CN109844469B - 用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法，包括以下步骤：a)执行变压器油的声阻抗测量，其中在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或完全地布置在变压器油中且适于振动自身和/或传输振动至变压器油的介质的阻抗；b)基于步骤a)中执行的确定而计算用于频带的谐振器品质因数；c)基于步骤b)中执行的计算而计算变压器油的声学失衡；以及d)基于步骤c)中执行的计算而确定变压器油的击穿电压。本发明还涉及用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的装置(100，200)。

Description

用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法和装置
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序的用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法和装置。
背景技术
高压技术的装置，如变压器、电容器、消弧线圈和/或开关，从现有技术已知并且特别地但绝不是排他地用于保证持续电能供应。在这些装置中，变压器属于电能供应中的最重要也是最昂贵的设备。为了确保电能的持续且无故障的供应以及为了避免经济损失，重要的是及时检测在变压器的操作中潜在地发生且可能导致中断的故障以能够启动用于改正的适当措施。
通常，液体绝缘材料和固体绝缘材料的组合被用作变压器中的绝缘物质。例如，但不排他地，固体绝缘物质是纤维素纸和/或纤维板。液体绝缘物质(变压器油)甚至在高温下是稳定的并且用于变压器的绝缘、火花抑制、润滑和/或冷却。特别地，在这种液体填充的变压器中，固体和/或液体绝缘物质中的缺陷几乎完全是由于变压器油中溶解的气体的形成以及由于产生的水含量的增加。气体的形成的一个原因是固体和/或液体绝缘材料的分解，这可以(例如)由部分放电和循环电流、因短路产生的局部过热、高过渡电阻、强涡电流以及由电弧放电和/或电弧作用而导致。电能和/或热能输入导致长链油分子的破坏，这特别地产生氢和轻质烃化合物。另外，纤维素的分解产生一氧化碳和二氧化碳，这可以取决于产生的气体的量而以溶解的和/或未溶解的形式发生。因此，也可以产生水分子，这导致油中不期望的水分含量。
变压器油中包含的水也是有问题的，因为水进入固体绝缘物质，如纤维素纸和/或纤维板，并且将其中包含的酸从产品中冲洗出进入变压器油。这将附加应变施加到变压器上，所述应变对于各种理由，如白天相关的温度波动(例如，白天和黑夜之间)，是交替强或弱的。
因此，为了保持功能和/或为了保证持续电能供应，重要的是确定和/或监控变压器油的击穿电压。因此，不意外的是从现有技术已知用于确定变压器油的击穿电压的大量不同方法和装置，其确定变压器油中溶解的气体和/或水含量，因为已知两者对击穿电压具有实质影响且因此间接影响变压器的寿命和/或利用时间。对于此的理由是变压器中的水导致固体绝缘物质的水解作用并因此导致其聚合度的降低。然而，所有这些方法和装置具有以下缺点：需要采样，并且不持久地也非在线地确定和/或监控变压器油的击穿电压。也不可能以此方式检测变压器的负载峰值。另一个问题是变压器油是高度吸湿的，这意味着采样自身将使测量值失真。
因此，非常需要用于确定和/或监控变压器油的击穿电压并因此间接地用于确定和/或监控高压技术的装置的击穿电压的方法和装置，通过其，保证击穿电压的快速、可靠和足够精确的确定和/或监控，从而避免不必要且昂贵的油改变并且同时保证持续的电能供应。而且，方法和装置应该是在实施方面成本有效的、作业可靠的、并且适于持久的确定和/或监控。因此，本发明的目的是提供一种用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法和装置，以便克服上述挑战，并且尤其是，避免过早的和/或不必要的油改变，以及理想地计划油再生和/或维护和/或修复相关的作业以将装置的停机时间及产生的成本减少至最低。
发明内容
本目的以意外简单但有效的方式通过根据独立主权利要求的教导的用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法及对应的装置实现。
本发明提出一种用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法，包括以下步骤：
a)执行变压器油的声阻抗测量，在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或全部地布置在变压器油中且能够自然振动和/或传输振动至变压器油的介质的阻抗；
b)基于步骤a)中执行的确定而计算用于频带的谐振器品质因数；
