工程實踐-基于電介質(zhì)響應(yīng)法油紙絕緣微水測試技術(shù)與系

1、. 西南交通大學(xué)重點實驗室工程論文 第I頁：.；第11期工程實際工程總結(jié)報告 工程稱號 基于電介質(zhì)呼應(yīng)法油紙絕緣微水測試技術(shù) 及系統(tǒng)研討 工程參與人 陳俊賢 學(xué)號：20212437 陳峰 學(xué)號：20275 彭松 學(xué)號：20212462 林靜英 學(xué)號：20212647 林莉 學(xué)號：20212638 指點教師 周利軍 2021年 05月 20日 西南交通大學(xué)重點實驗室工程論文 第 頁第1章 緒論11 油紙絕緣電介質(zhì)頻率呼應(yīng)的研討意義我國水電資源蘊藏量達(dá)6.76億kW，居世界首位。煤、石油、天然氣資源也很豐富。煤的預(yù)丈量約為45億噸?？衫玫娘L(fēng)力資源約為1.6億kW。這些豐富的自然資源為我國電力工業(yè)

2、的開展提供了物質(zhì)根底。經(jīng)過50年的開展建立，至1999年底我國電力系統(tǒng)已建成500kV輸電線22927km，500kV變電所變電容量8012萬kVA；己建成330kV輸電線7878km，330kV變電所變電容量1248萬kVA；它們分別是以500kV為網(wǎng)架的東北、華北、華中、華東、川渝5大區(qū)域電網(wǎng)和廣東、山東、廣西、福建、云南、貴州6個省級電網(wǎng)；以330kV為網(wǎng)架的西北電網(wǎng)；220kV的海南、新疆電網(wǎng)；110kV的西藏電網(wǎng)。目前，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定開展，人們對電能需求的迅速增長，我國電網(wǎng)的規(guī)模日益擴展。在電力系統(tǒng)向超高壓、大容量、大電網(wǎng)、自動化方向開展的同時，提高電力設(shè)備的運轉(zhuǎn)可靠性和

3、穩(wěn)定性更為重要。而在電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中，油浸式變壓器由于具有較高的絕緣強度、較長的運用壽命，廣泛用于高壓、超高壓輸電系統(tǒng)以及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中。絕緣油和絕緣紙組成的復(fù)合絕緣構(gòu)成了油浸式變壓器的絕緣系統(tǒng)，變壓器的運用壽命是主要由絕緣資料的絕緣強度決議，它的運轉(zhuǎn)情況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的平安運轉(zhuǎn)。假設(shè)一臺大型電力變壓器在系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)缺點，能夠引發(fā)大面積停電，其檢修期普通要半年以上，給國民經(jīng)濟(jì)呵斥宏大的損失，給人民帶來宏大不便。因此，對變壓器的絕緣情況進(jìn)展診斷，掌握變壓器的運轉(zhuǎn)形狀，制定科學(xué)、合理的變壓器運轉(zhuǎn)、維護(hù)以及更新方案，對提高變壓器的可用率和整個電網(wǎng)運轉(zhuǎn)可靠性都具有重要意義。對電力變壓器

4、油紙絕緣系統(tǒng)老化的研討曾經(jīng)過了40余年的歷程，然而已用于變壓器絕緣老化形狀診斷的糠醛、聚合度、油中溶解氣體等方法1由于需求取油樣、紙樣進(jìn)展丈量，給實踐任務(wù)中帶來很大的不便，并且本身也存在一定的缺陷2，3，故不能用來直接處理工程實踐問題。介電呼應(yīng)法作為一種油紙絕緣老化診斷的無損檢測手段，具有抗干擾才干強、攜帶信息豐富等特點，因此，應(yīng)法是一種很好的診斷工具。它包括基于時域介電呼應(yīng)技術(shù)的回復(fù)電壓法RVM、極化去極化電流法PDC和基于頻域介電呼應(yīng)的頻域譜法FDS。其中，F(xiàn)DS是利用介質(zhì)在交流電壓下的極化特性，經(jīng)過外加正弦電壓，丈量流過試品的電流峰值與相位，從而得到相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)容率

5、等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)的變化情況。FDS 具有優(yōu)良的慮噪性能，尤其是在高頻條件下，這一特點使得FDS法在研討低介質(zhì)損耗資料方面具有重要的優(yōu)勢4。本文采用以電介質(zhì)呼應(yīng)為實際根底的介電頻譜法FDS，借助實驗室的儀器和設(shè)備，搭建油紙絕緣介質(zhì)呼應(yīng)測試的實驗平臺，模擬變壓器實踐運轉(zhuǎn)中復(fù)雜多變的外界條件，并經(jīng)過實驗室加速熱老化實驗?zāi)M變壓器油紙絕緣的老化，研討油紙絕緣介電頻譜在不同溫度、不同微水含量條件下的變化規(guī)律；經(jīng)過對油紙絕緣介電特性的分析，得出其微水含量信息，從而對正確診斷變壓器絕緣情況，評價變壓器剩余壽命和提高供電可靠性提供重要根據(jù)。12 變壓器油紙絕緣系統(tǒng)電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸變電和供配電系統(tǒng)

6、的重要設(shè)備，關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。變壓器種類很多，用途也很廣泛。在電力變壓器中，目前以油浸式變壓器的產(chǎn)量最大，運用最廣。油浸式電力變壓器,是以油作為變壓器主要絕緣手段.用于兩級電網(wǎng)之間、兩區(qū)域電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)。油浸式變壓器依托油作冷卻介質(zhì)，如油浸自冷，油浸風(fēng)冷，油浸水冷及強迫油循環(huán)等。普通升壓站的主變都是油浸式的，變比20KV/500KV，或20KV/220KV，普通發(fā)電廠用于帶動帶本身負(fù)載的廠用變壓器也是油浸式變壓器，它的變比是20KV/6KV。油浸式變壓器的絕緣主要分為外絕緣和內(nèi)絕緣兩大類。外絕緣就是變壓器油箱外部的套管和空氣的絕緣；內(nèi)絕緣又分為主絕緣和縱絕緣兩類。主絕緣是指繞組對地之間、

7、相間和同一相而不同電壓等級的繞組之間的絕緣；縱絕緣 是指同一電壓等級的一個繞組，其不同部位之間，層間、匝間、繞組對靜電屏之間的絕緣。在油浸式電力變壓器中，變壓器的絕緣方式主要采用油紙絕緣構(gòu)造，即利用絕緣油浸漬絕緣紙，消除絕緣紙纖維空隙所產(chǎn)生的氣隙，提高其絕緣的電氣強度5。121油紙絕緣的老化機理油浸式變壓器的絕緣系統(tǒng)主要由變壓器油、紙絕緣構(gòu)成。由于紙絕緣的老化過程是不可逆的，因此變壓器壽命主要取決于紙絕緣的壽命。變壓器的實踐壽命除跟制造質(zhì)量有關(guān)外，與運轉(zhuǎn)條件關(guān)系親密。1變壓器油絕緣老化機理變壓器油主要由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锝M成混合物，根本以烷烴、環(huán)烷烴和少部分芳香烴為主。在正常運轉(zhuǎn)溫度下

8、，油不會產(chǎn)生熱分解，油的老化主要是氧化導(dǎo)致，銅是催化劑。實踐上對不能與氧氣完全隔離的油紙絕緣設(shè)備，即使長期不運轉(zhuǎn)，也同樣存在老化問題。油中吸收氧在水分、溫度作用下使老化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最終析出油泥。油氧化反響構(gòu)成少量的CO，CO2，隨著運轉(zhuǎn)中氣體的積累，CO，CO2，將成為油中氣體的主要組分，還有少量H2，和低分子的烴類氣體。烴類氣體的迅速添加是在非正常的油溫下產(chǎn)生的。電或熱缺點可以使某些CH鍵和CC鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔锏淖栽诨?，這砦氫原子或自在基經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反響迅速重新化合，構(gòu)成氫氣和低分子烴類氣體(如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等)，隨

