CN102124322A - 充油电气设备的诊断方法、用于实施该诊断方法的诊断装置以及包括该诊断装置的充油电气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种充油电气设备的诊断方法，其考虑到充油电气设备内的温度分布，即使用于实际工作中的设备的诊断，也可以进行准确的诊断，并且提供一种可以根据充油电气设备中的绝缘油(3)的成分分析值来进行这样的充油电气设备的诊断的方法。本发明是一种充油电气设备的诊断方法，该充油电气设备在绝缘油(3)中具有卷绕有绝缘纸(2)的金属构件，其特征在于，将硫化金属在该绝缘纸(2)上最多析出的最多析出部位的表面电阻率下降到预先设定的表面电阻率管理值的时间点，判断为产生异常时。

Description

充油电气设备的诊断方法、用于实施该诊断方法的诊断装置以及包括该诊断装置的充油电气设备
技术领域
本发明涉及例如变压器等由卷绕有绝缘纸的铜构件构成的充油电气设备的绝缘诊断方法。
背景技术
在充油变压器等充油电气设备中，其构造为对通电介质的线圈铜卷绕有绝缘纸，使得线圈铜在相邻的匝间不会短路。
另一方面，已知存在的问题是：在用于充油变压器的矿物油中含有硫磺成分，与油中的铜构件反应使得导电性的硫化铜在绝缘纸表面析出，在相邻的匝间会形成导电路径，从而损坏绝缘等(例如CIGRE TF A2.31，″Copper sulphide in transformer insulation″，ELECTRA，2006年2月，No.224，p.20-23(非专利文献1))。
根据最近的研究，已知若在绝缘油中含有二苄二硫(以下称作DBDS)这一特定的硫磺化合物，则硫化铜会向绝缘物表面析出(例如F.Scatiggio，V.Tumiatti，R.Maina，M.Tumiatti M.Pompilli and R.Bartnikas，″Corrosive Sulfur in Insulating Oils：Its Detection and Correlated Power Apparatus Failures″，IEEE Trans.Power Del.，2008年1月，Vol.23，p.508-509(非专利文献2))，还已知以DBDS为起点的硫化铜的析出过程(例如S.Toyama，J.Tanimura，N.Yamada，E.Nagao and T.Amimoto，″ High sensitive detection method of dibenzyl disulfide and the elucidation of the mechanism of copper
另外可知，由于通过检测在以DBDS为起点的硫化铜的析出过程所生成的副生成物的联苄、苄硫醚及甲苯，硫化铜的析出量与绝缘油中的副生成物浓度成正比，因此可以根据副生成物浓度求出硫化铜的析出量，可以诊断充油电气设备的异常。非专利文献3虽然记载了与在线圈的铜表面析出的硫化铜相关的实验结果，但这是在150℃的高温下进行实验的结果。已知在变压器的运转温度的60℃～90℃下，以二苄二硫(DBDS)为原因而析出的硫化铜不是在线圈铜线上析出，而是在绝缘纸上析出。
但是，在充油电气设备内有温度分布，例如在变压器的情况下，温度分布也有时会产生20K左右的温差。由于硫化铜的析出有温度相关性，越是高温部析出越快，因此在有温度分布的设备中，硫化铜不会析出得一样。虽然根据绝缘油的成分分析得到的联苄、甲苯等的浓度与在整个设备内析出的硫化铜的总量处于正比关系，但由于设备的异常是在硫化铜集中析出的高温部产生的，因此在诊断时必须考虑设备内的温度分布。所以存在的问题是：设备的异常与检测的副生成物的关系并不明确，在诊断实际工作中的设备时，即使仅采用测定绝缘油中的副生成物浓度的方法，也无法对充油电气设备进行准确的诊断。
另一方面，作为不同于上述的硫化铜向绝缘纸表面析出的现象，以往就已知有在金属表面析出的硫化铜。在这种情况下，若硫化铜的生成量增加，则硫化铜有时会从金属表面剥离，在绝缘油中浮游，使设备的绝缘性能下降。作为预防维护该现象的方法，有如下方法：为了检测硫化铜向金属表面生成，另行将在表面分散有金属粒子的检测部件设置在设备内(例如，日本专利特开平04-176108号公报(专利文献1))。在该方法中，通过检测部件的表面电阻的下降来检测硫化铜的生成，可以诊断设备的异常。
