CN107894444A - 一种油纸绝缘系统含水率拟合算法 - Google Patents
一种油纸绝缘系统含水率拟合算法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种油纸绝缘系统含水率拟合算法涉及油纸绝缘系统含水率拟合算法领域；本发明为油纸绝缘系统含水率评估提供一种有效的数值计算方法，本发明所述的油纸绝缘频域介电谱量化计算公式和并联系数，计算老化或受潮油纸绝缘的频域介电谱，和实测频域介电谱拟合得出被测油纸绝缘系统的含水率；本发明实现了油纸绝缘系统中绝缘纸板含水率的定量诊断，同时不需要大量实验建立不同温度、不同含水率的油纸绝缘数据库；本发明算法能应用于电力变压器和以油纸绝缘系统为主绝缘的电力设备中。
Description
技术领域：
本发明一种油纸绝缘系统含水率拟合算法涉及油纸绝缘系统含水率拟合算法领域。
背景技术：
电力变压器是电网运行中的重要设备之一，其安全稳定运行是供电安全可靠的重要保障；油纸绝缘为电力变压器的主要绝缘形式，外部潮气的进入会使油纸绝缘含水率大大升高，加速绝缘老化，绝缘性能削弱；故可以将绝缘纸板含水率看作评估绝缘老化状态的重要指标之一，研究含水率问题对变压器安全运行具有重要意义。
传统的含水率检测法为吊芯取样检测，即应用卡尔-费休滴定法测含水率，此方法有较好的准确性，但其取样需要对绝缘系统剪裁，属于破坏性试验，且操作复杂，用于现场检测的可能性很小；现阶段，以介电响应技术为代表的无损诊断方法被广泛应用在变压器油纸绝缘老化状态评估的研究上，该方法可以提供准确、有价值的参考，且无需吊芯的特点无疑为现场测试提供了更好的途径。
近些年市场上也出现了一些以介电响应技术为基础的油纸绝缘含水率检测仪，如M.Koch等开发的DIRANA(介电响应分析仪)主要将现场实测数据与基于大量实验建立的数据库进行比对，来实现对变压器主绝缘含水率和绝缘油电导率的定量评估，Megger公司开发的IDAX系列绝缘诊断分析仪可以根据自身软件拟合变压器中绝缘纸板含水率，但其评估方法及原理也是基于数据库比对，在国内变压器纸板含水率评估仅限于通过试验寻找特征量阶段，尚未形成有效计算方法用于工程实践。
发明内容
本发明提供了一种油纸绝缘系统含水率拟合算法；本发明专利为油纸绝缘含水率评估提供了一种有效的数值计算方法，首先根据公式将特定几个温度下的频域介电谱平移至参考温度得到主曲线，再由主曲线平移得到任意温度下无水油浸纸板的频域介电谱，应用推到所得的水介电常数和无水油浸纸板与水复合介质并联系数，得到含水油浸纸板复合介质的介电常数，最后结合变压器油的介电常数公式，并运用油纸绝缘系统的介电常数公式，可计算得到油纸绝缘系统的介电常数及损耗因数，通过计算所得频域介电谱与实测频域介电谱拟合，可得到任意温度下与实测频域介电谱拟合误差最小的计算曲线及相应油纸绝缘系统中绝缘纸板含水率及变压器油电导率。
本发明的目的是这样实现的：一种油纸绝缘系统含水率拟合算法，所述算法包括如下步骤：
步骤a，测量几个特定温度t下的无水油浸纸板的频域介电谱
步骤b，根据公式，将步骤a得到的特定温度t下的频域介电谱平移至20℃，得到主曲线，公式如下，
其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，ft为特定温度t下的测试基础频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，t为测试时所选的特定温度，T20为参考温度。
步骤c，根据公式，将步骤b所得主曲线平移至任意温度T，得到任意温度T下无水油浸纸板的频域介电谱，公式如下，
其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，fT为所需平移到任意温度T下的频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，T为任意温度，T20为参考温度。
步骤d，考虑水的介电常数
步骤e，由水分与油浸纸板相互混合的特点得出用于描述复合介质中水分和油浸纸板两种成分所占比例的并联系数K，表达式如下，
其中：K为并联系数，β为水分占复合介质的质量分数，ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤f，，根据水分占混合介质的质量分数和体积分数的关系，得出水分占混合介质的体积分数，表达式如下，
其中：α为水分占混合介质的体积分数，β为水分占复合介质的质量分数，ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤g，由步骤c所得的任意温度下无水油浸纸板的频域介电谱、步骤d中水的介电常数、步骤e中无水油浸纸板与水复合介质并联系数K和步骤f中水分占混合介质的体积分数表达式，得到任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数，表达式如下：