c)基于步骤b)中执行的计算而计算变压器油的声学失衡；以及
d)基于步骤c)中执行的计算而确认变压器油的击穿电压。
根据本发明的方法基于以下思想：多个物理关系的组合可以应用于可以在线执行的变压器油的击穿电压的足够精确的确定和/或监控。例如，一方面已经发现：变压器的击穿电压是变压器油的水含量和总酸值的函数。此外，已经发现：变压器油的声学失衡是变压器油的粘度的函数，粘度和油中的界面张力是相互依赖的参数。而且，已经发现：界面张力是变压器油的水含量和总酸值的函数。根据本发明已经发现：变压器油的击穿电压是变压器油的声学失衡的函数，不同物理参数的一个或其他相依性是可忽略的和/或当执行根据本发明的方法时导致容许误差。
因此，关于本发明已经发现：执行变压器油的声阻抗测量、计算谐振器品质因数和计算变压器油的声学失衡的组合是足够的，以便以适当精确的方式确定变压器油的击穿电压。
术语“用于确定和/或监控击穿电压的方法”指的是用于一次性或重复地确认变压器油的击穿电压的方法。优选地，本方法基于确认变压器油的击穿电压的改变，优选地，改进或恶化。更优选地，所述改变是随时间确认的，优选地，在利用时间、服务寿命和/或停机时间上确认的。进一步优选地，以定期的或不定期的间隔或持久地确定变压器油的击穿电压以能够快速检测击穿电压的改变。这是特别重要的，因为变压器油不是静态系统。另外，可以跟踪变压器油的击穿电压的改变进展或减速的条件和/或影响。而且，可以识别所述改变的发展和/或原因，允许即将来临的维护间隔和/或即将来临的变压器油改变或对应变压器油再生的理想计划和/或预测。在这方面，根据本发明的方法可以包括在明确列出的必要步骤a)-d)之后或之间发生的附加步骤。优选地，方法可以是自动的。
术语“确定变压器油的击穿电压”指的是确认变压器油的当前击穿电压。优选地，半定量地，定量地，直接地和/或间接地执行确定。例如，可以通过确认变压器油的击穿电压间接地确认变压器的状态。
术语“监控击穿电压”指的是变压器油的确认的击穿电压的跟踪和/或预测。例如，但不排他地，可以数值地和/或图表地显示监控。为了增加监控的精确性，优选地，以定期或不定期的间隔或持久地进行监控。较长监控的优点是大幅地改进变压器油的击穿电压的预测。
本领域的技术人员理解，确定和/或监控通常不是百分之百正确的。因此，关于击穿电压的确认和确认的击穿电压的跟踪和/或预测的精确性，术语涉及统计上显著的概率。技术人员可以通过专业领域已知的方法确定这种确定和/或监控是否是统计上显著的，而不考虑创造性步骤。例如，将提及统计评估工具，如置信区间的确定、p值、学生t-检验、曼-惠特尼检验等。对应的区间是至少90％、至少95％、至少97％、至少98％、或至少99％正确的。p值优选是0.1、0.05、0.01、0.005、或0.0001。关于本发明，击穿电压的确定和/或监控是至少80％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％、至少99.5％、或至少100％正确的。
术语“击穿电压”(简称为BDV)指的是最大可以存在而不导致电击穿、电弧和/或电弧作用及相关的中断和缺点的变压器油的电场强度。击穿电压取决于不同的因素。例如，优选地，击穿电压可以图表地和/或以符合当前DIN标准(如DIN EN 60243-1:2012-05)的绝对值的形式显示。
根据本发明的方法包括步骤a)：执行变压器油的声阻抗测量，在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或全部地布置在变压器油中且能够自然振动和/或传输振动至变压器油的介质的阻抗。
术语“声阻抗测量”指的是通过从部分地或全部地布置在变压器油中且能够自然振动和/或传输振动至变压器油的介质(如，谐振器、谐振体、谐振腔或转换器)的谐振行为在超声频率范围(20kHz到1GHz)内的改变得出结论的流体的声学检验。改变是基于流体中包含的分子与所述介质的弹性波和/或振动之间的相互作用。技术人员理解，校准所有成分的相互作用。以此方式，可以使用声阻抗测量以检验流体的成分并得出关于流体的成分的结论。优选地，关于本发明的待检验的流体是变压器油。
关于本发明，已经发现：当弹性波通过变压器油传播和/或在变压器油中布置对应的介质(其中分子平衡盛行)时，平衡取决于振动和/或波的频率的作用。实质方面是振动和/或弹性波的周期比平衡位置中的改变的弛豫时间长的多，这随后被波和/或被振动干扰。另一方面，如果波和/或振动的周期比弛豫时间短的多，波和/或振动将不会打扰平衡。因此，平衡保持不被干扰。如果周期与弛豫时间相近，将发生传播速度的改变以及弹性波和/或振动的吸收系数的改变。例如，但不排他地，可以从改变的测量(可以是周期时间、频率偏移和/或阻尼)确定平衡的弛豫时间和速度常数。