但是，上述专利文献1所示的诊断方法与以往已知的在金属表面析出的硫化铜相关，是不同于硫化铜向绝缘纸表面析出的现象。另外存在的问题是：必须另行在设备内设置用于检测硫化铜的析出的检测部件。
非专利文献1：CIGRE TF A2.31，″Copper sulphide in transformer insulation″，ELECTRA，2006年2月，No.224，p.20-23
非专利文献2：F.Scatiggio，V.Tumiatti，R.Maina，M.Tumiatti M.Pompilli and R.Bartnikas，″Corrosive Sulfur in Insulating Oils：Its Detection and Correlated Power Apparatus Failures″，IEEE Trans.Power Del.，2008年1月，Vol.23，p.508-509
非专利文献3：S.Toyama，J.Tanimura，N.Yamada，E.Nagao and T.Amimoto，″High sensitive detection method of dibenzyl disulfide and the elucidation of the mechanism of copper sulfide generation in insulating oil″，the 2008 Doble Client Conference，Boston，MA.，2008年
专利文献1：日本专利特开平04-176108号公报
发明内容
本发明要解决的问题
本发明是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于提供一种充油电气设备的诊断方法，该方法考虑到充油电气设备内的温度分布，即使用于实际工作中的设备的诊断，也可以进行准确的诊断。并且，本发明的目的在于提供一种方法，可以根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值来进行这样的充油电气设备的诊断。
用于解决问题的方法
本发明是一种充油电气设备的诊断方法，该充油电气设备在绝缘油中具有卷绕有绝缘纸的金属构件，其特征在于，将硫化金属在该绝缘纸上析出最多的最多析出部位的表面电阻率下降到预先设定的表面电阻率管理值的时间点，判断为产生异常时。
在本发明中，优选的是上述最多析出部位是绝缘纸上的温度最高的部位即最高温度部。
另外，所谓上述表面电阻率管理值，是指在充油电气设备内的线圈匝间的绝缘产生损坏前可以判断设备的异常而设定的表面电阻率的基准值，通常该值大于在上述最多析出部位的线圈匝间引起短路并达到绝缘损坏的表面电阻率的阈值，优选的是设定在1×109Ω/□～1×1012Ω/□的范围内。
在本发明的产生异常时的判断中，优选的是，预先将上述产生异常时的在上述最多析出部位的硫化金属析出量的推定值设定作为最多析出量管理值(ρ0)，将在上述最多析出部位的硫化金属析出量达到该最多析出量管理值的时间点，判断为上述产生异常时。
并且，优选的是，预先将在上述最多析出部位的硫化金属析出量达到上述最多析出量管理值(ρ0)的时间点的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值设定作为总析出量管理值(M0)，将根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)达到该总析出量管理值的时间点，判断为上述产生异常时。
优选的是，上述绝缘油的成分分析值是与生成硫化金属同时生成的副生成物的绝缘油中的浓度，作为该副生成物，可以适当例举有联苄、苄硫醚或者甲苯。
本发明中优选的是，上述金属构件或者硫化金属中的金属是铜。
另外，本发明还涉及用于实施上述记载的充油电气设备的诊断方法的诊断装置以及包括该诊断装置的充油电气设备。
