CN102023201A - 油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试方法。该方法先测试绝缘油的温度，当温度在0℃～100℃之间时，测试绝缘油中的水含量，同时确定绝缘油和绝缘纸的类型，以及绝缘纸的厚度；然后，通过配置一定量同型号绝缘油和同类型干燥绝缘纸(厚度为1mm)，把绝缘纸放入已密封且温度已稳定为60℃的绝缘油中，保持1.41小时后取出绝缘纸测定其水含量，同时通过油纸绝缘水含量稳态分布曲线——Oommen曲线获得实际工况和实验条件下平衡时绝缘纸中的水含量，代入平衡时间常数计算式，求得平衡时间常数。该方法所需测试时间短、准确度高，且容易实现。

Description

油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试方法

技术领域

本发明涉及油浸式电力设备绝缘纸中水含量的检测技术，尤其涉及到油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试技术，属电力设备电气绝缘领域。

背景技术

绝缘纸受潮将严重降低其机械强度和电气强度，从而缩短绝缘寿命。研究表明：绝缘纸中水含量加倍，绝缘纸的机械寿命减半，绝缘纸的热老化也将成倍加速；另外各部分绝缘纸和绝缘油中的水含量不平衡，受热后绝缘纸和绝缘油中水转化气态从而形成气隙等现象都将促使并加速局部放电的产生；绝缘纸和绝缘油中水的转移也加速油纸绝缘分界面处的油流带电，从而破坏绝缘，尤其是绝缘纸。因此检测绝缘纸中水含量非常重要。

对于已经投运的油浸式电力设备，由于很难直接得到绝缘纸试样，在测试绝缘纸中水含量时，一般先采用卡尔费休法即KFT(Karl Fischer Titration)法测量绝缘油中的水含量，再通过油纸绝缘水含量稳态分布曲线获得绝缘纸中水含量的信息。但由于电力设备油温是变化的，所以采用该方法测试时存在很大的误差，尤其对于电气化铁路的牵引变压器来说，其负荷的突变性及负荷密度变化的频繁性都将导致油温频繁变化，因此用上述方法的误差将更大。

西班牙卡洛斯三世大学的研究学者Belén García和Javier Sanz等发现水在绝缘纸中扩散和渗出时，其水含量变化的过程服从指数函数变化过程，并证明了把该指数函数用于油浸式电力设备绝缘纸中水含量测试时，其精度远远高于用稳态分布曲线时的测试精度。但Belén García和Javier Sanz所提出的时间常数测试方法(用数值拟合的手段获取绝缘纸中水含量变化的时间常数)实现过程长，且非常困难。另外用该方法测试时，针对一个设备只能得到一个时间常数，而实验证明该时间常数是一个动态变化量，它与温度、绝缘纸厚度、油中水含量等均有很大关系，因此用该方法测试不够准确。

发明内容

针对现有技术的状况，本发明提供一种油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试方法，该方法能快捷、有效地、能很好反应实际工况地获得油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，先测试油浸式电力设备绝缘油的温度T(单位为℃)，当该温度在0℃～100℃之间时，包括如下步骤：

步骤一：测试和确定实际工况下的相关参数，即测试油浸式电力设备绝缘油中的水含量C_oil(单位为μg/g)，确定油浸式电力设备绝缘油和绝缘纸的类型，以及绝缘纸厚度d(单位为mm)；通过较常用的油纸绝缘水含量稳态分布曲线——Oommen曲线(Oommen′s curves for moisture equilibrium for a paper-oilsystem)获得实际工况下上述油纸绝缘中水平衡时(即指水含量不随时间变化时)绝缘纸中的水含量C_ss(T，C_oil)。

Oommen曲线是美国西屋电气公司Oommen T.V.于1984年通过实验提出的油纸绝缘系统中绝缘纸和绝缘油中水含量达到平衡(即不随时间变化)时两种绝缘中水含量的若干关系曲线(0℃～100℃间，温度为10℃的倍数时均给出了一条曲线，共计11条曲线)，其横坐标为绝缘油中的水含量，纵坐标为绝缘纸中的水含量，当测得的绝缘油温度为10℃的倍数时，选取该温度所对应的曲线，查横坐标为所测得的绝缘油中的水含量时所对应的纵坐标值，即为水平衡时绝缘纸中的水含量，当测得的绝缘油温度不是10℃的倍数时，分别选取与该温度(T)最接近的两条曲线(对应温度分别T₁和T₂)，分别查横坐标为所测得的绝缘油中的水含量时所对应的纵坐标值，记为C_ss(T₁，C_oil)和C_ss(T₂，C_oil)，温度为T平衡时绝缘纸中的水含量C_ss(T，C_oil)为|T₂-T|×C_ss(T₁，C_oil)/10+|T-T₁|×C_ss(T₂，C_oil)/10。

