CN111257707A - 一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法，首先获取牵引变压器基本运行参数，根据牵引变压器实际运行工况计算油纸绝缘冲击负荷加速热老化试验的控制参数，然后搭建冲击负荷加速热老化试验平台，测试绝缘纸的聚合度变化曲线，并根据试验数据对牵引变压器的绝缘寿命进行评估。通过本发明提供冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命评估方法，综合考虑了冲击负荷对牵引变压器油纸绝缘的影响，能较为准确地计算出牵引变压器绝缘寿命。

Description

一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法
技术领域
本发明属于牵引变压器绝缘状态评估领域，具体涉及一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法。
背景技术
牵引变压器是牵引供电系统的心脏，承担着电压转换、传输的任务。油纸绝缘是牵引变压器的主绝缘，其绝缘状态决定了牵引变压器甚至牵引供电系统运行的稳定性和可靠性。热老化是油纸绝缘老化的最主要形式，温度是影响热老化过程的基本和直接因素。研究表明每增加6-8℃，油纸绝缘寿命将减半。牵引变压器负荷有非常明显的冲击特性，其具体表现为：牵引变压器平均负荷通常小于额定容量的30％，但当列车通过时的短期负荷可能大于2倍额定负荷。这种冲击负荷导致温度频繁波动而使得油纸绝缘热老化速度极不均匀，这对油纸绝缘状态的评估带来了极大的不确定性。针对现场牵引变压器绝缘寿命评估应用中，现有方法估算的结果与实际老化状态和使用寿命不同。已发现有些严重老化的牵引变压器仍在运行，这种现象严重影响了高铁的安全稳定运行。考虑到牵引变压器绝缘长期承受冲击负荷作用，这种区别于普通电力的冲击负荷是导致该现象的最可能原因。因此，急需研究一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法。
发明内容
为了更准确地评估冲击负荷下牵引变压器的绝缘寿命，本发明提供一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法，包括以下步骤：
第一步：获取牵引变压器基本运行参数
查看待评估牵引变压器油纸绝缘材料，记录待测牵引变压器的一天的负荷率，记为R(t)，t代表时间，一共通过N次列车；
根据牵引变压器历史数据获取年平均环境温度，记为Tamb；
第二步：计算冲击负荷加速热老化试验的控制参数
根据牵引变压器负荷率记录，统计牵引变压器第i次列车的负荷率为Ri、牵引变压器第i次列车通过的时间为t0i，第j次列车与第j+1次列车之间的间隔时间为t1j，i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，N-1；
计算Ri负荷率下的加速热老化温度T1(Ri)：
T1(Ri)＝T1(1)+Ths(Ri)-Ths(1) (1)
式中，T1(1)为额定负荷下的加速热老化温度，值为90℃，Ths(Ri)为Ri倍负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(1)为额定负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(Ri)和Ths(1)值根据IEEE Standard C57.91-2011中导则模型确定；
计算第i次列车的加速热老化持续时间ti：
ti＝t0iexp[-α(T1(Ri)-Tao)] (2)
式中，a是热老化参数，值等于0.1155，Tao为实际老化温度，值等于98℃；
计算第j次列车与第j+1次列车的加速热老化时间间隔Dtj：
Δtj＝t1jexp[-α(T1(Rj)-Tao)] (3)
第三步：搭建冲击负荷加速热老化试验平台
搭建冲击负荷加速热老化试验平台，包括温度可控的试验箱(1)、绝缘油(2)、支架(3)、温度可调加热板(4)、绝缘纸(5)、第一导线(6a)、第二导线(6b)、第三导线(6c)、第四导线(6d)、继电器(7)、电压可调电源(8)、PLC控制器(9)、专用编程电缆线(10)、PC机(11)、24V直流电压源(12)和数字显示温度传感器(13)，支架(3)放置于温度可控的试验箱(1)中，支架(3)的高度为温度可控的试验箱(1)的1/4处，温度可控的试验箱(1)中填充绝缘油(2)，绝缘油(2)的液面高度位于温度可控的试验箱(1)的3/4处，数字显示温度传感器(13)放置于温度可控的试验箱(1)底部，绝缘纸(5)缠绕到温度可调加热板(4)上20层后放于支架(3)上，继电器(7)通过第一导线(6a)控制温度可调加热板(4)加热的开断，电压可调电源(8)通过第二导线(6b)为继电器(7)供电，PLC控制器(9)通过第三导线(6c)对继电器(7)控制，24V直流电压源(12)通过第四导线(6d)为PLC控制器(9)供电，PC机(11)通过专用编程电缆线(10)对PLC控制器(9)编程；
第四步：测试绝缘纸的聚合度变化曲线
设置温度可控的试验箱(1)的温度为T1(1)；
