专利名称：确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体中的退化绝缘能力的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的绝 缘能力变化的方法、设备和计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组。
背景技术：
在电感操作的元件中的物体之间的绝缘体(例如在变压器的两个绕组之间提供 的绝缘体)可能随时间而退化。一个原因可能由于在许多高压应用中，由纸张或者纸板组 成的这一绝缘体为例如硫化铜(Cu2S)这一形式的污染物所污染。为了能够提供适当对策， 于是关注于确定绝缘能力的退化程度。可以实现这一点以便知道将何时更换和/或保养变 压器。对绝缘能力的更好了解可能具有高度的经济重要性。通过这样的了解，还更易于确 定将在何时断开变压器，这从安全观点来看也可以是有利的。如果无需拆卸变压器和直接检查绝缘材料即可做到这一点则是有利的。这既繁琐 又耗时。在这样的调查期间不能使用变压器。另外存在变压器将因拆卸而受损的风险。如今常用的一类这样的检查方法是电介质频率响应方法。关于这一方法已经进行 一些研究。在这一领域中的大量文献涉及对该方法的概括描述，但是关于应当如何在实践上 应用它并未给出任何实际提示。下文给出一些例子。Chandima Ekanayake> Stanislaw M. Gubanski、Andrzej Graczkowski > Krzysztof Walczak^“ Frequency response of oil impregnated pressboard and paper samples for estimating moisture in transformer insulation" (IEEE Transactions on Power Delivery，2006年7月第21卷第3期)描述了可以在电力变压器中的诊断测量结果的建模 中使用的油浸式纸板和纸张样本的频域频谱。P. K. Poovamma、A. Sudhindra、K. Mal 1 ikar junappa、Τ. R. Afzal Ahamad 的"Evaluation of Transformer Insulation by Frequency Domain Technique" (2007 International Conference on Solid Dielectrics，Winchester，UK，2007年 7 月 8-13 日) 讨论了将电介质响应的测量用于评定变压器中的纸-油绝缘系统。Uno Gafvert 的 “Dielectric Response Analysis of Real Insulation Systems“ (2004 International Conference on Solid Dielectrics，Toulouse，France， 2004年7月5-9日)讨论了将电介质频率响应方法应用于多个在实践中重要的实际绝缘系 统。US 7，292，048描述了一种用于测量电绝缘系统的电介质响应的方法和设备，其中 通过频域方法确定第一测量结果而通过时域方法确定第二测量结果。组合第一测量结果和 第二测量结果以形成总测量结果作为电介质响应。遗憾的是，该文献关于如何实际地使用 频域方法并无记载。
然而，存在这样一篇文献，其确实描述了一种对确定在变压器中的两个绕组之间 提供的绝缘体的退化绝缘能力这一问题的实用解决方案。这一文献为US 6，870，374。US 6，870，374描述了一种用于识别电力变压器的绝缘系统中的异常类型的方法， 其中测量绝缘系统的分区中的电介质损耗，基于该分区的材料性质、几何形状和温度来计 算针对分区的理论电介质损耗，并且生成测量的电介质损耗与计算的电介质损耗之间百分 比差的图形表示。根据对变压器的DFR测试来预备电介质响应签名。将签名和测量的响应 与具有“正常”绝缘结构的变压器的建模响应和已知缺陷的签名库比较。然后基于该比较 可以诊断受测试的变压器的绝缘结构中的功率因子缺陷。在 Mark Perkins、Asim Fazlagic、George Frimpong 的"Dielectric Frequency Response Measurement as a Tool for Troubleshooting Insulation Power Factor Problems " (Conference Record of the 2002 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Boston, MA USA)中也描述了上文提到的方法。鉴于上文已经描述的内容，因此需要提供一种用于确定绝缘能力变化的、也考虑 变化原因的不同方式。

发明内容
