CN110045245B - 一种油浸式变压器套管x蜡含量的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油浸式变压器套管X蜡含量的评估方法。本方法在实验室中通过搭建实验平台,制备不同X蜡含量的套管比例模型,测试不同温度下不同X蜡含量套管比例模型的频域介电谱,获取不同含量X蜡的介电响应曲线,提取特征参量,建立数学模型,建立测试数据和测试曲线的数据库。通过测试现场套管频域介电谱,记录测试环境温度,得到相应的测试曲线、介质损耗特征量,比对数据库数据,可以有效评估油浸式变压器套管X蜡含量,为实际工程中评估套管绝缘性能和寿命预测提供指导方法。

Description

一种油浸式变压器套管X蜡含量的评估方法
技术领域
本发明属于套管绝缘评估与诊断领域,具体涉及一种油浸式变压器套管X蜡含量的评估方法。
背景技术
大型电力变压器作为电力系统的重要组成部分,而油浸式套管是大型电力变压器的重要构件,套管运行过程中长期受到电、热、应力的共同作用下,套管中将会产生X蜡,X蜡的产生会使绝缘散热困难、局部放电增强,加速油纸绝缘老化,这将极大威胁电力系统的安全、可靠、稳定运行。
目前在套管油纸绝缘系统中,频域介电谱法由于其测试无损性、携带绝缘信息丰富、抗干扰性强的优点,因此被广泛应用于油纸绝缘评估与诊断。介电响应法测试油浸式变压器套管时介电谱曲线为单一曲线,从单一曲线数据中无法确定实体套管中X蜡含量和绝缘的破坏程度,因此急需一种有效的油浸式变压器套管X蜡的含量的评估方法来评估套管绝缘性能。
发明内容
为了能够有效评估油浸式变压器套管X蜡含量,本发明提出一种油浸式变压器套管X蜡含量的评估方法,包括以下步骤:
第一步:搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台
搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台,该平台主要由油箱供油系统、频域介电谱测试系统、油箱加热系统、油箱制冷系统组成,外部供油油箱(1)经外部供油管道(2)对测试油箱充油,测试油箱内部有液位指示器(16)与自动充油泵(3)连接构成油箱供油系统,当液面高度低于设定值时会自动充油;测试油箱由测试油箱内层(14)和测试油箱外层(13)组成,两层油箱之间底部为电阻丝(11),两侧冷凝管(15);电容芯子(22)两端由支架(17)固定在测试油箱内层(14)上,频域介电谱测试外部引线(4)高压部分与电容芯子(22)中心导电杆连接,低压部分与末屏连接,引线接入介电谱测试仪(5),再与便携式电脑(6)连接构成频域介电谱测试系统,第一电源(19)为交流220V电压给介电谱测试仪(5)供电;第二电源(18)为交流220V电压,经过电能表(7)和继电器控制箱(8)给电阻丝(11)供电,构成油箱加热系统;第二电源(18)经过电能表(7)给水循环制冷系统(9)供电,经外部制冷管道(20)、冷凝管(15)构成油箱制冷系统;第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)固定在油箱内壁上、第三温度传感器(12c)放置在油箱中部,第一温度传感器(12a)、第二温度传感器(12b)、第三温度传感器(12c)经数据线与控制主机(10)连接,根据设定温度与数据控制线(21)控制加热系统和制冷系统电路的通断,实现恒温控制,用于控制设定的不同测试温度;
第二步:制备不同X蜡含量试验样品模型
选取套管绝缘纸,测试比例套管模型电压等级分别为72.5kV、110kV、220kV、500kV,按比例为1:10、1:20、1:30、1:40制作套管比例模型,其中各电压等级模型X蜡含量为0%~10%,模型X蜡含量梯度增量为0.1%套管总质量;
第三步:测试设定温度下0.001Hz至1kHz频域介电谱
测试温度为0℃~80℃时,接通升温控制系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制开启继电器控制箱(8)对绝缘油加热,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱;
测试温度为-40℃~0℃时,接通水循环制冷系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制水循环制冷系统(9)通过冷凝管(15)对绝缘油降温,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱,测试完成后执行第四步;
第四步:模型建立与参量提取
根据测试温度下频域介电谱图形中选取特征频率值f对应的相对复介电常数实部ε′,依次为(f11′)、(f22′)、(f33′)、(f44′)、(f55′)…….(f1616′)、(f1717′),特征频率值f对应的相对复介电常数虚部ε″,依次为(f11″)、(f22″)、(f33″)、(f44″)、(f55″)…….(f1616″)、(f1717″),公式(1)构造拉格朗日基函数,公式(2)表示每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数实部ε′的关系:
Figure GDA0002303440750000031
Figure GDA0002303440750000032
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17,n=17;
每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数虚部ε"的关系采用公式(1)和(3)来计算:
Figure GDA0002303440750000033
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17,n=17;
含有X蜡套管极板等效电容与频率、相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε"满足关系式(4):