控制电压可调电源(8)的输出电压，保持温度可调加热板(4)的温度为T1(Ri)的时间为ti+Dti，i从1开始依次增加并循环该过程；
使用PC机(11)对PLC控制器(9)编程，使得继电器(7)闭合时间和断开时间依次t1和Dt1、t2和Dt2、…、tN-1和DtN-1、tN，并循环该过程；
当数字显示温度传感器(13)温度达到T1(1)时，同时开启PLC控制器(9)、继电器(7)；
试验总老化时间为1200小时，最内层绝缘纸每48小时取样一次并测量绝缘纸样品的聚合度，分别记为DPm，m＝1，2，…，25；绝缘纸初始聚合度记为DP0；
使用公式(4)对聚合度测试曲线进行拟合得到参数Teq、A的拟合值T′eq、A′：
Figure BDA0002397948060000031
式中，t2为加速热老化时间，Ea为活化能，值为111kJ/mol，B为气体常数，值为8.314J/(mol·K)，Teq为等效温度，A为速率系数，参数Teq和A为待拟合参数。
第五步：评估牵引变压器绝缘寿命
根据第四步得到的拟合值T′eq和A′，对牵引变压器绝缘的年寿命进行评估：
Figure BDA0002397948060000032
式中，SLref为牵引变压器绝缘寿命，单位为年。
本发明的有益效果在于，该方法考虑了冲击负荷对牵引变压器油纸绝缘的影响，与现有的经验公式相比，能更为准确地计算出牵引变压器绝缘寿命。
附图说明
图1一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法流程图。
图2冲击负荷加速热老化试验平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步解释：
图1所示为一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法流程图；图2所示为冲击负荷加速热老化试验平台。
由图1可以看出，一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法包括如下步骤：
第一步：获取牵引变压器基本运行参数
查看待评估牵引变压器油纸绝缘材料，记录待测牵引变压器的一天的负荷率，记为R(t)，t代表时间，一共通过N次列车；
根据牵引变压器历史数据获取年平均环境温度，记为Tamb；
第二步：计算冲击负荷加速热老化试验的控制参数
根据牵引变压器负荷率记录，统计牵引变压器第i次列车的负荷率为Ri、牵引变压器第i次列车通过的时间为t0i，第j次列车与第j+1次列车之间的间隔时间为t1j，i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，N-1；
计算Ri负荷率下的加速热老化温度T1(Ri)：
T1(Ri)＝T1(1)+Ths(Ri)-Ths(1) (1)
式中，T1(1)为额定负荷下的加速热老化温度，值为90℃，Ths(Ri)为Ri倍负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(1)为额定负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(Ri)和Ths(1)值根据IEEE Standard C57.91-2011中导则模型确定；
计算第i次列车的加速热老化持续时间ti：
ti＝t0iexp[-α(T1(Ri)-Tao)] (2)
式中，a是热老化参数，值等于0.1155，Tao为实际老化温度，值等于98℃；
计算第j次列车与第j+1次列车的加速热老化时间间隔Dtj：
Δtj＝t1jexp[-α(T1(Rj)-Tao)] (3)
第三步：搭建冲击负荷加速热老化试验平台
搭建冲击负荷加速热老化试验平台，包括温度可控的试验箱(1)、绝缘油(2)、支架(3)、温度可调加热板(4)、绝缘纸(5)、第一导线(6a)、第二导线(6b)、第三导线(6c)、第四导线(6d)、继电器(7)、电压可调电源(8)、PLC控制器(9)、专用编程电缆线(10)、PC机(11)、24V直流电压源(12)和数字显示温度传感器(13)，支架(3)放置于温度可控的试验箱(1)中，支架(3)的高度为温度可控的试验箱(1)的1/4处，温度可控的试验箱(1)中填充绝缘油(2)，绝缘油(2)的液面高度位于温度可控的试验箱(1)的3/4处，数字显示温度传感器(13)放置于温度可控的试验箱(1)底部，绝缘纸(5)缠绕到温度可调加热板(4)上20层后放于支架(3)上，继电器(7)通过第一导线(6a)控制温度可调加热板(4)加热的开断，电压可调电源(8)通过第二导线(6b)为继电器(7)供电，PLC控制器(9)通过第三导线(6c)对继电器(7)控制，24V直流电压源(12)通过第四导线(6d)为PLC控制器(9)供电，PC机(11)通过专用编程电缆线(10)对PLC控制器(9)编程；
第四步：测试绝缘纸的聚合度变化曲线
设置温度可控的试验箱(1)的温度为T1(1)；
控制电压可调电源(8)的输出电压，保持温度可调加热板(4)的温度为T1(Ri)的时间为ti+Dti，i从1开始依次增加并循环该过程；
使用PC机(11)对PLC控制器(9)编程，使得继电器(7)闭合时间和断开时间依次t1和Dt1、t2和Dt2、…、tN-1和DtN-1、tN，并循环该过程；
