CN109164169A - 一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法 - Google Patents

一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于油品劣化检测技术领域，具体涉及一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，为了克服目前检测所存在的不足，本发明提供了一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，可在现场原位进行油品有氧老化的在线超声诊断，主要采用超声脉冲剪切波技术，采集超声在瓷套壁面与内部所充待测绝缘油形成的界面上的多次反射回波幅度和相位信息，计算对被测绝缘油复波阻抗、剪切流变参数、声速、声衰减等，再通过这些参数得到损耗因子，评估绝缘油的老化程度，本发明的方法具有多维目标性，还可检测油位，可对油品进行预评估，以减少停电取样次数，适于电力行业推广应用。

Description

一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法
技术领域
本发明属于油品劣化检测技术领域，具体涉及一种电力绝缘油劣化状态的 非介入超声诊断方法。
背景技术
充油输电装置运行过程中，因密封不严导致气体混入、吸水，或因高温氧 化、分解、共聚等产生油泥及其它化合物等杂质，均使油品老化、介电损耗升 高、绝缘性能能下降。
高压电气设备用硅油的老化在线诊断，一直是富有挑战的问题。运行中的 硅油在电、热、化学等作用下，不断地被氧化失去绝缘性能；另外电器设备因 密封不严导致绝缘油吸收空气中水分或混入杂质等也会使绝缘油老化。总之， 运行瓷套中的硅油受到氧气、湿度、高温、紫外线、强电场和杂质等外界因素 的作用，随着终端运行时间的增加，其机械性能、绝缘性能会逐渐老化，造成 终端绝缘性能降低、引起发热甚至击穿。
目前硅油老化诊断一般采用离线测量技术。通过测量硅油的表面张力、气 体含量、微水含量、击穿电压、电阻率、介质损失角正切值等对其老化程度进 行判断。比如：绝缘油中含水量越高，电阻率越低，击穿电压急剧下降，绝缘 性越差。油中含水量常用库伦法和气相色谱法测定。绝缘油因热老化分解产生 H2，CO,CO2等气体，这些气体在绝缘油溶解或游离程度很大，老化油中有相 当数量的气体，油中气体含量常用质谱仪和气相色谱法测定。
总之，目前对绝缘油老化的诊断采用的都是离线测量诊断方法，主要通过 研究其理化和电器性能老判断老化程度。该法必须在设备运行停止后，将油品 从充油装置中取出送入实验室、利用纷繁复杂的各类仪器进行分析，最大缺点 是需要各类不同用途的、复杂的专业测试设备，需要多门类专业技术人员操作、 耗时长，无法在现场条件下快速完成，但绝缘硅油老化程度之间存在较大差异， 很多电气参数稳定值存在一个范围。
发明内容
为了克服目前油品劣化检测所存在的不足，本发明提供了一种电力绝缘油 劣化状态的非介入超声诊断方法，可在现场原位进行油品有氧老化的在线超声 诊断，无需对运行装置进行拆分，无需将待测绝缘油从充油装置中取出，是一 种非介入方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其包括以下步骤：
(1)取空密闭瓷套，以瓷套外侧壁与空气形成的固-气界面作为参考界面， 将超声剪切波直探头通过耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经 瓷套壁垂直入射到固-气界面，记录声波在固-气界面上形成的多次反射回波信 号；
(2)向空密闭瓷套内充填新绝缘油，将频率为2.5-25MHz的超声剪切波 直探头用耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射 到瓷套与其内所盛新绝缘油介质形成的固-新绝缘油界面上，记录声波在该界面 形成的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化等信息进行分析， 确定出固-新绝缘油界面的反射系数r0、相位角θ0以及新绝缘油的弹性模量G'、 粘性参数G”、声速vs、声衰减系数αs以及新绝缘油的损耗因子δ0；
(3)按照步骤(2)的检测方法对填充待测绝缘油的瓷套进行检测，测试 记录声波在该界面形成的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化 等信息进行分析，确定出固-待测绝缘油界面的反射系数rx、相位角θx以及待 测绝缘油的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx以及待测绝缘油的损耗因 子δx；
(4)根据步骤(2)的相位角θ0和步骤(3)的相位角θx，通过下式确定 出新绝缘油对应的中间变量E0和待测绝缘油对应的中间变量Ex，比较新绝缘 油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系以及待 测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关 系；
并进一步确定待测绝缘油的损耗因子δx与新绝缘油的损耗因子δ0之间的 比值，以及待测绝缘油的αsxνsx与新绝缘油的αsxνsx之间的比值；