9、著不同缺點能量和時間的作用，也能夠生成碳?xì)渚酆衔锛肮腆w碳粒。2紙絕緣的老化機理變壓器的紙絕緣屬于纖維素絕緣資料，它是由大約90的纖維素，10的半纖維素及極少量的木素等構(gòu)成。紙絕緣在熱的作用下，將會發(fā)生熱解、水解、氧化三種降解反響，并有能夠同時存在。三種降解的機理分別如下：(1)熱解降解熱解使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，而解環(huán)和斷裂可以在纖維W素的任何部位發(fā)生。熱解也能夠只發(fā)生在分子鏈的尾端，把最后一環(huán)鏈解開，產(chǎn)生CO、CO2等氣體，以及糖醛及其他呋喃化合物等液體。在200及以下，CO，CO2添加較快，但不會產(chǎn)生大量烴類氣體。(2)水解降解水解足熱解的后續(xù)反響。油紙氧化所產(chǎn)生的酸是水解作用的催化

10、劑，纖維絕緣資料中所含的水分越多，纖維素的水解速度就越快。(3)氧化降解氧化降解足熱解和水解的延續(xù)反響。氧化歸根究竟是熱解和水解導(dǎo)致的纖維素鏈發(fā)生斷裂。纖維素降解三個關(guān)鍵要素：溫度、含水量、含氧量。13 油紙絕緣電介質(zhì)頻域譜法FDS診斷的研討現(xiàn)狀對油紙絕緣老化形狀的監(jiān)測方法主要可分為物理化學(xué)診斷方法和電診斷方法兩大類。其中關(guān)于化學(xué)診斷方法的研討較為成熟，有微水分析，中溶解氣體分析DGA，絕緣紙聚合度測試DP，油中糠醛含量分析等；而電診斷方法那么是近十幾年才開展起來，仍處于研討階段，并沒有得到廣泛的運用。到目前為止，傳統(tǒng)的變壓器絕緣形狀診斷方法均存在各自的缺乏，近年來國外許多研討機構(gòu)和學(xué)者將目光

11、轉(zhuǎn)向了一種新的測試方法基于頻域介質(zhì)呼應(yīng)技術(shù)的頻域譜法Frequency Domain SpectroscopyFDS。介電呼應(yīng)法始于20世紀(jì)90年代，作為一種油紙絕緣老化診斷的無損檢測手段，具有抗干擾才干強、攜帶信息豐富等特點，因此，應(yīng)法是一種很好的診斷工具。它包括基于時域介電呼應(yīng)技術(shù)的回復(fù)電壓法RVM、極化去極化電流法PDC和基于頻域介電呼應(yīng)的頻域譜法FDS。其中，F(xiàn)DS是利用介質(zhì)在交流電壓下的極化特性，經(jīng)過外加正弦電壓，丈量流過試品的電流峰值與相位，從而得到相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)容率等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)的變化情況。FDS 具有優(yōu)良的慮噪性能，尤其是在高頻條件下，這一特點使得F

12、DS法在研討低介質(zhì)損耗資料方面具有重要的優(yōu)勢。FDS主要是由于電介質(zhì)極化景象引起的，而電介質(zhì)的極化遭到溫度、水分、老化程度等多種要素的影響，目前國外一些學(xué)者對于FDS的研討，主要集中在不同要素對FDS參數(shù)的影響上，并在這方面獲得了一些成果。1老化的影響P.K.Poovamma6等對不同老化形狀的油紙絕緣試品進(jìn)展FDS實驗，發(fā)現(xiàn)隨著老化加劇，介電損耗越大，相對介電常數(shù)的虛部隨試品老化時間的添加而增大，而實部根本不變。且低頻區(qū)有最大值。Omar Hassanl7等發(fā)現(xiàn)隨老化時間的添加，增大。在高、中頻帶和功率因數(shù)的幅值重合性好，在低頻帶低于1Hz兩者分開，分開點的頻率值取決于絕緣老化時間，頻率分裂

13、點和老化繼續(xù)時間是線性的，因此可以用這一點來判別老化，水分和老化的影響也被分開。2溫度的影響J.H.Yew8等對25 、50 、58 、70下對油紙樣品進(jìn)展了丈量，發(fā)現(xiàn)隨溫度的添加，復(fù)電容的實部和虛部都隨之添加。隨著頻率的增大，不同溫度下復(fù)電容都趨于定值。而且隨著溫度升高，電容實部、虛部的交叉點向高頻區(qū)挪動，交叉點頻率和溫度之間關(guān)系根本呈指數(shù)關(guān)系。另外，隨溫度升高，曲線右移，同時低頻區(qū)的曲線峰值消逝，在高頻下曲線趨于定值。P.K.Poovamma9等在27和90分別對新油和老化油進(jìn)展丈量，發(fā)現(xiàn)從100Hz到0.1Hz，呈不斷線。新油介電損耗對溫度變化不大，老化油在100Hz到0.1Hz內(nèi)對溫度

14、較敏感，曲線上移。兩種油的相對介電常數(shù)在高頻下恒定且重合，低頻區(qū)發(fā)散性較大。隨溫度升高，低頻區(qū)相對介電常數(shù)增大。Stanislaw M.Gubanski10等研討認(rèn)溫度，水分，老化對紙板直流電導(dǎo)率有影響，且直流電導(dǎo)率對于溫度的敏感度高于水分；且為防止非線性，外加電壓不宜太高。3水分的影響P.K.Poovamma等討論了不同紙中水分，油電導(dǎo)率下與頻率關(guān)系曲線的不同：低頻下有最大值，高頻下有最小值，且隨水分添加，最大值向高頻區(qū)轉(zhuǎn)移；水分添加到一定值，低頻最大值消逝。J.H.Yew等對含水量為0.2%和2%變壓器絕緣紙進(jìn)展實驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合電容的實部和虛部隨含水量的添加而增大，不過虛部添加的幅度較大。L

15、.E.Lundgaard11等對含水量為1.2%、3.4%和5%的油紙樣品丈量，發(fā)現(xiàn)隨含水量添加，相對介電常數(shù)的實部和虛部在低頻區(qū)隨之增大，高頻區(qū)不同含水量的曲線重合。綜上所述，對FDS用于變壓器油紙絕緣診斷方面的研討雖然獲得了一定的成果，但仍存在許多問題，主要表如今：1研討闡明，影響FDS反映油紙絕緣形狀信息的要素較多，但是其影響要素對FDS各參數(shù)的詳細(xì)影響并不明確，已有的研討只是定性的指明了影響要素對FDS參數(shù)的影響。2目前關(guān)于FDS的丈量結(jié)果多是對其景象的描畫，還不能進(jìn)展圓滿的解釋，更沒有從電介質(zhì)極化實際的本質(zhì)上對其緣由進(jìn)展深化分析。要將頻域譜法診斷油紙絕緣的形狀信息運用于實踐，必需進(jìn)展

