸绝缘介电频谱在不同温度、不同微水含量条件下的变化规律；经过对油纸绝缘介电特性的分析，得出其微水含量信息，从而对正确诊断变压器绝缘情况，评价变压器剩余寿命和提高供电可靠性提供重要根据。12 变压器油纸绝缘系统电力变压器是电力系统中输变电和供配电系统

6、的重要设备，关系到电力系统的正常运转。变压器种类很多，用途也很广泛。在电力变压器中，目前以油浸式变压器的产量最大，运用最广。油浸式电力变压器,是以油作为变压器主要绝缘手段.用于两级电网之间、两区域电网之间联络。油浸式变压器依托油作冷却介质，如油浸自冷，油浸风冷，油浸水冷及强迫油循环等。普通升压站的主变都是油浸式的，变比20KV/500KV，或20KV/220KV，普通发电厂用于带动带本身负载的厂用变压器也是油浸式变压器，它的变比是20KV/6KV。油浸式变压器的绝缘主要分为外绝缘和内绝缘两大类。外绝缘就是变压器油箱外部的套管和空气的绝缘；内绝缘又分为主绝缘和纵绝缘两类。主绝缘是指绕组对地之间、

7、相间和同一相而不同电压等级的绕组之间的绝缘；纵绝缘 是指同一电压等级的一个绕组，其不同部位之间，层间、匝间、绕组对静电屏之间的绝缘。在油浸式电力变压器中，变压器的绝缘方式主要采用油纸绝缘构造，即利用绝缘油浸渍绝缘纸，消除绝缘纸纤维空隙所产生的气隙，提高其绝缘的电气强度5。121油纸绝缘的老化机理油浸式变压器的绝缘系统主要由变压器油、纸绝缘构成。由于纸绝缘的老化过程是不可逆的，因此变压器寿命主要取决于纸绝缘的寿命。变压器的实践寿命除跟制造质量有关外，与运转条件关系亲密。1变压器油绝缘老化机理变压器油主要由许多不同分子量的碳氢化合物组成混合物，根本以烷烃、环烷烃和少部分芳香烃为主。在正常运转温度下

8、，油不会产生热分解，油的老化主要是氧化导致，铜是催化剂。实践上对不能与氧气完全隔离的油纸绝缘设备，即使长期不运转，也同样存在老化问题。油中吸收氧在水分、温度作用下使老化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最终析出油泥。油氧化反响构成少量的CO，CO2，随着运转中气体的积累，CO，CO2，将成为油中气体的主要组分，还有少量H2，和低分子的烃类气体。烃类气体的迅速添加是在非正常的油温下产生的。电或热缺点可以使某些CH键和CC键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自在基，这砦氢原子或自在基经过复杂的化学反响迅速重新化合，构成氢气和低分子烃类气体(如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等)，随

9、着不同缺点能量和时间的作用，也能够生成碳氢聚合物及固体碳粒。2纸绝缘的老化机理变压器的纸绝缘属于纤维素绝缘资料，它是由大约90的纤维素，10的半纤维素及极少量的木素等构成。纸绝缘在热的作用下，将会发生热解、水解、氧化三种降解反响，并有能够同时存在。三种降解的机理分别如下：(1)热解降解热解使纤维素分子链发生解环或断裂，而解环和断裂可以在纤维W素的任何部位发生。热解也能够只发生在分子链的尾端，把最后一环链解开，产生CO、CO2等气体，以及糖醛及其他呋喃化合物等液体。在200及以下，CO，CO2添加较快，但不会产生大量烃类气体。(2)水解降解水解足热解的后续反响。油纸氧化所产生的酸是水解作用的催化

10、剂，纤维绝缘资料中所含的水分越多，纤维素的水解速度就越快。(3)氧化降解氧化降解足热解和水解的延续反响。氧化归根究竟是热解和水解导致的纤维素链发生断裂。纤维素降解三个关键要素：温度、含水量、含氧量。13 油纸绝缘电介质频域谱法FDS诊断的研讨现状对油纸绝缘老化形状的监测方法主要可分为物理化学诊断方法和电诊断方法两大类。其中关于化学诊断方法的研讨较为成熟，有微水分析，中溶解气体分析DGA，绝缘纸聚合度测试DP，油中糠醛含量分析等；而电诊断方法那么是近十几年才开展起来，仍处于研讨阶段，并没有得到广泛的运用。到目前为止，传统的变压器绝缘形状诊断方法均存在各自的缺乏，近年来国外许多研讨机构和学者将目光

11、转向了一种新的测试方法基于频域介质呼应技术的频域谱法Frequency Domain SpectroscopyFDS。介电呼应法始于20世纪90年代，作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，具有抗干扰才干强、携带信息丰富等特点，因此，应法是一种很好的诊断工具。它包括基于时域介电呼应技术的回复电压法RVM、极化去极化电流法PDC和基于频域介电呼应的频域谱法FDS。其中，FDS是利用介质在交流电压下的极化特性，经过外加正弦电压，丈量流过试品的电流峰值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复容率等与频率有关的极化参数的变化情况。FDS 具有优良的虑噪性能，尤其是在高频条件下，这一特点使得F