本发明涉及提供一种对确定在电感操作的元件的两个物体之间提供的绝缘体的 绝缘能力变化这一问题的解决方案，其中至少一个物体为绕组。这一问题主要通过以下操作来解决获得与对频率改变信号的频率响应关联的第 一频率频谱，其中所述频率改变信号是可以向电感操作的元件的第一物体施加的信号，并 且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得；比较获得的第一频率频谱与第二参考 频率频谱；在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰；分析检测 到的波峰的形状；并且基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。本发明的一个目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提 供的绝缘体的绝缘能力变化的方法，其中至少一个物体为绕组，该方法无需拆卸电感操作 的元件即可进行。根据本发明的第一方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物 体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法来实现，其中至少一个物体为绕组，并且该方 法包括步骤获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信号 是可以向电感操作的元件的第一物体中施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件 的第二物体获得频率响应，比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，分析检测到的波峰的形状，并且基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。本发明的另一目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提 供的绝缘体的绝缘能力变化的设备，其中至少一个物体为绕组，该设备无需拆卸电感操作 的元件即可进行这一确定。
根据本发明的第二方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物 体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的设备来实现，其中至少一个物体为绕组，并且该设 备包括_分析单元，布置成-获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信 号是可以向电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元件 的第二物体获得，_比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，_在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，-分析检测到的波峰的形状，并且-基于检测到的波峰的分析的形状来确定绝缘能力变化。本发明的另一目的在于，提供一种用于确定在电感操作的元件的两个物体之间提 供的绝缘体的绝缘能力变化的计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组，该计算机程序 产品允许无需拆卸电感操作的元件即可进行这一确定。
根据本发明的第三方面，这一目的通过一种用于确定在电感操作的元件的两个物 体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的计算机程序产品，其中至少一个物体为绕组，并且 该计算机程序产品包括计算机程序代码，该计算机程序代码提供在计算机可读介质上，并 且配置成在所述代码加载到所述计算机中时使计算机进行操作-获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱，其中所述频率改变信 号是可以向电感操作的元件的第一物体中施加的信号，并且该频率响应可从电感操作的元 件的第二物体获得，_比较获得的第一频率频谱与第二参考频率频谱，_在获得的第一频率频谱中检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰，-分析检测到的波峰的形状，并且-基于检测到的波峰的形状来确定绝缘能力变化。根据本发明的一种变化，基于波峰的峰值的频率来确定退化绝缘能力的量。根据本发明的另一变化，基于波峰在参考频率频谱以上的高度来确定绝缘能力退 化的绝缘体的体积。本发明具有诸多优点。它确定绝缘体的绝缘能力退化而无需拆卸或者以别的方式 负面地影响电感操作的元件。因此，通过这样的确定，比如在将更换、修复和/或保养元件 时，更易于确定将对它进行的保养活动。对绝缘能力的更好了解因此可以有高度的经济重 要性。通过这样的了解，还更易于确定将在何时断开元件，这从安全观点来看也可以是有利 的。


在下文中，将参照以下附图描述本发明，其中图1示意地示出了连接到变压器的初级绕组的根据本发明的设备，图2示意地示出了穿过示例变压器的一半的截面图，图3示意地示出了图2中的整个变压器的俯视图，
