CN109061402A - 基于fds在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法。传统利用FDS测试对水分进行评估时，容易受到环境温度、油温、散热方式等影响，同时滤油机在正常工作时，对油中水分的去除以及对变压器内部油温的改变，更是会影响变压器内部油纸水分平衡。本发明将两个FDS测试系统分别固定在变压器本体与滤油机相互连接的进、出油管道上，所述的FDS测试系统包含测试电极、测试电极测量用的油纸介质以及算法评估系统，FDS测试系统对油中水分情况进行离线和在线的监测。本发明主要用于电力变压器油纸绝缘性能的在线恢复状态监测，能定量地对变压器油纸绝缘的在线恢复效果给出判据。

Description

基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法
技术领域
本发明属于变压器油纸绝缘性能的在线恢复领域，特别是一种基于FDS 在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法。
背景技术
电力变压器在不同的工况下，变压器的绝缘油与绝缘纸内可能存在受潮、老化等现象，使得变压器内部的含水量增加。由于水分在绝缘油和绝缘纸间的暂态分布和稳态分布受到油温、环境等多方面的影响，导致单纯的利用滤油机对变压器进行滤油处理无法准确、定量判断变压器内部油纸绝缘性能的恢复效果。
对于油纸绝缘设备，利用频域介电谱(Frequency Domain Spectroscopy， FDS)对其内部的水分含量进行评估成为一种准确可靠的测试手段，该方法具有无损测量、抗干扰能力强、获取绝缘信息丰富的优点。但是目前利用FDS 对设备进行测试时，需要在设备不带电的情况进行测试，不能实现设备的在线处理。
与此同时，传统利用FDS测试对水分进行评估时，容易受到环境温度、油温、散热方式等影响，同时滤油机在正常工作时，对油中水分的去除以及对变压器内部油温的改变，更是会影响变压器内部油纸水分平衡。由于油纸间水分迁移存在迟滞性。因此，不能单纯凭借FDS对设备进行测试判断效果，必须考虑上述各种因素的影响，才能综合地定量判断变压器内油纸绝缘性能恢复效果。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，以达到利用滤油机对变压器进行油纸绝缘性能恢复时可以在线判断。
本发明采用的技术方案是：基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其将两个FDS测试系统分别固定在变压器本体与滤油机相互连接的进、出油管道上，所述的FDS测试系统包含测试电极、测试电极测量用的油纸介质以及算法评估系统，FDS测试系统对油中水分情况进行离线和在线的监测；
待滤油机和变压器处于运行状态时，将各输入参量按规定的时间节点或实时传入FDS测试系统内部，输入参量包括环境温度、变压器的负荷曲线、变压器散热方式和变压器内部油量；
通过算法评估系统得到变压器本体内的温度，根据温度变化，结合油水平衡曲线得出其水分迁移速率，计算油纸间的水分迁移量，结合两个FDS测试系统，针对水分迁移量、油量，计算其预期的滤油时间；当两个FDS测试系统的评测结果一致且均符合滤油预期要求、变压器油运行条件、且测试结果未反弹增高时，即认为滤油效果达到要求，从而达到利用滤油机FDS测试进行变压器油纸绝缘在线恢复的目的。
变压器利用滤油机进行绝缘恢复时，变压器在负载损耗及空载损耗下，导致绝缘油温度不同，使得油纸间的水分迁移速率及稳态分布不同，本发明通过计算其绝缘恢复效果并结合FDS测试系统对其进行验证，达到在滤油机工作下对绝缘恢复效果做出定量判断。
滤油机工作与FDS系统测试同步进行，从而实现对绝缘恢复效果的在线定量分析。
本发明主要用于电力变压器油纸绝缘性能的在线恢复状态监测，能定量地对变压器油纸绝缘的在线恢复效果给出判据。
作为上述技术方案的补充，所述的FDS测试系统采用法兰与进油管道或出油管道紧密连接。
作为上述技术方案的补充，所述算法评估系统采用的算法为绝缘恢复定量判断算法。
作为上述技术方案的补充，所述的绝缘恢复定量判断算法根据变压器负载损耗、空载损耗、变压器环境状态及滤油机工况，结合热量交换定律，确定最终的绝缘恢复程度。
作为上述技术方案的补充，所述的测试电极为三电极结构，包括高压电极、保护电极和测量电极。
作为上述技术方案的补充，所述的FDS测试系统还包括滤油效果判断显示装置。