优选地，声阻抗测量涉及超声频率，更优选地，涉及75kHz到750kHz的频率。进一步优选地，在至少一个频带中执行声阻抗测量。更优选地，在两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、或更多个频带中执行声阻抗测量，其中已经发现关于本发明的实质方面是，每个频带具有限定频率宽度，更优选地，在限定频率范围内。因此，可理解的是，每个频带具有相同的频率宽度。
在另一步骤中，基于先前执行的确定而计算用于频带的谐振器品质因数。术语“谐振器品质因数”(简称Q因数)是描述能够自然振动和/或传输振动至变压器油的介质的欠阻尼度的无量纲参数并因此表征其相对于它的中心频率的带宽。
另外，关于本发明已经发现，对于小阻尼值α(高阻抗值)，可以确定特定幅度的半功率带宽HPB或“3dB带宽”Δf与最大宽度的频率fn之间的关系，如从现有技术已知的。在这方面，应用以下公式(1)：
Figure BDA0001993604170000041
其中，
α是阻尼值，
Δf是幅度的宽度，
fn是最大宽度的频率，以及
Q是谐振器品质因数。
优选地，从公式(1)可见，可以通过液体阻尼实现理想谐振器的谐振器品质因数Q。真实谐振系统Qreal的谐振器品质因数Q与谐振系统中的总能量损耗成反比，总能量损耗指的是所有类型的能量损耗的份额，如液体阻尼和来自射束发散、散射、摩擦效应、表面处的不完全反射和/或耦合损耗的额外损耗。
进一步优选地，根据公式(2)计算谐振器品质因数：
Figure BDA0001993604170000051
其中，
Qn是频带的谐振器品质因数，
f0是最大幅度的频率，以及
Δf是限定的谐振宽度，以Hz为单位。
此外，基于先前执行的谐振器品质因数的计算而计算变压器油的声学失衡(简称为AcDis)。优选地，根据公式(3)计算声学失衡：
ACDis＝a+b*Qn
其中，
AcDis是声学失衡，
a是经验可确定的常数或校准值，
b是经验可确定的常数或校准值，以及
Qn是用于频带的谐振器品质因数。
技术人员理解，校准值a和b取决于能够自然振动和/或传输振动至变压器油的介质，如谐振器和/或使用的压电材料，意味着他们在校准过程之前不是确定的。执行校准的方式一般是可选的并且受技术人员的专业知识的支配。
根据本发明，已经发现变压器油的击穿电压是变压器油的声学失衡的函数，不同物理参数的一个或其他相依性是可忽略的和/或当执行根据本发明的方法时导致容许误差。因此，可以基于先前执行的声学失衡的计算来确认变压器油的击穿电压。
关于本发明，优选地，利用计算机的帮助来执行确定、计算和/或确认。对于这些步骤(如步骤a)、b)、c)和/或d))的计算机辅助执行，可想到技术人员已知的所有方式，如计算机和/或计算机程序。计算机程序可以额外地评估对应的结果，例如，自动地提供值的评价。此外，例如可想到，通过评价单元、分析单元和/或评估单元支持步骤a)、b)、c)和/或d)。优选地，还可以在比较中考虑连续值，允许基于所述比较预测击穿电压作为时间的函数将如何改变。因此，可想到，连续值中的小且无关紧要的改变、大且重要的改变、和/或无改变指示变压器的特定击穿电压。优选地，连续值中的改变可以是所述值的改进和/或恶化。在此上下文中，可想到，比较的结果可以作为时间的指示被输出，例如以年、月、日、小时和/或分钟为单位，作为绝对值和/或相对值。
本文所使用的术语“比较”指的是对应参数和/或值的比较。例如，可想到，彼此比较绝对值。同样适用于相对值和/或强度信号。还可想到基于参考变压器油的经验确认模型执行比较。
术语“变压器油”指的是高温下稳定且用于高压技术的装置(如变压器、电容器和/或开关)的绝缘、火花抑制、润滑和/或冷却的液体绝缘材料。例如，但不排他地，液体绝缘材料是高度精炼矿物油、天然气合成油(GTL)、低粘度硅油、天然油、植物油、有机合成酯、如饱和季戊四醇四脂肪酸酯、和/或氨基酸化合物。
因此，通过根据本发明的方法，可以简单地、快速地且可靠地确定和/或监控变压器油的击穿电压，以便例如做出关于对应的高压技术的装置的击穿电压的评价。可以在运行装置中，即在线地，执行此确定和/或监控。有利地，以可以完全省略具有其已知缺点的采样的方式设计本方法。以此方式，可以避免过早的和/或不必要且昂贵的油改变，并且同时始终保证连续的电能供应。另外，可以理想地计划维护、再生和/或修复所需的装置的停机时间，以便避免不必要的停机时间和/或成本。
在独立权利要求中说明可以独立地或组合地实现的本发明的有利实施例。
可想到，本发明的实施例包括步骤c)之后的附加步骤c1)：
c1)寄存变压器油的至少一个特征物理性能的至少一个值。
关于本发明，进一步发现，尽管关于变压器油的声学失衡的个别信息足以确认足够精度的击穿电压，还已经发现在所述确认中寄存和使用变压器油的至少一个特征物理性能的至少一个值以便固定“变换点”。特别地发现，如果变压器油的声学失衡沿二维函数(即，由总酸值和水含量组成的曲线)的轴“滑动”，仅至少一个特征物理性能的至少一个值促使函数的行为趋向于击穿电压的改进的、足够精确的确认。因此，可理解的是，基于计算的声学失衡且基于寄存的至少一个特征性能的至少一个值确认变压器油的击穿电压，其中规则适用于步骤d)中的确认的精确性随寄存的值的数量的增长而增大。