图4示意地示出了在初级绕组与次级绕组之间的绝缘体，其中由体积V组成的分 区具有退化绝缘能力，图5示意地示出了与在图4的初级绕组与次级绕组之间提供的绝缘能力退化的绝 缘体对应的等效电路，图6示出了对频率改变信号的频率响应的示例第一频率频谱以及对应第二参考 频率频谱，其中，该频率改变信号已经向变压器的初级绕组发送，并且图7示意地示出了在根据本发明的方法中进行的多个方法步骤。
具体实施例方式在下文中，将给出对根据本发明的设备和方法的优选实施例的详细描述。在图1中，示出了用于确定在电感操作的元件16的两个物体之间提供的绝缘体的 绝缘能力变化的设备10。本发明的设备10包括信号生成单元12和分析单元14。信号生 成单元12在这里布置成连接到变压器的第一物体，这里为初级绕组18，并且分析单元14被 布置成连接到变压器的第二物体，这里为次级绕组20。在图1中，设备10连接到这里形式为变压器16的电感操作的元件。图1中的变 压器16示意地表示为包括形式为初级绕组18的第一物体和形式为次级绕组20的第二物 体。变压器16还具有多个端子，即，用于连接到初级绕组18的第一和第二馈送端子22和 24，以及用于连接到次级绕组20的第三和第四馈送端子26和28。图1中所示变压器16还 包括第五和第六端子30和32，其中经过提供与初级绕组18的连接性的套管抽头来布置第 五端子30，并且经过提供与次级绕组18的连接性的套管抽头来提供第六端子32。在这里给出的例子中，信号生成单元12连接到第一馈送端子22，并且分析单元14 连接到第三馈送端子26，而第二和第四端子24和28接地，尽管这并非严格要求。应当认识 到这仅为设备10可以连接到变压器16的一种方式并且存在后文将更详细描述的若干其它 方式。图2示出了变压器一半的截面图，并且图3示出了当从可以对其进行根据本发明 的测量的整个变压器上方观察时的图示。如从图2和图3可见，示例变压器具有初级绕组 18，该初级绕组包括在变压器芯34周围沿圆周提供的多匝缠绕导体。提供与这一初级绕组 18径向间隔的次级绕组20，该次级绕组由在初级绕组18和芯34周围沿圆周提供的多匝缠 绕导体组成。最后在两个绕组18与20之间提供有绝缘体36。这里应当认识到，本发明决 不限于这一类圆柱形状的变压器或者对变压器芯的使用。变压器有利地为电力变压器，即通常可以在kV范围的高压操作的变压器。就这样 的大型变压器而言，在绕组18与20之间的绝缘体38在许多情况下由可以浸于油中的纸张 或者纸板组成。这一绝缘体可以在电性上视为在初级绕组与次级绕组之间相互并联提供的 一个或者多个电容。现在随着长期使用这样的变压器，它将退化。通常可能出现的一类退化在于在绕 组之间的绝缘体将接收杂质，比如硫化铜(Cu2S)。这样的杂质将退化绝缘体的绝缘能力，即 绝缘体将在某一意义上传导电流。这一退化还可能是局部的，因为绝缘体的仅某一体积将 受负面影响。在图4中示出了这一情形。图4示意地示出了在初级绕组18与次级绕组20之间的绝缘体36。绝缘体36在这里由绝缘能力正常的主要分区37和绝缘能力退化的子分区38组成。这一子分区38在 这里占据体积V。表示为虚线框的子分区38还具有深度d，即在从初级绕组18到次级绕组 20的方向上的延伸。如上文所示，可以将绝缘体视为连接于初级绕组18与次级绕组20之 间的一个或者多个电容。于是可以基于绝缘体的部分(即绝缘能力退化的具有体积V的子 分区38)来修改绝缘体的这一模型。图5示出了用于图4的子分区38的一种这样的修改模型，其中多个电元件连接于 初级绕组18与次级绕组20之间。为了示出它们与绝缘材料的各种分区的关系，将它们表 示为提供在绝缘体的无退化的主要分区37中以及在有退化的子分区38中。这里有两个示 例支路第一支路仅在主要分区37中提供并且因此仅包括连接于初级绕组18与次级绕组 20之间的电容Cn。也有伸展于初级绕组18与次级绕组20之间的第二支路。然而，第二支 路提供在子分区38中以及在主要分区37中。在子分区38中提供的第二支路的部分在这 里具有与电阻Rv并联的电容Cv。这一并联电路又与在主要分区37中提供的电容C12串联 连接。该支路因此在这里由与电容C12串联的这一并联电路组成。由于电阻Rv而存在绝缘体的绝缘能力退化。这里将子分区38表示为与初级绕组 18接近地来提供。然而，应当认识到它可以基于绝缘能力退化可能出现于何处而放置于绝 缘体36中的任何位置。子分区38还可以伸展从初级绕组到次级绕组的整个长度，并且也 伸展在与初级绕组和次级绕组平行的方向上的整个长度。在这些情况下，当然将相应地修 改图5的模型。然而一般而言，子分区3将如下并联电路组成，该并联电路由电阻和电容组 成，并且根据这一体积在绕组之间或者与绕组的长度并联的延伸，而与主要分区的一个或 者多个电容串联和/或并联连接。根据本发明，可以确定子分区38的体积V以及深度d。还可以确定依赖于电阻Rv 的退化绝缘能力的量。由于这样的确定，于是更易于确定将何时进行保养、修复或者更换。现在，也将参照图6和图7更详细地描述本发明的工作，其中图6示出了对已经向 变压器的初级绕组中发送的频率改变信号的频率响应的示例第一频率频谱，以及与第一频 率频谱对应的示例第二参考频率频谱，并且图7示意地示出了在根据本发明的方法中进行 的多个方法步骤。在图6中用实线示出了第一频率频谱40，而用虚线示出了第二参考频率频谱42。 