CN112912722A - 设置有水分传感器的电气设备 - Google Patents
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Abstract
一种电气设备包括：电压承载部件、被构造为使电压承载部件电绝缘的固体绝缘系统(8)和被构造为检测固体绝缘系统(8)中的水分的水分传感器(2)，其中，该水分传感器(2)包括：电容器(9)，其具有：第一电极(3)、第二电极(5)和布置在第一电极(3)和第二电极(5)之间的介电材料(7)，其中该固体绝缘系统(8)形成介电材料(7)，电容器(9)的电容提供介电材料(7)中的水分含量的指示。
Description
技术领域
本公开总体上涉及诸如变压器和电抗器的电气设备，并且尤其涉及这种设备中的水分检测。
背景技术
预测大型电力变压器的寿命并估计其剩余寿命对于可靠运行和优化资产管理具有重大的实际意义。众所周知，变压器寿命主要取决于其绝缘性能的劣化，尤其是通常由纤维素纸和压板形成的固体绝缘。决定变压器固体绝缘劣化的两个重要因素是温度和水分。
Garcia等人在Sensors 2015，15，3610-3624上发表的论文“Development of amoisture-in-solid-insulation sensor for power transformers”(“用于电力变压器的固体绝缘中水分传感器的发展”)公开了一种用于测量电力变压器中水分的传感器。该传感器包括由位于两个金属板之间的牛皮纸线圈组成的探头，从而形成圆柱形电容器。探头装配在变压器油箱中并浸入变压器油中运行。理想情况下，探头应插入热油流中并尽可能靠近绕组。如果将探头安装在不同的位置或者如果需要估计整个绕组中的水分分布，则可能需要考虑绕组上的温度分布并使用水分扩散模型。通过测量牛皮纸线圈的介电响应得出其水分含量。
该论文中的传感器的一个缺点是，它只能在变压器的某些中性/低梯度区域中使用，因此无法捕获绕组热点的水分动态。
US 3 961 246 A公开了一种监测电感应设备的绝缘干燥的电容方法。
MX 2014 015 007 A公开了一种用于电流变压器中的监测和故障检测的系统。该系统包括沿着位于中央导体和用于控制电场的系统之间的电流变压器的有源部分分布的多个测量电极。电极可用于获得测量值并记录参数，所述参数允许评估变压器不同区域的绝缘状态，以定位由水分或油/纸绝缘系统劣化引起的不断发展的故障。
US 2004/100285 A1公开了一种颗粒水分传感器，其具有传感器单元，该传感器单元包括：从动板；靠近并基本平行于从动板的感测板，用于从动板和感测板之间的间隔的电容测量；以及填充板，其与感测板相邻并且基本上平行于从动板，用于感测该间隔是否被颗粒填充。
发明内容
本发明人已经意识到，当电极位于诸如变压器或电抗器的电气设备内部时，由于存在于此类设备内部的电场梯度，该电极将产生局部放电。
鉴于以上内容，本公开的目的是提供一种电气设备，该电气设备解决或至少减轻了现有技术的问题。
因此，提供了一种电气设备，该电气设备包括：电压承载部件；被构造为使电压承载部件电绝缘的固体绝缘系统；以及被构造为检测固体绝缘系统中的水分的水分传感器，其中，该水分传感器包括：电容器，该电容器具有第一电极、第二电极和布置在第一电极和第二电极之间的介电材料，其中固体绝缘系统形成介电材料，电容器的电容提供介电材料中水分含量的指示。
由于介电材料形成了固体绝缘系统的一部分，因此任何电容变化都将直接测量固体绝缘系统中水分传感器位置处的水分。
第一电极和第二电极可具有端部部分，该端部部分远离介电材料弯曲，以跟随电场线的轮廓。由此，端部部分形成第一电极和第二电极的圆柱形状。第一电极和第二电极可以具有罗戈夫斯基轮廓。
一个实施例包括电连接到第一电极的屏蔽构件。
屏蔽构件与第一电极形成等电位屏，从而降低了局部放电的风险。因此，水分传感器可以安装在电场梯度高的区域。由此可以改善热点区域中水分动态的捕获。这样的热点区域可以例如位于绕组内部。
屏蔽构件可以具有端部部分，该端部部分远离第一电极弯曲，以跟随电场线的轮廓。由此，端部部分形成屏蔽构件的圆柱形状。屏蔽构件可以具有罗戈夫斯基轮廓。
根据一个实施例，屏蔽构件包括平行于第一电极延伸的金属板。该板优选地限定了没有网状结构并且没有空隙的连续表面。
屏蔽构件可以被布置为与第一电极间隔开。屏蔽构件可以被布置为与第一电极平行并且与第一电极间隔开。