12、DS法在研讨低介质损耗资料方面具有重要的优势。FDS主要是由于电介质极化景象引起的，而电介质的极化遭到温度、水分、老化程度等多种要素的影响，目前国外一些学者对于FDS的研讨，主要集中在不同要素对FDS参数的影响上，并在这方面获得了一些成果。1老化的影响P.K.Poovamma6等对不同老化形状的油纸绝缘试品进展FDS实验，发现随着老化加剧，介电损耗越大，相对介电常数的虚部随试品老化时间的添加而增大，而实部根本不变。且低频区有最大值。Omar Hassanl7等发现随老化时间的添加，增大。在高、中频带和功率因数的幅值重合性好，在低频带低于1Hz两者分开，分开点的频率值取决于绝缘老化时间，频率分裂

13、点和老化继续时间是线性的，因此可以用这一点来判别老化，水分和老化的影响也被分开。2温度的影响J.H.Yew8等对25 、50 、58 、70下对油纸样品进展了丈量，发现随温度的添加，复电容的实部和虚部都随之添加。随着频率的增大，不同温度下复电容都趋于定值。而且随着温度升高，电容实部、虚部的交叉点向高频区挪动，交叉点频率和温度之间关系根本呈指数关系。另外，随温度升高，曲线右移，同时低频区的曲线峰值消逝，在高频下曲线趋于定值。P.K.Poovamma9等在27和90分别对新油和老化油进展丈量，发现从100Hz到0.1Hz，呈不断线。新油介电损耗对温度变化不大，老化油在100Hz到0.1Hz内对温度

14、较敏感，曲线上移。两种油的相对介电常数在高频下恒定且重合，低频区发散性较大。随温度升高，低频区相对介电常数增大。Stanislaw M.Gubanski10等研讨认温度，水分，老化对纸板直流电导率有影响，且直流电导率对于温度的敏感度高于水分；且为防止非线性，外加电压不宜太高。3水分的影响P.K.Poovamma等讨论了不同纸中水分，油电导率下与频率关系曲线的不同：低频下有最大值，高频下有最小值，且随水分添加，最大值向高频区转移；水分添加到一定值，低频最大值消逝。J.H.Yew等对含水量为0.2%和2%变压器绝缘纸进展实验，发现复合电容的实部和虚部随含水量的添加而增大，不过虚部添加的幅度较大。L

15、.E.Lundgaard11等对含水量为1.2%、3.4%和5%的油纸样品丈量，发现随含水量添加，相对介电常数的实部和虚部在低频区随之增大，高频区不同含水量的曲线重合。综上所述，对FDS用于变压器油纸绝缘诊断方面的研讨虽然获得了一定的成果，但仍存在许多问题，主要表如今：1研讨阐明，影响FDS反映油纸绝缘形状信息的要素较多，但是其影响要素对FDS各参数的详细影响并不明确，已有的研讨只是定性的指明了影响要素对FDS参数的影响。2目前关于FDS的丈量结果多是对其景象的描画，还不能进展圆满的解释，更没有从电介质极化实际的本质上对其缘由进展深化分析。要将频域谱法诊断油纸绝缘的形状信息运用于实践，必需进展

16、大量实验和实际分析，进一步研讨、总结规律，并对其结果进展合了解释。3利用仿真与实验相结合的手段对FDS进展研讨目前还鲜有报道。4如何将频域谱法与时域的回复电压法、极化去极化电流法相结合，建立三种方法综合的油纸绝缘老化无损评价模型，获得评价变压器老化的介电呼应综合特征参量。因此，为了更好的用频域谱法诊断变压器油纸绝缘的形状信息，处理目前FDS存在的问题和缺乏，对其进一步深化研讨具有重要的实际和实践意义。14 本文研讨的主要内容1本文首先引见了油纸绝缘系统。2其次分析变压器油纸绝缘的老化机理，论述了油纸绝缘电介质基于频率呼应的频域谱法(FDS)的研讨现状。3引见变压器油纸绝缘介电呼应相关实际，对介

17、电实际的一些概念进展论述。4研讨基于电介质频率呼应的频域谱法FDS，重点研讨油纸绝缘电介质频率呼应测试中的微电流丈量。5针对油纸绝缘电介质频率呼应测试中的微电流丈量，对其进展放大电路的设计，并运用Pspice仿真软件对电路进展仿真分析，为电路放大器、各电阻、电容的选择提供参考，仿真分析了不同温度下对电路的影响。 6在实验室条件下，模拟变压器油纸绝缘系统，进展频率响测试实验，并对实验结果提出改良方法。第2章 变压器油纸绝缘电介质呼应的相关实际21 引言介质呼应实际主要是提示电介质根本特性电极化、电导、介质损耗以及电介质击穿的物理本质，讨论电介质在电场作用下所发生的物理过程与电介质的构造、组成之间

18、关系的规律性。变压器油纸绝缘是一种复合电介质，油纸绝缘的老化会引起油纸绝缘体系介电特性的变化，故电介质实际对其是适用的。但由于变压器是由绝缘纸和绝缘油两种介质组成的油-纸复合绝缘系统，其极化过程与单一电介质的极化过程不同。因此有必要先对电介质的相关实际进展分析。22 介质呼应的根本概念221 复介电常数 在外加电场作用下，介质的介电常数是综合反映介质极化微观过程的宏观物理量。电介质的介电常数又称为电容率，假设在平行平板式电极间充溢相对介电常数为 的电介质，其电容量为 2-1式中为真空的介电常数，的大小等于F/m，S为极板面积，d为电介质厚度。假设在该电容器电极加上角频率为的正弦交流电压 2-2

