CN108872820A - 高压电流互感器内油浸纸绝缘老化状态的评估方法及系统 - Google Patents

高压电流互感器内油浸纸绝缘老化状态的评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高压电流互感器内油纸绝缘老化状态的评估方法及系统，其中的方法包括：获得不同测试温度下油纸的介电损耗因数数据；对其进行多项式方程拟合，获得频谱拟合曲线；建立符合频谱拟合曲线的斜率函数；将频谱拟合曲线代入斜率函数获取极值点；根据极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油纸的弛豫时间活化能；改变油纸的含水率，计算不同含水率下油纸的弛豫时间活化能；根据油纸的含水率、弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；根据该定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油纸绝缘介电损耗平移归算曲线；并与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油纸绝缘的老化状态。

Description

高压电流互感器内油浸纸绝缘老化状态的评估方法及系统
技术领域
本发明属于油浸纸绝缘老化状态评估领域，特别涉及一种高压电流互感器内油浸纸绝缘老化状态的评估方法及系统。
背景技术
高压电流互感器是电网完全稳定运行的重要环节，在我国北方地区，由于冬季时间漫长，室外温度较低，对高压电流互感器的考核要求较高，由于常年运行，电流互感器内部油浸纸绝缘老化明显，因此有必要对高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态进行有效评估。
目前对高压电流互感器老化评估方式较少，近年来，以介电响应技术为主导的油浸纸绝缘类高压电器状态无损检测技术得到了广泛的关注；其中，频域介电响应(FDS)由于抗干扰能力强，表征状态量多，测试电压低，不易在测试设备上造成内部电荷累积而更适用于现场测量。
在北方冬季，户外进行高压电流互感器介电响应测试时，通过频谱曲线分析其内部油浸纸绝缘老化状态、含水量等评估的准确性受到天气因素影响。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高压电流互感器内油浸纸绝缘老化状态的评估方法及系统，以解决由于天气原因，户外进行高压电流互感器介电响应测试时，通过频谱曲线分析其内部油浸纸绝缘老化状态、含水量等评估的准确性受到影响的问题。
本发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，包括以下步骤：
步骤S1：获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据；
步骤S2：对介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得介电损耗因数数据的频谱拟合曲线；
步骤S3：建立符合频谱拟合曲线的斜率函数；
步骤S4：将介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入斜率函数获取斜率函数的极值点；
步骤S5：根据斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油浸纸的弛豫时间活化能；
步骤S6：改变油浸纸的含水率，重复步骤S1至步骤S5，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能；
步骤S7：根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；
步骤S8：根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线；
步骤S9：将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
本发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估系统，包括：
数据获取模块，用于获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据；
数据拟合模块，用于对介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得介电损耗因数数据的频谱拟合曲线；
斜率函数建立模块，用于建立符合频谱拟合曲线的斜率函数；
极值点获取模块，用于将介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入斜率函数获取斜率函数的极值点；
弛豫时间活化能获取模块，用于根据斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能；
定量表征关系建立模块，用于根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；
曲线获取模块，用于根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线；
老化状态评估模块，用于将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
本发明的有益效果为：将高温下测试所得的频域介电谱平移归算至低温，可获得低温下准确老化状态的油浸纸绝缘介电谱曲线，根据与实测曲线对比，可有效评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明：
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法的流程图；
图2为本发明实施例中含水率0.17％油浸纸在不同测试温度下介质损耗数据及相应拟合曲线图；
图3为本发明实施例中含水率0.17％油浸纸在不同测试温度下频谱曲线斜率函数曲线图；
图4为本发明实施例中油浸纸活化能与含水率关系拟合曲线图；
图5为本发明实施例中含水率2.7％油浸纸不同温度下的归算曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了本发明的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法的流程。
如图1所示，本发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，包括如下步骤：
步骤S1：获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据。
在不同温度下，某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据的获取方法为：通过恒温箱保持测试环境温度不变，在不同测试温度下，通过介电响应测试仪测试得油浸纸的介质损耗因数数据。
步骤S2：对介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得介电损耗因数数据的频谱拟合曲线。
在对所述介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线的过程中，将不同测试温度下测试获得的介电损耗因数数据对数化，应用4阶多项式进行曲线拟合，获得不同测试温度下介电损耗因数的频谱拟合曲线。
通过拟合后所得的频谱拟合曲线的横坐标为对数化后的频率，频谱拟合曲线的纵坐标为对数化后的介质损耗因数。