发明的效果
本发明的充油电气设备的诊断方法，通过以绝缘纸上的硫化金属最多析出的最多析出部位的表面电阻率为基准来判断有无产生异常，即使在充油电气设备内的硫化金属析出量有偏差这样的情况下，也可以可靠地诊断产生异常。特别是，在以作为上述最多析出部位的最高温度部的表面电阻率为基准的情况下，由于考虑到设备的内部温度分布及硫化铜析出的温度相关性所导致的设备内的硫化金属析出量的偏差，因此可以准确诊断处于实际运转状态的充油电气设备内部的绝缘性能。
并且，在本发明中，通过将根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)达到上述总析出量管理值的时间点，判断为上述产生异常时，即使不在充油电气设备内部另行设置表面电阻率的测定装置，也可以根据绝缘油的成分分析值简便地检测绝缘纸的表面电阻率的劣化，能以简便的方法诊断充油电气设备有无产生异常。
附图说明
图1是表示硫化铜的析出所导致的线圈匝间的绝缘损坏的简要图。
图2是表示硫化铜的析出量与绝缘纸的表面电阻率的关系的曲线图。
图3是表示壳式变压器的线圈构造的简要图。
标号说明
1线圈铜线、2绝缘纸、3绝缘油、4硫化铜、5将线圈匝间进行桥接的导电路径、11线圈、12垫片、13纸板、14间隔物、15绝缘油的流动。
具体实施方式
作为本发明的具体的诊断方法的一个实施方式，
可以例举包括以下步骤的充油电气设备的诊断方法。
(i)预先测定或者推定在充油电气设备所使用的线圈中在线圈匝间引起短路并达到绝缘损坏的表面电阻率的阈值、在大于该表面电阻率的阈值和小于硫化金属没有析出的绝缘纸的表面电阻率的范围内设定一定的表面电阻率管理值(R0)的步骤；
(ii)分析设备的内部温度分布、决定在充油电气设备内的绝缘纸上温度最高的最高温度部(过热点部)的步骤；
(iii)将上述最高温度部的表面电阻率下降到预先设定的表面电阻率管理值(R0)的时间点(产生异常时)的在最高温度部的硫化金属析出量的推定值、设定作为最多析出量管理值(ρ0)的步骤；
(iv)将在上述最多析出部位的硫化金属析出量达到上述最多析出量管理值(ρ0)的时间点的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值、设定作为总析出量管理值(M0)的步骤；
(v)测定绝缘油中的副生成物浓度、根据该测定值求出整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)的步骤；以及
(vi)根据上述硫化金属总析出量的推定值(MS)与总析出量管理值(M0)的大小关系、诊断充油电气设备的内部有无产生异常的步骤。
下面，以变压器线圈(铜制)为例，说明上述各步骤的细节如下。
首先，在说明诊断方法之前，说明充油电气设备达到绝缘损坏的过程。图1是表示硫化铜的析出所导致的线圈匝间的绝缘损坏现象的简要图。在该图中，1是线圈铜线，2是卷绕在该线圈铜线上的绝缘纸，3是绝缘油，4是在绝缘纸上析出的硫化铜，5是由该硫化铜构成的将线圈匝间进行桥接的导电路径。在含有DBDS的绝缘油中，硫化铜4在绝缘纸2的表面上缓缓析出。若硫化铜4的析出进一步发展，形成将相邻的线圈匝间进行桥接的导电路径5，则如果是正常而仅经由线圈铜线流动的电流就经由该导电路径5流动，线圈匝间引起短路，达到绝缘损坏。
接下来，说明设定表面电阻率管理值(R0)的步骤(步骤(i))。若如上所述形成将线圈匝间进行桥接的导电路径，则由于电流经由绝缘纸的表面流动，作为其前兆现象，绝缘纸的表面电阻会下降。图2是表示硫化铜的析出量与绝缘纸的表面电阻的关系的曲线图。若硫化铜的析出量超过一定值，则绝缘纸的表面电阻会急剧下降。在图2中，表面电阻率的阈值是指若成为该电阻率以下则在线圈匝间会引起短路并达到绝缘损坏的阈值。在本发明中设定的表面电阻率管理值，是在线圈匝间产生绝缘损坏前就可以判断设备的异常而设定的表面电阻率的基准值，通常，该值大于上述表面电阻率的阈值。