Figure GDA0002303440750000034
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,不含X蜡套管模型取1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1;
含有X蜡介质损耗因数tanδ满足公式(5):
Figure GDA0002303440750000035
X蜡介质损耗因数tanδ可以表示为:
Figure GDA0002303440750000036
根据测试不同电压等级套管模型,拟合相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε",选取固定的模型修正系数,温度修正系数,求取测试温度、测试频率下的介质损耗因数;
第五步:建立X蜡含量评估数据库
将第四步获得的不同X蜡含量油浸式变压器套管比例模型在不同测试温度、不同频率下的相对复介电常数实部ε'和相对复介电常数虚部ε"对应的数据、拟合曲线、拟合后的数据、计算求解的介质损耗参数,分类归档汇总,形成不同模型、不同温度、不同频率下油浸式变压器套管X蜡含量评估数据库;
第六步:X蜡含量评估
实际工况套管测试的时候,记录测试频率、环境温度、测试温度等,保存测试图形和数据,用公式(7)建立拉格朗日基函数、公式(8)建立实际工况实体套管相对复介电常数实部εcs′与测量频率之间的关系、公式(9)建立实际工况实体套管相对复介电常数虚部εcs″与测量频率之间的关系;
Figure GDA0002303440750000041
Figure GDA0002303440750000042
Figure GDA0002303440750000043
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1,n=17;
最小系统误差可以用公式(10)表示:
Figure GDA0002303440750000044
其中
Figure GDA0002303440750000045
为数据库fi下相对复介电常数实部拟合值,ε′cs(fi)为实测套管相对复介电常数实部在fi对应的拟合值;
Figure GDA0002303440750000046
为数据库fi下相对复介电常数虚部拟合值,ε″cs(fi)为实测套管相对复介电常数虚部在fi对应的拟合值,n=17;
输入实体套管电压等级、测试温度、测试频率等参数,筛选并调用数据库已有参数,用公式(10)计算实际工况下相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε″与数据库对应fi频率下误差,按计算误差最小原则,匹配X蜡的含量数据库中图形与数据,即完成实体套管X蜡含量评估,并将每次工况下实测数据入库。
本发明能有效的实现油浸式变压器套管X蜡含量评估,为实际工程中评估实体套管绝缘性能和寿命预测提供指导方法。
附图说明
图1一种油浸式变压器套管X蜡含量评估方法流程图。
图2油浸式变压器套管X蜡含量测试平台示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明:
本发明提供的方法包括如下步骤:
第一步:搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台
搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台,该平台主要由油箱供油系统、频域介电谱测试系统、油箱加热系统、油箱制冷系统组成,外部供油油箱(1)经外部供油管道(2)对测试油箱充油,测试油箱内部有液位指示器(16)与自动充油泵(3)连接构成油箱供油系统,当液面高度低于设定值时会自动充油;测试油箱由测试油箱内层(14)和测试油箱外层(13)组成,两层油箱之间底部为电阻丝(11),两侧冷凝管(15);电容芯子(22)两端由支架(17)固定在测试油箱内层(14)上,频域介电谱测试外部引线(4)高压部分与电容芯子(22)中心导电杆连接,低压部分与末屏连接,引线接入介电谱测试仪(5),再与便携式电脑(6)连接构成频域介电谱测试系统,第一电源(19)为交流220V电压给介电谱测试仪(5)供电;第二电源(18)为交流220V电压,经过电能表(7)和继电器控制箱(8)给电阻丝(11)供电,构成油箱加热系统;第二电源(18)经过电能表(7)给水循环制冷系统(9)供电,经外部制冷管道(20)、冷凝管(15)构成油箱制冷系统;第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)固定在油箱内壁上、第三温度传感器(12c)放置在油箱中部,第一温度传感器(12a)、第二温度传感器(12b)、第三温度传感器(12c)经数据线与控制主机(10)连接,根据设定温度与数据控制线(21)控制加热系统和制冷系统电路的通断,实现恒温控制,用于控制设定的不同测试温度;
第二步:制备不同X蜡含量试验样品模型
选取套管绝缘纸,测试比例套管模型电压等级分别为72.5kV、110kV、220kV、500kV,按比例为1:10、1:20、1:30、1:40制作套管比例模型,其中各电压等级模型X蜡含量为0%~10%,模型X蜡含量梯度增量为0.1%套管总质量;
第三步:测试设定温度下0.001Hz至1kHz频域介电谱
测试温度为0℃~80℃时,接通升温控制系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制开启继电器控制箱(8)对绝缘油加热,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱;
测试温度为-40℃~0℃时,接通水循环制冷系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制水循环制冷系统(9)通过冷凝管(15)对绝缘油降温,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱,测试完成后执行第四步;