术语“特征物理性能”指的是变压器油独有的并且从其可以直接或间接地得出变压器油的击穿电压或变压器的状态的物理性能。优选地，所述性能随着变压器油的老化过程而改变，改变优选地是改进或恶化。这种变压器油的特征物理性能(如至少一种流体的密度、颜色、折射率、温度、水溶度、水含量、界面张力、粘度、相对和/或绝对湿度或饱和度、损耗因数、酸值、电常数、电导率、和/或浓度)及其寄存、确定和/或计算对于本领域技术人员是已知的。另外，可想到在此未列出的其他性能，如频带的谐振器品质因数和/或变压器油的声学失衡。
可想到，寄存相同特征物理性能的2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个值。优选地，可想到，使用所述值的平均值。可选地，还可想到，寄存不同特征物理性能的2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个值。必须寄存的变压器油的不同特征性能的数量受技术人员的评价的支配。这是因为物理性能取决于不同因素和/或可以由不同因素影响，不同因素的附加寄存增加确定和/或监控的进一步改进。
在本发明的实施例的替换例中，可想到，在步骤c1)中寄存变压器油的温度的至少一个值。
可以以有利地简单、快速且可靠的方式实现温度的寄存。因此，可理解，基于计算的声学失衡且基于温度的至少一个寄存值来确认变压器油的击穿电压。
在本发明的实施例的又一替换例中，可想到，方法包括步骤c1)之后的附加步骤c2)：
c2)计算变压器油中的水含量和/或相对饱和度。
关于本发明，额外发现，为了固定“变换点”，寄存变压器油的特征性能的附加值是有帮助的。这是因为，如果声学失衡对角地移动，即，沿二维函数(即，由总酸值和水含量组成的曲线)的两个轴移动，变压器油改变，从而难以确认变压器油的击穿电压。因此，已经发现，通过直接计算水含量和/或相对饱和度，可以再一次大幅地改进确认击穿电压。因此，优选地，在附加步骤c2)中计算变压器油中的水含量和/或相对饱和度。
此外，优选地，在这方面可想到，首先计算矿物油中的水的溶解度。溶解度被定义为在特定温度下可以溶解在矿物油中的水的总量。优选地，通过公式(4)计算水的溶解度：
Figure BDA0001993604170000071
其中，
S0是矿物油中水的溶解度，以及
K是开尔文温度(℃+273)。
进一步优选地，在这方面可想到，接下来计算变压器油的相对饱和度。根据本发明，已经发现，计算相对饱和度对于击穿电压的快速确认是足够的。相对饱和度被定义为变压器油中测量的水的实际量相对于该温度下的溶解度。以百分比表示的相对饱和度是油中的水含量相对于溶解度或油在测量温度下可以吸收的水含量，优选地，根据公式(5)计算：
Figure BDA0001993604170000072
其中，
RS是相对饱和度，
WC是水含量，以ppm为单位，以及
S0是矿物油中水的溶解度，以ppm为单位。
关于本发明，已经发现，在公式(5)的帮助下，可以基于相对饱和度和/或特定温度直接达成计算水含量比率，这导致改进的击穿电压的确认。优选地，通过公式(6)计算水含量：
Figure BDA0001993604170000081
其中，
WC是水含量，以ppm为单位，
RS是相对饱和度，
S0是矿物油中水的溶解度，以ppm为单位，
K是开尔文温度(℃+273)。
因此，可理解，基于计算的声学失衡、寄存的至少一个特征性能(如温度)的至少一个值、以及计算的水含量，或基于计算的声学失衡和计算的水含量而忽略温度，来确认变压器油的击穿电压。
在另一配置中，可想到，在步骤a)中，在各自具有75kHz的限定频率宽度的四个频带中确定阻抗。例如，但不排他地，这种配置允许在各自具有75kHz的限定频率宽度的四个频带中，如在75kHz到750kHz的限定频率范围中，如以频带1(125kHz到200kHz)、频带2(225kHz到300kHz)、频带3(325kHz到400kHz)和频带4(525kHz到600kHz)的方式执行声谱学。优选地，在对应于每频带75kHz的限定频率宽度的频率处执行新的测量。
在本发明的另一实施例中，可想到，方法附加地包括步骤：
e)显示步骤d)中执行的确认。
这种配置允许数值地和/或图表地显示变压器油的击穿电压，以便以此方式实现更容易地理解步骤d)中的确认。技术人员知晓用于显示值的输出的适当方式。可以通过输出单元支持步骤e)。
假设上面提及的术语的定义和/或解释适于本说明书中稍后描述的所有方面，除非另有指示。
此外，根据本发明，提出一种用于根据方法权利要求的任一个确定和/或监控变压器油的击穿电压的装置，所述装置包括：