(5)根据步骤(4)的结果判断，若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新 绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与 固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，且满足：δx/δ0＝1， αsxvsx/αsvs＝1，则待测绝缘油未老化；若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝 缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固- 待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，且满足：δx/δ0≠1， αsxvsx/αsvs≠1，则待测绝缘油是轻度老化；若新绝缘油对应的中间变量E0与固- 新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系不一致，且满足：δx/δ0＞＞1 或者δx/δ0＜＜1，αsxvsx/αsvs＝1则待测绝缘油是严重劣化。
进一步限定，所述步骤(1)中声波在固-气界面上形成的多次反射回波信 号包括固/气界面的多次反射回波信号的幅度Aair,n及延迟时间信息tair,n。
进一步限定，所述步骤(3)具体是：
(3.1)将频率为2.5-25MHz的超声剪切波直探头用耦合剂耦合在瓷套外侧 壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到瓷套与其内所盛待测绝缘油介 质形成的固-待测绝缘油界面上，采集固/待测绝缘油界面的多次反射回波信号 的幅度Aoilx,n及延迟时间信息toilx,n；
(3.2)利用步骤(1)声波在固-气界面上形成的多次反射回波信号与步骤 (3.1)的固/气界面的多次反射回波信号，确定出声波在固/待测绝缘油界面的 界面反射系数rx和相位角θx；
界面反射系数相位角
n为反射回波次数；
(3.3)按照下式确定出待测绝缘油的辐射阻Z′x和辐射抗Z″x；
其中，Zs为密闭瓷套壁材声阻抗；
(3.4)根据步骤(3.3)的关系式，可得到待测绝缘油的密度ρx与弹性参 数G′x之间的乘积ρxG′x以及待测绝缘油的密度ρx与粘性参数G″x之间的乘积 ρxG″x，即
ρxG″x＝2Z′xZ″x；
(3.5)利用声速与声衰减系数的计算方法，并结合步骤(3.4)进而确定出 待测绝缘油品的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx，进而得出待测绝缘油 的损耗因子δx；
其中f为所用超声剪切波直探头的中心频率。
进一步限定，步骤(5)中新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面 的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘 油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，具体是：r0＜E0，rx＜Ex或者是 r0＞E0，rx＞Ex；新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射 系数rx之间的大小关系不一致，具体是：r0＜E0，r0＞E0或r0＜E0，r0＞E0。
进一步限定，所述电力绝缘油是硅油或变压器油。
本发明的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法主要是采用超声脉冲 剪切波技术，通过采集超声在瓷套壁面与内部所充待测绝缘油形成的界面上的 多次反射回波幅度和相位信息，根据界面回波信号的幅度、相位变化计算对被 测绝缘油复波阻抗、剪切流变参数、声速、声衰减等，再通过这些参数老化参 数得到以损耗因子，根据损耗因子对绝缘油的老化程度进行评估。与现有技术 相比，本发明的有益效果是：本发明属于非介入在线实时检测方法，无需将油 品从瓷套内取出或者设备断电，可实现原位在线检测，而且可以实时检测，快 速便捷，此外本发明的检测方法具有多维目标性，不仅能对油品老化进行评定， 还可完成油位检测，也可作为实验室定量测定方法的补充，可对油品进行预评 估，以减少停电取样次数，适于电力行业推广应用。
具体实施方式
现结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于 下述的情形。
在电力领域，绝缘硅油在不断运行、老化过程中，气体混入、吸水影响其 介电特性，更重要的是氧化分解产物等改变油品黏性，该过程还会产生CH1、 H2及CO、CO2和C2H2等气体成分，改变油品体积弹性。总之，老化过程中油 品理化特性不断在变化，这样的变化过程会引起超声在油中传播、衰减、非线 性等参数发生变化，因此可利用超声对其老化状态进行诊断及评估。
本发明的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法具体可通过以下步骤 实现：
(1)取空瓷套，以瓷套外侧壁与空气形成的固-气界面作为参考界面，将 中心频率为2.5-25MHz的超声剪切波直探头通过耦合剂耦合在瓷套外侧壁表 面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到固-气界面，记录声波在固-气界面 上形成的多次反射回波信号，对信号幅度的衰减、相位变化等信息进行分析， 确定出固/气界面的多次反射回波信号的幅度Aair,n及延迟时间信息tair,n；