16、大量實驗和實際分析，進(jìn)一步研討、總結(jié)規(guī)律，并對其結(jié)果進(jìn)展合了解釋。3利用仿真與實驗相結(jié)合的手段對FDS進(jìn)展研討目前還鮮有報道。4如何將頻域譜法與時域的回復(fù)電壓法、極化去極化電流法相結(jié)合，建立三種方法綜合的油紙絕緣老化無損評價模型，獲得評價變壓器老化的介電呼應(yīng)綜合特征參量。因此，為了更好的用頻域譜法診斷變壓器油紙絕緣的形狀信息，處理目前FDS存在的問題和缺乏，對其進(jìn)一步深化研討具有重要的實際和實踐意義。14 本文研討的主要內(nèi)容1本文首先引見了油紙絕緣系統(tǒng)。2其次分析變壓器油紙絕緣的老化機理，論述了油紙絕緣電介質(zhì)基于頻率呼應(yīng)的頻域譜法(FDS)的研討現(xiàn)狀。3引見變壓器油紙絕緣介電呼應(yīng)相關(guān)實際，對介

17、電實際的一些概念進(jìn)展論述。4研討基于電介質(zhì)頻率呼應(yīng)的頻域譜法FDS，重點研討油紙絕緣電介質(zhì)頻率呼應(yīng)測試中的微電流丈量。5針對油紙絕緣電介質(zhì)頻率呼應(yīng)測試中的微電流丈量，對其進(jìn)展放大電路的設(shè)計，并運用Pspice仿真軟件對電路進(jìn)展仿真分析，為電路放大器、各電阻、電容的選擇提供參考，仿真分析了不同溫度下對電路的影響。 6在實驗室條件下，模擬變壓器油紙絕緣系統(tǒng)，進(jìn)展頻率響測試實驗，并對實驗結(jié)果提出改良方法。第2章 變壓器油紙絕緣電介質(zhì)呼應(yīng)的相關(guān)實際21 引言介質(zhì)呼應(yīng)實際主要是提示電介質(zhì)根本特性電極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗以及電介質(zhì)擊穿的物理本質(zhì)，討論電介質(zhì)在電場作用下所發(fā)生的物理過程與電介質(zhì)的構(gòu)造、組成之間

18、關(guān)系的規(guī)律性。變壓器油紙絕緣是一種復(fù)合電介質(zhì)，油紙絕緣的老化會引起油紙絕緣體系介電特性的變化，故電介質(zhì)實際對其是適用的。但由于變壓器是由絕緣紙和絕緣油兩種介質(zhì)組成的油-紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)，其極化過程與單一電介質(zhì)的極化過程不同。因此有必要先對電介質(zhì)的相關(guān)實際進(jìn)展分析。22 介質(zhì)呼應(yīng)的根本概念221 復(fù)介電常數(shù) 在外加電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)極化微觀過程的宏觀物理量。電介質(zhì)的介電常數(shù)又稱為電容率，假設(shè)在平行平板式電極間充溢相對介電常數(shù)為 的電介質(zhì)，其電容量為 2-1式中為真空的介電常數(shù)，的大小等于F/m，S為極板面積，d為電介質(zhì)厚度。假設(shè)在該電容器電極加上角頻率為的正弦交流電壓 2-2

19、那么在電極上出現(xiàn)的電荷量為 2-3在外電路上的電流為電荷Q對時間的導(dǎo)數(shù)： 2-4此時電流相位超前電壓。當(dāng)電容器填充某種電介質(zhì)時，那么其電容量為： 2-5式中為該介質(zhì)的相對介電常數(shù)，即 2-6 假設(shè)思索到填充電介質(zhì)是弱導(dǎo)電性，或是一種極性的，或者兼有這2種特性的資料，那么，電容量就不再是理想的電容器，電流對電壓的相位就不會恰好相差。由于此時添加了一個與電壓具有一樣相位的電導(dǎo)分量，故總的電流為兩部分電流的和： 2-7 假設(shè)把電介質(zhì)試樣看成一個復(fù)數(shù)電容，那么式(2-7)中的電導(dǎo)可以寫成 2-8 式中的為電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)，稱為損耗因子。損耗角正切又可以表示為 2- 9角頻率與損耗因子的乘積等于介質(zhì)的

20、電導(dǎo)率 2-10該電導(dǎo)率為一切損耗的總和，它包括由載流子遷移呵斥的直流電導(dǎo)、電偶極子取向以及其他極化所呵斥的損耗。從直流到高頻，可以與、中任何一個配對描畫電介質(zhì)在電場中的性能。即 2-11作為絕緣部件，特別是對于高頻、高壓絕緣，要求相對介電常數(shù)和損耗系數(shù)都要小，這是由于絕緣資料的發(fā)熱量，即功率損耗P與電壓U的平方、角頻率、相對介電常數(shù)和和損耗角正切成正比： 2-12式中C為絕緣部件的幾何電容。經(jīng)過丈量和，可以判別絕緣資料的電絕緣強度、水分含量以及老化程度。222 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)極化是在外電場的作用下，束縛電荷的部分挪動導(dǎo)致宏觀上顯示出電性，在電介質(zhì)的外表和內(nèi)部不均勻的地方出現(xiàn)電荷的景象。理

21、想的絕緣介質(zhì)內(nèi)部沒有自在電荷，實踐的電介質(zhì)內(nèi)部總是存在少量自在電荷，它們是呵斥電介質(zhì)漏電的緣由。極化機制：把電介質(zhì)看成大量微觀帶電粒子組成的電荷體系，從電磁學(xué)的根本公式出發(fā)，利用矢量分析和電動力學(xué)的有關(guān)公式，經(jīng)過定量計算得出單個原子在空間某處產(chǎn)生的電勢相當(dāng)于一個電偶極子的勢，從實際層次闡明分子或原子固有電矩的存在、電介質(zhì)分子的分類、電介質(zhì)在外電場中的極化模型及電介質(zhì)極化的規(guī)律。在介質(zhì)實際中，常用偶極矩的大小來表示組成介質(zhì)分子所具有的極化特性。普通分子偶極矩u的大小取決于有效電場E，并與之成正比關(guān)系，即表示為 2-13式中，為比例系數(shù)，它的物理含義是每單位電場強度的分子偶極矩，稱為極化率。這是描

22、畫分子極化特性的一個重要的微觀物理量，越大，分子的極化才干越強。假設(shè)單位體積內(nèi)極化質(zhì)點總數(shù)為N，那么可把宏觀的極化強度P與微觀的極化率聯(lián)絡(luò)起來，得到 2-14電介質(zhì)的極化方式較多，根本類型有電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、熱離子極化和界面極化。電子極化，是在電場作用下原子核與負(fù)電子云之間相對位移，它們的等效中心不再重合而分開一定的間隔 I構(gòu)成電偶極矩pe=el(l由負(fù)電中心指向正電中心，e是電荷量，見電偶極子)。當(dāng)電場不太強時，電偶極矩pe同有效電場成正比，pe=eE，式中e稱為電子極化率。極化建立所需的時間極短s，不產(chǎn)生能量損耗，同時電子極化率與溫度無關(guān)。任何電介質(zhì)都要發(fā)生電子位

23、移極化。離子極化又稱為原子極化，是在正負(fù)離子組成的物質(zhì)中異極性離子沿電場向相反方向位移構(gòu)成電偶極矩pa。pa與有效電場成正比，pa=aE，a稱為離子極化率，這兩種極化都同溫度無關(guān)。離子位移極化建立所需時間為s，在極化過程中不伴隨有能量耗費，離子極化率只與離子的構(gòu)造參數(shù)有關(guān)，而與溫度無關(guān)。 固有電矩的取向極化，某些電介質(zhì)分子由于構(gòu)造上的不對稱性而具有固有電矩p。在無外電場時，由于熱運動,這些分子的取向完全是無規(guī)的，電介質(zhì)在宏觀上不顯示電性。在外電場的作用下，每個分子的電矩遭到電場的力矩作用,趨于同外場平行,即趨于有序化；另一方面熱運動使電矩趨于無序化。在一定的溫度和一定的外電場下，兩者到達(dá)平衡。