由于硫化铜未析出的绝缘纸的表面电阻率为1×1014Ω/□以上，硫化铜导致线圈匝间产生绝缘损坏时的绝缘纸的表面电阻率为1×107Ω/□～1×109Ω/□，因此上述表面电阻率管理值优选的是设定在作为1×109Ω/□～1×1012Ω/□的范围内的一定值，进一步优选的是在1×1010Ω/□～1×1011Ω/□的范围内。
接下来，说明分析设备的内部温度分布、决定在充油电气设备内的绝缘纸上温度最高的最高温度部(过热点部)的步骤(步骤(ii))。首先，使用图3(表示壳式变压器的线圈构造的简要图)来说明充油电气设备的内部温度分布。在图3中，11是线圈，12是将相邻的线圈绝缘的垫片，13是为了在线圈侧的垫片表面设置通油空间而配置的纸板，14是设在垫片间的间隔物，15是绝缘油的流动。此处，12～14由压板构成，由与绝缘纸相同原材料的纤维素构成。硫化铜不仅在线圈绝缘纸表面上析出，还在由相同原材料的纤维素构成的压板上(垫片12、纸板13及间隔物14上)析出。
绝缘油起到作为线圈的冷却介质的作用，由于油温随着如15所示那样在线圈间流动而上升，因此变压器上面的油温高于底面的油温。所以，硫化铜析出的绝缘纸及压板(垫片12、纸板13及间隔物14)的温度也是越接近变压器上面而越高。另外，绝缘油的流动的方向、流路、流速等也会影响变压器内的温度分布。并且，在图1中，图示了2层线圈，但在实际的变压器中配置超过10层的线圈，线圈的配置也会影响变压器内的温度分布。一般而言，与变压器内的两端的线圈相比，配置在中央的线圈的温度更高。所以，硫化铜析出的绝缘纸及压板的温度T也形成3维变化，成为相对于图3所示的x轴、y轴、z轴所表示的3维的位置的变量(T(x，y，z))。
对于具有这样的温度分布的充油电气设备，根据充油电气设备的设计书或者发热试验结果来分析设备的内部温度分布。另外，根据该分析结果，决定充油电气设备内的温度成为最高的部位(最高温度部)。
此处，已知硫化铜的析出量有温度相关性，若温度提高10K，则析出速度会成为约2倍。如上所述，由于变压器内部的温度分布不均匀，因此硫化铜的析出量在变压器内也并非一样，卷绕在线圈铜线上的绝缘纸或者压板上的硫化铜的析出量也与T(x，y，z)对应，成为3维变化的变量ρ(x，y，z)。而且，由于充油电气设备内的温度越高的部位，硫化铜的析出越快，因此T(x，y，z)成为最大的最高温度部，相当于ρ(x，y，z)成为最大的(硫化金属最多析出)最多析出部位。
说明设定最多析出量管理值(ρ0)的步骤(步骤(iii))。首先，预先利用模型实验等，求出最高温度部(最多析出部位)的绝缘纸的表面电阻率达到表面电阻率管理值时的该部位的硫化铜的析出量的推定值。将该推定值设定作为最多析出量管理值(ρ0)。此外，ρ0是成为用于以在绝缘纸上超过ρ0的量的硫化铜析出、从而判断产生异常(最多析出部位的绝缘纸的表面电阻率超过上述表面电阻率管理值)的基准的值。
接下来，说明设定总析出量管理值(M0)的步骤(步骤(iv))。此处，以上述步骤(ii)所进行的充油电气设备的内部温度分布的分析结果为基准，算出上述最高温度部的硫化铜析出量(ρ)达到最多析出量管理值(ρ0)时的整个设备内的硫化铜总析出量的推定值，将其设定作为总析出量管理值(M0)。即，以最多析出量管理值(ρ0)及内部温度分布的分析结果为基准，来求出设硫化金属析出量与温度完全成正比时的各部位的硫化金属析出量，将其总和作为总析出量管理值(M0)。
整个充油电气设备内的硫化铜的总析出量(M0)是变压器内各部分的硫化铜析出量(ρ(x，y，z))的总和，由下式(1)来表示。
数学式1
M(t)＝∫∫∫ρ(x，y，z)         …(1)
上述析出量管理值(ρ0)是ρ(x，y，z)的最大值。充油电气设备内的硫化铜不仅在卷绕在线圈铜线上的绝缘纸上析出，还在压板(图3的垫片12、纸板13及间隔物14)上析出，但由于卷绕在热源即线圈铜线上的绝缘纸的温度高于压板，因此该绝缘纸上的最高温度部的硫化铜析出量(ρ(x，y，z))成为ρ0。
接下来，说明测定绝缘油中的副生成物浓度、根据该测定值求出整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)的步骤(步骤(v))。充油电气设备内的硫化铜的总析出量与伴随着绝缘油中的硫化铜生成的副生成物(联苄等)的生成量成正比。所以，根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)，可以由下式求出。