19、那么在电极上出现的电荷量为 2-3在外电路上的电流为电荷Q对时间的导数： 2-4此时电流相位超前电压。当电容器填充某种电介质时，那么其电容量为： 2-5式中为该介质的相对介电常数，即 2-6 假设思索到填充电介质是弱导电性，或是一种极性的，或者兼有这2种特性的资料，那么，电容量就不再是理想的电容器，电流对电压的相位就不会恰好相差。由于此时添加了一个与电压具有一样相位的电导分量，故总的电流为两部分电流的和： 2-7 假设把电介质试样看成一个复数电容，那么式(2-7)中的电导可以写成 2-8 式中的为电介质的复介电常数，称为损耗因子。损耗角正切又可以表示为 2- 9角频率与损耗因子的乘积等于介质的

20、电导率 2-10该电导率为一切损耗的总和，它包括由载流子迁移呵斥的直流电导、电偶极子取向以及其他极化所呵斥的损耗。从直流到高频，可以与、中任何一个配对描画电介质在电场中的性能。即 2-11作为绝缘部件，特别是对于高频、高压绝缘，要求相对介电常数和损耗系数都要小，这是由于绝缘资料的发热量，即功率损耗P与电压U的平方、角频率、相对介电常数和和损耗角正切成正比： 2-12式中C为绝缘部件的几何电容。经过丈量和，可以判别绝缘资料的电绝缘强度、水分含量以及老化程度。222 电介质的极化电介质极化是在外电场的作用下，束缚电荷的部分挪动导致宏观上显示出电性，在电介质的外表和内部不均匀的地方出现电荷的景象。理

21、想的绝缘介质内部没有自在电荷，实践的电介质内部总是存在少量自在电荷，它们是呵斥电介质漏电的缘由。极化机制：把电介质看成大量微观带电粒子组成的电荷体系，从电磁学的根本公式出发，利用矢量分析和电动力学的有关公式，经过定量计算得出单个原子在空间某处产生的电势相当于一个电偶极子的势，从实际层次阐明分子或原子固有电矩的存在、电介质分子的分类、电介质在外电场中的极化模型及电介质极化的规律。在介质实际中，常用偶极矩的大小来表示组成介质分子所具有的极化特性。普通分子偶极矩u的大小取决于有效电场E，并与之成正比关系，即表示为 2-13式中，为比例系数，它的物理含义是每单位电场强度的分子偶极矩，称为极化率。这是描

22、画分子极化特性的一个重要的微观物理量，越大，分子的极化才干越强。假设单位体积内极化质点总数为N，那么可把宏观的极化强度P与微观的极化率联络起来，得到 2-14电介质的极化方式较多，根本类型有电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、热离子极化和界面极化。电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的间隔 I构成电偶极矩pe=el(l由负电中心指向正电中心，e是电荷量，见电偶极子)。当电场不太强时，电偶极矩pe同有效电场成正比，pe=eE，式中e称为电子极化率。极化建立所需的时间极短s，不产生能量损耗，同时电子极化率与温度无关。任何电介质都要发生电子位

23、移极化。离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移构成电偶极矩pa。pa与有效电场成正比，pa=aE，a称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。离子位移极化建立所需时间为s，在极化过程中不伴随有能量耗费，离子极化率只与离子的构造参数有关，而与温度无关。 固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于构造上的不对称性而具有固有电矩p。在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩遭到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者到达平衡。

24、固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率d描画,当电场强度不太大而温度不太低时，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。这种极化同温度的关系亲密。偶极子转向极化的建立需求较长的时间，约s，极化过程伴随有能量的损耗。偶极子转向极化是一种与热运动有关的极化方式，可以推断，反映极性分子极化的极化率与温度有关。 界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完好性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自在电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，构成空间电荷层，从而改动空间的电场。从效果上相当于加强电介质的介电性能。 电介质的极化是这四种极化机制的宏观总效果。这种与热运动有关的极化，其建立时间较长

25、，在电场频率较高的情况下，极化会有滞后景象发生，从这个意义上，热离子极化常被称为松弛极化。223 电介质的损耗电介质中在交变电场作用下转换成热能的能量，这些热会使电介质升温并能够引起热击穿，因此，研讨电介质的损耗问题，本质上就是研讨能量转换问题。根据介质实际关于介质损耗的定义，它是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能而耗费的能量。工程实践中，常以正弦电压作用下经过介质的有功电流与无功电流之比，或有功损耗与无功损耗之比，即介质损耗角正切值作为介质损耗的特征参数。为电流有功分量和无功分量之比，而电流的有功分量引起介质中的能量的损耗，所以的值能反映介质损耗的大小；仅取决于资料特性而与资

26、料的尺寸、外形无关，其值可以直接由实验测定。此外，还可以用复介电常数的虚部来表征介质损耗，称为介质损耗因数。电介质在交变电场中与频率和温度等要素有关，电介质损耗按其构成机理可分为弛豫损耗、共振损耗和电导损耗。前两者分别与电介质的弛豫极化和共振极化过程有关 。对于弛豫损耗，当交变电场的频率 1时，介质损耗到达极大值，为组成电介质的极性分子和热离子的弛豫时间。对于共振损耗，当电场频率等于电介质振子固有频率共振时，损失能量最大。电导损耗那么是由贯穿电介质的电导电流引起，属焦耳损耗，与电场频率无关。1电导损耗任何电介质都不能够是理想的绝缘体，不可防止地存在一些弱联络的导电载流子。在电场作用下，这些导电