步骤二：设计如下测试：取与上述同型号的绝缘油5000mL，通过干燥处理或加入水处理使油中水含量为145μg/g～155μg/g，并精确测试其水含量；准备厚度为1mm、含水量在0～0.2％(质量之比)的与上述同类型的干燥绝缘纸4.5mg～5.5mg；把已处理过的上述绝缘油倒入容量为5000mL的密封器皿中，再把该器皿放入恒温箱，在60℃下恒温处理使其绝缘油的温度稳定为60℃，然后把准备好的绝缘纸浸泡到该密闭器皿的绝缘油中，并在60℃恒温下保持1.41小时后取出，测定绝缘纸中的水含量，记录C(1.41)；通过Oommen曲线，获得本步骤条件下上述油纸绝缘中的水含量达到平衡时绝缘纸中的水含量(C(∞))，其获得方法已在步骤一中叙述。

步骤三：采用算式：

$\mathrm{\τ}(d,T,C_{\mathrm{oil}})={1.41d}^2\×\frac{\exp (0.073(60-T)+33.5(C(\∞)-C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}})))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}}))}$ (小时)

即可求得油浸式电力设备中，绝缘纸厚度为d(单位为mm)、油中的水含量为C_oil(单位为μg/g)、油纸绝缘温度为T(单位为℃)时，绝缘纸中水含量变化的时间常数τ(d，T，C_oil)。

本发明涉及的原理如下：

根据费克(Fick)第二扩散定律，绝缘纸中水的扩散过程可表达为：

$\frac{\∂C\left(t\right)}{\∂t}=\frac{\∂(D\×({\∂C}_p\left(t\right)/\∂x))}{\∂x}---\left(1\right)$

式中，C(t)为t时刻(h)绝缘纸的水含量(％)；D为水在绝缘纸中的扩散系数(mm²/h)；x为绝缘纸厚度方向的坐标值(mm)。

根据1974年Guidi和Fullerton通过实验所得到的扩散系数D的计算公式，式(1)可表达为：

$\frac{{\∂C}_p\left(t\right)}{\∂t}=4.824\×{10}^{-4}\×\frac{\∂(\exp ({0.5C}_p\left(t\right)+\frac{27.1(T-25)}{273+T})\×({\∂C}_p\left(t\right)/\∂x))}{\∂x}---\left(2\right)$

通过数值求解式(2)，可得任何时刻，绝缘纸中任何位置的水含量，并可通过对坐标x积分，并求平均，获得任何时刻绝缘纸中的水含量。据此，油温在60℃，平衡后绝缘纸的水含量为3％时，1mm厚绝缘纸中的水含量随时间的变化如表1所示，该曲线可拟合为：

C(t)＝3-3e^-t/4.15    (3)

表1 1mm厚绝缘纸中水含量随时间变化的计算值(μg/g)

时间	1	2	3	4	5	6	7	8	11	13
											水含量	1.084	1.495	1.81	2.07	2.29	2.47	2.61	2.72	2.9	2.95

式(3)可推广表达为：

C(t)＝(1-e^-t/τ)×(C_ss(T，C_oil)-C(0))+C(0)    (4)

其中，τ为平衡时间常数；C_ss(T，C_oil)为温度为T(单位为℃)，油中水含量为C_oil(单位为μg/g)，油纸绝缘中水含量达到平衡时，绝缘纸中的水含量。

用以上方法分别计算依次计算绝缘纸厚度为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm时，绝缘纸中最终稳态水含量为0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％时，温度分别为30℃、60℃、90℃时平衡时间常数，如表2所示。可见平衡时间常数在不同工况下差异很大，如一直采用一个固定值，必然有很大误差。

表2平衡时间常数/h

通过表2的数据拟合得到式(5)。

τ(d，T，C_oil)＝A×d²exp(-0.073T-33.5C_ss(T，C_oil))    (5)

其中，τ(d，T，C_oil)为绝缘纸厚度、温度、油中水含量分别为d、T、C_oil时的平衡时间常数(单位为h)，C_ss(T，C_oil)为温度为T(单位为℃)，油中水含量为C_oil(单位为μg/g)，油纸绝缘中水含量达到平衡时，绝缘纸中的水含量，可以通过较常用的油纸绝缘水含量稳态分布曲线——Oommen曲线获得；d为绝缘纸厚度(单位为mm)，参数A为待定参数(单位为h/mm²)，取决于绝缘纸材料的类型，需要通过试验获得。