a)第一介质，用于执行变压器油的声阻抗测量，其中在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或全部地布置在变压器油中且能够自然振动或传输振动至变压器油的第一介质的阻抗；以及
b)至少一个分析和/或评估单元，用于计算频带的谐振器品质因数，用于计算变压器油的声学失衡，以及用于确认变压器油的击穿电压。
优选地，根据本发明的装置是自学习的和/或自校准的，以便可以实现变压器油的击穿电压的最佳可能的确定和/或监控。
术语“第一介质”指的是部分地或全部地布置在变压器油中且能够自然振动和/或传输振动至变压器油的本领域技术人员已知的任何介质。应理解，第一介质的自然频率的至少一个在超声频率范围中，优选地，在频带的范围中。优选地，第一介质是谐振器、谐振体、谐振腔、或变换器，如声音变换器。更优选地，谐振器是振荡、压电和/或镀铝谐振器。镀铝压电谐振器具有以下优点：其可以用于关于平移和振动自由度之间的能量转换的超声驰豫方法用于测量声学失衡的类型和直接用于计算水/总酸平衡。进一步优选地，声音变换器是机械、电、磁、和/或压电声音变换器。
术语“分析和/或评估单元”指的是能够评估、计算、比较和/或确认频带的谐振器品质因数、变压器油的声学失衡、至少一个特征性能的至少一个值、和/或变压器的击穿电压的单元。本领域技术人员已知适当的分析和/或评估单元，如计算机和/或计算机程序。计算机程序可以附加地评价比较的结果。应理解，装置可以包括多于一个分析和/或评估单元。
根据本发明的装置具有以下优点：其展示足够精确地灵敏度用于在运行期间(即在线地)确定和/或监控变压器油的击穿电压，同时足够鲁棒以承受长期工作的变压器的每日条件。
在从属权利要求中说明可以独立地或组合地实现的本发明的有利实施例。
在本发明的实施例中，可想到，装置包括用于寄存变压器油的至少一个特征物理性能的至少一个值的第二介质。
术语“第二介质”指的是能够寄存变压器油的至少一个特征物理性能在至少一个时间点处的至少一个值(如至少一种流体的密度、颜色、折射率、温度、水溶度、水含量、界面张力、粘度、相对和/或绝对湿度或饱和度、损耗因数、酸值、电常数、电导率、和/或浓度)的本领域技术人员已知的介质。并且，可想到在此未列出的其他性能。优选地，同时寄存时间点。优选地，第二介质是传感器，如压力、湿度和/或温度传感器。
在本发明的又一实施例中，可想到，装置包括用于显示通过分析和/或评估单元执行的确认的输出单元。
术语“输出单元”指的是能够显示评估的、计算的、比较的和/或确认的值、结果、和/或变压器油的击穿电压的单元。这种配置允许值、结果和/或变压器油的击穿电压被数值地和/或图表地显示，以便以此方式实现步骤b)中的确认的更容易理解。本领域技术人员知晓用于显示的适当输出单元。
在本发明的另一实施例中，可想到，第一介质、第二介质、分析和/或评估单元、和/或输出单元布置在一个组件中。这种配置提供以下优点：装置是紧凑的且易于操纵和易于运输。
在本实施例的替换配置中，可想到，组件是测量室、棍、和/或适配器。这种配置提供以下优点：装置可被容易、快速且可靠地连接至高压技术的装置，如变压器。进一步优选地，装置被直接连接，如通过电缆或通过适配器。
在另一配置中，可想到，装置包括加热装置。这种配置具有以下优点：在执行第一测量之前可以加热装置，从而保证装置中的介质总是干的。这帮助显著地改进测量值，因为失真通常是由于介质被水分穿透。本领域技术人员熟知这种加热装置，如加热线圈和/或帕尔贴元件。
此外，根据本发明，提出一种高压技术的装置，特别地，变压器、电容器、消弧线圈、和/或开关，包括变压器油和用于将其连接至根据前述权利要求中任一项所述的装置的构件，连接是直接连接。
术语“直接连接”指的是构件至装置的任何直接连接。例如，但不排他地，可以通过构件上的凹处和/或突出以及对应配置的装置实现这种连接。此外，可想到，直接连接是USB、TCP/IP、或MODBUS连接或任何其他有线或无线连接。这种配置允许用于确定变压器油的击穿电压的装置与高压技术的装置的简单、快速且可靠的连接，从而以快速、可靠且适当精确的方式确定和/或监控其状态。
附图说明
本发明的细节、特征和优点从下面结合从属权利要求的优选实施例的描述变得明显。可以独立地实现各个特征或彼此组合地实现多个特征。本发明不限于实施例。在附图中示意性示出实施例。个别附图中的相同附图标记指示相同元件或相同或相互对应功能的元件。
图1示出具有防护罩的根据本发明的装置的第一实施例的轴测图；
图2示出不具有防护罩的根据本发明的装置的第一实施例的另一轴测图；
图3示出不具有防护罩的根据本发明的装置的第一实施例的爆炸图；
图4示出具有不同附接部分(图4a和4b)的根据本发明的装置的第一实施例的传感器部分的轴测图；
图5示出根据本发明的装置的第二实施例的轴测图；
图6示出根据本发明的装置的第二实施例的传感器部分的轴测图；
图7示出根据本发明的装置的第二实施例的传感器部分的另一轴测图；