屏蔽构件可以被布置为与第二电极间隔开。屏蔽构件可以被布置为与第一电极平行并且与第一电极间隔开。
一个实施例包括间隔件，该间隔件被构造为使屏蔽构件与第一电极间隔开以促进水分迁移。从而可以促进水分迁移。
根据一个实施例，第一电极具有网状结构，该网状结构被构造为促进水分向介电材料迁移以及从介电材料迁移。
根据一个实施例，第二电极具有网状结构，该网状结构被构造为促进水分向介电材料迁移以及从介电材料迁移。
根据一个实施例，固体绝缘系统包括纤维素基材料。
一个实施例包括外壳和介电流体，其中外壳填充有介电流体。
根据一个实施例，介电流体是介电液体，例如油或酯。
根据一个实施例，固体绝缘系统包括屏蔽环，其中水分传感器附接到屏蔽环，介电材料由屏蔽环形成。
一个实施例包括绕组，其中固体绝缘系统包括围绕绕组布置的柱体屏障，其中水分传感器附接到柱体屏障，介电材料由柱体屏障形成。
根据一个实施例，固体绝缘系统包括压环，其中水分传感器附接到压环，介电材料由压环形成。
根据一个实施例，固体绝缘系统包括套管引线绝缘结构，其中水分传感器附接到套管引线绝缘结构，介电材料由套管引线绝缘结构形成。
一个实施例包括分压器，该分压器被构造为连接在电气设备内部的两个电压电位之间，其中，该分压器被构造为使电容器通电。
根据一个实施例，电气设备是高压电气设备。
根据一个实施例，电气设备是变压器、电抗器或套管。
一个实施例包括多个分布式温度传感器，其被构造为测量电气设备中的多个位置处的温度。
分布式温度传感器可以例如是诸如光纤布拉格光栅系统的光纤传感器系统的形式。
一个实施例可以包括参考温度传感器，该参考温度传感器被构造为测量水分传感器的区域内或水分传感器处的温度。水分传感器的位置可以是参考位置。
电气设备可以形成电气设备系统的一部分，该电气设备系统包括水分确定单元，该水分确定单元设置有动态水分扩散模型，该动态水分扩散模型被构造为基于借助于水分传感器的水分测量值和参考温度传感器在参考位置处测量的温度测量值来校准或调整。
根据一个实施例，可以使用关注位置处的温度传感器的测量温度作为动态水分扩散模型的输入来确定分布式温度传感器中任一分布式温度传感器的位置处的水分含量，以获取该关注位置处的水分含量。
可替代地，可以估计电气设备中关注位置处的温度，并且可以将估计的温度用作动态水分扩散模型的输入以获得关注位置处的水分含量。可以例如借助于降阶模型或计算流体动力学模型来进行该估计。
动态水分扩散模型基于作为关注位置的同一电气设备内部的实际测量数据，即，温度和水分含量，因此其会经历相同的环境温度动态变化、负载条件和例如冷却系统操作。因此，关注位置中的水分含量的确定将更加准确。
通常，在权利要求中使用的所有术语除非本文另外明确定义，否则将根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则所有对“一/一个/所述元件、设备、部件、装置等的引用”将公开解释为是指元件、设备、部件、装置等的至少一种示例。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明构思的特定实施例，其中：
图1示意性地示出了电子设备的示例的侧视图；
图2示意性地示出了水分传感器的示例的侧视图；
图3示出了包括水分传感器的电子设备的一部分的横截面；
图4示意性地示出了水分确定单元的框图；和
图5是估计电子设备中的水分含量的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，在该附图中示出了示例实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；本发明不限于所公开的实施例；而是这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围完全传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1描绘了电气设备1的示例。电气设备1可以例如是电磁感应设备，例如变压器诸如电力变压器或电抗器或套管。电气设备通常可以是高压或中压电气设备。电气设备1可以例如是高压直流(HVDC)电气设备。
电气设备1包括外壳4。电气设备1包括一个或多个电压承载部件，例如一个或多个导体，例如一个或多个绕组。一个或多个电压承载部件布置在外壳4的内部。
电气设备1还包括固体绝缘系统，该固体绝缘系统被构造为使一个或多个电压承载部件电绝缘。固体绝缘系统可以例如是纤维素基。固体绝缘系统可以例如包括压板。
