CN103149452A - 一种评估油纸绝缘的老化状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:采用频域介电谱法测量出油纸绝缘试品的相对介电常数和介质损耗因数;步骤2:建立油纸绝缘试品的相对介电常数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式,以及油纸绝缘试品的介质损耗因数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式;步骤3:用上述关系式评估油纸绝缘系统的老化状态。采用本发明提供的装置结构简单,容易实施,且准确效果有很大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电检测技术领域,尤其涉及的是一种评估油纸绝缘的老化状态的方法。
背景技术
换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备之一,其运行可靠性直接影响整个系统的安全运行。换流变压器的严重事故既会导致自身的损坏,还会中断电力供应,造成巨大的经济损失。运行中的换流变压器除承受交流电压、雷电冲击和操作过电压外,还要承受直流、交流叠加直流及极性反转电压的作用。在这些电压作用下,变压器内部电场分布、绝缘材料击穿特性、空间电荷的积聚与分布等都与普通变压器存在很大的差异。换流变的主绝缘更容易在长期承受电场、热等作用下发生劣化,引起换流变压器绝缘性能下降;此外换流变压器在直流电压长期作用下,绝缘纸板会积聚大量的空间电荷,引起内部场强的畸变,严重时将导致绝缘的异常放电与击穿。
因此,利用现代测试技术和分析手段,深入研究能有效反映换流变压器内部油纸绝缘老化状态的特征参量,进而对变压器预期寿命进行评估;以及研究主绝缘在老化过程中,由直流电场作用下引发的绝缘纸板内部空间电荷积聚和消散特性,了解换流变压器老化过程中空间电荷的形成和发展,提高换流变压器安全运行可靠性,减小事故发生率,已经成为电力行业和相关研究部门关注的热点和迫切需要解决的技术难题。
现有的工程上通常采用测量由绝缘系统老化而引起的理化和电气性能参数的变化来对变压器绝缘老化状态进行评估。理化参量主要包括绝缘纸聚合度或拉伸强度、油中溶解CO、CO2生成总量及其比值、油中糠醛含量等,但这些方法在实际操作中都存在着不同的缺点及局限性,在实际工作中带来很大的不便。而对于电气参量,通常认为变压器绝缘老化后只会直接导致其机械性能的下降,而诸如工频介质损耗、工频、脉冲击穿电压强度等电气性能不会发生太大的变化。除此之外,国内外很多电力运行部门将绕组的热点温升作为评估变压器寿命的主要依据[15]。但变压器的老化状态和剩余寿命绝不仅仅取决于绕组的热点温度。到目前为止,还没有形成一套在现场实用的,能够有效、真实并综合地判断电力变压器主绝缘老化程度和剩余寿命的评估方法和系统。
近20年来,随着计算机、自动化及测量技术的发展,基于介电响应的频域介电谱法(frequency domain spectroscopy,FDS)作为一种无损的电气诊断技术,能够弥补现有传统化学参量诊断方法的不足,适合变压器绝缘老化状态的现场诊断,成为目前国内外学者研究的热点。关于变压器油纸绝缘FDS的研究,目前国内外学者尚处于水分、测试温度和老化对绝缘油或绝缘纸FDS特性影响的研究阶段,对如何提取油纸绝缘系统FDS测试结果的有效信息,进而有效评估油纸绝缘的老化状态,鲜见报道,然而这是将FDS应用于现场诊断变压器老化状态需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种评估油纸绝缘的老化状态的方法,旨在解决现有技术不能提取油纸绝缘系统FDS测试结果的有效信息进行有效评估的问题。
本发明的技术方案如下:
一种评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:采用频域介电谱法测量出油纸绝缘试品的相对介电常数和介质损耗因数;
步骤2:建立油纸绝缘试品的相对介电常数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式,以及油纸绝缘试品的介质损耗因数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式;
步骤3:用上述关系式评估油纸绝缘系统的老化状态。
所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,油纸绝缘试品的相对介电常数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式为:
KDP(t)=(Ae-t/B+C)εr-f(t),
式中,KDP(t)表示绝缘纸聚合度;εr-f(t)表示相对介电常数;t为老化时间,单位为天;A、B、C为与老化温度和测试温度有关的常数。
所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,油纸绝缘试品的介质损耗因数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式为:
KDP(t)=(De-t/E+F)tanδ-f(t)
式中tanδ-f(t)为介质损耗因数;KDP(t)表示绝缘纸聚合度;t为老化时间,单位为天;D、E、F为与老化温度和测试温度有关的常数;
所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,所述相对介电常数和介质损耗因数的测量温度为110℃和130℃,特征频率为10-1Hz、10-2Hz及10-3Hz。
所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,利用频温平移因子将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算。
所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,所述频温平移因子的计算公式为:αT=fT/fref,其中,aT表示频温平移因子;fT表示测试温度T下相对介电常数曲线上某点平移前对应的频率;fref表示测试温度T下相对介电常数曲线上某点平移后在主曲线上对应的频率。
本发明的有益效果:本发明通过采用频域介电谱法测量出油纸绝缘测试品的相对介电常数(εr)和介质损耗因数(tanδ)评估油纸绝缘系统的老化状态f;并利用频温平移因子可将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算,解决测试温度不同对FDS结果带来的影响。本发明提供的装置结构简单,容易实施,且准确效果有很大提高。
附图说明
图1为评估油纸绝缘的老化状态的方法流程图;
图2为FDS测量电路原理;
图3为110和130℃下老化油纸试品的绝缘纸聚合度变化规律;
图4为110和130℃下老化油纸试品的绝缘纸聚合度倒数变化规律;
图5为110℃下不同老化程度油纸绝缘试品的εr;
图6为130℃下不同老化程度油纸绝缘试品的εr;
图7为110℃下油纸绝缘试品的tanδ与老化时间的关系;
图8为130℃下油纸绝缘试品的tanδ与老化时间的关系;
图9为油浸绝缘纸的与老化时间的关系;
图10为油浸绝缘纸的KDP(t)/tanδ-f(t)与老化时间的关系;
图11为单绕组变压器油纸绝缘系统结构;
图12为变压器油纸绝缘系统的X-Y模型;
图13为110℃下老化油纸绝缘试品(DP=420)的εr与测试温度的关系;
图14为130℃下老化油纸绝缘试品(DP=660)的εr与测试温度的关系;
图15为110℃下老化油纸绝缘试品(DP=420)的tanδ与测试温度的关系;
图16为130℃下老化油纸绝缘试品(DP=660)的tanδ与测试温度的关系;
图17为频温平移因子计算示意图;
图18为频温平移因子与温度的关系;
图19为lnT与1/T30-1/T的关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
参见图1,本发明提供的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其主要包括以下步骤:
步骤1:采用频域介电谱法测量出油纸绝缘试品的相对介电常数εr和介质损耗因数tanδ;
步骤2:建立油纸绝缘试品的相对介电常数与绝缘纸聚合度KDP(t)复合指数函数关系式以及油纸绝缘试品的介质损耗因数tanδ-f(t)与绝缘纸聚合度KDP(t)复合指数函数关系式KDP(t)=(De-t/E+F)tanδ-f(t);
步骤3:用上述关系式评估油纸绝缘系统的老化状态f。
其中,相对介电常数εr和介质损耗因数tanδ的测量温度为110℃和130℃,特征频率为10-1Hz、10-2Hz及10-3Hz。
本发明还利用频温平移因子将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算,用于消除测试温度不同对FDS结果带来的影响。所述频温平移因子的计算公式为:αT=fT/fref。其中,aT表示频温平移因子;fT表示测试温度T下εr曲线上某点平移前对应的频率;fref表示测试温度T下εr曲线上某点平移后在主曲线S2上对应的频率。
本发明还提供了变压器油纸绝缘试品的加速热老化及其频域介电特性测试实施例。