这些还表示为在具有X和Y轴的图中提供的曲线40和42，其中Y-轴以dB为单位将第一 频率频谱和参考频谱表示为Tan-Delta，而X轴以对数形式示出了频率、即表示为log f。 Tan-Delta是一种代表绝缘体频率频谱的公知方式，并且这里将不这样更详细地加以描述。 示例第一频率频谱曲线40还具有不能在第二参考频率频谱42中发现的波峰44。这一波 峰44具有在频率提供的峰值。在这一频率Π，波峰44也提供有在第二参考频率频谱42 以上高度Δ (Tan-Delta) 0波峰44还具有宽度W。第二参考频率频谱可以基于绝缘体的性 质来计算，并且可以考虑诸如绝缘体的元件(间隔物和屏障)、所用材料(比如纸张或者纸 板和油)、温度等事项。就这一点而言，可以根据例如在通过引用结合于此的u. Gafvert, L. Adeen、M. Tapper、P. Ghasemi 禾口 B. Jonsson 的"Dielectric Spectroscopy in Time and Frequency Domain Applied to Diagnostics of Power Transformers “ (2000 IEEE 6th International Conference on Properties and Applications of DielectricMaterials(ICPADM),中国西安，2000年6月21-26日)中提到的原理来确定第二参考频率 频谱。作为替代，它可以通过如下实际测量的频率响应来获得，当变压器在工厂被组装或者 首次投入使用时可以已经获得该频率响应。当然也可以的是可以通过适当测量在某一其它 时间获得第二参考频率频谱。该方法始于设备10的信号生成单元12向变压器16的初级绕组18施加频率改 变信号(步骤46)，这可以通过向变压器16的初级绕组18的第一馈送端子22中发送频率 扫描信号(sweeping signal)来完成。这一信号优选为具有幅度并且在低频范围中扫描 (swept)的正弦信号。这一频率范围通常可以是在ImHz与IkHz之间的范围。作为替代，可 以施加由脉冲组成的信号，其中这些脉冲包括足以在希望的频率范围中获得频率响应的频 率内容。频率扫描信号通过初级绕组18并且造成在次级绕组20中生成响应信号。通过分 析单元14经由次级绕组20的第三端子26接收该响应信号(步骤48)，由此提供第一频率 频谱40。分析单元14在这里可以在存储器中存储接收的第一频率频谱40以及将它可能与 第二参考频率频谱42 —起呈现，以便用户能够确定是否存在绝缘体36的绝缘材料的绝缘 能力变化。分析单元14还比较接收的第一频率频谱40与第二参考频率频谱42 (步骤50)，并 且检测未出现于第二参考频率频谱中的波峰44(步骤52)。分析单元14随后分析波峰44 的形状(步骤54)、然后基于检测到的波峰44来确定绝缘体的绝缘能力变化(步骤56)。可以按照以下方式更详细地进行比较。高度差可以表达为
权利要求
1.一种用于确定在电感操作的元件(16)的两个物体(18，20)之间提供的绝缘体(36) 的绝缘能力变化的方法，其中所述物体中的至少一个是绕组，并且所述方法包括步骤-获得(48)与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱(40)，其中所述频率改 变信号是可以向所述电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且所述频率响应可从所述 电感操作的元件的第二物体(20)获得，-比较(50)所述获得的第一频率频谱(40)与第二参考频率频谱(42)， _在所述获得的第一频率频谱(40)中检测未出现于所述第二参考频率频谱(42)中的 波峰，-分析(54)所述检测到的波峰的形状，并且_基于所述检测到的波峰的分析形状，确定(56)绝缘能力变化，其中所述确定绝缘能力变化的步骤包括基于所述波峰(44)的峰值的频率(f\)，确定退化绝缘能力的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述波峰(44)在所述第二参考频率频谱 (42)以上的高度(△ (Tan-Delta))，确定绝缘能力退化的所述绝缘体的体积(V)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中基于至少比较所述第一频率频谱的实部与所述第 二参考频率频谱的对应实部，确定所述体积(V)在从所述第一物体到所述第二物体的方向 上的延伸(d)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述实部之间的增加差值对应于增加的深度。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中还基于比较所述第一频率频谱的虚部与所述 第二参考频率频谱的对应虚部，确定所述延伸(d)。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中基于所述波峰的宽度(w)，确定所述绝缘 体中的不同污染物所引起的各种导电能力退化。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括步骤向所述第一物体中发送(54)所述频率改变信号；并且接收来自所述第二物体的频率 响应，其中所述第一频率频谱是所述接收的频率响应的频率频谱。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一频率频谱的频率范围在ImHz与 IkHz之间。