MS＝K·C·W0
式中，K是比例常数，C是绝缘油中的副生成物的浓度，W0是绝缘油的总重量。即，若预先利用模型实验或计算等求出比例常数K，则可以根据绝缘油中的副生成物的浓度，求出根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)。
此外，作为上述副生成物，除了联苄以外，使用苄硫醚、甲苯等其他副生成物，也可以与上述同样求出Ms的值。
最后，说明诊断充油电气设备的内部有无产生异常的步骤(步骤(vi))。根据如上所述的求出的总析出量管理值(M0)、与根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值(MS)的大小关系，可以得到如下的诊断结果。
若MS＜M0，则设备正常
若MS≥M0，则设备异常
应该认为本次披露的实施方式的所有内容只是举例表示，而并非限制性的内容。本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求所表示的，包含与权利要求的范围均等的意义及范围内的所有变更。

Claims (11)

1.一种充油电气设备的诊断方法，该充油电气设备在绝缘油中具有卷绕有绝缘纸的金属构件，其特征在于，
将硫化金属在该绝缘纸上析出最多的最多析出部位的表面电阻率下降到预先设定的表面电阻率管理值的时间点，判断为产生异常时。
2.如权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述最多析出部位是绝缘纸上的最高温度部。
3.如权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述表面电阻率管理值大于在所述最多析出部位的线圈匝间引起短路并达到绝缘损坏的表面电阻率的阈值。
4.如权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述表面电阻率管理值是1×109Ω/□～1×1012Ω/□的范围内的值。
5.如权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
预先将所述产生异常时的在所述最多析出部位的硫化金属析出量的推定值设定作为最多析出量管理值，将在所述最多析出部位的硫化金属析出量达到该最多析出量管理值的时间点，视作所述产生异常时。
6.如权利要求5所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
预先将在所述最多析出部位的硫化金属析出量达到所述最多析出量管理值的时间点的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值，设定作为总析出量管理值，将根据充油电气设备中的绝缘油的成分分析值求出的整个充油电气设备内的硫化金属总析出量的推定值达到该总析出量管理值的时间点，视作在所述最多析出部位的硫化金属析出量达到该最多析出量管理值的时间点。
7.如权利要求6所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述绝缘油的成分分析值是与生成硫化金属同时生成的副生成物的绝缘油中的浓度。
8.如权利要求7所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述副生成物是联苄、苄硫醚或者甲苯。
9.如权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法，其特征在于，
所述金属是铜。
10.一种诊断装置，用于实施权利要求1所述的充油电气设备的诊断方法。
11.一种充油电气设备，包括权利要求10所述的诊断装置。
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