一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法
阅读说明：本技术 一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法 (Method for testing water content of solid insulation of converter transformer ) 是由 崔律 周行星 陈俊杰 李红雷 陈炯 于 2020-11-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法,包括以下步骤：获取待测换流变压器的结构参数、绝缘油电导率、不同含水量固体绝缘的复介电常数；计算待测换流变压器的FDS模型曲线；基于FDS法测量待测换流变压器固体绝缘的频域介电谱曲线；选择与频域介电谱曲线误差最小的FDS模型曲线,该模型曲线的固体绝缘含水量即为测试结果。与现有技术相比,本发明使用FDS法测量换流变压器的固体绝缘含水量,先计算待测换流变压器的FDS模型曲线,再测量得到待测换流变压器的频域介电谱曲线,找到与频域介电谱曲线最接近的FDS模型曲线,从而确定待测换流变压器的固体绝缘含水量,满足换流变压器的现场诊断需求,不破坏换流变压器绝缘结构,精度较高。(The invention relates to a method for testing the water content of solid insulation of a converter transformer, which comprises the following steps: acquiring structural parameters of a converter transformer to be tested, the conductivity of insulating oil and the complex dielectric constants of solid insulation with different water contents; calculating an FDS model curve of the converter transformer to be tested; measuring a frequency domain dielectric spectrum curve of the solid insulation of the converter transformer to be measured based on an FDS method; and selecting an FDS model curve with the minimum error with the frequency domain dielectric spectrum curve, wherein the solid insulation water content of the model curve is the test result. Compared with the prior art, the method has the advantages that the solid insulation water content of the converter transformer is measured by using an FDS method, the FDS model curve of the converter transformer to be measured is calculated firstly, then the frequency domain dielectric spectrum curve of the converter transformer to be measured is obtained through measurement, and the FDS model curve closest to the frequency domain dielectric spectrum curve is found, so that the solid insulation water content of the converter transformer to be measured is determined, the field diagnosis requirement of the converter transformer is met, the insulation structure of the converter transformer is not damaged, and the precision is high.)
技术领域
本发明涉及输电检测领域，尤其是涉及一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法。
背景技术
换流变压器是直流输电工程的核心设备，其绝缘状态是否良好直接关系到电网的安全稳定运行。换流变压器的固体绝缘(主要由纤维素绝缘纸、绝缘纸板和撑条构成)含水量可以反映换流变压器的绝缘状态及老化程度，对预测换流变压器剩余寿命及故障诊断具有重要意义。
