CN112666116B - 一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法，装置包括太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机、数据处理器和检测台；方法包括将甲醇滴入干燥的空白绝缘油中，得到混合溶液后进行震荡和稀释，得到标准溶液；利用太赫兹检测装置对全部标准溶液进行检测，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱后建立数据库；利用太赫兹检测装置对待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；将待测样品太赫兹参数谱与数据库对比，得到待测样品中甲醇含量；进行反演得到聚合度。本申请提供的甲醇评估解决现场电力变压器油中糠醛实测值不能反映电力变压器的真实老化程度的问题。

Description

一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法

技术领域

本申请涉及变压器检测技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法。

背景技术

电力变压器作为电力系统中关键节点设备，电力变压器的健康状态直接影响到整个电网的安全稳定运行，一旦发生严重的变压器故障，将带来大规模的停电与巨大的经济损失。因此通过合理的检测方法，对变压器状态进行探查尤为重要。

内绝缘故障是导致变压器故障的主要原因之一。在油浸式变压器中，绝缘油可以替换，但绝缘纸无法替换，因此绝缘纸的寿命直接决定着变压器内绝缘的寿命。聚合度是判断纤维素绝缘纸老化状态最可靠的特征量，对于绝缘纸老化状态的评估常用方法包括抗张强度测试、聚合度测试、油中溶解气体和糠醛含量测试等。目前在糠醛含量检测中，由于糠醛的易氧化性，现场变压器油中糠醛实测值普遍偏低，评估结果不能反映变压器的真实老化程度，实用性较差。

发明内容

本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法，以解决现场电力变压器油中糠醛实测值不能反映电力变压器的真实老化程度的问题。

一方面，本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置，包括太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机、数据处理器和检测台；所述太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机和数据处理器均设置在所述测试台台面顶部；所述太赫兹发生器经所述检测箱连接所述太赫兹探测器；所述检测箱内部设有所述绝缘油样品池；所述检测箱依次通过所述斩波器和所述棱镜连接所述太赫兹发生器；所述太赫兹探测器的输出端与所述数据处理器的输入端连接，所述数据处理器的输出端与计算机的输入端连接。

可选的，所述绝缘油样品池采用聚乙烯材料制成，所述绝缘油样品池厚度为1mm。

另一方面，本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法，包括以下步骤：

S1：将甲醇滴入干燥的空白绝缘油中，得到混合溶液；

S2：对所述混合溶液利用超声波进行震荡；

S3：将震荡后的混合溶液进行稀释，得到10个不同浓度的标准溶液；

S4：利用太赫兹检测装置对全部所述标准溶液进行检测，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱；

S5：利用所述标准太赫兹参数谱建立数据库；

S6：获取电力变压器中的绝缘油为待测样品；

S7：利用太赫兹检测装置对所述待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；

S8：将所述待测样品太赫兹参数谱与所述数据库对比，即可得到待测样品中的甲醇含量；

S9：根据所述甲醇含量进行定量反演，得到绝缘纸聚合度。

可选的，对所述混合溶液利用超声波进行震荡步骤中，震荡条件为室温下震荡60min。

可选的，所述S3中10个不同浓度的标准溶液的浓度分别为：99ppm、59.4ppm、19.8ppm、9.9ppm、4.95ppm、2.48ppm、1.24ppm、0.62ppm、0.31ppm和0.15ppm。

可选的，所述标准溶液和所述待测样品进行检测时溶液厚度均为10mm。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法，装置包括太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机、数据处理器和检测台；方法包括将甲醇滴入干燥的空白绝缘油中，得到混合溶液；对所述混合溶液利用超声波进行震荡；将震荡后的混合溶液进行稀释，得到10个不同浓度的标准溶液；利用太赫兹检测装置对全部所述标准溶液进行检测，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱；利用所述标准太赫兹参数谱建立数据库；获取电力变压器中的绝缘油为待测样品；利用太赫兹检测装置对所述待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；将所述待测样品太赫兹参数谱与所述数据库对比，即可得到待测样品中的甲醇含量；根据所述甲醇含量进行定量反演，得到绝缘纸聚合度。本申请提供的甲醇评估解决了在糠醛含量检测时，由于糠醛的易氧化性，现场变压器油中糠醛实测值普遍偏低，评估结果不能反映变压器的真实老化程度以及实用性较差的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置结构示意图；