(2)向空瓷套内充填新绝缘油，将频率为2.5-25MHz的超声剪切波直探 头用耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到瓷 套与其内所盛新绝缘油介质形成的固-新绝缘油界面上，记录声波在该界面形成 的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化等信息进行分析，确定 出固-新绝缘油界面的反射系数r0、相位角θ0以及新绝缘油的弹性模量G'、粘 性参数G”、声速vs、声衰减系数αs以及新绝缘油的损耗因子δ0；具体为：
(2.1)根据步骤(1)的固/气界面的多次反射回波信号的幅度Aair,n及延迟 时间信息tair,n以及固/新绝缘油界面多次反射回波信号的幅度Anew-oil,n及延迟时 间信息tnew-oil,n，计算声波在固/气、固/新绝缘油界面界面反射系数r0和相位角 θ0：
界面反射系数相位角
其中，n为反射回波次数。
(2.2)按下式计算出新绝缘油的辐射阻Z′和辐射抗Z″；
其中，Zs为密闭瓷套壁材声阻抗；
(2.3)根据新绝缘油的密度ρ0和新绝缘油的辐射阻Z′和辐射抗Z″，计算新 绝缘油的弹性模量G'和粘性参数G”；
(2.4)根据步骤(2.3)的弹性模量G'和粘性参数G”，利用下式计算出新 绝缘油的声速vs及声衰减系数αs；
(2.5)利用步骤(2.3)的弹性模量G'和粘性参数G”，计算出新绝缘油的 损耗因子δ0：
δ0＝G″/G′
将上述步骤(2.1)～(2.5)所确定的新绝缘油的各参数作为标准参数，与 待测的油品参数进行对照。
(3)按照步骤(2)的检测方法对填充待测绝缘油的瓷套进行检测，测试 记录声波在该界面形成的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化 等信息进行分析，确定出固-待测绝缘油界面的反射系数rx、相位角θx以及待 测绝缘油的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx以及待测绝缘油的损耗因 子δx；具体为：
(3.1)将频率为2.5-25MHz范围内的任意一个频段的超声剪切波直探头用 耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到瓷套与 其内所盛待测绝缘油介质形成的固-待测绝缘油界面上，采集固/待测绝缘油界 面的多次反射回波信号的幅度Aservice-oilx,n及延迟时间信息tservice-oilx,n；
(3.2)利用步骤(1)声波在固-气界面上形成的多次反射回波信号与步骤 (3.1)的固/气界面的多次反射回波信号，确定出声波在固/待测绝缘油界面的 界面反射系数rx和相位角θx；
界面反射系数rx：相位角θx：
n为反射回波次数；
(3.3)按照下式确定出待测绝缘油的辐射阻Z′x和辐射抗Z″x；
(3.4)根据步骤(3.3)的关系式，可得到待测绝缘油的密度ρx与弹性参 数G′x之间的乘积ρxG′x和及待测绝缘油的密度ρx与粘性参数G″x之间的乘积 ρxG″x，即
ρxG′x＝Z′x 2-Z″z 2；ρxG″x＝2Z′xZ″x；
(3.5)利用声速与声衰减系数的计算方法，并结合步骤(3.4)，进而确定 出待测绝缘油品的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx，
进而可以获得测油品αsxvsx乘积；
(3.6)利用kx＝αsxvvx/ω＝αsxvvx/2πf，其中f为所 用超声剪切波直探头的中心频率。
将步骤(3)的待测绝缘油参数与步骤(2)的新绝缘油标准参数进行比较， 见表1。
表1待测绝缘油品参数与标准参数比较
(4)根据步骤(2)的相位角θ0和步骤(3)的相位角θx，通过下式确定 出新绝缘油对应的中间变量E0和待测绝缘油对应的中间变量Ex，比较新绝缘 油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系以及待 测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关 系；
并进一步确定待测绝缘油的损耗因子δx与新绝缘油的损耗因子δ0之间的 比值，以及待测绝缘油的αsxνsx与新绝缘油的αsxνsx之间的比值；
(5)根据步骤(4)的结果判断，若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新 绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与 固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，r0＜E0，rx＜Ex或 r0＞E0，rx＞Ex，且满足：δx/δ0＝1，αsxvsx/αsvs＝1，则待测绝缘油未老化；若新绝 缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待 测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关 系保持一致，且满足：δx/δ0≠1，αsxvsx/αsvs≠1，则待测绝缘油是轻度老化；若 新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系 和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大 小关系不一致，r0＜E0，r0＞E0或r0＜E0，r0＞E0，且满足：δx/δ0＞＞1或者δx/δ0＜＜1， αsxvsx/αsvs＝1则待测绝缘油是严重老化，参见表2。
表2老化状态定性评价的逐级判断法