第四步:模型建立与参量提取
根据测试温度下频域介电谱图形中选取特征频率值f对应的相对复介电常数实部ε′,依次为(f11′)、(f22′)、(f33′)、(f44′)、(f55′)…….(f1616′)、(f1717′),特征频率值f对应的相对复介电常数虚部ε″,依次为(f11″)、(f22″)、(f33″)、(f44″)、(f55″)…….(f1616″)、(f1717″),公式(1)构造拉格朗日基函数,公式(2)表示每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数实部ε′的关系:
Figure GDA0002303440750000061
Figure GDA0002303440750000062
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17;
每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数虚部ε"的关系采用公式(1)和(3)来计算:
Figure GDA0002303440750000071
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17;
含有X蜡套管极板等效电容与频率、相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε"满足关系式(4):
Figure GDA0002303440750000072
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,不含X蜡套管模型取1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1;
含有X蜡介质损耗因数tanδ满足公式(5):
Figure GDA0002303440750000073
X蜡介质损耗因数tanδ可以表示为:
Figure GDA0002303440750000074
根据测试不同电压等级套管模型,拟合相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε",选取固定的模型修正系数,温度修正系数,求取测试温度、测试频率下的介质损耗因数;
第五步:建立X蜡含量评估数据库
将第四步获得的不同X蜡含量油浸式变压器套管比例模型在不同测试温度、不同频率下的相对复介电常数实部ε'和相对复介电常数虚部ε"对应的数据、拟合曲线、拟合后的数据、计算求解的介质损耗参数,分类归档汇总,形成不同模型、不同温度、不同频率下油浸式变压器套管X蜡含量评估数据库;
第六步:X蜡含量评估
实际工况套管测试的时候,记录测试频率、环境温度、测试温度等,保存测试图形和数据,用公式(7)建立拉格朗日基函数、公式(8)建立实际工况实体套管相对复介电常数实部εcs′与测量频率之间的关系、(9)建立实际工况实体套管相对复介电常数虚部εcs″与测量频率之间的关系;
Figure GDA0002303440750000081
Figure GDA0002303440750000082
Figure GDA0002303440750000083
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1;
最小系统误差可以用公式(10)表示:
Figure GDA0002303440750000084
其中
Figure GDA0002303440750000085
为数据库fi下相对复介电常数实部拟合值,ε′csi(fi)为实测套管相对复介电常数实部拟合值;
Figure GDA0002303440750000086
为数据库fi下相对复介电常数虚部拟合值,ε″csi(fi)为实测套管相对复介电常数虚部拟合值;
输入实体套管电压等级、测试温度、测试频率等参数,筛选并调用数据库已有参数,用公式(10)计算实际工况下相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε″与数据库对应fi频率下误差,按计算误差最小原则,匹配X蜡的含量数据库中图形与数据,即完成实体套管X蜡含量评估,并将每次工况下实测数据入库。

Claims (1)

1.一种油浸式变压器套管X蜡含量的评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台
搭建油浸式变压器套管X蜡含量频域介电谱测试平台,该平台主要由油箱供油系统、频域介电谱测试系统、油箱加热系统、油箱制冷系统组成,外部供油油箱(1)经外部供油管道(2)对测试油箱充油,测试油箱内部有液位指示器(16)与自动充油泵(3)连接构成油箱供油系统,当液面高度低于设定值时会自动充油;测试油箱由测试油箱内层(14)和测试油箱外层(13)组成,两层油箱之间底部为电阻丝(11),两侧冷凝管(15);电容芯子(22)两端由支架(17)固定在测试油箱内层(14)上,频域介电谱测试外部引线(4)高压部分与电容芯子(22)中心导电杆连接,低压部分与末屏连接,引线接入介电谱测试仪(5),再与便携式电脑(6)连接构成频域介电谱测试系统,第一电源(19)为交流220V电压给介电谱测试仪(5)供电;第二电源(18)为交流220V电压,经过电能表(7)和继电器控制箱(8)给电阻丝(11)供电,构成油箱加热系统;第二电源(18)经过电能表(7)给水循环制冷系统(9)供电,经外部制冷管道(20)、冷凝管(15)构成油箱制冷系统;第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)固定在油箱内壁上、第三温度传感器(12c)放置在油箱中部,第一温度传感器(12a)、第二温度传感器(12b)、第三温度传感器(12c)经数据线与控制主机(10)连接,根据设定温度与数据控制线(21)控制加热系统和制冷系统电路的通断,实现恒温控制,用于控制设定的不同测试温度;
第二步:制备不同X蜡含量试验样品模型
