电容型高压设备的受潮缺陷的诊断新方法浅探

电容型高压设备的受潮缺陷的诊断新方法浅探

王泽朗

云南电网有限责任公司生产技术部 

摘要：

  容性高压设备的缺陷通常离线状态以高压试验方式判别好坏。针对运行年限较长的高压设备采取高压试验有一定破坏性，且容性设备的健康状态不能以简单的通过和不通过作为判别标准。对于高压试验的破坏性和健康指标的测量，本文简述了窄频介质响应测试、宽频介质响应测试的特点，对比了优缺点，提出了针对容性设备绝缘受潮的非破坏性测试新技术。

关键词： 容性设备  介质响应  宽频  时域

0引言

   作为非破坏性试验技术，近年来窄带介质响应测试技术（也称介电谱）在变压器和套管的体积含水测试领域获得了一定认可，运维人员对于绝缘油含水与绝缘纸板含水的差异和比例有了更深入的认识。窄频介质响应测试通常以毫赫兹到数千赫兹频率的扫频方式实现介质损耗测量，并基于介质损耗曲线的分段特征计算油中水含量和纸板含量。从变压器和套管绝缘性能角度分析，纸板中的含水量更能直接反映变压器的老化状态，因此近年来在运行年限较长的变压器中，开展介质响应测试愈发受到欢迎。

1窄频介质响应技术

   窄频介质响应测试技术是相对宽频介质响应技术而言，它施加的电压通常在200V-2000V之间，频率上限通常不超过5kHz，以极化和去极化电流及相角的采集为基础量，测试时间较长，主要原因在极低频段的时间较长，设备的抗干扰性能较好才能完成高精度的电容和介质损耗测量数据。但从各研究文献分析，即使没有非常精确的测试数据，测试频谱的趋势也能估算出变压器的体积含水量，同样可作为被测设备老化状态的一个重要指标。介质响应技术的优缺点可概括如下：

表1 介质响应测试技术的优缺点

2 宽频介质响应测试技术

   以高速扫频法为基础，频率上下限通常都高于常规的窄频介质响应测试技术，以提供宽频阻抗和阻抗角的曲线分析为主，分析曲线的谐振性来观测容性设备的介质稳定性。由于上限频率和带宽高，捕捉的介质不均匀性和多层介质差异比较灵敏，可以反映一些常规技术难以发现的问题，比如可以发现等效分支电容小于0.1pF的差异量。在对被测设备阻抗频率特性熟悉的情况下，还可以观测在某个频段的相角关系深入解剖被测设备的健康状态。

图1：阻抗及相角宽频特性曲线

宽频介质响应测试的优点还在于接线简单，只需要对被测设备的等效阻抗接入点连接，不需要考虑四极法测量。

图2（a）：宽频介质响应现场测试图;   (b)二极法接线实物图

但由于宽频介质响应测试仅仅以阻抗和阻抗角的曲线分析，受到测试线缆自身的影响，以及缺乏参考量值，相比常规介质响应测试以提供公知认可的介质损耗和电容量为基础参数输出量，由此宽频介质响应测试技术作为辅助性的诊断更加适应，而作为关键的设备可靠性评价标准还需要深入研究和积累。由此，宽频介质响应测试技术在使用用途和数据分析方法上有自己的特点：以参考、多相对比为准，可灵敏的发现同规格设备的差异。

图3：典型的不同老化状态的阻抗及相位宽频特性曲线对比

3 改进的宽频介质响应测试技术

   现有的主流宽频介质响应测试需要观测和对比曲线，不能有效排除测试线的干扰和现场环境干扰，数据又没有绝对量化条件，很难获得精确的结论。结合前期的研究，本文提出基于宽频介质响应测试技术的延伸分析方法：时域法。

   对比而言，介质响应技术属于频域分析法。时域法是现有技术的有效补充。不同于局放试验，这里的时域法依旧建立在宽频介质响应测试数据基础上，兼容非破坏性的优势，通过频域-时域的算法转换而得。

图4：时域分析数据的来源

由图1所示，宽频介质响应数据通过快速傅立叶变换（FFT）获得时域数据。

根据算法的不同，可以基于阻抗模值计算，也可以基于阻抗角计算，对比如图5所示：

图5：（a）阻抗模值与阻抗角的时域变换图对比；（b）接触不良的曲线

4时域观测与分析方法讨论

   如图5，分析时域主要基于第二个峰值特征，寻找第二峰值的时间点和峰值的形状特征分析。经验表明如涉及被测设备冲击耐压不合格或接触不当的设备，第二峰值可能出现凹状。对于凹状的分析解释有多种，比如接触不良：理解为信号从端子（A端）进入后穿越被测设备本体后回馈端（B端）出现了电感量，导致非容性的参量进入形成了振荡。也可以理解为在端子处设备出现了质量缺陷。

进一步，当被测设备为多层复合介质时，在第一峰值（理解为信号输出端子的A端）和第二峰值（理解为信号端子B）之间可能出现其他峰值，这些峰值点可认为是被测设备的中间介质对信号穿越形成了阻挡或反射。当然在时域观测轴上应当去除试验线缆的传输时间，这属于可标定范围，因此在高精度测量和计算模式下，可以精确计算出电磁波穿越被测设备本体的时间，实现进一步的分析含水量。

因此从时域图谱观测，它具有一定空间观测的概念，与频域法结合有很好的研究观测价值，且不受限于被测设备模型，可用于各种电压等级的变压器、套管、电容器、互感器绝缘层。显然，在设备接线短路或开路，或接线破坏中断的情况下，时域图谱能够通过第二峰值的时间点快速识别，避免误判测试结果。

5时域法的难点和关键点讨论

时域法能够通过时域的长度概念去除试验线的影响，并能够基于时延计算体积含水量。但这建立在两个精确数据基础上：一是试验线做好标定；二是扫频测试有足够的带宽，从而保证频域到时域变换后的时域精确度。譬如要达到0.01uS的时域分辨率，带宽必须大于100MHz，对硬件提出了一定要求。

6  结论

   本文对比分析了介质响应技术，提出了宽频介质响应分析方法。结合实测图谱分析了宽频介质响应技术的特点，提出了时域分析法。时域分析法有较好的信号穿越设备的空间展示效果，能够观测到容性设备的内部或端子状态，对于测试线自检、观测对比不同缺陷特征有较好的深入研究价值。在针对不同被测设备还需要总结经验数据，熟悉信号穿越绝缘本体的时后统计量化基准，计算精确的体积含水量，从而用于评价设备的健康状况。

7参考文献

[1] 基于介质响应技术的电力变压器油纸绝缘状态的评估研究 ，童峰，湖南大学硕士论文, 2022-08-17

[2] 电力变压器油纸绝缘状态评估的频域介电特征参量研究 [J] . 廖瑞金 ,刘捷丰 ,杨丽君 . 电工技术学报 . 2015,第006期

[3] 应用Debye模型融合油纸绝缘时频域介质响应测量技术的研究 [C] . 齐超亮 ,杨丽君 ,王耀龙 . 第十三届全国工程电介质学术会议 . 2011

[4] 油纸绝缘水分平衡样品的制备及水分评估频域特征量提取,高竣，廖瑞金，王有元，吕彦冬，杨丽君，刘捷丰，汪可, 电工技术学报，2015年9月，第30卷第18期

作者简介：

王泽朗，1990年1月16日生，大学本科学历，工程师，工作单位：云南电网有限责任公司生产技术部，长期从事变电设备不停电试验、数据分析及诊断性检修领域的研究。获得2022年云南电网管理创新一等奖。