CN112305338A - 一种干式变压器的老化程度检测方法及系统 - Google Patents

一种干式变压器的老化程度检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种干式变压器的老化程度检测方法及系统，包括：获取并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；并根据待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。本发明通过建立气体组分及浓度与干式变压器热老化特性的对应关系，找出分解气体的变化规律，基于分解气体浓度变化的热老化判断指标建立干式变压器长期运行可靠性评价体系，能够快速准确地确定干式变压器的老化程度。

Description

一种干式变压器的老化程度检测方法及系统
技术领域
本发明涉及电力设备状态监测和故障诊断技术领域，并且更具体地，涉及一种干式变压器的老化程度检测方法及系统。
背景技术
干式变压器具有防火、防灾、免维护、抗短路能力强等优点，因此广泛应用于城市负荷中心、住宅及建筑室内配电、城市轨道交通领域、工矿企业等各种特殊场所。
不同于液浸式变压器的油纸绝缘结构，干式变压器主要通过固体绝缘材料和空气配合来实现绝缘和散热。干式变压器运行时，由于导体发热同时绝缘材料与空气长期接触，运行过程中会受到电、热、机械、环境等多种因素的长期作用，形成一系列不可逆的化学和物理变化，造成变压器电气性能和力学性能的劣化，缩短设备使用寿命。其中，最主要的老化影响因子是温度，温度越高，绝缘材料老化越快，由于绝缘系统的热老化过程是累积且不可逆的，因此干式变压器的寿命主要取决于绝缘材料的耐热性能。
目前现有的评价干式变压器质量水平的试验手段主要有绝缘试验、损耗试验、温升试验、局部放电测量、气候试验、环境试验等，关注的重点多集中在干式变压器的绝缘性能和对于特殊环境条件的适应性，但是对于其在实际运行中的绝缘老化趋势及寿命损失则缺乏相应的监测和评估机制。受到绝缘材料的因素制约，干式变压器的实际使用寿命往往远低于标称寿命。
发明内容
本发明提出一种干式变压器的老化程度检测方法及系统，以解决如何快速准确地确定干式变压器的老化程度的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种干式变压器的老化程度检测方法，所述方法包括：
构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度；
获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；
根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；
根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；
获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
优选地，其中绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
优选地，其中利用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
优选地，其中利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
优选地，其中所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
根据本发明的另一个方面，提供了一种干式变压器的老化程度检测系统，所述系统包括：
热失重分析单元，用于构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度；
分解气体组分和含量检测单元，用于获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；
组分特征量确定单元，用于根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；
热分解模型确定单元，用于根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；
老化程度确定单元，用于获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
优选地，其中绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
优选地，其中用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
优选地，其中利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
优选地，其中所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
本发明提供了一种干式变压器的老化程度检测方法及系统，获取并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；并根据待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。本发明通过建立气体组分及浓度与干式变压器热老化特性的对应关系，找出分解气体的变化规律，基于分解气体浓度变化的热老化判断指标建立干式变压器长期运行可靠性评价体系，能够快速准确地确定干式变压器的老化程度。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的干式变压器的老化程度检测方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的干式变压器的老化程度检测系统200的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的干式变压器的老化程度检测方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的干式变压器的老化程度检测方法，获取并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；并根据待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。本发明通过建立气体组分及浓度与干式变压器热老化特性的对应关系，找出分解气体的变化规律，基于分解气体浓度变化的热老化判断指标建立干式变压器长期运行可靠性评价体系，能够快速准确地确定干式变压器的老化程度。本发明实施方式提供的干式变压器的老化程度检测方法100从步骤101处开始，在步骤101构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度。
优选地，其中绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
优选地，其中利用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
在本发明的实施方式中，构建多种不同的绝缘材料，并利用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线，根据热失重曲线确定分解温度区间，并基于所述温度区间确定温度梯度。
由于不同的干变制造企业的设计方案、生产工艺、成本控制存在差别，导致绝缘材料的配方并不完全相同，例如环氧树脂在浇注成型过程中一般会添加不同种类的固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂、填料等辅料，从而引入新的化合物，如有机溴化物、二氧化硅、苄基二甲胺等，增加了热分解气体产物的种类，还有可能产生气体间的交叉干扰，增加了特征气体故障诊断的难度。本发明采用Material Studio分子动力学仿真手段构建干式变压器中不同类型的绝缘材料，如酸酐固化的环氧树脂、氨基固化的环氧树脂、铁芯涂料、绝缘漆等模型，通过改变模拟温度来实现环氧树脂在不同温度下的恒温热分解，得到相应的分解产物。对绝缘材料中主要断键活化能进行计算，结合分解过程中的碎片产物分析绝缘材料的热分解过程及气体产物的生成路径。通过计算氧气对绝缘材料断键活化能及主要分解产物的影响来确定氧气对绝缘材料热分解过程的作用机理。结合绝缘材料分子中断键活化能来综合分析绝缘材料的分解过程及产物的生成路径，用于构建绝缘材料的热分解模型。
