CN107860894A - 一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，步骤1：提出了复介电常数实部频域曲线的初始斜率k，用于分析变压器绝缘老化的程度。步骤2：实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极装置代替，通过加速热老化制备了不同糠醛含量的老化样本，用以探究复介电常数实部频域曲线的初始斜率k与油纸绝缘老化程度的关系。步骤3：根据实验数据结果分析，结合电介质理论得出，k用于分析绝缘老化的程度，与绝缘介质的夹层极化与偶极子式极化过程有关，得到了k的绝对值与Cq的拟合关系式 |k|=15770Cq－2339，该关系式表明 |k| 越小，变压器绝缘状态越好。本发明提出的复介电常数初始斜率k可以很好的评估变压器的老化程度，无需进行繁琐的取油操作，也避免了取油过程中对变压器绝缘结构造成的不确定损坏。
Description
技术领域
本发明属于油纸绝缘电力设备的绝缘状态诊断检测与寿命评估领域，特别涉及一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法。
背景技术
电力变压器作为电能传输和配送过程中能量转换的核心，是保证电网安全运行的关键设备，变压器运行失效会造成巨大的直接与间接的经济损失，严重影响人民生活及社会生产。由内绝缘失效引发的变压器故障占据其运行故障的重要部分。变压器内绝缘主要由矿物油和纤维纸构成的复合绝缘组成，在运行过程中受到电、热、机械、化学等因素影响发生老化，引起绝缘性能的下降。油纸绝缘性能的优劣直接决定变压器的使用寿命，如何准确评估现役变压器的绝缘状态及剩余寿命具有重要的现实意义与学术研究价值。
传统的绝缘状态评估方法只能给出固体绝缘状态的部分信息，已经不能满足现在电力企业的需求。最近几十年国内外学者提出了一些新的诊断方法，这些方法均是以介电响应为基础的。频域介电谱是一种基于介电响应理论现场诊断电力变压器的非破坏性检测方法，它能够表征介质的绝缘状况及老化状态，已经被广泛应用。
与其他介质损耗等特征量相比，对复电容实部初始斜率特征量的研究几乎没有，且目前国内外大多数研究当中，都是在定性的处理分析油纸绝缘受潮老化的问题，少有定量的评估方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，定义了油纸绝缘复介电常数实部的频域曲线初始斜率k，深入探究了 k值随老化状态的变化规律，发现|k|值随糠醛含量的增加，即老化程度的加深而逐渐变大；在实验室中搭建平台，制备了不同糠醛含量的老化样品并进行频域复介电常数测试，对实验结果分析与处理后得出，k值与糠醛含量有很好的线性关系，可用于检测评估变压器的老化状态。该方法可以在不对变压器吊芯，不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘受潮状态，并给出能准备评估变压器绝缘性能及剩余寿命的有效依据。
本发明采取的技术方案为：
一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，包括以下步骤：步骤1：提出了复介电常数实部频域曲线的初始斜率k，经实验研究，k的值对变压器绝缘油糠醛含量的变化反映灵敏，k值与糠醛含量有着很好的递变关系，而糠醛含量与油纸绝缘老化程度密切相关，因此可用于分析变压器绝缘老化的程度。
步骤2：实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极装置代替，通过加速热老化制备了不同糠醛含量的老化样本，用以探究复介电常数实部频域曲线的初始斜率k与油纸绝缘老化程度的关系；
步骤3：根据实验数据结果分析，结合电介质理论得出，k用于分析绝缘老化的程度，与绝缘介质的夹层极化与偶极子式极化过程有关，得到了k的绝对值与Cq的拟合关系式|k|＝15770Cq－2339，该关系式表明|k|越小，变压器绝缘状态越好。
步骤4：油纸绝缘老化状态评估，新油中糠醛含量Cq一般低于0.03mg/L，当Cq＜0.5mg/L 时，变压器运行年限在5-15年，处于寿命初期；当Cq≥0.5mg/L时，变压器整体绝缘水平处于寿命中期；当1mg/L≤Cq≤2mg/L时，变压器绝缘劣化严重；而当Cq≥4mg/L时，变压器接近寿命终点；通过所得糠醛含量与上述标准对变压器绝缘老化程度与运行寿命进行评估。
所述步骤1中，提出测试频率f＝10-4Hz时，ε＇的初始斜率值为k，初始斜率k＝dεˊ/df，由于k在低频段取值，其值反映绝缘中偶极子转向极化与夹层极化过程的变化，这两种极化过程主要对应绝缘介质中糠醛分子等强极性物质，用于分析变压器油纸绝缘的老化程度。
所述步骤1中，提出测量频段f＝10-4Hz时的复介电常数实部初始斜率值为k，先取样品复介电常数频域曲线前三个低频点数据，进行拟合得到相应的线性关系，然后代入数据即得到初始斜率k，其值反映了油纸绝缘介质中偶极子转向极化与夹层极化过程，这种极化主要对应绝缘介质中糠醛等强极性物质，用于分析变压器油纸绝缘的老化程度。
