CN106597238A - 一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备与方法，设备包括夹持固定光纤的夹具和等温松弛电流测控系统；评估变压器中荧光光纤温度传感器护套的老化状态的方法，预先对光纤施加某一特定的高压极化电场，在极化一段时间后，撤去高压极化电场，并检测去极化松弛电流；通过相关分析可得出绝缘材料相关的微观参数、老化因子等参数，为荧光光纤护套绝缘状态评估提供可靠的依据。测试设备由直流高压源和微电流计组成，电压输出和电流检测精度高；利用等温松弛电流中蕴含的丰富的材料微观性能信息，提出新的沿面电极布置形式，并配套相关的分析理论；测试系统,结构轻巧，便于安装和携带。

Description

一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护 套老化状态的设备与方法

技术领域

本发明属于测试及电气工程领域，特别涉及一种用于评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备和方法。

背景技术

电力变压器是电力传输网中最关键的设备之一，它的性能对整个电网的可靠运行起到至关重要的作用。在电力变压器的能量转换过程中，其中有一部分电能转换为变压器的热能，较高的热能将会导致变压器温升十分明显，进而造成变压器绝缘材料的老化，最终导致变压器绝缘能力和寿命的下降。随着变压器电压等级和容量的不断提高，由于绕组的局部温度过高而造成的恶性事故在国内外均有发生。据统计显示，变压器主要故障类型有热性故障与电性故障，在统计的359台故障变压器中，过热故障为226台，占总故障台数的63%，因此，直接测量变压器绕组的热点温度逐渐成为保证其安全、可靠运行的重要发展方向。

由于变压器内部的绝缘要求较高，发热部位不能使用常用的热电偶测温元件进行直接测量，而监测整体的变压器油温无法准确判断热点的位置和温度，存在不准确、不及时、不直观的缺点。因此先进的变压器内部绕组等热点温度测量的新技术与新趋势是使用光纤温度传感器进行测量。目前常见的光纤测温技术有三种：一是荧光式光纤测温原理是在光纤末端加入荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量，由于受激辐射能量的衰减是按指数方式衰减的，衰减时间常数随温度变化而变化，通过对衰减时间的测量，即可计算出测量点处的温度值。二是半导体光纤测温，其原理是将砷化钾晶体加入到光纤的末端，当光源发出多重波长的光照射砷化钾晶体时，该晶体在不同温度条件下将吸收特定波长的光，并将其余波长的光反射回去，通过对反射光的频谱的检查，进而换算出测量点的温度值。三是光纤光栅测温，其测温原理是光纤上制作布拉格光栅，当光源发出的光到达光栅时，光栅将特定波长的光反射回去。反光的波长与温度具有线性关系，通过测量光纤光栅反射回光的波长即可换算出测量点的温度。

无论采用哪种测量原理，光的传输介质均为光纤，并且外层包覆有护套材料。由于光纤测温传感器浸没在变压器油中，除了热环境外其同时承受着一定的电场，随着使用时间的增加，光纤护套材料不可避免地会经历老化过程，而由于光纤及护套整个系统没有导电导体的特殊性，无法使用常见的体电阻率、泄漏电流、介质损耗角正切等老化评估技术进行绝缘状态评估，因此对于变压器光纤温度传感器护套老化状态需要采用新的方法来评估，而国内外对于该问题几乎没有相关的专门研究，也没有完善合理的评估技术方法和设备。

发明内容

本发明的目的是针对变压器中荧光光纤温度传感器护套的老化情况进行状态评估，采用等温松弛电流技术以及沿面布置的两个相同结构的电极，利用去极化松弛电流中蕴含着丰富的绝缘材料微观性能信息，通过相关分析，得出绝缘材料相关的微观参数和老化因子等参数，为变压器光纤温度传感器护套老化状态评估提供可靠依据。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备，包括夹持固定光纤的夹具和等温松弛电流测控系统；

所述夹具包括带导电橡胶同步可调节三爪卡盘和设置在带导电橡胶同步可调节三爪卡盘下方的绝缘支撑；

所述等温松弛电流测控系统包括包覆在荧光光纤温度传感器护套外部的铝箔层、分别与荧光光纤温度传感器护套上不同位置的铝箔层连接的第一电极和第二电极、高压输出端与第一电极连接的直流高压源、高压输出端与第二电极连接的微电流计以及对直流高压源输出电压进行控制并接收微电流计实时电流数据的控制电脑。