24、固有電矩的取向極化也可以引入取向極化率d描畫,當(dāng)電場強度不太大而溫度不太低時，k是玻耳茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度。這種極化同溫度的關(guān)系親密。偶極子轉(zhuǎn)向極化的建立需求較長的時間，約s，極化過程伴隨有能量的損耗。偶極子轉(zhuǎn)向極化是一種與熱運動有關(guān)的極化方式，可以推斷，反映極性分子極化的極化率與溫度有關(guān)。 界面極化，由于電介質(zhì)組分的不均勻性以及其他不完好性，例如雜質(zhì)、缺陷的存在等，電介質(zhì)中少量自在電荷停留在俘獲中心或介質(zhì)不均勻的分界面上而不能相互中和，構(gòu)成空間電荷層，從而改動空間的電場。從效果上相當(dāng)于加強電介質(zhì)的介電性能。 電介質(zhì)的極化是這四種極化機制的宏觀總效果。這種與熱運動有關(guān)的極化，其建立時間較長

25、，在電場頻率較高的情況下，極化會有滯后景象發(fā)生，從這個意義上，熱離子極化常被稱為松弛極化。223 電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)中在交變電場作用下轉(zhuǎn)換成熱能的能量，這些熱會使電介質(zhì)升溫并能夠引起熱擊穿，因此，研討電介質(zhì)的損耗問題，本質(zhì)上就是研討能量轉(zhuǎn)換問題。根據(jù)介質(zhì)實際關(guān)于介質(zhì)損耗的定義，它是指電介質(zhì)在單位時間內(nèi)每單位體積中，將電能轉(zhuǎn)化為熱能而耗費的能量。工程實踐中，常以正弦電壓作用下經(jīng)過介質(zhì)的有功電流與無功電流之比，或有功損耗與無功損耗之比，即介質(zhì)損耗角正切值作為介質(zhì)損耗的特征參數(shù)。為電流有功分量和無功分量之比，而電流的有功分量引起介質(zhì)中的能量的損耗，所以的值能反映介質(zhì)損耗的大小；僅取決于資料特性而與資

26、料的尺寸、外形無關(guān)，其值可以直接由實驗測定。此外，還可以用復(fù)介電常數(shù)的虛部來表征介質(zhì)損耗，稱為介質(zhì)損耗因數(shù)。電介質(zhì)在交變電場中與頻率和溫度等要素有關(guān)，電介質(zhì)損耗按其構(gòu)成機理可分為弛豫損耗、共振損耗和電導(dǎo)損耗。前兩者分別與電介質(zhì)的弛豫極化和共振極化過程有關(guān) 。對于弛豫損耗，當(dāng)交變電場的頻率 1時，介質(zhì)損耗到達(dá)極大值，為組成電介質(zhì)的極性分子和熱離子的弛豫時間。對于共振損耗，當(dāng)電場頻率等于電介質(zhì)振子固有頻率共振時，損失能量最大。電導(dǎo)損耗那么是由貫穿電介質(zhì)的電導(dǎo)電流引起，屬焦耳損耗，與電場頻率無關(guān)。1電導(dǎo)損耗任何電介質(zhì)都不能夠是理想的絕緣體，不可防止地存在一些弱聯(lián)絡(luò)的導(dǎo)電載流子。在電場作用下，這些導(dǎo)電

27、載流子將作定向漂移，構(gòu)成傳導(dǎo)電流。這部分傳導(dǎo)電流以發(fā)熱的方式耗費掉，我們把它稱之為電導(dǎo)損耗。電導(dǎo)損耗與電場頻率無關(guān)，但隨著溫度的升高而急劇添加。弛豫極化損耗 當(dāng)交變電場E 改動其大小和方向時，電介質(zhì)極化的大小和方向隨著改動。如電介質(zhì)為極性分子組成(極性電介質(zhì))或含有弱束縛離子這類偶極子和離子極化由于熱運動呵斥,分別稱為偶極子和熱離子,轉(zhuǎn)向或位移極化需求一定時間弛豫時間，電介質(zhì)極化與電場就產(chǎn)生了相位差，由這種相位差而產(chǎn)生了電介質(zhì)弛豫損耗Wg。電介質(zhì)在電場中發(fā)生極化都需求建立一定的時間，其中有的極化方式，如電子位移極化和離子位移極化需時極短s，但另外一些極化需時較長，例如偶極子轉(zhuǎn)向極化，普通需求閱

28、歷s甚至更長的時間。因此此類極化在外施電場頻率較高時，就有能夠跟不上電場的變化，表現(xiàn)出極化的滯后性，產(chǎn)生弛豫景象。致使電介質(zhì)的極化強度P滯后于外施電場強度E，并且隨著外電場頻率的升高，電介質(zhì)的介電常數(shù)下降;當(dāng)外施電場頻率足夠高，偶極子轉(zhuǎn)向極化將完全跟不上電場周期性變化時，其介電常數(shù)隨頻率的上升而下降至零，這時電介質(zhì)的介電常數(shù)只由位移極化提供，而趨于光頻介電常數(shù)，這一過程也耗費部分能量，而且在高頻和超高頻中，這類損耗將起主要作用，甚至比電導(dǎo)損耗還大。這種損耗就稱為弛豫極化損耗。3共振損耗對于電子位移極化和離子位移極化,電介質(zhì)可以看成是許多振子的集合,這些振子在電場作用下作受迫振動，并最終以熱能方

29、式損耗。當(dāng)電場頻率比振子頻率高得多或低得多時，損失能量很少。只需當(dāng)電場頻率等于振子固有頻率共振時，損失能量最大，故稱電介質(zhì)共振損耗。23 頻域介質(zhì)呼應(yīng)法在變壓器油紙絕緣診斷上的運用介電呼應(yīng)實際從提出至今已有幾十年歷史，但對介電呼應(yīng)實際的運用主要集中于對電介質(zhì)資料的運用研討，如運用于高介陶瓷、以鐵電性能為根底的鐵電薄膜等，以改善這些資料的性能。介電呼應(yīng)實際用于變壓器油紙絕緣情況的研討，在近十幾年才逐漸開展起來。實際中發(fā)現(xiàn)，介電呼應(yīng)法作為一種無損檢測手段，它具有抗干擾才干強、攜帶信息豐富等特點。因此，國外的許多研討機構(gòu)和學(xué)者都以為對于浸油變壓器等電力設(shè)備，介質(zhì)呼應(yīng)法是一種很好的診斷工具。變壓器油紙

30、絕緣本身就是一種復(fù)合電介質(zhì)，在溫度、水分、老化、機械應(yīng)力等要素作用下，其介電特性必將發(fā)生變化，介質(zhì)呼應(yīng)法就是基于這樣的原理來診斷變壓器油紙絕緣的情況。介質(zhì)呼應(yīng)法根據(jù)鼓勵源的不同分為時域和頻域介質(zhì)呼應(yīng)兩種，前者又包括回復(fù)電壓法RVM和極化去極化電流法PDC兩種；頻域介質(zhì)呼應(yīng)法即頻域譜法FDS。對于頻域譜法，經(jīng)過正弦交流鼓勵對單一頻率下的油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)展介質(zhì)呼應(yīng)丈量有時并不可以得到絕緣系統(tǒng)的全面形狀。為得到更多信息，在低壓下，經(jīng)過改動交流鼓勵的頻率，并采用復(fù)介電常數(shù)，復(fù)電容，介質(zhì)損耗，功率要素等作為頻率的函數(shù)，用該函數(shù)的變化情況來評價運轉(zhuǎn)中變壓器絕緣老化情況。測得的復(fù)電容、相對介電常數(shù)等曲線的不同