所述步骤2中，实验中采用三电极结构的变压器模型，测量温度为30℃，此温度接近室温，不会使样品的温度在测量时发生较大变化而导致测量数据失真；老化样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径130mm的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，通过加速热老化得到糠醛含量为0.194mg/L，0.276mg/L，0.290mg/L，0.364mg/L，0.439mg/L，0.580mg/L，0.792mg/L的7组样品。该规格的绝缘纸与三电极装置上下极板面积相当，方便了实验的进行；纸的厚度与国内外大多数油纸绝缘实验选用的厚度一致，25号矿物油为国内绝大多数变压器使用的绝缘油；糠醛含量呈逐步递增趋势，便于后期的数据处理与分析。所述步骤2中，变压器模型采用三电极装置模拟，测量仪器选用美国Megger公司生产的 IDAX-300介电响应测试仪，测试温度为30℃，样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径130mm 的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，得到糠醛含量为0.194mg/L，0.276 mg/L，0.290mg/L，0.364mg/L，0.439mg/L，0.580mg/L，0.792mg/L的热老化样本；
测试设备参数设置方法：设定交流电源电压最大值Umax＝200V，最高测试频率fH＝4kHz，最低测试频率fL＝0.1mHz，便可以进行数据测量。Umax为油纸绝缘频域谱测定中惯用的选定值，测试频段选定为0.1mHz—4kHz可使测量范围更广，便于得到更多数据而使分析结果更可靠。
所述步骤3中，复电容实部与频率有如下关系：
上式两边取绝对值后对f求导得：
式中，ε∞为高频介电常数，εs为静态介电常数，f为频率，τ为极化弛豫时间；在给电介质加上交变电场后，电场变化频率f升高使ε＇逐渐变小直至稳定值ε∞，由于ε∞值很小且其主要受材料特性的影响，随着老化程度的加深，绝缘油中糠醛含量增大导致极性分子增多，增强了介质导电性且促进了极化过程，使εs变小，τ变小；但在同一频率下，τ的下降幅度对上式分母的影响更大，因此k值变大；根据对实验数据的分析与处理，得到糠醛含量Cq与k之间的关系式为：
|k|＝15770Cq－2339
将实测变压器k代入上式得出Cq的值，再按糠醛含量指标评估变压器的老化状态。
本发明一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，有优点在于：
1：可以在不吊芯，不破坏绝缘材料，不用取样的前提下分析油纸绝缘受潮状态，为准确评估油纸绝缘电力设备的绝缘性能提供可靠依据。
2：本发明提出的复介电常数初始斜率k可以很好的评估变压器的老化程度，无需进行繁琐的取油操作，也避免了取油过程中对变压器绝缘结构造成的不确定损坏，是一种更易于操作的变压器绝缘状态诊断方法。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为频域谱测试结果图。
图3为三电极装置结构图；
其中：1-测量电极，2-高压电极，3-保护电极，4-变压器油。5-绝缘纸试样。
图4为不同糠醛含量下的复介电常数实部初始斜率值拟合曲线图。
具体实施方式
原理分析：
一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，深入研究了复介电常数实部频域曲线的初始斜率与绝缘油糠醛含量的递变关系。变压器中绝缘纸会在老化过程中不断裂解生成糠醛并渗入到绝缘油中，糠醛含量随老化程度的加深而增大；根据科学出版社2003年出版，殷之文主编的《电介质物理学》书中第二章(介质的电极化响应)的内容可知随着老化程度的加深，复介电常数实部-频率曲线的初始斜率绝对值会相应增大，且有一定的规律性。通过拟合糠醛含量与复介电常数实部-频率曲线的初始斜率之间的量化关系，将初始斜率作为评估变压器老化程度的特征量。
一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，包括以下步骤：
1)、提出了复介电常数实部频域曲线的初始斜率k，经实验研究，k的值对变压器绝缘油糠醛含量反映灵敏，k值与糠醛含量有着很好的递变关系，糠醛含量与油纸绝缘老化密切相关，可用于分析变压器绝缘老化的程度。
2)、实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极装置代替，ε＇曲线的初始斜率采用采用IDAX-300进行测量，制备了不同糠醛含量的老化样本，用以探究k与油纸老化程度的关系。