作为本发明设备的进一步改进，所述直流高压源的高压输出端经过保护电阻与第一电极连接。

作为本发明设备的进一步改进，所述直流高压源和/或微电流计的低压端接地。

一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，在25℃下，直流高压源输出电压，对架空的荧光光纤温度传感器护套绝缘施加高压极化电场；高压设备在极化一段时间后，停止直流高压源的电压输出，由微电流计检测高压设备绝缘后的去极化松弛电流。

作为本发明方法的进一步改进，由于去极化松弛电流中蕴含着丰富的绝缘材料微观性能信息，通过相关分析可得出绝缘材料相关的微观参数、老化因子参数；变压器荧光光纤温度传感器护套的等温松弛电流为绝缘直流泄漏电流与四个具有不同时间常数的松弛电流之和，如公式（1）所示：

I等温松弛电流，t为时间，I₀为绝缘直流泄漏电流，参数a_i和τ_i分别为不同松弛电流的初始值和电流衰减时间常数，a_i为松弛电流的初始值，反映陷阱的密度；τ_i为衰减时间常数，陷阱越深，衰减时间常数越大。

作为本发明方法的进一步改进，通过绘制I(t)*t-log(t)曲线，进行横向对比，并采用护套绝缘材料晶区、无定型界面极化决定的量Q3与老化决定的量Q4之间的比值作为老化因子A，如公式（2）、（3）、（4）所示：

其中，τ₃对应护套绝缘材料的晶区和无定型区的界面，τ₄对应护套材料老化形成的较深陷阱。

作为本发明方法的进一步改进，基于荧光光纤温度传感器护套材料短路去极化电流的等温松弛电流I分析，提取绝缘老化因子参数A，从而评估出荧光光纤温度传感器护套材料的绝缘状态。

作为本发明方法的进一步改进，所述的高压极化电场和极化时间，试样厚度的变化保持施加电场为500V/mm，极化时间一般选取30分钟。作为本发明方法的进一步改进，所述直流高压源电压的输出范围0-1kV，所述微电流计的测量范围为lpA-1nA。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1，测试设备由直流高压源和微电流计组成，电压输出和电流检测精度高；

2，使用特制沿面电极夹具，采用导电橡胶既能保证电压能耦合在绝缘层上又能保证对绝缘不产生机械损伤；

3，利用等温松弛电流中蕴含的丰富的材料微观性能信息，提出新的沿面电极布置形式，并配套相关的分析理论。

附图说明

附图1为本发明夹具的结构示意图；

附图2为本发明的等温松弛电流测控系统的示意图；

附图3为本发明试样1的I(t)*t-log(t)曲线图；

附图4为本发明试样2的I(t)*t-log(t)曲线图。

在附图中：

1带导电橡胶同步可调节三爪卡盘、2保护电阻、3绝缘支撑、4荧光光纤温度传感器护套、5铝箔层、6第一电极、7第二电极、8直流高压源、9微电流计、10控制电脑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详细的叙述。

如附图1和2所示，一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备，包括夹持固定光纤的夹具和等温松弛电流测控系统；所述夹具包括带导电橡胶同步可调节三爪卡盘1和设置在带导电橡胶同步可调节三爪卡盘1下方的绝缘支撑3；所述等温松弛电流测控系统包括包覆在荧光光纤温度传感器护套4外部的铝箔层5、分别与荧光光纤温度传感器护套4上不同位置的铝箔层5连接的第一电极6和第二电极7、高压输出端与第一电极连接6的直流高压源8、高压输出端与第二电极7连接的微电流计9以及对直流高压源8输出电压进行控制并接收微电流计9实时电流数据的控制电脑10。所述直流高压源8的高压输出端经过保护电阻2与第一电极6连接。所述直流高压源8和/或微电流计9的低压端接地。

一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，在25℃下，直流高压源8输出电压，对架空的荧光光纤温度传感器护套4绝缘施加高压极化电场；高压设备在极化一段时间后，停止直流高压源8的电压输出，

一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，由于去极化松弛电流中蕴含着丰富的绝缘材料微观性能信息，通过相关分析可得出绝缘材料相关的微观参数、老化因子参数；变压器荧光光纤温度传感器护套的等温松弛电流为绝缘直流泄漏电流与四个具有不同时间常数的松弛电流之和，如公式1所示：

I等温松弛电流，t为时间，I₀为绝缘直流泄漏电流，参数a_i和τ_i分别为不同松弛电流的初始值和电流衰减时间常数，a_i为松弛电流的初始值，反映陷阱的密度；τ_i为衰减时间常数，陷阱越深，衰减时间常数越大。

通过绘制I(t)*t-log(t)曲线，进行横向对比，并采用护套绝缘材料晶区、无定型界面极化决定的量Q3与老化决定的量Q4之间的比值作为老化因子A，如公式（2）、（3）、（4）所示：