31、部分包含著絕緣油和絕緣紙的不同信息，經(jīng)過分析不同條件下曲線各段的變化情況，確定各段與油紙絕緣系統(tǒng)形狀信息的關(guān)系，就可以對變壓器油紙絕緣形狀進(jìn)展診斷。第三章 頻率呼應(yīng)特性的研討3.1 電介質(zhì)頻率呼應(yīng)法的引見電介質(zhì)呼應(yīng)法作為新的絕緣測試方法, 其研討始于20世紀(jì)80年代, 20世紀(jì)90年代后回復(fù)電壓法、極化去極化電流法等時域電介質(zhì)呼應(yīng)法陸續(xù)涌現(xiàn).。頻率呼應(yīng)法由于所獲信息量大、測試電源電壓低而遭到廣泛關(guān)注.。頻率呼應(yīng)法是在寬頻范圍內(nèi)(如10-4 106 H z)測試油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)實部Ec、虛部(介質(zhì)損耗) Ed曲線, 經(jīng)過分析其幅值、外形的變化趨勢評價油紙絕緣所處溫度、微量、老化程度等絕緣情況.

32、目前, 對電介質(zhì)呼應(yīng)法的研討還處在起始階段。頻率呼應(yīng)法為表征變壓器油紙絕緣的老化形狀及微水含量提供了新的手段, 但環(huán)境要素尤其是溫度對測試結(jié)果有嚴(yán)重的影響. 為更準(zhǔn)確的了解測試結(jié)果, 對不同溫度下油紙絕緣頻率呼應(yīng)的研討顯得非常重要. 本文對電介質(zhì)呼應(yīng)法進(jìn)展分析建模, 搭建了實驗平臺, 測試了油紙絕緣的頻率呼應(yīng),討論了油隙對測試結(jié)果的影響, 分析了溫度與油紙絕緣頻率呼應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。3.2 頻率呼應(yīng)法的測試方法3.2.1 變壓器油紙絕緣等效模型變壓器主絕緣系統(tǒng)由一系列紙筒壓板、油隙以及對紙筒起支撐作用的撐條構(gòu)成。將變壓器中絕緣油和絕緣紙的電阻、電容進(jìn)展合并，可簡化得到圖1所示的變壓器油紙絕緣擴展D

33、ebye等效模型圖中：Rg為油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣電阻；Cg為真空幾何電容和無損極化的等效電容之和；Ri、Ci代表油紙絕緣不同弛豫時間下的有損松弛極化。根據(jù)變壓器油紙絕緣擴展Debye 等效模型，可得到變壓器油紙絕緣頻域介電呼應(yīng)參數(shù)復(fù)電容的表達(dá)式12，如式(6)和式(7)所示。本文利用一臺45 MVA 變壓器的擴展Debye 等效模型的詳細(xì)參數(shù)值13，按照式(6)和式(7)，經(jīng)過Matlab 編程仿真Rg = 2.5 G、Cg =10.2 nF以及Ri-Ci 分支電路參數(shù)的變化對油紙絕緣系統(tǒng)復(fù)電容頻域介電譜的影響規(guī)律。 變壓器油紙絕緣擴展Debye 等效電路模型仿真了油紙絕緣的頻域介電譜特性R1變

34、壓器油紙絕緣擴展Debye 等效模型。3.2.2 測試原理油隙及溫度對頻率呼應(yīng)特性影響：頻率呼應(yīng)法為表征變壓器油紙絕緣的老化形狀及微水含量提供了新的手段,但環(huán)境要素尤其是溫度對測試結(jié)果有嚴(yán)重的影響.為研討不同溫度下油紙絕緣頻率呼應(yīng)變化規(guī)律,利用頻率呼應(yīng)法對油紙絕緣進(jìn)展物理建模,建立了時域呼應(yīng)函數(shù)及其頻域呼應(yīng)函數(shù),搭建了油紙絕緣頻率呼應(yīng)測試系統(tǒng),運用該系統(tǒng)對比測試了不同溫度下油紙絕緣體系頻率呼應(yīng),并計算了單獨油浸紙頻率呼應(yīng).結(jié)果闡明:油隙對測試結(jié)果的影響較小,最大誤差在10%以內(nèi);油紙絕緣介質(zhì)損耗在低頻段隨頻率增大而減小,在高頻段變化不大;隨著溫度升高,油紙絕緣介質(zhì)呼應(yīng)幅值增大,其外形根本不變,

35、并向高頻率方向挪動;頻率一定時,油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)與溫度的倒數(shù)成線性比例。3.2.3 測試系統(tǒng)組成部分測試安裝：丈量資料介電常數(shù)和電導(dǎo)率的最簡便方法是將其放置在一對平行電極之間,電極面積和間距知。這種測試單元的模型可以由一個電阻和一個與之匹配的電容組成。平板傳感器便是由這種簡便的方法開展而來,其構(gòu)造如圖3.1 所示。容性構(gòu)造主要由驅(qū)動電極和測試電極組成。測試電極左右是維護(hù)電極, 其周圍還必需有一層接地電極,與維護(hù)電極相銜接接地電極消除了平行寄生電容和電阻,起到了屏蔽外部電場對測試電極的干擾作用。同時還使得電場堅持高度一致,根本上沒有邊緣場效應(yīng)。絕緣紙板試樣的面積小于感應(yīng)電極,因此使得幾乎全部磁

36、力線都能穿過試樣。整個構(gòu)造依托驅(qū)動電極頂部鐵塊和本身分量嚴(yán)密銜接在一同。圖3.1 頻率呼應(yīng)測試安裝表示圖實驗中, 將絕緣紙板置于電極之間, 并浸于變壓器油中,測試其電介質(zhì)呼應(yīng)。實驗電極及等效電路如圖3.2 所示。從圖3.2中可以看出,絕緣紙板與上下電極之間,存在油隙,構(gòu)成油/油浸紙板/油體系。根據(jù)Maxwell-Wagner實際分析，當(dāng)具有復(fù)介電常數(shù)為Ep的均質(zhì)油浸紙板,將兩個具有一樣復(fù)介電常數(shù)為Eo的變壓器油隔開時,油/油浸紙板/油體系可表示為如圖3.3所示的等效兩相絕緣體系。油隙及溫度對頻率呼應(yīng)特性影響：針對圖3.3所示的等效兩相絕緣體系,整體復(fù)介電常數(shù)與絕緣油、絕緣紙復(fù)介電常數(shù)的關(guān)系為：

37、式中: C 為整個體系復(fù)電容;Co 為油隙復(fù)電容;Cp 為油浸紙復(fù)電容. 67 圖3.2 實驗電極及其等效電路圖圖3.3 等效兩相絕緣體系圖3.4 油隙絕緣體系3.2.4 任務(wù)原理和實驗步驟圖3.5 測試安裝等效電路圖測試時, 閉合測試系統(tǒng)開關(guān)K 1、K 3,斷開K 2,烘箱內(nèi)溫度控制在130攝氏度 ,對試樣進(jìn)展老化800 h。烘箱內(nèi)的溫度應(yīng)堅持均勻,并用紅外探測儀進(jìn)展丈量。為獲得一樣老化程度,在烘箱內(nèi)的測試容器位置須進(jìn)展有規(guī)律的變動。試樣老化完成后,經(jīng)過底部閥門將油注入油缸,放置一段時間,至少3 個月,以保證系統(tǒng)微水到達(dá)平衡形狀。對油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)展了建模測試,分析了不同微水含量油紙絕緣體系在