其中：εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，ω为角频率，T为温度，K为 无水油浸纸板和水复合介质并联系数，ε1r为水的介电常数，ε2r为无水油浸纸板的介电常数，α为水在油浸纸板中的体积分数；
步骤h，考虑变压器油介电常数，公式如下，
其中：ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，σ(T)为变压器油在温度T时的电导率，ε0为真空介电常数，T为温度；
步骤i，由步骤g所得的任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数和步骤h的变压器油介电常数，计算得油纸绝缘系统的频域介电谱，公式如下：
其中：εr为变压器油纸绝缘系统的介电常数，ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，T为温度，εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，X为变压器油纸绝缘系统中X值，Y为变压器油纸绝缘系统Y值，tanδ为损耗因数，ε’和ε”分别为复介电常数的实部和虚部；
步骤j，实测油纸绝缘系统的频域介电谱；
步骤k，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断变压器油电导率是否在迭代范围内，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤h；
步骤l，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断两条曲线在不同频率点下的平方差之和是 否最小，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤e；
步骤m，输出油浸纸板含水率和变压器油电导率。
进一步的，实测油纸绝缘系统的频域介电谱步骤如下：
步骤j1，将变压器油和绝缘纸置于真空干燥箱72小时，然后将绝缘纸浸入变压器油中继续真空干燥36小时得到不含水的油浸纸板；
步骤j2，将步骤j1所得不含水油浸纸板取出，暴露在空气中自然吸潮6小时得到含水油浸纸板；
步骤j3，将步骤j2所得含水油浸纸板放入变压器油中并做抽真空处理得到含水油纸绝缘系统；
步骤j4，将步骤j3所得含水油纸绝缘系统放入恒温箱，并接入二电极系统；
步骤j5，将步骤j4所述二电极系统接入测试仪器，打开测试仪器，并设置频率、温度、电压参数，开始测试；
步骤j6，测试完毕，导出数据。
进一步的，通过连续真空干燥制作不含水的油浸纸板，再通过自然吸潮的方式制作含水的油纸绝缘系统，并用测试仪器配合恒温箱测试油纸绝缘系统在不同温度下的频域介电谱。
本发明专利的有益效果：本发明专利实现了油纸绝缘系统中绝缘纸板含水率的定量诊断，同时不需要大量实验建立不同温度、不同含水率的油纸绝缘数据库；本发明算法能应用于电力变压器和以油纸绝缘系统为主绝缘的电力设备中。
具体实施方式
对本发明专利具体操作流程进行介绍，一种油纸绝缘系统含水率拟合算法，所述算法包括如下步骤：
步骤a，测量几个特定温度t下的无水油浸纸板的频域介电谱
步骤b，根据公式，将步骤a得到的特定温度t下的频域介电谱平移至20℃，得到主曲线，公式如下，
其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，ft为特定温度t下的测试基础频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，t为测试时所选的特定温度，T20为参考温度。
步骤c，根据公式，将步骤b所得主曲线平移至任意温度T，得到任意温度T下无水油浸纸板的频域介电谱，公式如下，
其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，fT为所需平移到任意温度T下的频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，T为任意温度，T20为参考温度。
步骤d，考虑水的介电常数
步骤e，由水分与油浸纸板相互混合的特点得出用于描述复合介质中水分和油浸纸板两种成分所占比例的并联系数K，表达式如下，
其中：K为并联系数，β为水分占复合介质的质量分数，ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤f，，根据水分占混合介质的质量分数和体积分数的关系，得出水分占混合介质的体积分数，表达式如下，