为了确定参数A的值，可设定在60摄氏度情况下开展实验，把一定量绝缘纸(厚度为1mm)放入绝缘油，为了在整个实验过程中保持绝缘油中的水含量基本不变，绝缘油的量要远远大于绝缘纸的量，因此可以取绝缘油5000mL，厚度为1mm的干燥绝缘纸(水含量小于0.2％)5mg；式(5)表明平衡时间常数与绝缘油中的水含量有关联，上述规定试验条件下，当水含量为150μg/g时，平衡时间为1.41小时，因此为了方便，绝缘油中水含量可配置在145μg/g～155μg/g左右，让绝缘纸浸泡在油中1.41小时后取出，并测试其水含量，记录C(1.41)；通过Oommen曲线获得上述油纸绝缘中水含量达到平衡时绝缘纸中的水含量，记为C(∞)，即实验条件下C_ss(T，C_oil)＝C(∞)，联立式(4)和式(5)，由于干燥绝缘纸的初始水含量C(0)很小，推导时可略去，求得参数A值为：

$A=\frac{\exp (0.073\×60+33.5C(\∞))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C(\∞))}---\left(6\right)$

把式(6)代入式(5)，得到温度(T，单位为：℃)，油中水含量(C_oil，单位为μg/g)，绝缘纸厚度(d，单位为mm)情况下动态平衡时间常数τ(d，T，C_oil)，如式(7)。

$\mathrm{\τ}(d,T,C_{\mathrm{oil}})={1.41d}^2\×\frac{\exp (0.073(60-T)+33.5(C(\∞)-C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}})))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C(\∞))}$ (小时)(7)

与传统测量方案相比，本发明具有如下优点：测试所需要的时间短，测试方便，测试结果更能反映实际工况，基于传统的数值拟合的测试方法只能得到一个时间常数(实际上该时间常数与温度、绝缘纸厚度、油中水含量等均有很大关系，因此不能完全反应工况)，本发明可以测试得到0～100℃间任何温度、绝缘纸厚度和油中水含量情况下的不同的时间平衡常数。

附图说明

图1是本发明实施例中实验设备布置图

图中，1为绝缘油，2为密封器皿，3为恒温箱，4为绝缘纸，5为密封盖

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

测试某油浸式电力电容器绝缘油温度T为70℃，在0℃～100℃之间，因此包括如下步骤：

步骤一：测试该油浸式电力电容器的绝缘油中水含量C_oil为200μg/g；确定绝缘油型号为25#绝缘油，绝缘纸为牛皮纸，其厚度d为2mm；利用较常用的油纸绝缘水含量稳态分布曲线——Oommen曲线获得实际工况下上述油纸绝缘中水含量达到平衡时绝缘纸中的水含量C_ss(T，C_oil)＝C_ss(70，200)＝5.34％。

步骤二：设计如下实验测试：准备5000mL 25#绝缘油1，经干燥处理后，放入玻璃器皿2，对其加热的同时慢慢向油里滴水，滴水量为641mg水，使水充分溶解后，用水含量测定仪(831 KF Coulometer，配728 Stirrer专用滴定台)测试绝缘油1中水含量为149.2μg/g；然后用密封盖5完全密封该玻璃器皿2，并放入恒温箱3，把恒温箱温度调为60℃，保持1小时左右，使其绝缘油的温度稳定在60℃；准备5mg已经过真空干燥处理的绝缘纸4(类型为牛皮纸，水含量小于0.2％，厚度为1mm)，放入密封器皿2的绝缘油中，在60℃下保持1.41小时后取出绝缘纸，用卡氏样品加热处理器(832KF Thermoprep)和水含量测定仪(831 KF Coulometer，配728 Stirrer专用滴定台)测定绝缘纸中的水含量，记录C(1.41)＝3.76％；通过查询Oommen曲线获得本步骤条件下上述油纸绝缘中水含量达到平衡时(温度为60℃，绝缘油中水含量为149.2μg/g)的绝缘纸中水含量C(∞)为5.95％；

步骤三：把C_oil＝200μg/g、T＝70℃、d＝2mm、C_ss(T，C_oil)＝C_ss(70，200)＝5.34％、C(∞)＝5.95％代入下列算式中，求得平衡时间常数：

$\mathrm{\τ}(d,T,C_{\mathrm{oil}})={1.41d}^2\×\frac{\exp (0.073(60-T)+33.5(C(\∞)-C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}})))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}}))}$ (小时)

即：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{2,70,200}\right)={1.41\×2}^2\×\frac{\exp (0.073\×(60-70)+33.5\×(5.95\%-5.34\%))}{-\ln (1-3.76\%/5.95\%)}=3.33$ (小时)