当数字显示温度传感器(13)温度达到T1(1)时，同时开启PLC控制器(9)、继电器(7)；
试验总老化时间为1200小时，最内层绝缘纸每48小时取样一次并测量绝缘纸样品的聚合度，分别记为DPm，m＝1，2，…，25；绝缘纸初始聚合度记为DP0；
使用公式(4)对聚合度测试曲线进行拟合得到参数Teq、A的拟合值T′eq、A′：
Figure BDA0002397948060000041
式中，t2为加速热老化时间，Ea为活化能，值为111kJ/mol，B为气体常数，值为8.314J/(mol·K)，Teq为等效温度，A为速率系数，参数Teq和A为待拟合参数。
第五步：评估牵引变压器绝缘寿命
根据第四步得到的拟合值T′eq和A′，对牵引变压器绝缘的年寿命进行评估：
Figure BDA0002397948060000051
式中，SLref为牵引变压器绝缘寿命，单位为年。

Claims (1)

1.一种冲击负荷下牵引变压器绝缘寿命的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：获取牵引变压器基本运行参数
查看待评估牵引变压器油纸绝缘材料，记录待测牵引变压器的一天的负荷率，记为R(t)，t代表时间，一共通过N次列车；
根据牵引变压器历史数据获取年平均环境温度，记为Tamb；
第二步：计算冲击负荷加速热老化试验的控制参数
根据牵引变压器负荷率记录，统计牵引变压器第i次列车的负荷率为Ri、牵引变压器第i次列车通过的时间为t0i，第j次列车与第j+1次列车之间的间隔时间为t1j，i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，N-1；
计算Ri负荷率下的加速热老化温度T1(Ri)：
T1(Ri)＝T1(1)+Ths(Ri)-Ths(1) (1)
式中，T1(1)为额定负荷下的加速热老化温度，值为90℃，Ths(Ri)为Ri倍负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(1)为额定负荷下的牵引变压器热点温度，Ths(Ri)和Ths(1)值根据IEEEStandard C57.91-2011中导则模型确定；
计算第i次列车的加速热老化持续时间ti：
ti＝t0iexp[-α(T1(Ri)-Tao)] (2)
式中，α是热老化参数，值等于0.1155，Tao为实际老化温度，值等于98℃；
计算第j次列车与第j+1次列车的加速热老化时间间隔Δtj：
Δtj＝t1jexp[-α(T1(Rj)-Tao)] (3)
第三步：搭建冲击负荷加速热老化试验平台
搭建冲击负荷加速热老化试验平台，包括温度可控的试验箱(1)、绝缘油(2)、支架(3)、温度可调加热板(4)、绝缘纸(5)、第一导线(6a)、第二导线(6b)、第三导线(6c)、第四导线(6d)、继电器(7)、电压可调电源(8)、PLC控制器(9)、专用编程电缆线(10)、PC机(11)、24V直流电压源(12)和数字显示温度传感器(13)，支架(3)放置于温度可控的试验箱(1)中，支架(3)的高度为温度可控的试验箱(1)的1/4处，温度可控的试验箱(1)中填充绝缘油(2)，绝缘油(2)的液面高度位于温度可控的试验箱(1)的3/4处，数字显示温度传感器(13)放置于温度可控的试验箱(1)底部，绝缘纸(5)缠绕到温度可调加热板(4)上20层后放于支架(3)上，继电器(7)通过第一导线(6a)控制温度可调加热板(4)加热的开断，电压可调电源(8)通过第二导线(6b)为继电器(7)供电，PLC控制器(9)通过第三导线(6c)对继电器(7)控制，24V直流电压源(12)通过第四导线(6d)为PLC控制器(9)供电，PC机(11)通过专用编程电缆线(10)对PLC控制器(9)编程；
第四步：测试绝缘纸的聚合度变化曲线
设置温度可控的试验箱(1)的温度为T1(1)；
控制电压可调电源(8)的输出电压，保持温度可调加热板(4)的温度为T1(Ri)的时间为ti+Δti，i从1开始依次增加并循环该过程；
使用PC机(11)对PLC控制器(9)编程，使得继电器(7)闭合时间和断开时间依次t1和Δt1、t2和Δt2、…、tN-1和ΔtN-1、tN，并循环该过程；
当数字显示温度传感器(13)温度达到T1(1)时，同时开启PLC控制器(9)、继电器(7)；
试验总老化时间为1200小时，最内层绝缘纸每48小时取样一次并测量绝缘纸样品的聚合度，分别记为DPm，m＝1，2，…，25；绝缘纸初始聚合度记为DP0；
使用公式(4)对聚合度测试曲线进行拟合得到参数Teq、A的拟合值T′eq、A′：
Figure FDA0002397948050000021
式中，t2为加速热老化时间，Ea为活化能，值为111kJ/mol，B为气体常数，值为8.314J/(mol·K)，Teq为等效温度，A为速率系数，参数Teq和A为待拟合参数；
第五步：评估牵引变压器绝缘寿命
根据第四步得到的拟合值T′eq和A′，对牵引变压器绝缘的年寿命进行评估：
Figure FDA0002397948050000022
式中，SLref为牵引变压器绝缘寿命，单位为年。
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