其中：α为水分占混合介质的体积分数，β为水分占复合介质的质量分数， ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤g，由步骤c所得的任意温度下无水油浸纸板的频域介电谱、步骤d中水的介电常数、步骤e中无水油浸纸板与水复合介质并联系数K和步骤f中水分占混合介质的体积分数表达式，得到任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数，表达式如下：
其中：εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，ω为角频率，T为温度，K为无水油浸纸板和水复合介质并联系数，ε1r为水的介电常数，ε2r为无水油浸纸板的介电常数，α为水在油浸纸板中的体积分数；
步骤h，考虑变压器油介电常数，公式如下，
其中：ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，σ(T)为变压器油在温度T时的电导率，ε0为真空介电常数，T为温度；
步骤i，由步骤g所得的任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数和步骤h的变压器油介电常数，计算得油纸绝缘系统的频域介电谱，公式如下：
其中：εr为变压器油纸绝缘系统的介电常数，ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，T为温度，εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，X为变压器油纸绝缘系统中X值，Y为变压器油纸绝缘系统Y值，tanδ为损耗因数，ε’和ε”分别为复介电常数的实部和虚部；
步骤j，实测油纸绝缘系统的频域介电谱；
步骤k，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断变压器油电导率是否在迭代范围内，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤h；
步骤l，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断两条曲线在不同频率点下的平方差之和是否最小，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤e；
步骤m，输出油浸纸板含水率和变压器油电导率。
进一步的，实测油纸绝缘系统的频域介电谱步骤如下：
步骤j1，将变压器油和绝缘纸置于真空干燥箱72小时，然后将绝缘纸浸入变压器油中继续真空干燥36小时得到不含水的油浸纸板；
步骤j2，将步骤j1所得不含水油浸纸板取出，暴露在空气中自然吸潮6小时得到含水油浸纸板；
步骤j3，将步骤j2所得含水油浸纸板放入变压器油中并做抽真空处理得到含水油纸绝缘系统；
步骤j4，将步骤j3所得含水油纸绝缘系统放入恒温箱，并接入二电极系统；
步骤j5，将步骤j4所述二电极系统接入测试仪器，打开测试仪器，并设置频率、温度、电压参数，开始测试；
步骤j6，测试完毕，导出数据。
进一步的，通过连续真空干燥制作不含水的油浸纸板，再通过自然吸潮的方式制作含水的油纸绝缘系统，并用测试仪器配合恒温箱测试油纸绝缘系统在不同温度下的频域介电谱。
对油纸绝缘系统拟合，过程如下：
在实验室条件下用普通绝缘纸板和45#环烷基变压器矿物绝缘油制作不含水分的油浸纸板；
用试验仪器测试过程1中不含水分的油浸纸板在几个特定温度(30℃、50℃、70℃、90℃、)下的频域介电谱；
令过程1中不含水油浸纸板自然吸潮，然后结合45#环烷基变压器矿物绝缘油制作X＝50％、Y＝50％的油纸绝缘系统；
用试验仪器测试过程3中吸潮后的油纸绝缘系统在40℃、60℃、80℃下的频域介电谱；
对实体变压器拟合：
所选被测试样为型号S9-50/10，额定频率50Hz、额定容量为50kVA的三相双绕组油纸绝缘电力变压器，X＝55％、Y＝15％。
首先在室温下(25℃)用试验仪器测试实体变压器频域介电谱，再将测试所得数据代入本发明所述算法对其含水率拟合，拟合含水率为2.0％，实际含水率2.3％。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。根据本发明所述的油纸绝缘系统含水率拟合算法，可在任意已知油纸绝缘频域介电谱的基础上，通过计算得到其含水率，对油纸绝缘老化状态及含水率评估有重要意义。
Claims (3)
1.一种油纸绝缘系统含水率拟合算法，其特征在于，所述算法包括如下步骤：
步骤a，测量几个特定温度t下的无水油浸纸板的频域介电谱
步骤b，根据公式，将步骤a得到的特定温度t下的频域介电谱平移至20℃，得到主曲线，公式如下，
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其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，ft为特定温度t下的测试基础频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，t为测试时所选的特定温度，T20为参考温度。