图2为一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法流程图；

图3为本申请含不同浓度甲醇的新油的太赫兹时域谱图；

图4为本申请甲醇浓度与透射峰主峰峰高的关系图；

图5为本申请含甲醇绝缘油的透射波时域谱图；

图6为本申请含甲醇绝缘油的特征峰图；

图7为本申请甲醇特征峰与甲醇浓度间的关系图；

图8为本申请的老化绝缘油中太赫兹的特征吸收峰图；

图9为本申请甲醇含量与聚合度的关系图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置的结构示意图。本申请提供的一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置，包括太赫兹发生器1、太赫兹探测器2、检测箱3、绝缘油样品池4、斩波器5、棱镜、计算机6、数据处理器7和检测台8；所述太赫兹发生器1、太赫兹探测器2、检测箱3、绝缘油样品池4、斩波器5、棱镜、计算机6和数据处理器7均设置在所述测试台8台面顶部；所述太赫兹发生器1经所述检测箱3连接所述太赫兹探测器2；所述检测箱3内部设有所述绝缘油样品池4；所述检测箱3依次通过所述斩波器5和所述棱镜连接所述太赫兹发生器1；所述太赫兹探测器2的输出端与所述数据处理器7的输入端连接，所述数据处理器7的输出端与计算机6的输入端连接。其中，所述绝缘油样品池4采用聚乙烯材料制成，所述绝缘油样品池4厚度为1mm。

进一步地，所述太赫兹发生器1中的太赫兹激光器发射太赫兹波，太赫兹波经过斩波器5斩波后，通过棱镜聚焦在绝缘油样品池4，对绝缘油样品池4扫描，扫描后的太赫兹波被太赫兹探测器2接收，经过数据处理器7处理后传输至计算机6进行光谱成像。

参见图2，本申请还提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法，包括以下步骤：

S1：采用微量移液器在干燥后的空白绝缘油中滴入甲醇，得到混合溶液；

S2：对所述混合溶液利用超声波进行震荡，震荡条件为在室温下震荡60min；使甲醇在绝缘油中分布均匀；

S3：将震荡后的混合溶液通过逐级稀释法进行稀释，得到10个不同浓度的标准溶液；其中，10个不同浓度的标准溶液的浓度分别为：99ppm、59.4ppm、19.8ppm、9.9ppm、4.95ppm、2.48ppm、1.24ppm、0.62ppm、0.31ppm和0.15ppm。

S4：通过太赫兹检测装置采用透射法对全部所述标准溶液进行分析测试，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱；

S5：通过计算机对所述标准太赫兹参数谱建模建立数据库；

S6：获取电力变压器中的绝缘油为待测样品；

S7：利用太赫兹检测装置对所述待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；

S8：将所述待测样品太赫兹参数谱与所述数据库对比，即可得到待测样品中的甲醇含量；

S9：通过绝缘纸聚合度与油中微量甲醇的关系，使用油中微量甲醇定量反演绝缘纸聚合度，从而对绝缘纸老化无损测试。

进一步地，所述标准溶液和所述待测样品进行检测时溶液厚度均为10mm。方法基于太赫兹检测装置对绝缘油中的甲醇含量进行检测，通过识别油中极微量甲醇，定量反演出绝缘纸的老化状态。

进一步地，在步骤4和步骤7中，标准溶液和待测样品的测试是在绝缘油样品池4进行，所述绝缘油样品池4采用聚乙烯材料制作而成，所述绝缘油样品池4的厚度为1mm。在红外光谱等相似方法的测量中，样品池通常采用石英材质，石英材质对太赫兹波具有较强烈的吸收作用，因此选用对太赫兹波吸收很低的聚乙烯材料作为样品池。此外聚乙烯的厚度也对最终的测试结果有影响，厚度选取不当会造成太赫兹在传播过程中出现法布里-珀罗振荡，对最终的太赫兹时域谱造成干扰。综上所述，绝缘油样品池4的厚度为1mm可降低样品池对太赫兹时域谱造成的干扰。