目前，测量换流变压器固体绝缘含水量的方法主要为提取纸样的化学测量方法，化学测量方法虽然精度高，但需要破坏换流变压器绝缘，因此不适用于换流变压器的现场诊断。
在绝缘测量领域，频域介电谱法(FDS)是一种基于介电特性的电气测量方法，FDS受噪声干扰程度小，试验电压低，携带信息丰富，更适用于绝缘状态的现场诊断。但是，使用FDS法进行绝缘状态测量时，存在一些不足之处。FDS法的被测对象为油浸式绝缘系统，由于不同生产厂家的设计与生产工艺各不相同，固体绝缘材料类型、材料厚度、材料重量、绝缘油品质、绝缘油体积、杂质等因素均会反映在测量结果中。如果实验室中的模拟试验所选用的材料性质与实际产品相去甚远，或现场实测时被测设备的材料类型、绕组结构、油纸比例等因素未知，则往往很难在模型曲线与被测波形之间获得最佳逼近，也就难以对整个绝缘系统的状态进行准确判断。
此外，现有技术中，FDS法主要用于测量交流变压器的绝缘状态，尚未见使用FDS法测量换流变压器固体绝缘含水量的案例。且由于换流变压器阀侧主绝缘需要面临直流电压、谐波、换向脉冲以及极性反转等各种工况，其绝缘结构与交流变压器有所不同，换流变压器的FDS曲线模型与交流变压器存在差异，直接用交流变压器FDS模型测量换流变压器将造成较大误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法，使用FDS测量换流变压器的固体绝缘含水量，首先计算对应待测换流变压器结构的FDS模型曲线，再使用FDS法测量换流变压器的固体绝缘得到频域介电谱曲线，找到与频域介电谱曲线最接近的FDS模型曲线，从而确定待测换流变压器的固体绝缘的含水量，满足换流变压器的现场诊断需求且不破坏换流变压器的绝缘结构，精度较高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法，包括以下步骤：
S1：获取待测换流变压器的结构参数和绝缘油电导率σ，获取不同含水量的固体绝缘在测试温度下的复介电常数；
S2：根据结构参数、绝缘油电导率σ和不同含水量的固体绝缘的复介电常数，计算得到待测换流变压器的多个FDS模型曲线，各个FDS模型曲线分别对应不同的固体绝缘含水量；
S3：基于频域介电谱法测量得到待测换流变压器的固体绝缘的频域介电谱曲线；
S4：自步骤S2得到的多个FDS模型曲线中选择与频域介电谱曲线的误差最小的FDS模型曲线，该FDS模型曲线所对应的固体绝缘含水量即为待测换流变压器的固体绝缘含水量，记录该固体绝缘含水量作为测试结果。
进一步的，所述固体绝缘的复介电常数包括纸板的复介电常数和撑条的复介电常数。
更进一步的，所述步骤S1中，基于Arrhenius模型对固体绝缘在测试温度T下的复介电常数的角频率进行温度校正，具体公式如下：
其中，ωT表示在测试温度T下的角频率，ω20表示在20℃下的角频率，W表示纸板或撑条介质材料的活化能，k表示玻尔兹曼常数，ΔT为温度差，其单位为热力学单位开尔文，T20表示20℃。
更进一步的，所述步骤S2中，FDS模型曲线的计算公式具体为：
其中，ε*(ω，T)整体表示换流变压器的绝缘系统整体的复介电常数，X和Y为换流变压器的结构参数，X表示换流变压器的绝缘系统中所有纸板厚度之和与所有撑条厚度之和的比值，Y表示换流变压器的绝缘系统中所有撑条宽度之和与所有纸板宽度之和的比值，分别表示撑条、纸板、绝缘油的复介电常数，ε′表示绝缘油的复介电常数实部，σ表示绝缘油的电导率，ε0表示真空介电常数，ω表示角频率。
更进一步的，所述步骤S2中，ε′的取值为2.2。
进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：
S31：解开待测换流变压器的网侧套管引线和阀侧套管引线，将待测换流变压器的分接开关调至额定档；
S32：将待测换流变压器的阀侧绕组两端短接，通过屏蔽信号线连至频域介电谱测试仪的高压输出端，将待测换流变压器的网侧绕组两端短接，通过屏蔽信号线连至频域介电谱测试仪的高压响应端；
S33：设置频域介电谱测试仪的测量频段，设置试验电压；
S34：测量并记录测量数据。
更进一步的，所述步骤S33中，测量频段为0.01Hz～1000Hz。
更进一步的，所述步骤S33中，所述试验电压为140V。
进一步的，所述步骤S4具体为：采用最小二乘法将频域介电谱曲线与步骤S2得到的多个FDS模型曲线进行最优逼近，得到与频域介电谱曲线的误差最小的FDS模型曲线，该FDS模型曲线所对应的固体绝缘含水量即为待测换流变压器的固体绝缘含水量。
进一步的，还包括步骤S5：重复步骤S3，直至重复次数等于预设置的测量次数，得到多组测试结果，去除测试结果中的异常数据后计算平均值，将平均值作为最终测量结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)使用FDS测量换流变压器的固体绝缘含水量，首先计算对应待测换流变压器结构的FDS模型曲线，再使用FDS法测量换流变压器的固体绝缘得到频域介电谱曲线，找到与频域介电谱曲线最接近的FDS模型曲线，从而确定待测换流变压器的固体绝缘的含水量，满足换流变压器的现场诊断需求且不破坏换流变压器的绝缘结构，精度较高。