27、载流子将作定向漂移，构成传导电流。这部分传导电流以发热的方式耗费掉，我们把它称之为电导损耗。电导损耗与电场频率无关，但随着温度的升高而急剧添加。弛豫极化损耗 当交变电场E 改动其大小和方向时，电介质极化的大小和方向随着改动。如电介质为极性分子组成(极性电介质)或含有弱束缚离子这类偶极子和离子极化由于热运动呵斥,分别称为偶极子和热离子,转向或位移极化需求一定时间弛豫时间，电介质极化与电场就产生了相位差，由这种相位差而产生了电介质弛豫损耗Wg。电介质在电场中发生极化都需求建立一定的时间，其中有的极化方式，如电子位移极化和离子位移极化需时极短s，但另外一些极化需时较长，例如偶极子转向极化，普通需求阅

28、历s甚至更长的时间。因此此类极化在外施电场频率较高时，就有能够跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性，产生弛豫景象。致使电介质的极化强度P滞后于外施电场强度E，并且随着外电场频率的升高，电介质的介电常数下降;当外施电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，其介电常数随频率的上升而下降至零，这时电介质的介电常数只由位移极化提供，而趋于光频介电常数，这一过程也耗费部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为弛豫极化损耗。3共振损耗对于电子位移极化和离子位移极化,电介质可以看成是许多振子的集合,这些振子在电场作用下作受迫振动，并最终以热能方

29、式损耗。当电场频率比振子频率高得多或低得多时，损失能量很少。只需当电场频率等于振子固有频率共振时，损失能量最大，故称电介质共振损耗。23 频域介质呼应法在变压器油纸绝缘诊断上的运用介电呼应实际从提出至今已有几十年历史，但对介电呼应实际的运用主要集中于对电介质资料的运用研讨，如运用于高介陶瓷、以铁电性能为根底的铁电薄膜等，以改善这些资料的性能。介电呼应实际用于变压器油纸绝缘情况的研讨，在近十几年才逐渐开展起来。实际中发现，介电呼应法作为一种无损检测手段，它具有抗干扰才干强、携带信息丰富等特点。因此，国外的许多研讨机构和学者都以为对于浸油变压器等电力设备，介质呼应法是一种很好的诊断工具。变压器油纸

30、绝缘本身就是一种复合电介质，在温度、水分、老化、机械应力等要素作用下，其介电特性必将发生变化，介质呼应法就是基于这样的原理来诊断变压器油纸绝缘的情况。介质呼应法根据鼓励源的不同分为时域和频域介质呼应两种，前者又包括回复电压法RVM和极化去极化电流法PDC两种；频域介质呼应法即频域谱法FDS。对于频域谱法，经过正弦交流鼓励对单一频率下的油纸绝缘系统进展介质呼应丈量有时并不可以得到绝缘系统的全面形状。为得到更多信息，在低压下，经过改动交流鼓励的频率，并采用复介电常数，复电容，介质损耗，功率要素等作为频率的函数，用该函数的变化情况来评价运转中变压器绝缘老化情况。测得的复电容、相对介电常数等曲线的不同

31、部分包含着绝缘油和绝缘纸的不同信息，经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形状信息的关系，就可以对变压器油纸绝缘形状进展诊断。第三章 频率呼应特性的研讨3.1 电介质频率呼应法的引见电介质呼应法作为新的绝缘测试方法, 其研讨始于20世纪80年代, 20世纪90年代后回复电压法、极化去极化电流法等时域电介质呼应法陆续涌现.。频率呼应法由于所获信息量大、测试电源电压低而遭到广泛关注.。频率呼应法是在宽频范围内(如10-4 106 H z)测试油纸绝缘复介电常数实部Ec、虚部(介质损耗) Ed曲线, 经过分析其幅值、外形的变化趋势评价油纸绝缘所处温度、微量、老化程度等绝缘情况.

32、目前, 对电介质呼应法的研讨还处在起始阶段。频率呼应法为表征变压器油纸绝缘的老化形状及微水含量提供了新的手段, 但环境要素尤其是温度对测试结果有严重的影响. 为更准确的了解测试结果, 对不同温度下油纸绝缘频率呼应的研讨显得非常重要. 本文对电介质呼应法进展分析建模, 搭建了实验平台, 测试了油纸绝缘的频率呼应,讨论了油隙对测试结果的影响, 分析了温度与油纸绝缘频率呼应的关联关系。3.2 频率呼应法的测试方法3.2.1 变压器油纸绝缘等效模型变压器主绝缘系统由一系列纸筒压板、油隙以及对纸筒起支撑作用的撑条构成。将变压器中绝缘油和绝缘纸的电阻、电容进展合并，可简化得到图1所示的变压器油纸绝缘扩展D

33、ebye等效模型图中：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代表油纸绝缘不同弛豫时间下的有损松弛极化。根据变压器油纸绝缘扩展Debye 等效模型，可得到变压器油纸绝缘频域介电呼应参数复电容的表达式12，如式(6)和式(7)所示。本文利用一台45 MVA 变压器的扩展Debye 等效模型的详细参数值13，按照式(6)和式(7)，经过Matlab 编程仿真Rg = 2.5 G、Cg =10.2 nF以及Ri-Ci 分支电路参数的变化对油纸绝缘系统复电容频域介电谱的影响规律。 变压器油纸绝缘扩展Debye 等效电路模型仿真了油纸绝缘的频域介电谱特性R1变