因此所测试得到该电力设备油纸绝缘中水含量变化的平衡时间常数为3.33小时。

实施例2

测试某油浸式电力电容器绝缘油温度为63℃，在0℃～100℃之间，因此包括如下步骤：

步骤一：测试该油浸式电力电容器的油中水含量C_oil为182μg/g；确定绝缘油型号为25#绝缘油，绝缘纸为牛皮纸，其厚度d为1.5mm；通过较常用的油纸绝缘水含量稳态分布曲线——Oommen曲线获得绝缘油温度分别为60℃和70℃时上述油纸绝缘中水含量达到平衡时，绝缘纸中的水含量分别为：C_ss(60，182)＝7.49％，C_ss(70，182)＝4.84％，因此63℃时绝缘纸中的水含量为C_ss(T，C_oil)＝C_ss(63，182)＝|70-63|×C_ss(60，182)/10+|63-60|×C_ss(70，182)/10＝6.70％；

步骤二：设计如下实验测试：准备5000mL 25#绝缘油1，经干燥处理后，放入玻璃器皿2，对其加热的同时慢慢向油里滴水，滴水量为641mg水，使水充分溶解后，用水含量测定仪(831 KF Coulometer，配728 Stirrer专用滴定台)测试绝缘油1中水含量为149.2μg/g；然后用密封盖5完全密封该玻璃器皿2，并放入恒温箱3，把恒温箱温度调为60℃，保持1小时左右，其目的是让绝缘油的温度稳定在60℃；准备5mg已经过真空干燥处理的绝缘纸4(类型为牛皮纸，水含量小于0.2％，厚度为1mm)，放入密封器皿2中，在60℃下保持1.41小时后取出绝缘纸，用卡氏样品加热处理器(832 KF Thermoprep)和水含量测定仪(831 KF Coulometer，配728 Stirrer专用滴定台)测定绝缘纸中的水含量，记录C(1.41)＝3.76％；通过查询Oommen曲线获得上述油纸绝缘中水含量达到平衡时(温度为60℃，绝缘油中水含量为149.2μg/g)的绝缘纸中水含量C(∞)为5.95％；

步骤三：把C_oil＝182μg/g、T＝63℃、d＝1.5mm、C_ss(T，C_oil)＝6.70％、C(∞)＝5.95％代入下列算式中，求得平衡时间常数：

$\mathrm{\τ}(d,T,C_{\mathrm{oil}})={1.41d}^2\×\frac{\exp (0.073(60-T)+33.5(C(\∞)-C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}})))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}}))}$ (小时)

即：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{1.5,63,182}\right)={1.41\×1.5}^2\×\frac{\exp (0.073\×(60-63)+33.5\×(5.95\%-6.7\%))}{-\ln (1-3.76\%/5.95\%)}=1.98$ (小时)

因此所测试得到该电力设备油纸绝缘中水含量变化的的平衡时间常数为1.98小时。

Claims (1)

1.一种油浸式电力设备绝缘纸中水含量变化的时间常数的测试方法，其特征在于先测试油浸式电力设备绝缘油的温度(T)，当该温度在0℃～100℃之间时，包括如下步骤：

步骤一：测试油浸式电力设备绝缘油中的水含量(C_oil)，确定油浸式电力设备绝缘油和绝缘纸的类型，以及绝缘纸厚度d；利用Oommen曲线，获得实际工况下上述油纸绝缘中水平衡时绝缘纸中的水含量(C_ss(T，C_oil))；

步骤二：取与上述同型号的绝缘油5000mL，通过干燥处理或加入水处理使油中水含量在145μg/g～155μg/g之间；准备厚度为1mm、含水量在0～0.2％的上述同类型的干燥绝缘纸4.5mg～5.5mg；把已处理过的与上述绝缘油倒入容量为5000mL的密封器皿中，再把该器皿放入恒温箱，在60℃下恒温处理使其绝缘油的温度稳定为60℃，然后把准备好的绝缘纸浸泡到该密闭器皿的绝缘油中，并在60℃恒温下保持1.41小时后取出，测定绝缘纸中的水含量，记录C(1.41)；通过Oommen曲线，获得本步骤条件下上述油纸绝缘中水平衡时绝缘纸中的水含量(C(∞))；

步骤三：采用算式：

$\mathrm{\τ}(d,T,C_{\mathrm{oil}})={1.41d}^2\×\frac{\exp (0.073(60-T)+33.5(C(\∞)-C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}})))}{-\ln (1-C\left(1.41\right)/C_{\mathrm{ss}}(T,C_{\mathrm{oil}}))}$

即可求得油浸式电力设备中，绝缘纸厚度为d、油中的水含量为C_oil、油纸绝缘温度为T时，绝缘纸中水含量变化的时间常数τ(d，T，C_oil)。

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