(2)测试频段宽，测试结果所包含信息量比工频介质损耗测量项目丰富；测试电压低，测试接线简单，测试时间短，不需要复杂的操作，便于现场实施，节约了时间成本和人力成本。
(3)在计算FDS模型曲线时，首先基于Arrhenius模型对固体绝缘在测试温度T下的复介电常数的角频率进行温度校正，提高了测试精度，且温度校正更加准确。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例中测量模型等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
为了满足换流变压器的现场测试需求，且不破坏换流变压器的绝缘结构，本申请使用FDS法测量换流变压器的固体绝缘含水量，测量模型等效电路图如图2所示。
一种换流变压器固体绝缘含水量的测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取待测换流变压器的结构参数和绝缘油电导率σ，获取不同含水量的固体绝缘在测试温度下的复介电常数。
具体的，由于换流变压器阀侧主绝缘需要面临直流电压、谐波、换向脉冲以及极性反转等各种工况，其绝缘结构与交流变压器有所不同，换流变压器的FDS曲线模型与交流变压器存在差异，直接用交流变压器FDS模型测量换流变压器将造成较大误差。故先计算对应待测换流变压器绝缘结构的FDS模型曲线，再在FDS模型曲线与实际测量数据之间获得最佳逼近。
在计算FDS模型曲线时，需要获取待测换流变压器的结构参数和绝缘油电导率σ，获取不同含水量的固体绝缘在测试温度下的复介电常数。
本实施例中，可以直接根据待测换流变压器的规格参数和使用手册得到结构参数X、结构参数Y。X表示换流变压器的绝缘系统中所有纸板厚度之和与所有撑条厚度之和的比值，X取值范围15％～55％，本实施例中，结构参数X＝30％；Y表示换流变压器的绝缘系统中所有撑条宽度之和与所有纸板宽度之和的比值，结构参数Y取值范围15％～25％，本实施例中，结构参数Y＝20％。
固体绝缘的复介电常数包括纸板的复介电常数和撑条的复介电常数。根据换流变压器的固体绝缘的说明书，可以得到纸板、撑条在20℃下不同含水量的复介电常数。但是，由于现场测量时，测试温度T可能不等于20℃，因此需要进行温度校正。
基于Arrhenius模型对固体绝缘在测试温度T下的复介电常数的角频率进行温度校正，具体公式如下：
其中，ωT表示在测试温度T下的角频率，ω20表示在20℃下的角频率，W表示纸板或撑条介质材料的活化能，W通常为0.9eV～1.4eV，k表示玻尔兹曼常数，取值为1.38065*10- 23J/K，ΔT为温度差，其单位为热力学单位开尔文K，T20表示20℃。
S2：根据结构参数、绝缘油电导率σ和不同含水量的固体绝缘的复介电常数，计算得到待测换流变压器的多个FDS模型曲线，各个FDS模型曲线分别对应不同的固体绝缘含水量。
根据绝缘油电导率σ计算绝缘油的复介电常数：
ε′表示绝缘油的复介电常数实部，通常取2.2，σ表示绝缘油的电导率，ε0表示真空介电常数，ω表示角频率。
再根据结构参数X、结构参数Y、绝缘油的复介电常数和校正后的固体绝缘的复介电常数计算FDS模型曲线，计算公式具体为：
其中，ε*(ω，T)整体表示换流变压器的绝缘系统整体的复介电常数，X和Y为换流变压器的结构参数，X表示换流变压器的绝缘系统中所有纸板厚度之和与所有撑条厚度之和的比值，Y表示换流变压器的绝缘系统中所有撑条宽度之和与所有纸板宽度之和的比值，分别表示撑条、纸板、绝缘油的复介电常数。
计算得到多个FDS模型曲线，各个FDS模型曲线分别对应不同的固体绝缘含水量。
S3：基于频域介电谱法测量得到待测换流变压器的固体绝缘的频域介电谱曲线，包括以下步骤：
S31：解开待测换流变压器的网侧套管引线和阀侧套管引线，将待测换流变压器的分接开关调至额定档，将待测换流变压器的邻近导体(如金属结构等)接地；
S32：将待测换流变压器的阀侧绕组两端短接，通过屏蔽信号线连至频域介电谱测试仪的高压输出端，将待测换流变压器的网侧绕组两端短接，通过屏蔽信号线连至频域介电谱测试仪的高压响应端，为防止干扰和测试安全，将上述接线与待测换流变压器的邻近导体(如金属结构等)保持5米以上的距离；
S33：设置频域介电谱测试仪的测量频段，设置试验电压，测量频段为0.01Hz至1000Hz，施加140V试验电压。
S34：测量并记录测量数据，测量数据可通过图表、表格、数据等多种方式显示。
S4：自步骤S2得到的多个FDS模型曲线中选择与频域介电谱曲线的误差最小的FDS模型曲线，该FDS模型曲线所对应的固体绝缘含水量即为待测换流变压器的固体绝缘含水量，记录该固体绝缘含水量作为测试结果。
具体为：采用最小二乘法将频域介电谱曲线与步骤S2得到的多个FDS模型曲线进行最优逼近，得到与频域介电谱曲线的误差最小的FDS模型曲线，该FDS模型曲线所对应的固体绝缘含水量即为待测换流变压器的固体绝缘含水量。
本实施例中，与频域介电谱曲线的误差最小的FDS模型曲线所对应的固体绝缘含水量为0.6％。
为排除偶发因素对测量结果的影响，可多次测量。
步骤S5：重复步骤S3，直至重复次数等于预设置的测量次数，得到多组测试结果，去除测试结果中的异常数据后计算平均值，将平均值作为最终测量结果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。