34、压器油纸绝缘扩展Debye 等效模型。3.2.2 测试原理油隙及温度对频率呼应特性影响：频率呼应法为表征变压器油纸绝缘的老化形状及微水含量提供了新的手段,但环境要素尤其是温度对测试结果有严重的影响.为研讨不同温度下油纸绝缘频率呼应变化规律,利用频率呼应法对油纸绝缘进展物理建模,建立了时域呼应函数及其频域呼应函数,搭建了油纸绝缘频率呼应测试系统,运用该系统对比测试了不同温度下油纸绝缘体系频率呼应,并计算了单独油浸纸频率呼应.结果阐明:油隙对测试结果的影响较小,最大误差在10%以内;油纸绝缘介质损耗在低频段随频率增大而减小,在高频段变化不大;随着温度升高,油纸绝缘介质呼应幅值增大,其外形根本不变,

35、并向高频率方向挪动;频率一定时,油纸绝缘复介电常数与温度的倒数成线性比例。3.2.3 测试系统组成部分测试安装：丈量资料介电常数和电导率的最简便方法是将其放置在一对平行电极之间,电极面积和间距知。这种测试单元的模型可以由一个电阻和一个与之匹配的电容组成。平板传感器便是由这种简便的方法开展而来,其构造如图3.1 所示。容性构造主要由驱动电极和测试电极组成。测试电极左右是维护电极, 其周围还必需有一层接地电极,与维护电极相衔接接地电极消除了平行寄生电容和电阻,起到了屏蔽外部电场对测试电极的干扰作用。同时还使得电场坚持高度一致,根本上没有边缘场效应。绝缘纸板试样的面积小于感应电极,因此使得几乎全部磁

36、力线都能穿过试样。整个构造依托驱动电极顶部铁块和本身分量严密衔接在一同。图3.1 频率呼应测试安装表示图实验中, 将绝缘纸板置于电极之间, 并浸于变压器油中,测试其电介质呼应。实验电极及等效电路如图3.2 所示。从图3.2中可以看出,绝缘纸板与上下电极之间,存在油隙,构成油/油浸纸板/油体系。根据Maxwell-Wagner实际分析，当具有复介电常数为Ep的均质油浸纸板,将两个具有一样复介电常数为Eo的变压器油隔开时,油/油浸纸板/油体系可表示为如图3.3所示的等效两相绝缘体系。油隙及温度对频率呼应特性影响：针对图3.3所示的等效两相绝缘体系,整体复介电常数与绝缘油、绝缘纸复介电常数的关系为：

37、式中: C 为整个体系复电容;Co 为油隙复电容;Cp 为油浸纸复电容. 67 图3.2 实验电极及其等效电路图图3.3 等效两相绝缘体系图3.4 油隙绝缘体系3.2.4 任务原理和实验步骤图3.5 测试安装等效电路图测试时, 闭合测试系统开关K 1、K 3,断开K 2,烘箱内温度控制在130摄氏度 ,对试样进展老化800 h。烘箱内的温度应坚持均匀,并用红外探测仪进展丈量。为获得一样老化程度,在烘箱内的测试容器位置须进展有规律的变动。试样老化完成后,经过底部阀门将油注入油缸,放置一段时间,至少3 个月,以保证系统微水到达平衡形状。对油纸绝缘系统进展了建模测试,分析了不同微水含量油纸绝缘体系在

38、不同温度下的介电谱,并建立了油纸绝缘复介电常数与微水、温度之间的函数关系。测试结果阐明频率呼应法可以有效的分析油纸绝缘系统的微水含量形状, 在温度和驱动频率一定时,丈量油纸绝缘复介电常数的实部或虚部都能较准确的获得其微水质量分数。复介电常数的实部变化阐明微水对枯燥绝缘纸板相对介电常数的影响, 虚部变化代表微水的微弱导电性产生的损耗。3.3 油纸绝缘形状和测试温度的关系不同测试温度下油纸绝缘试品的频域介电谱温度对油纸绝缘试品频域介电谱的影响很大。在10-3106Hz范围内，油纸绝缘试品的r 在频率小于100Hz时随温度的升高而增大，而在100Hz以上却相反。油纸绝缘试品的r和tan值在10-31

39、02Hz 范围内随温度升高而增大，而在102106Hz 范围内却随温度升高而减小。r和tan产生上述变化的缘由是：低温时电导损耗很小，介质损耗主要由松弛极化损耗决议，而松弛极化损耗与eE/kT 成正比12(E 为外加交变电场有效值；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度)，在10-3102Hz 范围内，温度添加，油纸绝缘试品的松弛极化损耗增大，即r和tan值增大。此外，当温度添加时，松弛极化时间常数减小，建立极化速度更快，温度越高，对应反常弥散区的频率也越高12，因此随着温度增高，r和tan曲线会向高频方向挪动，使得r和tan在102106Hz 范围内随温度升高而减小。可见，运用频域介电谱法评价