作为上述技术方案的补充，所述的油纸介质为聚酰亚胺薄膜，该薄膜可以与油中水分进行快速交换并达到平衡状态。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)与传统FDS测试相比，该方法测试的是滤油机与变压器连接的进、出油管道内油纸中的水分结果，通过该测试，可以得到变压器内部整体的油纸水分平衡状态，实现了在线不断电的测量形式。
2)本发明FDS测试电极测量用的油纸介质，使用后可以更换，方便重复使用。
3)本发明所采用的绝缘恢复定量判断算法，通过考虑变压器外的环境温度、变压器的负荷曲线以及变压器的散热方式、油量等信息，可以较为准确地推算滤油机的效果，给出达到预期效果的时间。
附图说明
图1为本发明利用滤油机结合FDS测试系统对变压器绝缘恢复进行评估的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
将两个FDS测试系统分别固定在变压器本体与滤油机相互连接的进、出油管道上，所述的FDS测试系统包含测试电极、测试电极测量用的油纸介质、滤油效果判断显示装置以及算法评估系统，FDS测试系统对油中水分情况进行离线和在线的监测。所述的FDS测试系统采用法兰与进油管道或出油管道紧密连接。所述的测试电极为三电极结构，包括高压电极、保护电极和测量电极。
待滤油机和变压器处于运行状态时，将各输入参量按规定的时间节点或实时传入FDS测试系统内部，输入参量包括环境温度、变压器的负荷曲线、变压器散热方式和变压器内部油量，输出变量为：油纸设备含水量及预期剩余处理时间。
通过算法评估系统得到变压器本体内的温度，根据温度变化，结合油水平衡曲线得出其水分迁移速率，计算油纸间的水分迁移量，结合两个FDS测试系统，针对水分迁移量、油量，计算其预期的滤油时间；当两个FDS测试系统的评测结果一致且均符合滤油预期要求、变压器油运行条件、且测试结果未反弹增高时，即认为滤油效果达到要求，从而达到利用滤油机FDS测试进行变压器油纸绝缘在线恢复的目的。
所述算法评估系统采用的算法为绝缘恢复定量判断算法，绝缘恢复定量判断算法根据变压器负载损耗、空载损耗、变压器环境状态及滤油机工况，结合热量交换定律，确定最终的绝缘恢复程度。
本发明的输入变量包括变压器的负荷曲线，通过负荷曲线可以推算负荷对于变压器的热贡献。本发明根据流动方程、能量守恒，考虑到油对散热器内壁的温升，散热器内、外壁的温升，散热器外壁与空气之间的温升，辐射换热，绝缘纸上的温升，绕组表面对油的温升，滤油机对变压器的热贡献。
通过下面的算法，对滤油机工作下的变压器油纸绝缘恢复效果进行定量判断。
损耗产生的热量通过绝缘油的传递，经过变压器的散热器壁后达到外壳表面通过对流和辐射散到周围空气中，滤油机工作时，通过进出油口与变压器进行定量的热量交换。
假设变压器内油的质量为my，比热容为Cy，油的总热量为Qy，纸的质量为mz，比热容为Cz，油的总热量为Qz，单位时间内滤油机对变压器的热贡献为Q'，变压器内此时的总损耗为P，环境温度为T1，变压器外壳的质量为mb，比热容为Cb，绕组的质量为mr，比热容为Cr，则变压器的总损耗与滤油机对变压器的热贡献之和为总热量散失。即：
P+Q'＝mrCrΔτ4+mzCzΔτ3+Q+mbCbΔτ2(1)
由此便可以得出变压器在负载下，绝缘纸和绝缘油的温度。
虽然负荷在长时间内时变化的，但在某个区间内，负荷不变，此时，绝缘纸和绝缘油的温度也为定值，根据变温下水分在油纸间的平衡曲线，便可得出此时绝缘纸和绝缘油中的水分分布，再结合滤油机单位时间内的除水效果，并可以定量的变压器的油纸绝缘恢复效果进行分析判断。
绝缘恢复定量判断算法的内容如下：
根据流动方程、能量守恒可得到以下相关公式。
1)油对散热器内壁的温升
油对散热器内壁的温升Δτ1＝t1-t2，t1为油温，t2为散热器内壁温度。
式中：A0为散热器油道的当量截面积，m2；tco为散热器进出口油温差；dh为散热器油道截面的当量直径，m；v为定性温度(定性温度＝1/2(油平均温度+内壁面温度))下绝缘油的运动粘度，m2/s；Q为总传热量，W；ρ为绝缘油的密度，kg/m3；c为绝缘油的比热，J/(kg·K)；Aco为散热器的等效对流散热面积，m2；g为重力加速度(取9.8)，m2/s；λ为定性温度下绝缘油的热传导率W/(m·K)；β为定性温度下绝缘油的体膨胀系数，1/K；Pr为定性温度下绝缘油的普朗特数，油的普朗特数数量级为103。
2)散热器内、外壁的温升
根据傅里叶定律可知其温度差一般不超过1℃，可以忽略。
3)散热器外壁与空气之间的温升Δτ2
散热器外壁与空气之间的换热为对流换热和辐射换热之和。