试验材料为变压器用纤维素绝缘纸板(厚度0.3mm)和25#变压器油。将油纸绝缘试品在110℃、130℃下进行加速热老化。油纸绝缘试品在进行老化试验前,绝缘纸初始含水量为0.44%,绝缘油初始水分含量约为9mg/Kg。
油纸绝缘试品的FDS测试采用Concept 80宽带介电谱测试系统(NOVOCONTROL GMBH-GERMANY),测试设备的电极结构如图2所示。为使FDS测试不过分费时,选择测试频率范围为10-3~106Hz,测试温度28℃。测试选用直径30mm的镀金电极。
针对热老化对油纸绝缘理化特性和频域介质响应特性的影响,本发明还提供了针对老化变压器油浸绝缘纸的水分及聚合度的分析。
在温度、水分、氧气等的作用下,绝缘油会逐渐氧化生成醇、酸等氧化物及酸性化合物,同时生成少量的CO和CO2。绝绝缘纸则发生水解、热解和氧化降解反应,聚合度不断降低,生成糠醛、水分、有机酸以及CO、CO2气体等老化产物。这些老化产物将对油纸系统的介电性能造成极大影响,因此在分析FDS特性之前,首先给出各个老化阶段的理化参量变化情况,便于后期FDS的分析。
①老化油纸绝缘试品的水分含量
为更加准确地建立老化过程中油纸绝缘试品频域介电特征量和油浸绝缘纸老化状态的量化关系,对老化过程中油浸绝缘纸的含水量进行测试,如表1所示。可以看出,由于老化温度较高,在老化过程中油浸绝缘纸板的水分含量一直保持在较低的水平。
表1为110和130℃下老化油浸绝缘纸试品的绝缘纸水分含量
②老化油纸绝缘试品的绝缘纸聚合度
绝缘纸聚合度是最能表征绝缘纸老化程度的指标,是准确、可靠、有效的判据。图3为油纸绝缘试品在110℃和130℃下老化时聚合度变化规律。运用公式(2.9)对110℃和130℃下老化油纸绝缘试品的绝缘纸聚合度进行分析,结果如图4所示,110℃和130℃下老化油纸绝缘试品的绝缘纸聚合度变化规律与Emsley等人的研究结果相一致,且老化温度越高,聚合度下降的速率越大。
式中DP为老化时间t时刻绝缘纸的聚合度,DP0为老化前绝缘纸的聚合度,k为老化速率。
还提供了老化变压器油浸绝缘纸的频域介电响应的特性分析,
油纸绝缘试品未老化时,绝缘油中的极性物质含量甚少,且绝缘纸纤维素大分子中的非极性键占大多数,因此,油纸绝缘试品的极化能力很弱,在10-3~106Hz范围内,其相对介电常数较小,如图5和图6所示。还可以看出,油纸绝缘试品未老化时的εr大约为3.5(50Hz)。变压器在运行中其内部油纸绝缘系统会逐渐老化,油纸绝缘系统老化越严重,油纸绝缘系统产生的极化现象也就越明显。油纸绝缘试品在10-3~100Hz范围内的εr随着油纸绝缘试品老化时间的增加而逐渐增大,10-3~100Hz范围内的εr对油纸绝缘试品的老化反应非常敏感。
不同老化程度的变压器油纸绝缘试品的tanδ与老化时间的关系如图7和图8所示,可见,对任一老化程度的油纸绝缘试品而言,在低频带tanδ较大;随着测试频率的升高,tanδ随频率升高而减小,当其减小到某一值后,tanδ又随频率的升高而增大。110℃下老化油纸绝缘试品的介质损耗因数tanδ在频率为10-3~102Hz范围内随老化时间的增加而逐渐增加。130℃下老化油纸绝缘试品的tanδ除老化4天时10-2~101Hz范围内异常减小以外,其他老化阶段油纸绝缘试品的tanδ在10-3~102Hz范围内随老化时间的增加而逐渐增加。可见,在10-3~102Hz范围内tanδ对油纸绝缘试品的老化状态反应也非常敏感。
本发明提供的应用频域介电特征量评估油浸绝缘纸老化状态的具体实施例为:
变压器中油浸绝缘纸发生老化后只会导致其机械性能的下降,而其工频时的相对介电常数、介质损耗不会发生太大的变化,这与图5-8测试结果相一致。在较低频率时,油纸绝缘试品的εr和tanδ对油纸绝缘试品的老化反应很明显。由于油纸绝缘是一种复合电介质,在低频时油纸绝缘系统内部偶极子极化得充分,最能表征油纸绝缘试品微观结构的改变,表2为电介质极化种类的比较。根据表2中各种极化所需时间,可知在10-3~10-1Hz(10-100s)范围内油纸绝缘试品内部偶极子极化得比较充分,10-3~10-1Hz的介电特征量最能表征油纸绝缘试品的极化特性,从而也最能间接表征油纸绝缘试品的整体老化状态。
表2为电介质极化种类的比较
表4为110和130℃下老化油浸绝缘纸的KDP(t)和tanδ-f(t)的关系
表5为油浸绝缘纸的与老化时间的拟合方程
表6油浸绝缘纸的KDP(t)/tanδ-f(t)与老化时间的拟合方程
选择10-1、10-2、10-3Hz作为特征频率,将110℃和130℃下不同老化时间后油纸绝缘试品的绝缘纸聚合度KDP(t)和此时油纸绝缘试品分别在特征频率10-1、10-2、10-3Hz处的相对介电常数和介质损耗因数tanδ-f(t)(f=1,2,3)进行KDP(t)/tanδ-f(t)运算,得到表3和表4所示数据。将与老化时间进行拟合,结果如图9和表5所示。将KDP(t)/tanδ-f(t)与老化时间进行拟合,结果如图10和表6所示。表5表明110℃和130℃下不同老化程度油纸绝缘试品的值与老化时间均遵循良好的指数函数关系式:
式中:t为老化时间(单位,天);KDP(t)为绝缘纸在老化时间为t时的聚合度;为油纸绝缘试品老化时间为t时在10-fHz的相对介电常数(f=1,2,3);tanδ-f(t)为油纸绝缘试品在老化时间为t时在10-fHz下的介质损耗因数(f=1,2,3);A、B、C为与老化温度和测试温度有关的常数。因此,油纸绝缘试品在老化时间为t时的绝缘纸聚合度KDP(t)可表示为:
KDP(t)=(Ae-t/B+C)εr -f(t) (3.8)
表6为油纸绝缘试品KDP(t)/tanδ-f(t)与老化时间的拟合关系,可见不同老化程度油纸绝缘试品的KDP(t)/tanδ-f(t)(f=1,2,3)与老化时间的拟合优度也很高,表明在110和130℃下不同老化程度油纸绝缘试品的绝缘纸聚合度KDP(t)也可表示为:
KDP(t)=(De-t/E+F)tanδ-f(t) (3.9)
式中D、E、F为与老化温度和测试温度有关的常数。
变压器绝缘结构是由紧绕在铁心上的低压绕组和绕在其外面的高压绕组以及高低压绕组之间的主绝缘系统组成。主绝缘系统又由一系列纸筒压板、油隙及对纸筒起支撑作用的撑条构成,如图11所示。将变压器主绝缘系统的所有纸板、油道和撑条分别集成,简化得到变压器油纸绝缘的X-Y模型,如图12所示。
X-Y模型既能反映油纸绝缘的介电响应特性又能直接和变压器主绝缘结构联系起来,被广泛用来诊断变压器主绝缘系统的状态。当某台变压器的X和Y值确定后,变压器主绝缘系统在温度T下的介电响应特性即可按照式(3.10)计算得到,即
其中,ε* tot(ω)为油纸绝缘系统总的复介电常数频域谱;ε* oil(ω)为矿物绝缘油的复介电常数频域谱;ε* PB(ω)为绝缘纸板的复介电常数频域谱;σ(T)为绝缘油在温度T下的直流电导率;ε0为真空介电常数,且ε0=8.85×10-12法拉/米(F/m)。
当使用FDS测试设备对变压器主绝缘系统在温度T下进行测试时,εtot *(ω)曲线即可得到。绝缘油的ε* oil(ω)可通过取油样测试得到,然后根据式(3.10)可推得变压器主绝缘系统油浸纸板的ε* PB(ω)。又可根据油浸纸板的tanδ(ω)=ε″pressboard(ω)/ε′pressboard(ω)得到油浸纸板的介质损耗随测试频率的关系。ε″pressboard(ω)和ε′pressboard(ω)分别为油浸绝缘纸板复相对介电常数的虚部和实部。分别提取变压器主绝缘系统油浸纸板的ε′pressboard(ω)和tanδ(ω)在10-3、10-2、10-1Hz的值,如果T=28℃,按照得到的公式(3.8)和(3.9)即可对变压器主绝缘系统的老化状态进行诊断。
本发明提供的消除温度对变压器油浸绝缘纸频域介电特征量的影响的实施例为:
以上得到了采用特征频率下介质损耗因素值评估水分含量和老化程度的经验公式,但该公式是在温度为28℃下测量。由于温度对FDS特性影响较大,如果测量温度改变,采用经验公式评估绝缘纸DP将会造成较大误差,而在现场测量时,往往不能精确地控制测试温度。为此,进一步研究了温度对FDS频域谱的影响规律,解决由于测量温度造成的评估误差问题。
对于油纸绝缘系统,绝缘油、绝缘纸的电导率和系统温度满足关系式随着温度增加,油和纸的电导率要随之增加,油纸绝缘系统会产生更强的极化现象。图13和图14表明:老化不同程度油纸绝缘试品的εr在10-3~100Hz范围内均随温度的升高而增大。图15和图16表明,老化不同程度油纸绝缘试品的tanδ值在10-3~100Hz范围内也均随测试温度的升高而增大,温度的升高将会使tanδ曲线沿着频率轴向高频偏移,但曲线的形状上大体保持不变。
在同一坐标中不同测试温度下油纸绝缘试品εr变化曲线(图13),选取30℃下测得的tanδ曲线作为主曲线S1,将50℃、70℃和90℃下的tanδ曲线延频率轴水平移动到S1,使30℃、50℃、70℃、90℃下的tanδ最终形成一条新的主曲线S2。参见图17,将某个温度T下的εr随频率变化的曲线在形成最终新的主曲线S2前后的频率比,定义为“频温平移因子”aT,即:
αT=fT/fref (3.11)
fT:测试温度T下εr曲线上某点平移前对应的频率;fref:测试温度T下εr曲线上某点平移后在主曲线S2上对应的频率。
参见图18频温平移因子是与温度T有关的函数,满足Arrhenius方程:
R为气体常数(8.314J/mol/K)。对式(3.14)两边进行数学运算,即:
则ln T与1/T30-1/T呈直线关系,直线的斜率为Ea/R,用直线的斜率乘以R即得活化能Ea。110℃和130℃下老化不同程度的绝缘纸的活化能求解如图19所示。得到110℃下老化154天后绝缘纸(DP=420)的活化能为72KJ/mol,求解得到的活化能与Stamm等研究得到的纤维素活化能为76~148kJ/mol比较吻合。同样地,根据油浸绝缘纸板的活化能可得到不同温度下tanδ移动到主曲线对应的频温平移因子aT,进而得出不同温度下绝缘纸板的tanδ频域谱,从而消除了温度变化对测量结果的影响。
若利用公式(3.11)、(3.12)和(3.13)求解出不同老化程度油纸绝缘试品在不同测试温度下的“频温平移因子”aT,将表5和表6中不同老化状态油纸绝缘系统在测试温度(T28℃)下的频域介电特征量推广到不同的测试温度,建立起不同老化状态油纸绝缘系统的频域介电特征量在不同测试温度下T的数据库,则在现场FDS测试时,将已知温度T下的FDS结果与建立起的温度T的数据库数据进行对比分析,这样不仅能解决由于环境温度不同对FDS测试结果带来的影响,而且还可对油纸绝缘系统老化状态做出评估。
由于采用了上述技术方案,本发明对变压器油纸绝缘热老化的频域介电特性及其特征量展开了研究,所得结论如下:
(1)采用频域介电谱法测试了在110和130℃下不同老化程度油纸绝缘试品的相对介电常数(εr)和介质损耗因数(tanδ),提出在特征频率处利用油纸绝缘试品的εr、tanδ值评估其老化状态,并建立油纸绝缘试品在特征频率处的εr、tanδ与绝缘纸老化状态的关系,为将频域介电谱技术用于变压器老化状态无损诊断提供参考。
(2)研究得到不同老化程度油纸绝缘试品在10-1、10-2、10-3Hz特征频率处的和tanδ-f(t)可用于评估油纸绝缘系统的老化状态(f=1,2,3);油纸绝缘试品的与绝缘纸聚合度KDP(t)符合指数函数关系式 油纸绝缘试品的tanδ-f(t)与绝缘纸聚合度KDP(t)符合指数函数关系式KDP(t)=(De-t/E+F)tanδ-f(t)。
(3)油纸绝缘试品在10-fHz下的相对介电常数和介质损耗因数(f=1,2,3)随温度的增加呈指数函数规律增加,利用频温平移因子可将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算,解决了测试温度不同对FDS结果带来的影响。
本发明通过采用频域介电谱法测量出油纸绝缘测试品的相对介电常数(εr)和介质损耗因数(tanδ)评估油纸绝缘系统的老化状态f;并利用频温平移因子可将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算,解决测试温度不同对FDS结果带来的影响。本发明提供的装置结构简单,容易实施,且准确效果有很大提高。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:采用频域介电谱法测量出油纸绝缘试品的相对介电常数和介质损耗因数;
步骤2:建立油纸绝缘试品的相对介电常数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式,以及油纸绝缘试品的介质损耗因数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式;
步骤3:用上述关系式评估油纸绝缘系统的老化状态。
3.根据权利要求2所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,油纸绝缘试品的介质损耗因数与绝缘纸聚合度复合指数函数关系式为:
KDP(t)=(De-t/E+F)tanδ-f(t)
式中tanδ-f(t)为介质损耗因数;KDP(t)表示绝缘纸聚合度;t为老化时间,单位为天;D、E、F为与老化温度和测试温度有关的常数。
4.根据权利要求3所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,所述相对介电常数和介质损耗因数的测量温度为110℃和130℃,特征频率为10-1Hz、10-2Hz及10-3Hz。
5.根据权利要求4所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,利用频温平移因子将不同测试温度下的频域介电特征量进行归算。
6.根据权利要求5所述的评估油纸绝缘的老化状态的方法,其特征在于,所述频温平移因子的计算公式为:αT=fT/fref,其中,aT表示频温平移因子;fT表示测试温度T下相对介电常数曲线上某点平移前对应的频率;fref表示测试温度T下相对介电常数曲线上某点平移后在主曲线上对应的频率。
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