图8示出变压器油的击穿电压的确定的示例性计算的矩阵图形；
图9示出用于多个检验的变压器油的击穿电压的计算的回归树；
图10示出多个检验的变压器油样本的总酸值(TAN)和水含量(Wc)的二维函数；
图11示出与变压器油接触的镀铝压电谐振器的谱密度函数；以及
图12示出基于特定水含量值和声学失衡值的击穿电压(指数缩放的用于计算的值)的多项式近似。
具体实施方式
图1示出用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的根据本发明的装置100的第一实施例的轴测图，装置100以棍100的形式实现。如图1中清楚可见的，棍100具有设有防护罩111的传感器部分110。另外，在棍100上设置用于棍100至变压器的安全附接的附接部分120，所述附接部分120以1.5英寸管螺纹的形式实现。棍100的壳体150保护电子器件，特别地，防止不期望的电和/或电磁效应，以及用作绝缘和用作通信装置，并且可由任何合适的材料制成。优选地，壳体105由保证电磁兼容性的金属材料制成。
在图2中，示出用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的根据本发明的装置100的第一实施例的替换配置，其也以棍100的形式实现。如图2中清楚可见的，棍100具有包括谐振腔112的传感器部分110。谐振腔112是可见的，因为在第一实施例的替换配置中示出没有防护罩。此外，棍100具有用于棍100至变压器的安全附接的附接部分120，在此替换例中，所述附接部分120例如实现为1.0英寸管螺纹。同样，包括壳体150。
图3示出如图2中所示的根据本发明的装置100的第一实施例的替换配置的爆炸图，图3示出装置100的内部结构。如清楚可见的，装置100的关键和灵敏组件被配置和壳体元件150、151和152之间的鲁棒和复杂相互作用覆盖和保护。这个棍100还具有传感器部分110和谐振腔112，这是可见的，因为未示出防护罩。此外，包括声学变换器113和附接部分120，如也在图2中所示的，附接部分120例如以1.0英寸管螺纹的形式实现。
此外，图3中清楚可见的是，湿度和/或温度传感器114以及谐振器被容纳在谐振腔112和声学变换器113中。另外，包括对应的电子器件115。电子器件115被绝缘件152围绕，绝缘件152例如由塑料制成。壳体150额外包括多个绝缘元件152，多个绝缘元件152例如可以由塑料制成。此外，包括多个垫圈151和电缆连接器153，以便使能与棍100的传感器电子器件115的连接，例如通过Modbus。
在图4中，示出根据本发明的装置100的传感器部分110的第一实施例的替换配置。如图4a和图4b中清楚可见的，传感器部分110包括多个电容器极板116，多个电容器极板116是介电传感器的部分。此外，包括湿度和/或温度传感器114和具有谐振腔的声学变换器113。固位元件117可以是绝缘的并且例如可以由塑料制成。图4a另外示出附接部分120，附接部分120例如以1.5英寸管螺纹的形式实现，如图1中。
图5示出用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的根据本发明的装置200的第二实施例，所述装置200以测量室200的形式实现。如图5中清楚可见的，测量室200具有多个传感器部分。例如，在一个传感器部分中布置密度和/或粘度传感器211和/或光学传感器212。在另一个传感器部分中，布置声学传感器213，此外布置介电传感器216以及湿度和/或温度传感器214。而且，测量室200具有壳体250。
在图6和图7中，详细地示出如图5中所示的测量室的传感器部分210的一个。如图6和图7中清楚可见的，包括固位元件217，其是绝缘的，并且可以例如由塑料制成。另外，在两个图中，电容器极板215(被实现为由同心管制成的圆柱电容器)是可见的，所述电容器极板215是介电传感器的一部分。在图7中，湿度和/或温度传感器214也是可见的。此外，在图6和图7中，用作图5的测量室的绝缘件的壳体250以及用于与其的连接的电缆套管251是可见的。
图8示出用于基于由相对饱和度(RS)和声学失衡(AcDis)组成的二维函数确定变压器油的击穿电压(BDV)的计算示例的矩阵图形的形式的图解说明。矩阵中示出的等角多角形各自对应于5[kV]。
在二维函数的第一阶段中，计算函数bdvL(RS,AcDis)，其取决于主函数h(x)。在这方面，适用以下公式(1)：
Figure BDA0001993604170000121
其中，
h是主函数，以及
x是变元值。
根据公式(1)，主函数具有不同变元。如果变元值是x≥0，函数将应用该值。如果变元值是x<0，值是0且删除项。
基于公式(1)，下面在公式(2)中示出击穿电压(BDV)的确定的计算示例。公式(2)为：
bdvL(RS,AcDis)＝-0.10-