电气设备1可以包括介电流体，例如介电液体。介电液体可以是油，例如变压器油，或酯。外壳4可以填充有介电流体。因此，可以将电压承载部件和固体绝缘系统浸入介电流体中。
电气设备1包括水分传感器。图2描绘了这种水分传感器2的示例。水分传感器2被构造为在电气设备1的固体绝缘系统8中提供水分的测量，即水分含量。示例性的水分传感器2包括第一电极3和第二电极5。水分传感器2还包括夹在第一电极3和第二电极5之间的介电材料7。介电材料7形成电气设备1的固体绝缘系统8的一部分。因此，固体绝缘系统8形成介电材料7。因此，优选地将第一电极3和第二电极5直接设置在固体绝缘系统8的一部分的分别的侧面上。因此，水分传感器2被内置在固体绝缘系统8中或与固体绝缘系统8集成在一起。在下文将水分传感器2在固体绝缘系统8上的位置称为参考位置。
第一电极3、第二电极5和介电材料7形成电容器9。电容器9具有取决于介电材料7中的水分含量的电容。特别地，介电材料7的介电常数取决于水分含量，电容取决于介电常数。因此，取决于介电材料7中，即固体绝缘系统8中在第一电极3和第二电极5之间的水分含量，电容器9的介电常数改变，并且电容器9的电容因此改变。因此，电容提供了介电材料7中水分含量的量度。
第一电极3可以优选地具有网状结构，如通孔3a示意性地示出了该通孔。该网状结构促进水分进出介电材料7，即，进出固体绝缘系统8的邻近第一电极3的部分。
第二电极5可以优选地具有网状结构，如通过通孔5a示意性示出。网格状结构促进水分进出介电材料7，即，进出固体绝缘系统8的邻近第二电极5的部分。
水分传感器2可以具有电连接到第一电极3的屏蔽构件9。屏蔽构件9用作等电位屏。屏蔽构件9包括平行于第一电极3延伸的金属板9a。水分构件2可以具有间隔件11，该间隔件被构造为使屏蔽构件9与第一电极3间隔开以促进水分迁移。因此，屏蔽构件9优选与第一电极3间隔开。
第一电极3和第二电极5优选地连接到电源13以获得第一电极3和第二电极5之间的电势。电气设备1可以例如包括连接在电气设备1内的两个电压电位之间的分压器，该分压器被构造为使电容器9通电。分压器可以例如包括两个适当尺寸的电阻，并且第一电极3可以连接到其中一个电阻的一端，而第二电极5可以连接到同一电阻的另一端。这种方式的好处是不需要外部电源。
电气设备1可以包括参考温度传感器15，该参考温度传感器被构造为测量参考位置处，即在水分传感器2的区域中，例如在水分传感器2处或附近的温度。因此，根据该示例，温度以及水分含量都可以在参考位置处进行测量。
图3示意性地示出了电子设备1的一个示例的内部的一部分，其中箭头示出了介电液体的流动方向。在该示例中，电气设备1包括绕组17，并且示出了绕组17的一部分。根据本示例，固体绝缘系统8包括屏蔽环19，并且水分传感器2与屏蔽环19集成在一起，使得介电材料7形成屏蔽环19的一部分。因此，水分传感器2被附接到屏蔽环19。
其他可在何处将水分传感器2有利地布置在电气设备1的固体绝缘系统8上且介电材料7形成电气设备1的固体绝缘系统8的一部分的示例为：压环，在围绕绕组布置的柱体屏障上的、围绕电气装置磁轭布置的固体绝缘系统的的一部分，套管引线绝缘结构，以及靠近介电液体顶部的固体绝缘的绝缘件。
根据一个示例，电气设备1可以包括分布在电气设备1中的多个温度传感器。每个温度传感器可以被构造为测量电气设备1中的各个关注位置或热点区域处的温度。分布在电气设备1中的温度传感器例如可以是光纤布拉格光栅系统的形式。
作为借助于分布在电气设备1中的温度传感器来测量温度的替代方式，可以例如借助降阶模型或计算流体动力学模型来估计任一关注位置或热点中的温度。
电气设备1可以形成包括水分确定单元21的电气设备系统的一部分，如图4所示。水分确定单元21可以包括其中存储有动态水分扩散模型的存储介质23和被构造为执行由该存储介质23存储的计算机代码的处理电路25。例如，水分确定单元21可以被构造为接收来自水分传感器2的水分测量值和来自参考温度传感器15的温度测量值，并基于水分测量值和温度测量值来校准/调整动态水分扩散模型，即动态水分扩散模型的参数，以优化动态水分扩散模型到实际电气设备1。
根据一个示例，水分确定单元21被构造为基于由关注位置中的温度传感器测量的温度来估计关注位置中的水分含量，该关注位置在任何温度传感器的区域中。特别地，所测量的温度被用作动态水分扩散模型的输入，由此可以估计关注位置中的水分含量。可替代地，在代替地在关注位置估计温度的情况下，将估计的温度用作动态水分扩散模型的输入，由此可以估计关注位置中的水分含量。