本发明的方法可用于输变电设备中绝缘油劣化诊断，但不局限于硅油，还 可以用于变压器油的劣化诊断，对于瓷套可以用于其他的密闭容器替换实现非 介入诊断，具体的诊断方法与上述方法相同。

Claims (5)

1.一种电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取空密闭瓷套，以瓷套外侧壁与空气形成的固-气界面作为参考界面，将超声剪切波直探头通过耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到固-气界面，记录声波在固-气界面上形成的多次反射回波信号；
(2)向空密闭瓷套内充填新绝缘油，将频率为2.5-25MHz的超声剪切波直探头用耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到瓷套与其内所盛新绝缘油介质形成的固-新绝缘油界面上，记录声波在该界面形成的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化等信息进行分析，确定出固-新绝缘油界面的反射系数r0、相位角θ0以及新绝缘油的弹性模量G'、粘性参数G”、声速vs、声衰减系数αs以及新绝缘油的损耗因子δ0；
(3)按照步骤(2)的检测方法对填充待测绝缘油的瓷套进行检测，测试记录声波在该界面形成的多次反射回波信号，并对信号幅度的衰减、相位变化等信息进行分析，确定出固-待测绝缘油界面的反射系数rx、相位角θx以及待测绝缘油的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx以及待测绝缘油的损耗因子δx；
(4)根据步骤(2)的相位角θ0和步骤(3)的相位角θx，通过下式确定出新绝缘油对应的中间变量E0和待测绝缘油对应的中间变量Ex，比较新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系以及待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系；
并进一步确定待测绝缘油的损耗因子δx与新绝缘油的损耗因子δ0之间的比值，以及待测绝缘油的αsxνsx与新绝缘油的αsxνsx之间的比值；
(5)根据步骤(4)的结果判断，若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，且满足：δx/δ0＝1，αsxvsx/αsvs＝1，则待测绝缘油未老化；若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，且满足：δx/δ0≠1，αsxvsx/αsvs≠1，则待测绝缘油是轻度老化；若新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系不一致，且满足：δx/δ0＞＞1或者δx/δ0＜＜1，αsxvsx/αsvs＝1则待测绝缘油是严重劣化。
2.根据权利要求1所述的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其特征在于，所述步骤(1)中声波在固-气界面上形成的多次反射回波信号包括固/气界面的多次反射回波信号的幅度Aair,n及延迟时间信息tair,n。
3.根据权利要求2所述的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其特征在于，所述步骤(3)具体是：
(3.1)将频率为2.5-25MHz的超声剪切波直探头用耦合剂耦合在瓷套外侧壁表面，探头产生的脉冲波经瓷套壁垂直入射到瓷套与其内所盛待测绝缘油介质形成的固-待测绝缘油界面上，采集固/待测绝缘油界面的多次反射回波信号的幅度Aoilx,n及延迟时间信息toilx,n；
(3.2)利用步骤(1)声波在固-气界面上形成的多次反射回波信号与步骤(3.1)的固/气界面的多次反射回波信号，确定出声波在固/待测绝缘油界面的界面反射系数rx和相位角θx；
界面反射系数相位角
n为反射回波次数；
(3.3)按照下式确定出待测绝缘油的辐射阻Z′x和辐射抗Z″x；
其中，Zs为密闭瓷套壁材声阻抗；
(3.4)根据步骤(3.3)的关系式，可得到待测绝缘油的密度ρx与弹性参数G′x之间的乘积ρxG′x和以及待测绝缘油的密度ρx与粘性参数G″x之间的乘积ρxG″x，即
ρxG″x＝2Z′xZ″x
(3.5)利用声速与声衰减系数的计算方法，并结合步骤(3.4)进而确定出待测绝缘油品的声速νsx与声衰减系数αsx的乘积αsxνsx，进而得出待测绝缘油的损耗因子δx；
kx＝αsxvvx/ω＝αsxvvx/2πf，
其中f为所用超声剪切波直探头的中心频率。
4.根据权利要求3所述的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其特征在于，步骤(5)中新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系保持一致，具体是：r0＜E0，rx＜Ex或者是r0＞E0，rx＞Ex；新绝缘油对应的中间变量E0与固-新绝缘油界面的反射系数r0之间的大小关系和待测绝缘油对应的中间变量Ex与固-待测绝缘油界面的反射系数rx之间的大小关系不一致，具体是：r0＜E0，r0＞E0或r0＜E0，r0＞E0。
5.根据权利要求1～4任一项所述的电力绝缘油劣化状态的非介入超声诊断方法，其特征在于，所述电力绝缘油是硅油或变压器油。
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