本发明采用热失重技术研究环氧树脂等不同干式变压器绝缘材料的热失重特性，获取绝缘材料在不同气体氛围下，如干燥空气、特定湿度空气等的气体分解组分与含量，提取适合表征绝缘材料热老化特性的分解气体组分特征量并建立绝缘材料热老化程度与分解气体组分特征量之间的关联关系。
在步骤102，获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量。
优选地，其中利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
在本发明的实施方式中，通过对绝缘材料进行微观分子模型仿真，分析其受热分解时化学键的断裂与再生成过程，基于绝缘材料的断键活化能以及分解过程中的碎片产物计算生成绝缘材料的热分解过程及分解气体的生成路径。获取不同组合的绝缘材料在不同温度梯度下的恒温热分解得到相应的分解气体和碎片产物，根据温度梯度采集分解气体并检测所述分解气体组分及组分含量。其中，基于绝缘材料的断键活化能以及分解过程中的碎片产物计算生成绝缘材料的热分解过程及分解气体的生成路径中，采用分子动力学仿真构建干式变压器中不同类型的绝缘材料模型，通过改变模拟温度来实现环氧树脂在不同温度下的恒温热分解，对绝缘材料中断键活化能进行计算，结合分解过程中的碎片产物分析绝缘材料的热分解过程及气体产物的生成路径。采用红外及气相色谱质谱联用仪测试所述分解气体组分及含量。基于氧气计算绝缘材料断键活化能及分解产物。
在步骤103，根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量。
优选地，其中所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
本发明在搭建环氧树脂热分解试验平台的基础上进行环氧树脂在不同气体氛围如干燥空气、特定湿度空气下的热分解测试。首先采用同步热分析仪获取绝缘材料在广域温度范围(40℃～700℃)下热失重曲线，从而确定其主要分解温度区间；然后在该区间内选取合适的温度梯度进行绝缘材料恒温热分解试验，定时采集分解气体并采用红外及气相色谱质谱联用仪测试其组分及含量。通过惰性气体He氛围下的产物组分及浓度来探究环氧树脂本征分解特性，通过N2和干燥空气氛围下的产物组分及浓度来探究O2对绝缘材料热分解过程的影响机理；结合试验数据和仿真结果综合分析绝缘材料的热分解模型；借鉴变压器油中溶解气体分析法，同时结合工程实际应用，构建并提取出能有效表征干式变压器热老化程度的组分特征量，如组分种类及含量、组分产气速率、特征组分比值及其组合等，在此基础上，建立绝缘材料分解气体特征组分与热老化程度相关联的数学物理模型。
在步骤104，根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型。
在步骤105，获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
在本发明中，选取相应的高灵敏度、高选择性、抗干扰能力强、响应速度快的微流控气体传感器阵列；将传感器阵列安装在干式变压器易发生过热故障、热老化较快的部位，进行实验室内干式变压器长时间温升试验下的热分解气体产气试验，通过温度、时间、气体组分及含量等参数得到分解气体的产气规律，最后基于绝缘材料过热分解气体组分特征量判断干式变压器绝缘状态。
图2为根据本发明实施方式的干式变压器的老化程度检测系统200的结构示意图。如图2所示，本发明实施方式提供的干式变压器的老化程度检测系统200，包括：热失重分析单元201、分解气体组分和含量检测单元202、组分特征量确定单元203、热分解模型确定单元204和老化程度确定单元205。
优选地，所述热失重分析单元201，用于构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度。
优选地，其中绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
优选地，其中用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
优选地，所述分解气体组分和含量检测单元202，用于获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量。
优选地，其中利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
优选地，所述组分特征量确定单元203，用于根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量。
优选地，其中所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
优选地，所述热分解模型确定单元204，用于根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型。
优选地，所述老化程度确定单元205，用于获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
本发明的实施例的干式变压器的老化程度检测系统200与本发明的另一个实施例的干式变压器的老化程度检测方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干式变压器的老化程度检测方法，其特征在于，所述方法包括：
构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度；
获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；
根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；
根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；
获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
6.一种干式变压器的老化程度检测系统，其特征在于，所述系统包括：
热失重分析单元，用于构建干式变压器的不同类型的绝缘材料，获取每种绝缘材料在预设温度范围内的热失重曲线数据，根据所述热失重曲线数据确定分解温度区间，并根据所述分解温度区间确定温度梯度；
分解气体组分和含量检测单元，用于获取每种绝缘材料在不同温度梯度下恒温分解得到的分解气体和碎片产物，并检测每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量；
组分特征量确定单元，用于根据每种绝缘材料在不同温度梯度下的分解气体的组分和每种组分的含量提取表征干式变压器热老化程度的组分特征量；
热分解模型确定单元，用于根据多种不同类型的绝缘材料的组分特征量和对应的干式变压器的老化程度构建不同类型的绝缘材料对应的热分解模型；
老化程度确定单元，用于获取待测干式变压器的绝缘材料热分解得到的待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量，并根据待测分解气体的组分、每种组分的含量和组分特征量基于所述老化程度检测模块确定待测干式变压器的不同类型的绝缘材料的老化程度。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，绝缘材料的类型包括：环氧树脂类型和铁芯类型；环氧树脂类型的绝缘材料包括：环氧树脂和/或不同种类的添加剂，所述添加剂包括：固化剂、促进剂、阻燃剂、增韧剂和填料；所述铁芯类型的绝缘材料包括：铁芯涂料和不同组分的绝缘漆。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，利用同步热分析仪获取每种绝缘材料在40℃-700℃下的热失重曲线数据。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，利用红外及气相色谱质谱联用仪检测分解气体的组分和每种组分的含量。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述组分特征量包括组分的种类、每种组分的含量、组分产气速率、特征组分比值和特征组分组合。
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