0.23h(0.096885-log10(RS))-
96.79h(log10(RS)-0.986885)-
9.38h(log10(RS)-1.03756)-
19.27h(log10(RS)-1.43403)+
30.27h(log10(RS)-1.51121)+
0.21h(-0.987312-log10(AcDis))+
67.11h(log10(AcDis)+0.987312)-
169.59h(log10(RS)–0.986885)*h(log10(AcDis)+
1.44532)+
169.36h(log10(RS)-0.986885*h(-1.44532–
log10(AcDis))-
119.70h(log10(RS)–0.986885)*h(log10(AcDis)+
0.996463)+
179.58h(log10(RS)–0.986885*h(log10(AcDis)+
1.99022)+
0.02h(1.04391–log10(RS))*h(-0.987312–
log10(AcDis))+
13.10h(log10(RS)–1.04391)*h(-0.987312–
log10(AcDis))+
11.55h(log10(RS)–1.43403)*h(log10(AcDis)+
2.00147
其中，
bdvL是击穿电压的非标准化中间值，
h是具有变元值x的主函数，
其中，
x＝RS是相对饱和度，以及
x＝AcDis是声学失衡。
在二维函数的第二阶段中，根据当前标准DIN EN 60243-1:2012-05(参见“Electrical strength of insulating materials–Test methods–Part 1:Tests atpower frequencies”(IEC112/199/CDV:2011))对通过公式(2)计算的值bdvL进行标准化。根据公式(3)进行标准化：
Figure BDA0001993604170000141
其中，
bdvL是击穿电压的非标准化中间值，以及
BDV是击穿电压。
可以在已知的标准工作Friedman(1991)Multivariate Adaptive RegressionSplines(具有讨论)Annals of Statistics 19/1,1-141,(https:// statisctics.stanford.edu/research/multivariate-Adaptive-regression-splines)中找到更多信息。
图9示出方法和装置的综述。通过所述综述，可以示出，为了实现击穿电压(BDV)的大幅改进的确认，需要测量所描述的参数的不超过两个，因为检验的变压器油样本中的水含量(WC)、总酸值(TAN)和击穿电压之间具有密切相关性。通过评估来自多于900个变压器的多于3800个实验室样本，图9中示出的回归树可被绘制用于击穿电压，树示出关于BDV值具有小于10％的误差率的计算出的BDV值。因此，根据本发明的确认甚至优于来自使用标准BDV实验室设备执行的根据IEC 60243-1的方法的结果，所述方法具有高达20％的误差率。也就是说，通过根据本发明的方法和装置，可以非常好地计算击穿电压，并且因此以足够的精度确定击穿电压。在图9中，字段中的上面数字(例如，66.3)是以[kV]为单位的BDV值，下面数字是对应的样本数目，n＝3865。规则(例如，WC>＝9.5[ppm])示出用于过渡至决策层次中的下一阶段的决策的条件。图9中的单位是BDV[kV],WC[ppm],TAN[mg/kg；KOH]。
图10示出由多个检验的变压器油样本的总酸值(以mg/kg为单位的TAN；KOH)和水含量(以ppm为单位的WC)组成的二维函数。在图10中，特别地示出最感兴趣的WC/TAN范围，其中积累所有检验的样本的几乎75％。
图11示出谱密度函数，这示出与变压器油接触的镀铝压电谐振器的不同行为。振荡范围在75kHz到750kHz之间。这个阻抗曲线示出当计算声学失衡(AcDis)时考虑的五个清晰区。
图12示出基于关于所有实验室样本的击穿电压(BDV)、水含量(Wc)、温度(TEMP)、相对饱和度(RS)、总酸值(TAN)、界面张力(IFT)及声学失衡(AcDis)的测量的实验室和传感器数据的BDV的多项式近似，BDV数据已经首先被标准化并被作为指数应用至调整的MATLABTM回归函数以便达到基于特定Wc和AcDis值的BDV的经验确认的模型。图12中的残留误差在2.5％的余裕内。
根据本发明，根据公式(6)从TEMP和RS数据计算Wc数据。这产生用于BDV计算的以下矩阵(7)：
BDV(Wc，AcDis)＝ln(WT*Q*A)
其中
W＝[1,WC,WC 2,WC 3]T，以及
A＝[1,AcDis,AcDis2,AcDis3]T
或者，
Figure BDA0001993604170000151