步骤S3：建立符合频谱拟合曲线的斜率函数。
斜率函数的方程为：
其中，θ(f)为频谱曲线的斜率函数；log10tanδ为对数化后测试获得的油浸纸绝缘介电损耗因数；log10f为对数化后的测试频率；d()为函数求导符号。
步骤S4：将介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入斜率函数获取斜率函数的极值点。
极值点为介电损耗因数数据的频谱拟合曲线的极大值点或极小值点，将极值点作为特征频率点。
步骤S5：根据斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油浸纸的弛豫时间活化能。
在根据斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油浸纸的弛豫时间活化能的过程中，
在介质松弛区域，介质弛豫时间与频率关系可以通过如下式子表示：
f(T1)×τ(T1)＝f(T2)×τ(T2)＝const
其中，f(T1)表示温度为T1下的频率；f(T2)表示温度为T2下的频率；τ(T1)表示温度T1下的介质弛豫时间；τ(T2)表示温度T2下的介质弛豫时间；ΔE(τ)表示油浸纸的弛豫时间活化能；k表示玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T1、T2表示测试温度；const表示常数。
步骤S6：改变油浸纸的含水率，重复步骤S1至步骤S5，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能。
步骤S7：根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系。
根据油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系，应用指数拟合，建立油浸纸含水率与其弛豫时间活化能的定量表征方程，该定量表征方程具体如下：
ΔE(τ)＝Aexp(w/B)+C
其中，ΔE为油浸纸弛豫时间活化能；w为油浸纸含水率；A、B、C均为待定系数，通过实测数据拟合得到。
步骤S8：根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线。
根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，并结合介质弛豫时间与频率关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，所述油浸纸绝缘介电损曲线归算方程如下：
其中，fT为所需平移到T温度下的频率；f0为测试频率；T为所需平移的温度；T0为测试温度；ΔE为油浸纸弛豫时间活化能；w为油浸纸含水率；A、B、C均为待定系数，通过实测数据拟合得到。
步骤S9：将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
为了更直观地了解本发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，下面将以一个具体实施例进行说明。
在实验室条件下用普通绝缘纸和45#环烷基变压器矿物绝缘油制作油浸纸，并让纸自然吸潮，在不同水分含量(0.17％、1.0％、1.2％、2.7％、3.4％、3.6％)时进行后续试验；
用试验仪器测试上述不同含水率油浸纸在温度40℃、60℃、80℃、100℃下的频域介质损耗曲线，现选取含水率0.2％油浸纸介电损耗因数测试数据及拟合曲线如图2所示；不同温度下介电损耗因数曲线如表1所示；
表1不同温度下油浸纸含水0.2％频谱拟合曲线
表1中R2为拟合优度，反映拟合程度的好坏。根据频谱拟合曲线的斜率函数，求取频谱拟合曲线的特征频率点，频谱拟合曲线的斜率函数为：
其中，θ(f)为频谱曲线的斜率函数；log10tanδ为对数化后测试所得的油浸纸绝缘介电损耗因数；log10f为对数化后的测试频率；d()为函数求导符号。
不同温度下的斜率函数曲线如图3所示，选取曲线极小值处作为特征频率点。根据上述频谱曲线的斜率函数，可获得不同温度下频谱曲线的拐点，以极值处的频率作为归算平移曲线的特征频率点，同时结合频率与介质弛豫时间的关系可得到相应含水率下不同温度归算时油浸纸的弛豫活化能值，计算油浸纸的弛豫时间活化能，具体如下：
在介质松弛区域，弛豫时间与频率关系可以如下式表示：
f(T1)×τ(T1)＝f(T2)×τ(T2)＝const
其中，f(T1)为温度为T1下的频率，单位为Hz；，f(T2)为温度为T2下的频率，Hz；τ(T1)为温度T1下的弛豫时间，单位为s；τ(T2)为温度T2下的弛豫时间，单位为s；ΔE(τ)为油浸纸的弛豫时间活化能；k为玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T1、T2为测试温度，单位为K；const表示常数。将测试温度进行排列组合方式(T1-T2,T2-T3,T3-T4,T1-T3,T1-T4等)进行含水油浸纸弛豫时间活化能的计算，得出其弛豫时间活化能的平均值为0.72eV。
为了合理分析油浸纸中的微水含量会如何影响油浸纸内部分子的介电松弛行为，根据上述油浸纸弛豫时间活化能的计算方法，可计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能，并将不同温度下算得弛豫时间活化能的平均值作为该含水油浸纸的弛豫时间活化能。现选取含水率为0.2％、1.2％、2.0％、2.7％、3.4％、3.6％的油浸纸进行活化能计算，各油浸纸含水率与弛豫时间活化能关系如图4所示，采用指数方程拟合可得到含水率与弛豫时间活化能的关系为：
ΔE(τ)＝0.00841exp(w/0.00964)+0.70956
其中，w为油浸纸含水率。
最终得到与油浸纸含水率相关的高压电流互感器内部油浸纸绝缘介电响应曲线高低温平移归算方程：
其中，fT为所需平移到T温度下的频率，单位为Hz；f0为测试频率，单位为Hz；T为所需平移的温度，单位为K；T0为测试温度，单位为K；ΔE(τ)为油浸纸的弛豫时间活化能。
为验证上述频谱曲线频率归算方法的有效性，现选取含水率2.7％的油浸纸进行频谱曲线归算，将3组测试温度60℃、80℃、100℃测试结果归算至参考温度40℃，归算平移得到的损耗因数曲线与测试温度40℃时的测试结果曲线重合，归算结果如图5所示，因此可通过上述平移归算公式，将多组高温下测试油浸纸介电损耗曲线归算到更低温度，归算准确度高。
因此，通过高温测试所得不同老化状态、含水量的油浸纸介电谱曲线进行低温归算后，比对实际低温测试高压电流互感器的介电谱归算曲线，可得到高压电流互感器内部绝缘的老化状态。
上述内容详细说明了本发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，与上述方法相对应，本发明还提供一种高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估系统。
发明提供的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估系统，包括：
数据获取模块，用于获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据；
数据拟合模块，用于对介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得介电损耗因数数据的频谱拟合曲线；
斜率函数建立模块，用于建立符合频谱拟合曲线的斜率函数；
极值点获取模块，用于将介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入斜率函数获取斜率函数的极值点；