其中，τ ₁对应光纤主体和护套绝缘材料形成的界面，数值相对较小,τ ₂对应护套绝缘材料和变压器油形成的界面，τ₃对应护套绝缘材料的晶区和无定型区的界面，τ₄对应护套材料老化形成的较深陷阱。基于荧光光纤温度传感器护套材料短路去极化电流的等温松弛电流I分析，提取绝缘老化因子参数A，从而评估出荧光光纤温度传感器护套材料的绝缘状态。所述的高压极化电场和极化时间，依据试样厚度的变化保持施加电场为500V/mm，极化时间一般选取30分钟。所述直流高压源8电压的输出范围0-1kV，所述微电流计9的测量范围为lpA-1nA。

如图3和4所示，分别绘制两种试样用等温松弛测量的I(t)*t-log(t)曲线，两种试样分别为120℃老化96h和48h的交联聚乙烯护套材料：

两拟合参数列表：

计算参数：

试样1的峰3比试样2的峰3偏右，反映陷阱深度变深，并且试样1的老化因子略高于试样2，实际上试样1老化时间稍长于试样2，老化因子能够反映老化程度。

测试设备由直流高压源和微电流计组成，电压输出和电流检测精度高；使用特制沿面电极夹具，采用导电橡胶既能保证电压能耦合在绝缘层上又能保证对绝缘不产生机械损伤；利用等温松弛电流中蕴含的丰富的材料微观性能信息，提出新的沿面电极布置形式，并配套相关的分析理论；测试流程简便，可对光纤护套材料进行快速测试；测试系统,结构轻巧，便于安装和携带。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备，其特征在于：其包括夹持固定光纤的夹具和等温松弛电流测控系统；

所述夹具包括带导电橡胶同步可调节三爪卡盘（1）和设置在带导电橡胶同步可调节三爪卡盘（1）下方的绝缘支撑（3）；

所述等温松弛电流测控系统包括包覆在荧光光纤温度传感器护套（4）外部的铝箔层（5）、分别与荧光光纤温度传感器护套（4）上不同位置的铝箔层（5）连接的第一电极（6）和第二电极（7）、高压输出端与第一电极（6）连接的直流高压源（8）、高压输出端与第二电极（7）连接的微电流计（9）以及对直流高压源（8）输出电压进行控制并接收微电流计（9）实时电流数据的控制电脑（10）。

2.根据权利要求1所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备，其特征在于：所述直流高压源（8）的高压输出端经过保护电阻（2）与第一电极（6）连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的设备，其特征在于：所述直流高压源（8）和/或微电流计（9）的低压端接地。

4.一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：在25℃下，直流高压源（8）输出电压，对架空的荧光光纤温度传感器护套（4）绝缘施加高压极化电场；高压设备在极化一段时间后，停止直流高压源（8）的电压输出，由微电流计（9）检测高压设备绝缘后的去极化松弛电流。

5.根据权利要求4所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：去极化松弛电流中蕴含着丰富的绝缘材料微观性能信息，通过相关分析可得出绝缘材料相关的微观参数、老化因子参数；变压器荧光光纤温度传感器护套的等温松弛电流为绝缘直流泄漏电流与四个具有不同时间常数的松弛电流之和，如公式（1）所示：

I等温松弛电流，t为时间，I₀为绝缘直流泄漏电流，a_i为松弛电流的初始值，反映陷阱的密度；τ_i为衰减时间常数，陷阱越深，衰减时间常数越大。

6.根据权利要求5所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：通过绘制I(t)*t-log(t)曲线，进行横向对比，并采用护套绝缘材料晶区、无定型界面极化决定的量Q₃与老化决定的量Q₄之间的比值作为老化因子A，如公式（2）、（3）、（4）所示：

其中，τ₃对应护套绝缘材料的晶区和无定型区的界面，τ₄对应护套材料老化形成的较深陷阱。

7.根据权利要求6所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：基于荧光光纤温度传感器护套材料短路去极化电流的等温松弛电流I分析，提取绝缘老化因子参数A，从而评估出荧光光纤温度传感器护套材料的绝缘状态。

8.根据权利要求4所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：所述的高压极化电场和极化时间，依据试样厚度的变化保持施加电场为500V/mm，极化时间选取30分钟。

9.根据权利要求4所述的一种利用等温松弛电流评估变压器中荧光光纤温度传感器护套老化状态的方法，其特征在于：所述直流高压源（8）电压的输出范围0-1kV，所述微电流计（9）的测量范围为lpA-1nA。