3)、根据实验数据结果分析，变压器中绝缘纸会在老化过程中不断裂解生成糠醛并渗入到绝缘油中，糠醛含量随老化程度的加深而增大；根据科学出版社2003年出版，殷之文主编的《电介质物理学》书中第二章(介质的电极化响应)的内容可知随着老化程度的加深，复介电常数实部-频率曲线的初始斜率绝对值会相应增大，且有一定的规律性。通过拟合糠醛含量与复介电常数实部-频率曲线的初始斜率之间的量化关系，将初始斜率作为评估变压器老化程度的特征量。因此k可用于分析绝缘老化的程度，经数据处理后得到了k与Cq的拟合关系式|k|＝15770Cq－2339，该式表明|k|越小，变压器绝缘状态越好。
如图2所示，为本发明的频域介电谱测试结果图，ε＇为复介电常数实部，f为频率，Cq为糠醛含量，该谱线描述了复介电常数实部随频率变化的趋势，称为频域介电谱。每条曲线在f＝10-4Hz时的斜率dε/df为初始斜率k。
老化样本的制备：为了确保含水量相同，将每组样品绝缘纸都充分干燥后真空浸入脱气干燥处理后的变压器油中48小时，放入130℃恒温老化箱中分别老化7，14，21，35，49，56，63天以制得糠醛含量不同的7组样品，老化完毕后用高效液相法测得7组样品对应的糠醛含量，准备进行FDS测试。
搭建实验平台：变压器模型采用三电极，如图3所示，测量仪器美国Megger公司生产的IDAX-300介电响应测试仪，测量电压峰值为200V，最高测试频率fH＝4kHz，最低测试频率fL＝0.1mHz。为防止外界温度的干扰，实验均在30℃恒温箱中进行，实验开始前都要在恒温箱中预热2h以上，确保测试样本内部也达到30℃。测试仪器要可靠接地，以防止出现短路故障导致仪器烧坏。
图4为本发明测量油纸绝缘系统不同糠醛含量下的复介电常数实部初始斜率值拟合曲线，由图可见7组样品中，随着老化天数的增加，糠醛含量Cq不断上升，初始斜率k也随之增大，且趋势与Cq类似。
由于Cq的增大导致极化过程加快，复介电常数初始斜率k的绝对值也随之增大，下面探讨其与Cq的关系。
初始斜率与糠醛含量有如下关系：
|k|＝15770Cq－2339；
式中，k为复介电常数实部的频域曲线初始斜率，Cq为绝缘油中糠醛含量，单位为mg/L；综上，得到了不同老化程度下糠醛含量与初始斜率如图2所示：
由图2可见，对于7组老化样本，含水量相同的情况下，随着老化天数的增加，糠醛含量与k都明显的增大。老化天数越深，固体绝缘介质劣化越严重，糠醛等极性杂质就越多，极化过程进行的越快，k值也相应的变大。
本发明研究复介电常数实部初始斜率随绝缘状态而变化的规律，揭示了其与绝缘老化糠醛含量的关系，根据实验室试验结果可见，初始斜率k可以测量得到，其受糠醛含量影响明显，可以直接用来作为表征绝缘老化状态的特征量。新油中糠醛含量Cq一般低于0.03mg/L，当Cq＜0.5mg/L时，变压器运行年限在5-15年，处于寿命初期；当Cq≥0.5mg/L 时，变压器整体绝缘水平处于寿命中期；当1mg/L≤Cq≤2mg/L时，变压器绝缘劣化严重；而当Cq≥4mg/L时，变压器接近寿命终点。所以同一测量方式下|k|值越小，表明变压器绝缘状态越好。本发明的研究成果为进一步提出利用初始斜率特征量的诊断绝缘状态提供了新的研究思路。
Claims (7)
1.一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：提出了复介电常数实部频域曲线的初始斜率k，用于分析变压器绝缘老化的程度；
步骤2：实验室中搭建实验平台，变压器模型采用三电极装置代替，通过加速热老化制备了不同糠醛含量的老化样本，用以探究复介电常数实部频域曲线的初始斜率k与油纸绝缘老化程度的关系；
步骤3：根据实验数据结果分析，结合电介质理论得出，k用于分析绝缘老化的程度，与绝缘介质的夹层极化与偶极子式极化过程有关，得到了k的绝对值与Cq的拟合关系式|k|＝15770Cq－2339，该关系式表明|k|越小，变压器绝缘状态越好。
2.根据权利要求1所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于还包括：
步骤4：油纸绝缘老化状态评估，新油中糠醛含量Cq一般低于0.03mg/L，当Cq＜0.5mg/L时，变压器运行年限在5-15年，处于寿命初期；当Cq≥0.5mg/L时，变压器整体绝缘水平处于寿命中期；当1mg/L≤Cq≤2mg/L时，变压器绝缘劣化严重；而当Cq≥4mg/L时，变压器接近寿命终点；通过所得糠醛含量与上述标准对变压器绝缘老化程度与运行寿命进行评估。
3.根据权利要求1所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于：
所述步骤1中，提出测试频率f＝10-4Hz时，ε＇的初始斜率值为k，初始斜率k＝dεˊ/df，由于k在低频段取值，其值反映绝缘中偶极子转向极化与夹层极化过程的变化，这两种极化过程主要对应绝缘介质中糠醛分子等强极性物质，用于分析变压器油纸绝缘的老化程度。