38、不同溫度下的介電譜,并建立了油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)與微水、溫度之間的函數(shù)關(guān)系。測試結(jié)果闡明頻率呼應(yīng)法可以有效的分析油紙絕緣系統(tǒng)的微水含量形狀, 在溫度和驅(qū)動頻率一定時,丈量油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)的實部或虛部都能較準(zhǔn)確的獲得其微水質(zhì)量分?jǐn)?shù)。復(fù)介電常數(shù)的實部變化闡明微水對枯燥絕緣紙板相對介電常數(shù)的影響, 虛部變化代表微水的微弱導(dǎo)電性產(chǎn)生的損耗。3.3 油紙絕緣形狀和測試溫度的關(guān)系不同測試溫度下油紙絕緣試品的頻域介電譜溫度對油紙絕緣試品頻域介電譜的影響很大。在10-3106Hz范圍內(nèi)，油紙絕緣試品的r 在頻率小于100Hz時隨溫度的升高而增大，而在100Hz以上卻相反。油紙絕緣試品的r和tan值在10-31

39、02Hz 范圍內(nèi)隨溫度升高而增大，而在102106Hz 范圍內(nèi)卻隨溫度升高而減小。r和tan產(chǎn)生上述變化的緣由是：低溫時電導(dǎo)損耗很小，介質(zhì)損耗主要由松弛極化損耗決議，而松弛極化損耗與eE/kT 成正比12(E 為外加交變電場有效值；k 為波爾茲曼常數(shù)；T 為熱力學(xué)溫度)，在10-3102Hz 范圍內(nèi)，溫度添加，油紙絕緣試品的松弛極化損耗增大，即r和tan值增大。此外，當(dāng)溫度添加時，松弛極化時間常數(shù)減小，建立極化速度更快，溫度越高，對應(yīng)反常彌散區(qū)的頻率也越高12，因此隨著溫度增高，r和tan曲線會向高頻方向挪動，使得r和tan在102106Hz 范圍內(nèi)隨溫度升高而減小?？梢?，運用頻域介電譜法評價

40、油紙絕緣形狀時，要保證測試溫度的同一性。根據(jù)不同溫度下油紙絕緣頻率呼應(yīng), 以絕對溫度的倒數(shù)為橫坐標(biāo), lg( (E-E)/E0) 和lg(E/E0)為縱坐標(biāo),頻率為變化參量,研討頻率呼應(yīng)與溫度的關(guān)系,如下圖?？梢钥闯?在單頻率下,隨著溫度升高,油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)增大,lg E與1/T成線性比例。實驗闡明：( 1)整個系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)與計算所得單獨油浸紙的頻率呼應(yīng)非常接近, 最大誤差在10% 以內(nèi);測試分析過程中可忽略油隙對油紙絕緣頻率呼應(yīng)的影響。( 2)在低頻段,油紙絕緣的介質(zhì)損耗表達(dá)出頻率依存性;在高頻段,油紙絕緣的頻率呼應(yīng)取決Hariliak-Negami模型,變化不大。( 3)隨著溫度升高

41、,油紙絕緣體系中的微水更多地溶解在油中,使得整個油紙絕緣介質(zhì)呼應(yīng)增大,在電場作用下的損耗增大。( 4)不同溫度下油紙絕緣頻率呼應(yīng)外形根本不變,油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)虛部隨著溫度升高向高頻率方向挪動,所表達(dá)的弛豫中心頻率增大。( 5) 頻率一定時，油紙絕緣復(fù)介電常數(shù)與溫度的倒數(shù)成線性比例。3.4變壓器油紙絕緣系統(tǒng)檢測電路的分析 檢測電路盡量運用選頻濾波，使通頻帶寬盡能夠窄；電路中信號的地線、其他能夠呵斥干擾的電路地線要分開接等等。經(jīng)過帶有WinDETA分析軟件的寬頻介電譜儀，測試被測試樣的FDS特性，從而得到相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)電容率等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)的變化情況，這些參數(shù)與變壓器油

42、紙絕緣形狀如老化程度、含微水量等信息親密相關(guān)，研討他們之間的關(guān)系，才干用于油紙絕緣形狀的診斷，研討研討微水、溫度等要素對變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的影響并以此作變壓器壽命的評價。頻域介電譜法既可準(zhǔn)確評價絕緣紙含水量和油紙絕緣試品老化程度，又能反映油紙絕緣試品的介電性能；用頻域介電譜法評價油紙絕緣形狀要保證測試溫度的同一性。第4章 油紙絕緣電介質(zhì)頻率呼應(yīng)測試技術(shù)的研討41 引言本文研討基于頻率呼應(yīng)的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)電介質(zhì)呼應(yīng)測試技術(shù)，突破性地對基于電介質(zhì)頻率呼應(yīng)的頻域譜法FDS丈量電路中微電流丈量進(jìn)展研討。重點處理FDS丈量電路的丈量電流問題，對微電流丈量進(jìn)展電路設(shè)計，并經(jīng)過Pspice仿真軟件對運放

43、、各電阻、電容值參數(shù)的選擇進(jìn)展仿真，以便更合理地對設(shè)計電路進(jìn)展解釋。42 FDS測試電路表示圖圖4.1為FDS的根本測試電路。經(jīng)過外加正弦電壓，丈量流過試樣的電流峰值和相位，從而得到相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)電容率等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)的變化情況，這些參數(shù)與變壓器油紙絕緣形狀如老化程度、含微水量等信息親密相關(guān)，研討他們之間的關(guān)系，就可以對變壓器的絕緣形狀進(jìn)展診斷。測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制電路傳入帶有WinDETA分析軟件的介電譜儀中，丈量結(jié)果會在WinDETA分析軟件顯示出來。被測樣品Z實踐是一個油紙絕緣系統(tǒng)。圖4.1 FDS根本測試電路43 FDS測試原理FDS丈量正弦電壓下流過測試系統(tǒng)的

44、電流的幅值和相位，由于一次只能思索單一的頻率，電流為 4-1式中，、分別為復(fù)電容的實部和虛部；為所加正弦電壓；為高頻下的介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)，其大小等于F/m；為被測試樣的電導(dǎo)率，為角頻率。實部給出了極化的幅值，跟鼓勵電場相位一樣；虛部表示電場正交的方向。假設(shè)被測試樣的電容知，那么可經(jīng)過測試電流的幅值和相位計算介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。油紙絕緣的復(fù)介電常數(shù)是溫度、微水和頻率的函數(shù)。為其實部，對應(yīng)于電容項；為虛部，對應(yīng)于損耗項。那么有 4-244 FDS測試電路的微電流研討由圖4.1FDS的根本測試電路可以看出，F(xiàn)DS是利用介質(zhì)在交流電壓下的極化特性，經(jīng)過外加正弦電壓，丈量流過被測試樣的電流幅值和相

45、位，從而得到油紙絕緣電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)電容等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)的變化情況。但我們知道，流過油紙絕緣系統(tǒng)中被測試樣的電流很小，用普通儀表很難測出來，針對這種情況，本文研討基于頻率呼應(yīng)的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)電介質(zhì)呼應(yīng)測試技術(shù)，設(shè)計了微電流丈量電路，對實驗室條件下模擬的油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)展頻率呼應(yīng)測試實驗。441 微電流丈量方法概述在丈量微電流時，普通是將它經(jīng)過一定方式轉(zhuǎn)換成電壓。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式將一切的直流放大器可分為兩類：第一類是把輸入電流轉(zhuǎn)換成己知電阻兩端的電壓降；第二類是輸入電流對放大器中知電容充電，然后察看放大器輸出的電壓。電流轉(zhuǎn)換為電壓后，電壓很小，很難被后續(xù)電路處置，經(jīng)過