40、油纸绝缘形状时，要保证测试温度的同一性。根据不同温度下油纸绝缘频率呼应, 以绝对温度的倒数为横坐标, lg( (E-E)/E0) 和lg(E/E0)为纵坐标,频率为变化参量,研讨频率呼应与温度的关系,如下图。可以看出,在单频率下,随着温度升高,油纸绝缘复介电常数增大,lg E与1/T成线性比例。实验阐明：( 1)整个系统的频率呼应与计算所得单独油浸纸的频率呼应非常接近, 最大误差在10% 以内;测试分析过程中可忽略油隙对油纸绝缘频率呼应的影响。( 2)在低频段,油纸绝缘的介质损耗表达出频率依存性;在高频段,油纸绝缘的频率呼应取决Hariliak-Negami模型,变化不大。( 3)随着温度升高

41、,油纸绝缘体系中的微水更多地溶解在油中,使得整个油纸绝缘介质呼应增大,在电场作用下的损耗增大。( 4)不同温度下油纸绝缘频率呼应外形根本不变,油纸绝缘复介电常数虚部随着温度升高向高频率方向挪动,所表达的弛豫中心频率增大。( 5) 频率一定时，油纸绝缘复介电常数与温度的倒数成线性比例。3.4变压器油纸绝缘系统检测电路的分析 检测电路尽量运用选频滤波，使通频带宽尽能够窄；电路中信号的地线、其他能够呵斥干扰的电路地线要分开接等等。经过带有WinDETA分析软件的宽频介电谱仪，测试被测试样的FDS特性，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复电容率等与频率有关的极化参数的变化情况，这些参数与变压器油

42、纸绝缘形状如老化程度、含微水量等信息亲密相关，研讨他们之间的关系，才干用于油纸绝缘形状的诊断，研讨研讨微水、温度等要素对变压器油纸绝缘系统的影响并以此作变压器寿命的评价。频域介电谱法既可准确评价绝缘纸含水量和油纸绝缘试品老化程度，又能反映油纸绝缘试品的介电性能；用频域介电谱法评价油纸绝缘形状要保证测试温度的同一性。第4章 油纸绝缘电介质频率呼应测试技术的研讨41 引言本文研讨基于频率呼应的变压器油纸绝缘系统电介质呼应测试技术，突破性地对基于电介质频率呼应的频域谱法FDS丈量电路中微电流丈量进展研讨。重点处理FDS丈量电路的丈量电流问题，对微电流丈量进展电路设计，并经过Pspice仿真软件对运放

43、、各电阻、电容值参数的选择进展仿真，以便更合理地对设计电路进展解释。42 FDS测试电路表示图图4.1为FDS的根本测试电路。经过外加正弦电压，丈量流过试样的电流峰值和相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值、复电容率等与频率有关的极化参数的变化情况，这些参数与变压器油纸绝缘形状如老化程度、含微水量等信息亲密相关，研讨他们之间的关系，就可以对变压器的绝缘形状进展诊断。测得的数据经过控制电路传入带有WinDETA分析软件的介电谱仪中，丈量结果会在WinDETA分析软件显示出来。被测样品Z实践是一个油纸绝缘系统。图4.1 FDS根本测试电路43 FDS测试原理FDS丈量正弦电压下流过测试系统的

44、电流的幅值和相位，由于一次只能思索单一的频率，电流为 4-1式中，、分别为复电容的实部和虚部；为所加正弦电压；为高频下的介电常数；为真空介电常数，其大小等于F/m；为被测试样的电导率，为角频率。实部给出了极化的幅值，跟鼓励电场相位一样；虚部表示电场正交的方向。假设被测试样的电容知，那么可经过测试电流的幅值和相位计算介质的复介电常数。油纸绝缘的复介电常数是温度、微水和频率的函数。为其实部，对应于电容项；为虚部，对应于损耗项。那么有 4-244 FDS测试电路的微电流研讨由图4.1FDS的根本测试电路可以看出，FDS是利用介质在交流电压下的极化特性，经过外加正弦电压，丈量流过被测试样的电流幅值和相

45、位，从而得到油纸绝缘电介质的复介电常数、介质损耗角正切值、复电容等与频率有关的极化参数的变化情况。但我们知道，流过油纸绝缘系统中被测试样的电流很小，用普通仪表很难测出来，针对这种情况，本文研讨基于频率呼应的变压器油纸绝缘系统电介质呼应测试技术，设计了微电流丈量电路，对实验室条件下模拟的油纸绝缘系统进展频率呼应测试实验。441 微电流丈量方法概述在丈量微电流时，普通是将它经过一定方式转换成电压。根据转换方式将一切的直流放大器可分为两类：第一类是把输入电流转换成己知电阻两端的电压降；第二类是输入电流对放大器中知电容充电，然后察看放大器输出的电压。电流转换为电压后，电压很小，很难被后续电路处置，经过

46、多级放大才干实现。典型的微电流丈量方法开关电容积分法、运算放大器+T型电阻网络+单片机、场效应管+运算放大器等。1开关电容积分法开关电容式微电流丈量方法的前级是在利用开关电容实现电流向电压转换的同时对电压信号进展调制和放大，到达微伏级；后级电路经过选频放大电路实现微伏级电压的放大，再利用开关式相敏检波电路解调得到与被测微电流有一定比例关系的伏特级电压。2运算放大器+T型电阻网络+单片机此类丈量方法的前级都是运用较高精度的运算放大器直接进展I/V转换。此种方法可以放大的微电流的级别视运算放大器的综合性能而定，但普通不能准确放大pA级及更微弱的电流信号。3场效应管+运算放大器场效应管的等效输入电流