a)对流换热温升
式中：q'为单位面积通过对流散出的热量，W/m2。
b)辐射换热
q”＝σε{(273+ta+Δτ3)4-(273-ta)4} (4)
式中：q”为单位面积通过辐射散出的热量，W/m2；σ为常数，5.67×10-8；ε为黑度，0.95；ta为环境温度，℃。
由于辐射散热量与对流散热量之和为总散热量，所以
Q＝q'×Ad+q”Af (5)
式中：Ad为对流散热面积，m2；Af为辐射散热面积，m2。
则变压器的平均油温升Δτy为Δτ1+Δτ2。
4)绝缘纸上的温升Δτ3
绝缘纸上只是一个导热过程，根据傅里叶定律
式中：λp为浸油绝缘纸的导热系数，W/(m·K)；δp为绝缘纸厚度，m；q为通过绝缘纸的单位面积的传热量，W/m2。
5)绕组表面对油的温升Δτ4
绕组表面与油的主要是对流换热
式中：H为绕组高度，m；其余参数为此定性温度下绝缘油的热物性参数。
6)滤油机对变压器的热贡献Q'
因为滤油机的进出油口流速对变压器内的油循环速率并无显著影响，因此滤油机对变压器的热贡献可以认为是定量温度的绝缘油的热量差。即单位时间内滤油机与变压器存在热量交换的油质量为mj，交换油的温差为滤油机出油口与进油口的温差Δτ5，则滤油机对变压器的热贡献为：
Q'＝mjCyΔτ5 (8)
运行中的变压器负荷是变化的，根据变压器的日负荷曲线，日负荷电流值等，可以计算出变压器的负载损耗，则总损耗其中P0为空载损耗，I为负荷电流值、Ic为额定电流值。
通过上述计算，可以得出变压器本体内的温度，根据温度变化，结合油水平衡曲线可以得出其水分迁移速率，计算油纸间的水分迁移量，结合两个FDS测试系统，针对水分迁移量、油量，计算其预期的滤油时间，当两个FDS 测试系统评测结果一致且均符合滤油预期要求、变压器油运行条件、且测试结果未反弹增高时，即可认为滤油效果达到要求，从而达到了利用滤油机FDS 测试进行变压器油纸绝缘在线恢复的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，并不能因此理解为对本发明保护范围的限制，也并非对本发明的结构作任何形式上的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于，
将两个FDS测试系统分别固定在变压器本体与滤油机相互连接的进、出油管道上，所述的FDS测试系统包含测试电极、测试电极测量用的油纸介质以及算法评估系统，FDS测试系统对油中水分情况进行离线和在线的监测；
待滤油机和变压器处于运行状态时，将各输入参量按规定的时间节点或实时传入FDS测试系统内部，输入参量包括环境温度、变压器的负荷曲线、变压器散热方式和变压器内部油量，输出变量为：油纸设备含水量及预期剩余处理时间；
通过算法评估系统得到变压器本体内的温度，根据温度变化，结合油水平衡曲线得出其水分迁移速率，计算油纸间的水分迁移量，结合两个FDS测试系统，针对水分迁移量、油量，计算其预期的滤油时间；当两个FDS测试系统的评测结果一致且均符合滤油预期要求、变压器油运行条件、且测试结果未反弹增高时，即认为滤油效果达到要求，从而达到利用滤油机FDS测试进行变压器油纸绝缘在线恢复的目的。
2.根据权利要求1所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述的FDS测试系统采用法兰与进油管道或出油管道紧密连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述算法评估系统采用的算法为绝缘恢复定量判断算法。
4.根据权利要求3所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述的绝缘恢复定量判断算法根据变压器负载损耗、空载损耗、变压器环境状态及滤油机工况，结合热量交换定律，确定最终的绝缘恢复程度。
5.根据权利要求1或2所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述的测试电极为三电极结构，包括高压电极、保护电极和测量电极。
6.根据权利要求1或2所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述的FDS测试系统还包括滤油效果判断显示装置。
7.根据权利要求1或2所述的基于FDS在线测试的变压器油纸绝缘性能带电恢复方法，其特征在于：所述的油纸介质为聚酰亚胺薄膜。
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