进一步地，在步骤4和步骤7中，测试的标准溶液和待测样品厚度为10mm。在基于太赫兹波对绝缘油的测试中，如样品池过深，测透射后太赫兹波衰减过大，透射信号强度过低无法进行分析，而样品过浅则会造成吸收峰过低，样品特征信号的幅值不足，也不利于分析。参照菲涅尔公式，基于绝缘油的太赫兹介电特性，确定绝缘油厚度为10mm。

参见图3，为本申请含不同浓度甲醇的新油的太赫兹时域谱图；结果表明，当在绝缘油中添加不同浓度的甲醇后，其透射峰主峰，将向后移，这主要是由于甲醇为极性物质，添加入油后将使绝缘油的介电常数上升，从而导致太赫兹在其内部传播速度的降低，因此透射信号通过样品时间增长。与此同时，由于甲醇对太赫兹波存在一定的吸收作用，最终透射波形的峰值也出现了不同程度的降低。根据图4，可以得到透射波主峰高度与甲醇浓度的关系，其甲醇浓度C与透射峰高P之间满足P＝6234.5C^-0.027，可据此进行初步的定量计算，但是需要指出的是，在实际情况中，由于透射波的主峰高度不仅受甲醇，还将受到水分以及其它老化产物的影响，因此难以通过主峰高度对实际绝缘油中的甲醇含量进行标定，故需对时域谱进行进一步分析，寻找与甲醇对应的特征峰位置。

参见图5和图6，为进一步分析甲醇的吸收特性，分析了透射峰的频谱特性，考虑到当频率高于2.3THz之后，由于受水蒸气的峰的影响，出现大量测试噪声。同时参考设备自身的频谱特性，其在2.5THz后的信噪比将降低，所以主要选取2THz之前的吸收光谱作为研究对象。通过比较空白样与含甲醇样品的频谱特性可以发现，绝缘油与含甲醇的绝缘油在太赫兹波段上存在很多吸收峰，但是在1.03THz附近时，含甲醇的绝缘油存在一个较明显的特征峰值，而新的绝缘油则没有特征峰。

因此，可以通过1.03THz处的特征峰值进行甲醇含量的定量反演。如图7所示，其甲醇浓度C与透射峰高P之间满足P＝-0.037exp(-C/3.35)-0.047exp(-C/85.6)+0.029。为进一步验证，甲醇的特征峰位于1.03THz处，且不受其他老化副产物的影响，特通过制备了一批老化的绝缘油试样，老化温度取110度，老化时间为6天与18天，通过滴定一定含量的甲醇，并对其进行太赫兹光谱测试，获得了含微量甲醇的老化绝缘油的太赫兹频谱特性。参见图8，为本申请的老化绝缘油中太赫兹的特征吸收峰图；试样结果表明，随着老化时间的增加，绝缘油出现了其它副产物，使不含甲醇的老化油的频谱特性发生了改变，但均未在1.03THz处发现明显的特征峰。因此油中老化产物在1.03THz处不存在明显的吸收，而当老化绝缘油中添加入一定量的甲醇后，则在1.03THz处可发现明显的特征峰。因此将1.03THz作为甲醇的标志性吸收峰可以排除绝缘油老化副产物的干扰。

需要说明的是，在图8中可以看到，太赫兹的频谱存在微小的相移，这主要是由于测试温度细微差别造成的误差。当测试温度降低时，分子键长将稍微减小，共振带的位置将向高频移动，因此在最终的分析测试中，选用1.03THz-1.04THz之间的吸收峰作为甲醇的特征吸收峰。

参见图9为本申请甲醇含量与聚合度的关系图。绝缘纸在热老化过程中，将产生微量的甲醇，且甲醇可以迅速的在油纸中达到平衡，油中的甲醇浓度与绝缘纸的聚合度满足线性关系。基于太赫兹时域谱技术，含不同含量甲醇的绝缘油样品对太赫兹透射波的吸收特性，甲醇的特征峰位于1.03THz处，且特征峰峰值与甲醇含量呈双指数关系。