步骤c，根据公式，将步骤b所得主曲线平移至任意温度T，得到任意温度T下无水油浸纸板的频域介电谱，公式如下，
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其中：f20为所需平移到参考温度20℃下的频率，fT为所需平移到任意温度T下的频率，W为油浸纸板的激活能量，k为玻尔兹曼常数，T为任意温度，T20为参考温度。
步骤d，考虑水的介电常数
步骤e，由水分与油浸纸板相互混合的特点得出用于描述复合介质中水分和油浸纸板两种成分所占比例的并联系数K，表达式如下，
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其中：K为并联系数，β为水分占复合介质的质量分数，ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤f，根据水分占混合介质的质量分数和体积分数的关系，得出水分占混合介质的体积分数，表达式如下，
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其中：α为水分占混合介质的体积分数，β为水分占复合介质的质量分数，ρ1为水的密度，ρ2为油浸纸板的密度；
步骤g，由步骤c所得的任意温度下无水油浸纸板的频域介电谱、步骤d中水的介电常数、步骤e中无水油浸纸板与水复合介质并联系数K和步骤f中水分占混合介质的体积分数表达式，得到任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数，表达式如下：
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其中：εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，ω为角频率，T为温度，K为无水油浸纸板和水复合介质并联系数，ε1r为水的介电常数，ε2r为无水油浸纸板的介电常数，α为水在油浸纸板中的体积分数；
步骤h，考虑变压器油介电常数，公式如下，
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其中：ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，σ(T)为变压器油在温度T时的电导率，ε0为真空介电常数，T为温度；
步骤i，由步骤g所得的任意温度T下含水油浸纸板混合介质的介电常数和步骤h的变压器油介电常数，计算得油纸绝缘系统的频域介电谱，公式如下：
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其中：εr为变压器油纸绝缘系统的介电常数，ε3为变压器油介电常数，ω为角频率，T为温度，εp为含水油浸纸板混合介质介电常数，X为变压器油纸绝缘系统中X值，Y为变压器油纸绝缘系统Y值，tanδ为损耗因数，ε’和ε”分别为复介电常数的实部和虚部；
步骤j，实测油纸绝缘系统的频域介电谱；
步骤k，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断变压器油电导率是否在迭代范围内，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤h；
步骤l，对比步骤i中计算所得的油纸绝缘系统频域介电谱和步骤j中实测的油纸绝缘系统频域介电谱，并判断两条曲线在不同频率点下的平方差之和是否最小，判断结果为“是”进行下一步，结果为“否”返回步骤e；
步骤m，输出油浸纸板含水率和变压器油电导率。
2.根据权利要求1所述的一种油纸绝缘系统含水率拟合算法，其特征在于，实测油纸绝缘系统的频域介电谱步骤如下：
步骤j1，将变压器油和绝缘纸置于真空干燥箱72小时，然后将绝缘纸浸入变压器油中继续真空干燥36小时得到不含水的油浸纸板；
步骤j2，将步骤j1所得不含水油浸纸板取出，暴露在空气中自然吸潮6小时得到含水油浸纸板；
步骤j3，将步骤j2所得含水油浸纸板放入变压器油中并做抽真空处理得到含水油纸绝缘系统；
步骤j4，将步骤j3所得含水油纸绝缘系统放入恒温箱，并接入二电极系统；
步骤j5，将步骤j4所述二电极系统接入测试仪器，打开测试仪器，并设置频率、温度、电压参数，开始测试；
步骤j6，测试完毕，导出数据。
3.一种油纸绝缘系统含水率拟合算法，其特征在于：通过连续真空干燥制作不含水的油浸纸板，再通过自然吸潮的方式制作含水的油纸绝缘系统，并用测试仪器配合恒温箱测试油纸绝缘系统在不同温度下的频域介电谱。
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