选取套管绝缘纸,测试比例套管模型电压等级分别为72.5kV、110kV、220kV、500kV,按比例为1:10、1:20、1:30、1:40制作套管比例模型,其中各电压等级模型X蜡含量为0%~10%,模型X蜡含量梯度增量为0.1%套管总质量;
第三步:测试设定温度下0.001Hz至1kHz频域介电谱
测试温度为0℃~80℃时,接通升温控制系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制开启继电器控制箱(8)对绝缘油加热,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱;
测试温度为-40℃~0℃时,接通水循环制冷系统,测试温度与环境温度设定一致,控制主机(10)控制水循环制冷系统(9)通过冷凝管(15)对绝缘油降温,第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)设置在测试油箱内层内壁,第三温度传感器(12c)在油箱中部共同监测油温,实时将温度数据传输到控制主机(10),主机控制开断加热系统和冷却系统,保证恒温测试温度,控制主机(10)监测到温度达到设定值时,开启介电谱测试仪(5),测试设定温度下0.001Hz至1kH的相对复介电常数实部ε′与相对复介电常数虚部ε″,其中测试频率点依次为0.001Hz,0.0022Hz,0.0046Hz,0.1Hz,0.22Hz,0.46Hz,1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,40Hz,70Hz,110Hz,220Hz,470Hz,1000Hz,得到设定温度下的频域介电谱,测试完成后执行第四步;
第四步:模型建立与参量提取
根据测试温度下频域介电谱图形中选取特征频率值f对应的相对复介电常数实部ε′,依次为(f11′)、(f22′)、(f33′)、(f44′)、(f55′)…….(f1616′)、(f1717′),特征频率值f对应的相对复介电常数虚部ε″,依次为(f11″)、(f22″)、(f33″)、(f44″)、(f55″)…….(f1616″)、(f1717″),公式(1)构造拉格朗日基函数,公式(2)表示每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数实部ε′的关系:
Figure FDA0002303440740000021
Figure FDA0002303440740000022
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17,n=17;
每个设定温度下特征频率值f与相对复介电常数虚部ε"的关系采用公式(1)和(3)来计算:
Figure FDA0002303440740000023
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,k=1,2,3,…,17,n=17;
含有X蜡套管极板等效电容与频率、相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε"满足关系式(4):
Figure FDA0002303440740000031
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1,不含X蜡套管模型取1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1;
含有X蜡介质损耗因数tanδ满足公式(5):
Figure FDA0002303440740000032
X蜡介质损耗因数tanδ可以表示为:
Figure FDA0002303440740000033
根据测试不同电压等级套管模型,拟合相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε",选取固定的模型修正系数,温度修正系数,求取测试温度、测试频率下的介质损耗因数;
第五步:建立X蜡含量评估数据库
将第四步获得的不同X蜡含量油浸式变压器套管比例模型在不同测试温度、不同频率下的相对复介电常数实部ε'和相对复介电常数虚部ε"对应的数据、拟合曲线、拟合后的数据、计算求解的介质损耗参数,分类归档汇总,形成不同模型、不同温度、不同频率下油浸式变压器套管X蜡含量评估数据库;
第六步:X蜡含量评估
实际工况套管测试的时候,记录测试频率、环境温度、测试温度等,保存测试图形和数据,用公式(7)建立拉格朗日基函数、公式(8)建立实际工况实体套管相对复介电常数实部εcs′与测量频率之间的关系、公式(9)建立实际工况实体套管相对复介电常数虚部εcs″与测量频率之间的关系;
Figure FDA0002303440740000034
Figure FDA0002303440740000035
Figure FDA0002303440740000036
其中a为套管模型修正系数,a取1~1.1;kT为变压器油温度修正系数,kT取1~1.2,20℃测量时取1,n=17;
最小系统误差可以用公式(10)表示:
Figure FDA0002303440740000041
其中
Figure FDA0002303440740000042
为数据库fi下相对复介电常数实部拟合值,ε′cs(fi)为实测套管相对复介电常数实部在fi对应的拟合值;
Figure FDA0002303440740000043
为数据库fi下相对复介电常数虚部拟合值,ε″cs(fi)为实测套管相对复介电常数在fi对应的虚部拟合值,n=17;
输入实体套管电压等级、测试温度、测试频率等参数,筛选并调用数据库已有参数,用公式(10)计算实际工况下相对复介电常数实部ε′和相对复介电常数虚部ε″与数据库对应fi频率下误差,按计算误差最小原则,匹配X蜡的含量数据库中图形与数据,即完成实体套管X蜡含量评估,并将每次工况下实测数据入库。
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