以及
Figure BDA0001993604170000152
清楚的是，这种图可以容易地被具有浮点单元(FPU)的32位嵌入式系统处理。为了避免困难的且非常耗时的矩阵计算(对于其，嵌入式单元不是理想合适的)和提出的模型的临界稳定性的问题，创建查找表用于该求解。已经发现，查找表是矩阵求解的非常充分的表示并且额外地包括变压器油样本的临界行为。因此，查找表是关于速度、分辨率和稳定性的首选。总之，应注意的是，击穿电压(BDV)的计算具有小于3.71％的总残留误差，这是例外值。
附图标记
100 棍
110 传感器部分
111 防护罩
112 谐振腔
113 声学变换器
114 湿度和/或温度传感器
115 电子器件
116 电容器极板
117 固位元件
120 附接部分
150 壳体
151 垫圈
152 绝缘元件
153 电缆连接器
200 测量室
210 传感器部分
211 密度和/或粘度传感器
212 光学传感器
213 声学传感器
214 湿度和/或温度传感器
215 电容器极板
216 介电传感器
217 固位元件
250 壳体
251 电缆套管

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的方法，包括以下步骤：
a）执行所述变压器油的声阻抗测量，在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或全部地布置在所述变压器油中且能够自然振动和/或传输振动至所述变压器油的谐振器的阻抗；
b）基于步骤a）中执行的确定而计算用于所述频带的谐振器品质因数；
c）基于步骤b）中执行的计算而计算所述变压器油的声学失衡；以及
d）基于步骤c）中执行的计算而确认所述变压器油的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在步骤c）之后包括附加步骤c1）：
c1）寄存所述变压器油的至少一个特征物理性能的至少一个值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤c1）中寄存所述变压器油的温度的至少一个值。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述方法在步骤c1）之后包括附加步骤c2）：
c2）计算所述变压器油中的水含量和/或相对饱和度。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在步骤a）中，在各自具有75kHz的限定频率宽度的四个频带中确定所述阻抗。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述方法附加地包括以下步骤：
e）显示步骤d）中执行的确认。
7.一种用于根据前述方法权利要求中的任一项确定和/或监控变压器油的击穿电压的装置（100，200），包括：
a）谐振器（110，112，113，210，211，212，213），用于执行所述变压器油的声阻抗测量，在限定频率宽度的至少一个频带中确定部分地或全部地布置在所述变压器油中且能够自然振动或传输振动至所述变压器油的所述谐振器（110，112，113，210，211，212，213）的阻抗；以及
b）至少一个分析和/或评估单元，用于计算用于所述频带的谐振器品质因数，用于计算所述变压器油的声学失衡，以及用于确认所述变压器油的击穿电压。
8.根据权利要求7所述的装置（100，200），其中所述装置（100，200）包括用于寄存所述变压器油的至少一个特征物理性能的至少一个值的传感器（110，114，116，210，214，215，216）。
9.根据权利要求8所述的装置（100，200），其中所述装置（100，200）包括用于显示通过所述分析和/或评估单元执行的确认的输出单元。
10.根据权利要求9所述的装置（100，200），其中所述谐振器（110，112，113，210，2111，212，213）、所述传感器（110，114，116，210，214，215，216）、所述分析和/或评估单元、和/或所述输出单元布置在一个组件中。
11.根据权利要求10所述的装置（100，200），其中所述组件是测量室（200）、棍（100）和/或适配器。
12.根据权利要求7或8所述的装置（100，200），其中所述装置（100，200）包括加热装置。
13.一种高压技术的装置，包括变压器油和用于将所述高压技术的装置连接至根据权利要求7-12中任一项所述的用于确定和/或监控变压器油的击穿电压的装置（100，200）的构件，所述连接是直接连接。
14.根据权利要求13所述的高压技术的装置，其中所述高压技术的装置为变压器、电容器、消弧线圈和/或开关。
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