绝缘油中的甲醇主要由绝缘纸产生，且在老化初期纤维素开始断链时，即开始生成，无需取纸样，可被用于变压器在线检测，甲醇的生成量较多，在老化的前期和中期，相比与糠醛在油中的含量更多。因此可以采用甲醇来作为变压器初期老化的标志，甲醇的生成与聚合度的下降呈现出线性相关的趋势，甲醇在油中能够稳定存在，于油中的含量受温度影响较小，甲醇在变压器换油后能够快速的在油纸之间平衡，而糠醛在变压器换油后平衡时间较长，有的甚至长达数年，因此，对于换油后的变压器，采用糠醛进行评估有存在不准确的可能性，即甲醇评估比糠醛评估的准确性更高，实用性更强。

本申请提供了一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置及方法，装置包括太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机、数据处理器和检测台；方法包括将甲醇滴入干燥的空白绝缘油中，得到混合溶液；对所述混合溶液利用超声波进行震荡；将震荡后的混合溶液进行稀释，得到10个不同浓度的标准溶液；利用太赫兹检测装置对全部所述标准溶液进行检测，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱；利用所述标准太赫兹参数谱建立数据库；获取电力变压器中的绝缘油为待测样品；利用太赫兹检测装置对所述待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；将所述待测样品太赫兹参数谱与所述数据库对比，即可得到待测样品中的甲醇含量；根据所述甲醇含量进行定量反演，得到绝缘纸聚合度。本申请提供的甲醇评估解决了在糠醛含量检测时，由于糠醛的易氧化性，现场变压器油中糠醛实测值普遍偏低，评估结果不能反映变压器的真实老化程度以及实用性较差的缺点。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置，其特征在于，包括太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机、数据处理器和检测台；所述太赫兹发生器、太赫兹探测器、检测箱、绝缘油样品池、斩波器、棱镜、计算机和数据处理器均设置在所述检测 台台面顶部；所述太赫兹发生器经所述检测箱连接所述太赫兹探测器；所述检测箱内部设有所述绝缘油样品池；所述检测箱依次通过所述斩波器和所述棱镜连接所述太赫兹发生器；所述太赫兹探测器的输出端与所述数据处理器的输入端连接，所述数据处理器的输出端与计算机的输入端连接，所述数据处理器选用1.03THz-1.04THz之间的吸收峰作为甲醇的特征吸收峰。

2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测装置，其特征在于，所述绝缘油样品池采用聚乙烯材料制成，所述绝缘油样品池厚度为1mm。

3.一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将甲醇滴入干燥的空白绝缘油中，得到混合溶液；

S2：对所述混合溶液利用超声波进行震荡；

S3：将震荡后的混合溶液进行稀释，得到10个不同浓度的标准溶液；

S4：利用太赫兹检测装置对全部所述标准溶液进行检测，得到标准太赫兹时域谱和标准太赫兹参数谱；

S5：利用所述标准太赫兹参数谱建立数据库；

S6：获取电力变压器中的绝缘油为待测样品；

S7：利用权利要求1至2任一项所述的检测装置对所述待测样品进行检测，得到待测样品太赫兹时域谱和待测样品太赫兹参数谱；

S8：将所述待测样品太赫兹参数谱与所述数据库对比，即可得到待测样品中的甲醇含量；

S9：根据所述甲醇含量进行定量反演，得到绝缘纸聚合度。

4.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹电力变压器绝缘纸老化检测方法，其特征在于，对所述混合溶液利用超声波进行震荡步骤中，震荡条件为室温下震荡60min。

5.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法，其特征在于，所述S3中10个不同浓度的标准溶液的浓度分别为：99ppm、59.4ppm、19.8ppm、9.9ppm、4.95ppm、2.48ppm、1.24ppm、0.62ppm、0.31ppm和0.15ppm。

6.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹的电力变压器绝缘纸老化检测方法，其特征在于，所述标准溶液和所述待测样品进行检测时溶液厚度均为10mm。

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