46、多級放大才干實現(xiàn)。典型的微電流丈量方法開關(guān)電容積分法、運算放大器+T型電阻網(wǎng)絡(luò)+單片機、場效應(yīng)管+運算放大器等。1開關(guān)電容積分法開關(guān)電容式微電流丈量方法的前級是在利用開關(guān)電容實現(xiàn)電流向電壓轉(zhuǎn)換的同時對電壓信號進(jìn)展調(diào)制和放大，到達(dá)微伏級；后級電路經(jīng)過選頻放大電路實現(xiàn)微伏級電壓的放大，再利用開關(guān)式相敏檢波電路解調(diào)得到與被測微電流有一定比例關(guān)系的伏特級電壓。2運算放大器+T型電阻網(wǎng)絡(luò)+單片機此類丈量方法的前級都是運用較高精度的運算放大器直接進(jìn)展I/V轉(zhuǎn)換。此種方法可以放大的微電流的級別視運算放大器的綜合性能而定，但普通不能準(zhǔn)確放大pA級及更微弱的電流信號。3場效應(yīng)管+運算放大器場效應(yīng)管的等效輸入電流

47、噪聲也相對很小，而其等效輸入電壓噪聲與晶體三極管相當(dāng)或略高，這使得場效應(yīng)管的最正確源電阻較大；而且，場效應(yīng)管的低頻1/f噪聲只出如今等效輸入電壓噪聲中，而不出如今等效輸入電流噪聲中。普通地，金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)的1/f噪聲要大于結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)，所以，微弱信號檢測的前置放大器通常選用跨導(dǎo)高、輸入電阻大、柵源電容小的結(jié)型場效應(yīng)管。該丈量方法前置放大器選用結(jié)型場效應(yīng)管的電路，通常都是運用低噪聲結(jié)型場效應(yīng)管組成差動放大電路，并結(jié)合高精度運算放大器，實現(xiàn)前置級的I/V轉(zhuǎn)換并有一定程度的放大。442 微電流丈量電路設(shè)計的原理本丈量電路設(shè)計由于思索到提高丈量精度、操作簡單，降低設(shè)備本

48、錢，同時為有效降低各種噪聲的干擾等多方面的要求，這里采用的是基于I/V變換的微電流丈量方法?；贗/V變換的微電流丈量方法是常用的弱電流檢測方法，其中的反響電流放大型丈量電路構(gòu)造較簡單，轉(zhuǎn)換的線性較好，電路頻率呼應(yīng)特性較好，在參與有效的硬件和軟件抗干擾措施后，可以提高丈量精度和穩(wěn)定性。因此丈量的電路是按照基于反響式電流放大器型I/V 轉(zhuǎn)換原理進(jìn)展設(shè)計，其根本電路如圖4.2所示。圖4.2 I-V轉(zhuǎn)換電路假定運放為理想運放，利用運算放大器的虛地概念和結(jié)點電流代數(shù)和為0的定律得出 4-3式中為反響電阻；為丈量電流；為輸出電壓。輸出電壓 與丈量電流成線性比例關(guān)系，比例系數(shù)為，因此根據(jù)放大要求選取反響電

49、阻 值即可獲得所需的放大倍數(shù)。但在實踐運用中，完全理想的運算放大器是沒有的，由于集成電路制造技術(shù)及工藝的影響，必然會產(chǎn)生諸如輸人失調(diào)電壓、偏置電流等。放大器的開環(huán)增益也不能夠無窮大，實踐的輸入輸出關(guān)系由公式4-4表示 4-4式中，、分別為運算放大器的失調(diào)電壓、輸人偏置電流和開環(huán)增益。在實踐運用中,運放的輸出誤差受失調(diào)電壓、偏置電流 的影響，因此要實現(xiàn)微電流丈量，運算放大器要滿足:偏置電流newProject，在Project類型選擇Analog or Mixed-signal Circuit，方便以后對電路圖進(jìn)展數(shù)/?；旌戏抡?開場繪制原理圖新建Project后，進(jìn)入Schematic窗口，點

50、擊Place part按鈕，按照設(shè)計電路放置元器件，并對元器件參數(shù)進(jìn)展編輯。以輸入0.5uA交流電流為例，選擇好元件參數(shù)，繪制的原理圖如圖4.4所示。圖4.4 電路原理圖452 對電路仿真分析點擊PSpiceEdit Simulation profile，調(diào)出Simulation Setting對話框，在Analysis type分析類型中選擇AC Sweep/Noise交流/噪聲分析，在Options中選中General Settings，設(shè)置參數(shù)如圖4.5所示：圖4.5 設(shè)置仿真參數(shù)AC Sweep的分析頻率在0.001Hz到1GHz范圍內(nèi)，采用十倍頻增量進(jìn)展遞增，采樣點100個。經(jīng)交流分

51、析，仿真出來的輸出電壓波形如圖4.6所示。圖4.6 輸出電壓波形圖從圖4.6可以看出，仿真電路在頻率0.001Hz100Hz范圍內(nèi)得出輸出電壓為5V，跟實際計算結(jié)果一樣。在頻率100Hz1kHz范圍內(nèi)有一定幅度的上升，但從1kHz開場，輸出電壓波形在下降，明顯衰減得很快。所以從仿真結(jié)果可以看出，電路在中低頻范圍內(nèi)很好表達(dá)電路特性，實現(xiàn)應(yīng)有的放大倍數(shù)。對于高頻電路的實現(xiàn)，能夠需求從專門針對高頻的運放芯片本身以及電路進(jìn)一步改良上著手。本設(shè)計電路為在后面的關(guān)于高頻電路設(shè)計提供很好的參考。453 溫度變化對電路性能的影響原理圖中一切的元件參數(shù)和模型參數(shù)都設(shè)定為其常溫下的值常溫隱含值為27Spice，在

52、進(jìn)展仿真結(jié)果分析的時候，可以用溫度分析來指定不同的電路任務(wù)溫度，經(jīng)過對溫度參數(shù)變化進(jìn)展設(shè)置來研討溫度的變化對電路性能的有何影響。點擊PSpiceEdit Simulation profile，調(diào)出Simulation Setting對話框，在Analysis type中選擇AC Sweep/Noise，在Options中選中Temperature (Sweep)，在指定的一系列溫度下進(jìn)展分析，如圖4.7所示：圖4.7 溫度參數(shù)的設(shè)置如圖4.7所示，同時指定0、27、1253個不同的任務(wù)溫度對電路進(jìn)展相應(yīng)的溫度分析，仿真結(jié)果如以下圖所示。圖4.8 溫度變化對電路輸出電壓的影響從圖4.8可以看出，

53、溫度對電路輸出電壓波形有一定影響。隨著電路任務(wù)溫度的升高，電路的輸出電壓在降低。所以在丈量微電流的時候，應(yīng)該要盡量堅持溫度在一恒定值，以減少實驗時的誤差。46 高頻下微電流丈量電路的研討前面對電路的仿真結(jié)果顯示，電路在0.001Hz1MHz頻率范圍內(nèi)的輸出電壓根本和實際計算值相等，由此可以證明，該電路是在中低頻范圍可以正常任務(wù)，那么對于高頻丈量，又該如何實現(xiàn)呢？ 高頻下微電流丈量電路的實現(xiàn)，主要要處理電路高頻帶來的噪聲干擾問題。由于在電路中，除了電阻部分，還包含容抗和感抗部分，特別是感抗，隨著頻率的增高，電感部分是產(chǎn)生噪聲的主要要素。對于這種高頻噪聲問題，要設(shè)計有針對性的低通濾波電路。低通濾波