9.一种用于确定在电感操作的元件(16)的两个物体(18，20)之间提供的绝缘体(36) 的绝缘能力变化的设备(10)，其中所述物体中的至少一个是绕组，并且所述设备包括-分析单元(14)，布置成_获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱(40)，其中所述频率改变信 号是可以向所述电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且所述频率响应可从所述电感 操作的元件的第二物体(20)获得，-比较所述获得的第一频率频谱(40)与第二参考频率频谱(42)， _在所述获得的第一频率频谱(40)中检测未出现于所述第二参考频率频谱(42)中的 波峰(44)，-分析所述检测到的波峰的形状，并且-基于所述检测到的波峰的分析的形状，确定绝缘能力变化，其中所述分析单元(14)在布置成确定绝缘能力变化时，被布置成基于所述波峰(44)的峰值的频率(f\)，确定退化绝缘能力的量。
10.根据权利要求9所述的设备(10)，其中所述分析单元(14)在布置成确定绝缘 能力变化时，被布置成基于所述波峰(44)在所述第二参考频率频谱(42)以上的高度 (Δ (Tan-Delta))，确定绝缘能力退化的所述绝缘体的体积(V)。
11.根据权利要求10所述的设备(10)，其中所述分析单元(14)在布置成确定绝缘能 力变化时，被布置成基于至少比较所述第一频率频谱的实部与所述第二参考频率频谱的对 应实部，确定所述体积(V)在从所述第一物体到所述第二物体的方向上的延伸(d)。
12.根据权利要求11所述的设备(10)，其中在所述实部之间的增加差值对应于增加的 深度。
13.根据权利要求11或12所述的设备(10)，其中所述分析单元(14)布置成还基于比 较所述第一频率频谱的虚部与所述第二参考频率频谱的对应虚部，确定所述体积(V)的延 伸⑷。
14.根据权利要求9-13中的任一权利要求所述的设备(10)，其中所述分析单元(14) 在布置成确定绝缘能力变化时，基于所述波峰的宽度(w)，确定所述绝缘体中的不同污染物 所引起的各种导电能力退化。
15.根据权利要求9-14中的任一权利要求所述的设备(10)，还包括信号生成单元 (12)，所述信号生成单元布置成向所述电感操作的元件的第一物体(18)中发送所述频率 改变信号，并且所述分析单元布置成接收来自所述第二物体的频率响应，其中所述第一频 率频谱是所述接收的频率响应的频率频谱。
16.根据权利要求9-15中的任一权利要求所述的设备(10)，其中所述第一频率频谱的 频率范围在ImHz与IkHz之间。
17.一种用于确定在电感操作的元件(16)的两个物体(18，20)之间提供的绝缘体 (36)的绝缘能力变化的计算机程序产品，其中所述物体中的至少一个是绕组，并且所述计 算机程序产品包括计算机程序代码，所述计算机程序代码提供在计算机可读介质上，并且 配置成使计算机在所述代码加载到所述计算机中时进行操作_获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱(40)，其中所述频率改变信 号是可以向所述电感操作的元件的第一物体施加的信号，并且所述频率响应可从所述电感 操作的元件的第二物体(20)获得，-比较所述获得的第一频率频谱(40)与第二参考频率频谱(42)，_在所述获得的第一频率频谱(40)中检测未出现于所述第二参考频率频谱(42)中的 波峰(44)，-分析所述检测到的波峰的形状，并且-基于所述检测到的波峰的所述形状，确定绝缘能力变化，其中所述确定绝缘能力变化包括基于所述波峰(44)的峰值的频率(f\)，确定退化绝缘 能力的量。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定在电感操作的元件(16)的两个物体之间提供的绝缘体的绝缘能力变化的方法、设备和计算机程序产品，其中至少一个物体是绕组。该设备包括分析单元，该分析单元获得与对频率改变信号的频率响应关联的第一频率频谱(40)，其中可以向电感操作的元件的第一物体施加频率改变信号，并且该频率响应可从电感操作的元件的第二物体获得，该分析单元比较获得的第一频率频谱(40)与第二参考频率频谱(42)，在获得的第一频率频谱(40)中检测未出现于第二参考频率频谱(42)中的波峰(44)，分析检测到的波峰的形状，并且基于分析的形状来确定绝缘能力变化。
文档编号G01R31/12GK102007419SQ200980112959
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月14日
发明者U·加弗特 申请人:Abb研究有限公司