47、噪声也相对很小，而其等效输入电压噪声与晶体三极管相当或略高，这使得场效应管的最正确源电阻较大；而且，场效应管的低频1/f噪声只出如今等效输入电压噪声中，而不出如今等效输入电流噪声中。普通地，金属氧化物场效应管(MOSFET)的1/f噪声要大于结型场效应管(JFET)，所以，微弱信号检测的前置放大器通常选用跨导高、输入电阻大、栅源电容小的结型场效应管。该丈量方法前置放大器选用结型场效应管的电路，通常都是运用低噪声结型场效应管组成差动放大电路，并结合高精度运算放大器，实现前置级的I/V转换并有一定程度的放大。442 微电流丈量电路设计的原理本丈量电路设计由于思索到提高丈量精度、操作简单，降低设备本

48、钱，同时为有效降低各种噪声的干扰等多方面的要求，这里采用的是基于I/V变换的微电流丈量方法。基于I/V变换的微电流丈量方法是常用的弱电流检测方法，其中的反响电流放大型丈量电路构造较简单，转换的线性较好，电路频率呼应特性较好，在参与有效的硬件和软件抗干扰措施后，可以提高丈量精度和稳定性。因此丈量的电路是按照基于反响式电流放大器型I/V 转换原理进展设计，其根本电路如图4.2所示。图4.2 I-V转换电路假定运放为理想运放，利用运算放大器的虚地概念和结点电流代数和为0的定律得出 4-3式中为反响电阻；为丈量电流；为输出电压。输出电压 与丈量电流成线性比例关系，比例系数为，因此根据放大要求选取反响电

49、阻 值即可获得所需的放大倍数。但在实践运用中，完全理想的运算放大器是没有的，由于集成电路制造技术及工艺的影响，必然会产生诸如输人失调电压、偏置电流等。放大器的开环增益也不能够无穷大，实践的输入输出关系由公式4-4表示 4-4式中，、分别为运算放大器的失调电压、输人偏置电流和开环增益。在实践运用中,运放的输出误差受失调电压、偏置电流 的影响，因此要实现微电流丈量，运算放大器要满足:偏置电流newProject，在Project类型选择Analog or Mixed-signal Circuit，方便以后对电路图进展数/模混合仿真2开场绘制原理图新建Project后，进入Schematic窗口，点

50、击Place part按钮，按照设计电路放置元器件，并对元器件参数进展编辑。以输入0.5uA交流电流为例，选择好元件参数，绘制的原理图如图4.4所示。图4.4 电路原理图452 对电路仿真分析点击PSpiceEdit Simulation profile，调出Simulation Setting对话框，在Analysis type分析类型中选择AC Sweep/Noise交流/噪声分析，在Options中选中General Settings，设置参数如图4.5所示：图4.5 设置仿真参数AC Sweep的分析频率在0.001Hz到1GHz范围内，采用十倍频增量进展递增，采样点100个。经交流分

51、析，仿真出来的输出电压波形如图4.6所示。图4.6 输出电压波形图从图4.6可以看出，仿真电路在频率0.001Hz100Hz范围内得出输出电压为5V，跟实际计算结果一样。在频率100Hz1kHz范围内有一定幅度的上升，但从1kHz开场，输出电压波形在下降，明显衰减得很快。所以从仿真结果可以看出，电路在中低频范围内很好表达电路特性，实现应有的放大倍数。对于高频电路的实现，能够需求从专门针对高频的运放芯片本身以及电路进一步改良上着手。本设计电路为在后面的关于高频电路设计提供很好的参考。453 温度变化对电路性能的影响原理图中一切的元件参数和模型参数都设定为其常温下的值常温隐含值为27Spice，在

52、进展仿真结果分析的时候，可以用温度分析来指定不同的电路任务温度，经过对温度参数变化进展设置来研讨温度的变化对电路性能的有何影响。点击PSpiceEdit Simulation profile，调出Simulation Setting对话框，在Analysis type中选择AC Sweep/Noise，在Options中选中Temperature (Sweep)，在指定的一系列温度下进展分析，如图4.7所示：图4.7 温度参数的设置如图4.7所示，同时指定0、27、1253个不同的任务温度对电路进展相应的温度分析，仿真结果如以下图所示。图4.8 温度变化对电路输出电压的影响从图4.8可以看出，

53、温度对电路输出电压波形有一定影响。随着电路任务温度的升高，电路的输出电压在降低。所以在丈量微电流的时候，应该要尽量坚持温度在一恒定值，以减少实验时的误差。46 高频下微电流丈量电路的研讨前面对电路的仿真结果显示，电路在0.001Hz1MHz频率范围内的输出电压根本和实际计算值相等，由此可以证明，该电路是在中低频范围可以正常任务，那么对于高频丈量，又该如何实现呢？ 高频下微电流丈量电路的实现，主要要处理电路高频带来的噪声干扰问题。由于在电路中，除了电阻部分，还包含容抗和感抗部分，特别是感抗，随着频率的增高，电感部分是产生噪声的主要要素。对于这种高频噪声问题，要设计有针对性的低通滤波电路。低通滤波