弛豫时间活化能获取模块，用于根据斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能；
定量表征关系建立模块，用于根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；
曲线获取模块，用于根据油浸纸的含水率与油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线；
老化状态评估模块，用于将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
本本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。根据本发明所述的一种高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，可将高温下测试油浸纸绝缘介电谱数据归算至低温，对评估低温下油浸纸绝缘设备绝缘老化状态的评估具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据；
步骤S2：对所述介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线；
步骤S3：建立符合所述频谱拟合曲线的斜率函数；
步骤S4：将所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入所述斜率函数获取所述斜率函数的极值点；
步骤S5：根据所述斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油浸纸的弛豫时间活化能；
步骤S6：改变所述油浸纸的含水率，重复步骤S1至步骤S5，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能；
步骤S7：根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；
步骤S8：根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线；
步骤S9：将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
2.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：在获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据的过程中，通过恒温箱保持测试环境温度不变，在不同测试温度下，通过介电响应测试仪测试获得所述油浸纸的介质损耗因数数据。
3.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：在对所述介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线的过程中，将不同测试温度下测试获得的介电损耗因数数据对数化，应用4阶多项式进行曲线拟合，获得不同测试温度下介电损耗因数的频谱拟合曲线。
4.根据权利要求3所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述频谱拟合曲线的横坐标为对数化后的频率，所述频谱拟合曲线的纵坐标为对数化后的介质损耗因数。
5.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述斜率函数的方程为：
其中，θ(f)为频谱曲线的斜率函数；log10tanδ为对数化后测试获得的油浸纸绝缘介电损耗因数；log10f为对数化后的测试频率；d()为函数求导符号。
6.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：将所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入所述斜率函数获取所述斜率函数的极值点之后，将所述极值点作为特征频率点。
7.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：在根据所述斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算油浸纸的弛豫时间活化能的过程中，
在介质松弛区域，介质弛豫时间与频率关系可以如下式表示：
f(T1)×τ(T1)＝f(T2)×τ(T2)＝const
其中，f(T1)表示温度为T1下的频率；f(T2)表示温度为T2下的频率；τ(T1)表示温度T1下的弛豫时间；τ(T2)表示温度T2下的弛豫时间；ΔE(τ)表示油浸纸的弛豫时间活化能；k表示玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T1、T2表示测试温度；const表示常数。
8.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：在根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系的过程中，应用指数拟合，建立油浸纸含水率与其弛豫时间活化能的定量表征方程，具体如下：
ΔE(τ)＝Aexp(w/B)+C
其中，ΔE为油浸纸弛豫时间活化能；w为油浸纸含水率；A、B、C均为待定系数，通过实测数据拟合得到。
9.根据权利要求1所述的高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，并结合介质弛豫时间与频率关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，所述油浸纸绝缘介电损曲线归算方程如下：
其中，fT为所需平移到T温度下的频率；f0为测试频率；T为所需平移的温度；T0为测试温度；ΔE为油浸纸弛豫时间活化能；w为油浸纸含水率；A、B、C均为待定系数，通过实测数据拟合得到。
10.一种高压电流互感器内部油浸纸绝缘老化状态的评估系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获得不同测试温度下某一含水率的油浸纸的介电损耗因数数据；
数据拟合模块，用于对所述介电损耗因数数据进行多项式方程拟合，获得所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线；
斜率函数建立模块，用于建立符合所述频谱拟合曲线的斜率函数；
极值点获取模块，用于将所述介电损耗因数数据的频谱拟合曲线代入所述斜率函数获取所述斜率函数的极值点；
弛豫时间活化能获取模块，用于根据所述斜率函数的极值点所在频率与介质弛豫时间的关系，计算不同含水率下油浸纸的弛豫时间活化能；
定量表征关系建立模块，用于根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化能建立两者的定量表征关系；
曲线获取模块，用于根据所述油浸纸的含水率与所述油浸纸的弛豫时间活化的定量表征关系，建立不同含水率、不同测试温度下的油浸纸绝缘介电损曲线归算方程，获得低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线；
老化状态评估模块，用于将低温下油浸纸绝缘介电损耗平移归算曲线与实测曲线进行对比，评估高压电流互感器内部油浸纸绝缘的老化状态。
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