图4示出了用于估计电子设备1内的关注位置或热点区域处的水分含量的方法的示例的流程图。
在步骤S1中，通过来自水分传感器2的测量来确定参考位置中的水分含量。特别地，基于水分传感器2的电容或介电常数来确定水分含量。参考位置处的温度也通过参考温度传感器15来确定。
在步骤S2中，如在步骤S1中获得的那样，基于参考位置处的水分含量和温度来校准/调整动态水分扩散模型。
在步骤S3中，通过由温度传感器的测量或通过由水分确定单元21的估计来确定关注位置处的温度。
在步骤S4中，使用如在步骤S2中校准/调整的动态水分扩散模型基于在该关注位置处的温度来确定关注位置处的水分含量。
上面主要参考一些示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，除了上面公开的实施例以外的其他实施例同样是可行的。
Claims (12)
1.一种电气设备(1)，所述电气设备包括：
电压承载部件；
固体绝缘系统(8)，所述固体绝缘系统被构造为使所述电压承载部件电绝缘；
水分传感器(2)，所述水分传感器被构造为检测所述固体绝缘系统(8)中的水分，其中所述水分传感器(2)包括：
电容器(9)，所述电容器具有：
﹣第一电极(3)，
﹣第二电极(5)，以及
﹣布置在所述第一电极(3)和所述第二电极(5)之间的介电材料(7)，其中所述固体绝缘系统(8)形成所述介电材料(7)，
所述电容器(9)的电容提供所述介电材料(7)中的水分含量的指示；
电连接到所述第一电极(3)的屏蔽构件(9)；以及
间隔件(11)，所述间隔件被构造为使所述屏蔽构件(9)与所述第一电极(3)间隔开以促进水分迁移，
其中所述第一电极(3)具有网状结构，所述网状结构被构造为促进水分向所述介电材料(7)迁移以及从所述介电材料迁移。
2.根据权利要求1所述的电气设备(1)，其中，所述屏蔽构件(9)包括平行于所述第一电极(3)延伸的金属板。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电气设备(1)，其中，所述第二电极(5)具有网状结构，所述网状结构被构造为促进水分向所述介电材料(7)迁移以及从所述介电材料迁移。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电气设备(1)，其中，所述固体绝缘系统(8)包括纤维素基材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电气设备(1)，所述电气设备包括外壳(4)和介电流体，其中，所述外壳(4)填充有所述介电流体。
6.根据权利要求5所述的电气设备(1)，其中，所述介电流体是诸如油或酯的介电液体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电气设备(1)，其中，所述固体绝缘系统(8)包括屏蔽环，其中，所述水分传感器(2)附接到所述屏蔽环，所述介电材料(7)由所述屏蔽环形成。
8.根据权利要求1﹣6中任一项所述的电气设备(1)，所述电气设备包括绕组(17)，其中，所述固体绝缘系统(8)包括围绕所述绕组(17)布置的柱体屏障，其中，所述水分传感器(2)被附接到所述柱体屏障，所述介电材料(7)由所述柱体屏障形成。
9.根据权利要求1﹣6中任一项所述的电气设备(1)，其中，所述固体绝缘系统(8)包括压环，其中，所述水分传感器(2)附接到所述压环，所述介电材料(2)由所述压环形成。
10.根据权利要求1﹣6中任一项所述的电气设备(1)，其中，所述固体绝缘系统(8)包括套管引线绝缘结构，其中，所述水分传感器(2)附接到所述套管引线绝缘结构，所述介电材料(7)由所述套管引线绝缘结构形成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电气设备(1)，所述电气设备包括分压器，所述分压器被构造为连接在所述电气设备(1)内部的两个电压电位之间，其中，所述分压器被构造为使所述电容器(9)通电。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电气设备(1)，其中，所述电气设备(1)是变压器、电抗器或套管。
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