54、可以实现让某一频率范围内的信号经过，有效地过滤掉高频噪声信号。电路如图4.9所示。图4.9 低通滤波电路461 高频的电路原理图在Capture CIS的Schematic窗口绘制的电路原理图如图4.10所示，各元件参数如下，其中输入端为幅值为0.5uA的交流电流，经过放大器两级放大，利用Pspice的AC Sweep/Noise交流/噪声分析，得出电路的输出端Vout的电压随信号频率改动的波形。图4.10 电路原理图462 仿真分析仿真参数对Simulation Setting进展设置，设置如图4.11。图4.11 仿真参数的设置从图4.11可以看到，设置的扫描类型为对数，扫描频率从1000

55、kHz至1GHz，取值点1000个，波形图如图4.12所示。图4.12 输出电压波形图从图4.12仿真结果可以看出，电路在1MHz1.5MHz频率范围内输出电压约为10V，和实际计算值根本一致。但是随着频率的升高，输出电压波形在衰减，到10MHz左右电压衰减至0V。所以，电路对频率范围有一定的要求，超出该范围就不能丈量输出电压的波形。1、绝缘纸与电极之间的油隙对介电测试会呵斥影响。软件仿真结果显示，在绝缘纸板和驱动电极之间，绝缘纸和感应电极之间均有一小电流分量与电极平面平行流过，它能够会干扰丈量结果。频率越高流过的电流更大。分析对比测试结果和数学计算结果，当油隙较小低于2mm时，整个系统的频率

56、呼应与计算所得油纸绝缘的频率响应非常接近，最大的误差在10%以内，因此当油隙较小时可以忽略其对油纸绝缘频率呼应测试的影响。2、当测试频率在0.01Hz100Hz 范围内时，油纸绝缘微水含量一样时的老化绝缘纸板的复介电常数大大高于新绝缘纸板，但老化后的油纸绝缘介电频谱与新的油纸绝缘介电频谱相比，外形并未发生太大变化。假设不思索老化产生的传导性物质对介电丈量影响的话，将会呵斥对油纸绝缘微水含量的评价结果比实践微水含量高的影响。3、当测试频率低于100Hz 时，随着温度的升高油纸绝缘的复介电常数增大；而在高频(频率大于1000Hz)范围内，上述的这种景象并不明显。总体而言，油纸绝缘的介电频谱受温度的

57、影响很大。但对大多数资料而言，包括油浸纸板，只需是构造没有因温度超出范围发生改动，其呼应的频谱外形不会随温度而变化。其中复介电常数的实部符合于双指数函数曲线分布，而虚部更符合于单指数函数曲线分布。4、不同微水含量油纸绝缘试样的复介电常数实部在频率低于100Hz 范围时，随着微水含量增大而显著增大。但当频率大于100Hz 时，没有此趋势，其值根本没有发生变化。而不同微水含量油纸绝缘试样的复介电常数的虚部在0.01Hz1kHz 频率范围内，其值随着微水含量增大而显著增大，当超出1kHz 范围时虚部值根本不随微水含量添加而增大。此外，微水含量高(2%4%)的试样在低频范围内(低于100Hz)复介电常

58、数的实部和虚部均增长较快，阐明微水含量越高时对复介电常数的影响越大。除了电路本身的需求改良外，放大器芯片的选择也很重要。采用针对高频的放大器，如MAX472 等新型集成的电流/电压转换芯片可抑制上述检测方法的缺陷, 实现高频微电流电路的高精度丈量。总结与展望本论文首先了解油浸式变压器的油纸绝缘系统，分析总结目前油纸绝缘形状的诊断技术，阐明当今国内外研讨现状和进展，然后学习变压器油纸绝缘的电介质呼应法，研讨基于电介质频率呼应的频域谱法FDS，重点研讨油纸绝缘电介质频率呼应测试中的微电流丈量，对其进展放大电路的设计，并运用Pspice仿真软件对电路进展仿真分析，为电路放大器、各电阻、电容的选择提供

59、参考，仿真分析了不同温度下对电路的影响。在实验室条件下，模拟变压器油纸绝缘系统，根据电路搭建电路模型，进展频率响测试实验，并对实验结果提出改良方法。在论文研讨根底上，今后还可以进一步开展的任务有：本实验的微电流丈量电路是在参考有关文献的根底上设计出来的，根据Pspice的仿真结果，我们将完成硬件电路的搭建、测试及改良。 总结： 2021年的寒假，我们组就开场了重点实验室工程设计任务，时至今日，历时将近半年的时间，实验实际设计根本完成。想想这段难忘的岁月，从最初的茫然，到渐渐的进入形状，再到对思绪逐渐的明晰，整个实验过程难以用言语来表达。从最初的无从下手的茫然，到周教师点拨后的得豁然开朗，有了研

60、讨方向；刚开场接触PSPICE仿真软件时就像披了一层浓浓的迷雾，于是我们借图书参阅、网上查找资料、小组成员之间相互交流讨论、向学长讨教，渐渐开场了解电路图的设计、绘制、参数设定，当在PSPICE上进展一次次仿真后，当设计经过一次次的修正后，根本成形的时候，我们倍感高兴，满满的小成就。经过这次工程实际我明白了本人原来知识还比较欠缺，要加强动手实际才干。本人要学习的东西还太多，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的任务、生活中都应该不断的学习，努力提高本人知识和综合素质。注重实际与实际的相结合。经过这次实验，我们学到了很多。在最初的查阅相关文献，搜集相关资料中，我们了解到了基于电介质呼应法油纸绝缘