4.根据权利要求3所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于：
所述步骤1中，提出测量频段f＝10-4Hz时的复介电常数实部初始斜率值为k，先取样品复介电常数频域曲线前三个低频点数据，进行拟合得到相应的线性关系，然后代入数据即得到初始斜率k，其值反映了油纸绝缘介质中偶极子转向极化与夹层极化过程，这种极化主要对应绝缘介质中糠醛等强极性物质，用于分析变压器油纸绝缘的老化程度。
5.根据权利要求1所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于：
所述步骤2中，实验中采用三电极结构的变压器模型，测量环境温度均在30℃；老化样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径130mm的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，通过加速热老化得到糠醛含量为0.194mg/L，0.276mg/L，0.290mg/L，0.364mg/L，0.439mg/L，0.580mg/L，0.792mg/L的7组样品。
6.根据权利要求5所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于：
所述步骤2中，变压器模型采用三电极装置模拟，测量仪器选用美国Megger公司生产的IDAX-300介电响应测试仪，测试温度为30℃，样本制备时，统一选用厚0.5mm，直径130mm的普通纤维素绝缘纸和25号美力高矿物质绝缘油，得到糠醛含量为0.194mg/L，0.276mg/L，0.290mg/L，0.364mg/L，0.439mg/L，0.580mg/L，0.792mg/L的热老化样本；
测试设备参数设置方法：设定交流电源电压最大值Umax＝200V，最高测试频率fH＝4kHz，最低测试频率fL＝0.1mHz，便可以进行数据测量。
7.根据权利要求1所述一种基于频域复介电常数初始斜率的变压器绝缘油中糠醛含量预测方法，其特征在于：
所述步骤3中，复电容实部与频率有如下关系：
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<mi>s</mi>
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<mn>1</mn>
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<mn>4</mn>
<msup>
<mi>&pi;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
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<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>&tau;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
上式两边取绝对值后对f求导得：
<mrow>
<mo>|</mo>
<mi>k</mi>
<mo>|</mo>
<mo>=</mo>
<mo>|</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mn>8</mn>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mn>4</mn>
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<mn>2</mn>
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<msup>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>&tau;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
<mo>|</mo>
</mrow>
式中，ε∞为高频介电常数，εs为静态介电常数，f为频率，τ为极化弛豫时间；在给电介质加上交变电场后，电场变化频率f升高使ε＇逐渐变小直至稳定值ε∞，由于ε∞值很小且其主要受材料特性的影响，随着老化程度的加深，绝缘油中糠醛含量增大导致极性分子增多，增强了介质导电性且促进了极化过程，使εs变小，τ变小；但在同一频率下，τ的下降幅度对上式分母的影响更大，因此k值变大；根据对实验数据的分析与处理，得到糠醛含量Cq与k之间的关系式为：
|k|＝15770Cq－2339
将实测变压器k代入上式得出Cq的值，再按糠醛含量指标评估变压器的老化状态。
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