54、可以實現(xiàn)讓某一頻率范圍內(nèi)的信號經(jīng)過，有效地過濾掉高頻噪聲信號。電路如圖4.9所示。圖4.9 低通濾波電路461 高頻的電路原理圖在Capture CIS的Schematic窗口繪制的電路原理圖如圖4.10所示，各元件參數(shù)如下，其中輸入端為幅值為0.5uA的交流電流，經(jīng)過放大器兩級放大，利用Pspice的AC Sweep/Noise交流/噪聲分析，得出電路的輸出端Vout的電壓隨信號頻率改動的波形。圖4.10 電路原理圖462 仿真分析仿真參數(shù)對Simulation Setting進(jìn)展設(shè)置，設(shè)置如圖4.11。圖4.11 仿真參數(shù)的設(shè)置從圖4.11可以看到，設(shè)置的掃描類型為對數(shù)，掃描頻率從1000

55、kHz至1GHz，取值點1000個，波形圖如圖4.12所示。圖4.12 輸出電壓波形圖從圖4.12仿真結(jié)果可以看出，電路在1MHz1.5MHz頻率范圍內(nèi)輸出電壓約為10V，和實際計算值根本一致。但是隨著頻率的升高，輸出電壓波形在衰減，到10MHz左右電壓衰減至0V。所以，電路對頻率范圍有一定的要求，超出該范圍就不能丈量輸出電壓的波形。1、絕緣紙與電極之間的油隙對介電測試會呵斥影響。軟件仿真結(jié)果顯示，在絕緣紙板和驅(qū)動電極之間，絕緣紙和感應(yīng)電極之間均有一小電流分量與電極平面平行流過，它能夠會干擾丈量結(jié)果。頻率越高流過的電流更大。分析對比測試結(jié)果和數(shù)學(xué)計算結(jié)果，當(dāng)油隙較小低于2mm時，整個系統(tǒng)的頻率

56、呼應(yīng)與計算所得油紙絕緣的頻率響應(yīng)非常接近，最大的誤差在10%以內(nèi)，因此當(dāng)油隙較小時可以忽略其對油紙絕緣頻率呼應(yīng)測試的影響。2、當(dāng)測試頻率在0.01Hz100Hz 范圍內(nèi)時，油紙絕緣微水含量一樣時的老化絕緣紙板的復(fù)介電常數(shù)大大高于新絕緣紙板，但老化后的油紙絕緣介電頻譜與新的油紙絕緣介電頻譜相比，外形并未發(fā)生太大變化。假設(shè)不思索老化產(chǎn)生的傳導(dǎo)性物質(zhì)對介電丈量影響的話，將會呵斥對油紙絕緣微水含量的評價結(jié)果比實踐微水含量高的影響。3、當(dāng)測試頻率低于100Hz 時，隨著溫度的升高油紙絕緣的復(fù)介電常數(shù)增大；而在高頻(頻率大于1000Hz)范圍內(nèi)，上述的這種景象并不明顯?？傮w而言，油紙絕緣的介電頻譜受溫度的

57、影響很大。但對大多數(shù)資料而言，包括油浸紙板，只需是構(gòu)造沒有因溫度超出范圍發(fā)生改動，其呼應(yīng)的頻譜外形不會隨溫度而變化。其中復(fù)介電常數(shù)的實部符合于雙指數(shù)函數(shù)曲線分布，而虛部更符合于單指數(shù)函數(shù)曲線分布。4、不同微水含量油紙絕緣試樣的復(fù)介電常數(shù)實部在頻率低于100Hz 范圍時，隨著微水含量增大而顯著增大。但當(dāng)頻率大于100Hz 時，沒有此趨勢，其值根本沒有發(fā)生變化。而不同微水含量油紙絕緣試樣的復(fù)介電常數(shù)的虛部在0.01Hz1kHz 頻率范圍內(nèi)，其值隨著微水含量增大而顯著增大，當(dāng)超出1kHz 范圍時虛部值根本不隨微水含量添加而增大。此外，微水含量高(2%4%)的試樣在低頻范圍內(nèi)(低于100Hz)復(fù)介電常

58、數(shù)的實部和虛部均增長較快，闡明微水含量越高時對復(fù)介電常數(shù)的影響越大。除了電路本身的需求改良外，放大器芯片的選擇也很重要。采用針對高頻的放大器，如MAX472 等新型集成的電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片可抑制上述檢測方法的缺陷, 實現(xiàn)高頻微電流電路的高精度丈量?？偨Y(jié)與展望本論文首先了解油浸式變壓器的油紙絕緣系統(tǒng)，分析總結(jié)目前油紙絕緣形狀的診斷技術(shù)，闡明當(dāng)今國內(nèi)外研討現(xiàn)狀和進(jìn)展，然后學(xué)習(xí)變壓器油紙絕緣的電介質(zhì)呼應(yīng)法，研討基于電介質(zhì)頻率呼應(yīng)的頻域譜法FDS，重點研討油紙絕緣電介質(zhì)頻率呼應(yīng)測試中的微電流丈量，對其進(jìn)展放大電路的設(shè)計，并運用Pspice仿真軟件對電路進(jìn)展仿真分析，為電路放大器、各電阻、電容的選擇提供

59、參考，仿真分析了不同溫度下對電路的影響。在實驗室條件下，模擬變壓器油紙絕緣系統(tǒng)，根據(jù)電路搭建電路模型，進(jìn)展頻率響測試實驗，并對實驗結(jié)果提出改良方法。在論文研討根底上，今后還可以進(jìn)一步開展的任務(wù)有：本實驗的微電流丈量電路是在參考有關(guān)文獻(xiàn)的根底上設(shè)計出來的，根據(jù)Pspice的仿真結(jié)果，我們將完成硬件電路的搭建、測試及改良。 總結(jié)： 2021年的寒假，我們組就開場了重點實驗室工程設(shè)計任務(wù)，時至今日，歷時將近半年的時間，實驗實際設(shè)計根本完成。想想這段難忘的歲月，從最初的茫然，到漸漸的進(jìn)入形狀，再到對思緒逐漸的明晰，整個實驗過程難以用言語來表達(dá)。從最初的無從下手的茫然，到周教師點撥后的得豁然開朗，有了研

60、討方向；剛開場接觸PSPICE仿真軟件時就像披了一層濃濃的迷霧，于是我們借圖書參閱、網(wǎng)上查找資料、小組成員之間相互交流討論、向?qū)W長討教，漸漸開場了解電路圖的設(shè)計、繪制、參數(shù)設(shè)定，當(dāng)在PSPICE上進(jìn)展一次次仿真后，當(dāng)設(shè)計經(jīng)過一次次的修正后，根本成形的時候，我們倍感高興，滿滿的小成就。經(jīng)過這次工程實際我明白了本人原來知識還比較欠缺，要加強動手實際才干。本人要學(xué)習(xí)的東西還太多，明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的任務(wù)、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高本人知識和綜合素質(zhì)。注重實際與實際的相結(jié)合。經(jīng)過這次實驗，我們學(xué)到了很多。在最初的查閱相關(guān)文獻(xiàn)，搜集相關(guān)資料中，我們了解到了基于電介質(zhì)呼應(yīng)法油紙絕緣