CN111812467A - 评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，属于电力设备评估领域，包括以下步骤：S1：对含不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板进行频域介电响应测试；S2：提取表征水分和老化产物协同增效影响的介电模量特征量；S3：构建水分和老化产物协同增效影响下油浸绝缘纸板聚合度与介电模量虚部积分值的关联关系。本方法能够融合水分和老化产物协同增效影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估，水分含量范围可以在0.5％～5％范围内，更符合现场油浸式变压器运行实际，弥补了传统方法仅考虑单一因素(水分或老化)对油纸绝缘系统老化状态评估不准确的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于电力设备评估领域，涉及一种评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法。
背景技术
电力变压器是电力系统中电能传输和能量转换的核心电力设备。在110kV及以上电压等级电网中，油浸式电力变压器广泛应用。在实际运行过程中，油浸式电力变压器内部油纸绝缘系统(绝缘油、纤维素绝缘材料)会受到电应力、热应力、机械应力和环境因素等影响而逐渐劣化，使得油纸绝缘系统机械强度下降，且水分、酸性产物等逐渐增多。油纸绝缘老化易引起电力变压器绝缘性能下降，甚至诱发绝缘失效，严重威胁变压器和电力系统的安全稳定运行。因此，对变压器油纸绝缘系统老化状态进行有效评估，对保证变压器安全稳定运行意义重大。
油浸式电力变压器的老化状态主要取决于固体纤维素绝缘纸(板)的老化状态。目前，国内外研究学者针对油浸纤维素绝缘纸板受潮或老化状态评估开展了大量研究。常用的诊断方法分为物理化学诊断方法和电气诊断方法，其中物理化学诊断方法包括油中溶解气体法、糠醛含量法、酸值法、微水含量法等；电气诊断方法包括工频介损法、极化去极化电流法、回复电压法、频域介电谱法等。然而，油浸式变压器油纸绝缘系统中的固体绝缘材料不易更换，采用油中化学参量进行老化状态诊断的方法易受换油的影响，造成评估结果不准确，且不能在现场通过测量直接完成老化状态评估；工频介损法对绝缘劣化不灵敏；极化去极化电流法和回复电压法易受外界电磁噪声干扰。与上述方法相比，频域介电谱法具有无损、频带宽、抗干扰能力强、测量结果包含丰富绝缘状态信息的优点，被广泛应用于电力设备的绝缘状态诊断和老化状态评估。
国内外研究学者利用频域介电谱技术对油浸式电力变压器的绝缘老化状态和受潮状态开展了很多研究。挪威学者Dag Linhjell等分析了水分对油纸绝缘样品频域介电特性的影响，表明随水分含量增加，复介电常数实部和虚部逐渐向高频方向移动，在较高水分含量下复介电常数虚部曲线出现损耗峰。挪威学者D.Lundgaard等对三种不同受潮程度的油纸绝缘样品开展了频域介电谱测试，表明随受潮程度增加，样品复相对介电介电常数的低频部分逐渐增加，高频区基本不受影响。印度学者P.Poovamma等研究了老化对油纸绝缘样品频域介电谱FDS的影响，表明随老化程度加深，样品相对介电常数虚部和介质损耗逐渐增大。国内重庆大学郝建等对不同热老化状态油纸绝缘样品开展了频域介电谱FDS测试，表明油纸绝缘老化对其频域介电谱低频区影响显著，低频区特征频率处介电常数和介质损耗与聚合度遵循指数函数关系，随介电常数和介质损耗增大，聚合度逐渐下降。重庆大学廖瑞金等研究分析了水分和老化对油纸绝缘频域介电特性的影响，表明水分和老化对介质损耗曲线影响频段不同，并对不同频段介质损耗曲线积分获取特征量来区分水分和老化影响。广西大学刘捷丰等对具有不同水分含量油浸绝缘纸板开展频域介电测试，利用频域介电曲线提取介质损耗积分值特征量来量化水分的影响。
目前，国内外学者主要研究单一影响因素水分或老化对油纸绝缘介质介电特性影响，或区分水分和老化对频域介电曲线的影响频段。此外，现有变压器油纸绝缘系统老化状态评估的方法，均是在油纸绝缘系统水分含量基本保持恒定(<1％)的条件下获得的，而变压器油纸绝缘系统的水分含量会随着其运行年限的增加而逐渐增大，因此，现有方法不完全适用于变压器油纸绝缘系统水分含量高于1％时的老化状态评估，且评估误差较大。因此，要准确评估变压器油纸绝缘老化状态，需综合考虑水分和老化产物对油纸绝缘系统频域介电的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用频域介电模量虚部积分值评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，融合水分和老化产物协同影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估，适用于油浸式电力设备油纸绝缘老化状态评估领域。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，包括以下步骤：
S1：对含不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板进行频域介电响应测试；
S2：提取表征水分和老化产物协同增效影响的介电模量特征量；
S3：构建水分和老化产物协同增效影响下油浸绝缘纸板聚合度与介电模量虚部积分值的关联关系。
进一步，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：将油浸绝缘纸板在120℃热老化箱中进行加速热老化，然后对未老化和不同热老化状态的油浸绝缘纸板进行吸潮试验，得到具有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板；
S12：对含有不同水分和老化状态的油浸绝缘纸板开展频域介电特性测试，获得含有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板的频域介电谱。
进一步，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：采用式(1)将受水分和老化协同增效影响的油浸绝缘纸板频域介电曲线转换成介电模量谱曲线：
其中，M’(ω)和M”(ω)分别代表介电模量实部和虚部。ε’(ω)和ε”(ω)分别代表频域复介电常数实部和虚部。
S22：综合考虑水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响，采用式(2)对介电模量虚部进行积分，积分数值称为模量因子A(DP-mc％)，对水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响进行量化表征：
其中，M”(f)代表介电模量虚部，f代表测试频率。
进一步，步骤S3中，具体包括：
S31：针对不同老化状态下油浸绝缘纸板，构建其模量因子与水分的函数关系；
S32：采用“聚合度-水分”平移思想，选取特定聚合度的模量因子曲线为参考曲线，将其余聚合度的模量因子曲线沿水平方向移动向参考曲线，形成主曲线；
S33：采用式(3)对主曲线进行非线性函数拟合：
其中，a、b和c均为非线性函数的拟合系数，mc％ref为主曲线下的水分含量；
S34：将曲线平移前的水分含量与平移后的水分含量比值称为聚合度平移因子ψDP，聚合度平移因子ψDP计算公式如下：
式中，(mc％)DP为曲线平移前的水分含量，(mc％)ref为曲线平移后的水分含量；
S35：根据阿伦乌斯方程形式构建聚合度平移因子ψDP与(1/DPref-1/DP)的函数关系，函数关系如下：
其中，DPref是参考曲线对应的聚合度，DP为被平移曲线对应的聚合度，EDP为与油浸绝缘纸板聚合度相关的常数；
对式(5)等号两边同时取对数得式(6)，进而构建ψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系式：
S36：对lnψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系进行拟合，拟合公式如下：
S37：得到融合水分和老化产物协同增效影响评估油浸绝缘纸板老化状态的公式：
从而推导出融合水分和老化产物协同增效影响下的绝缘纸板聚合度：
本发明的有益效果在于：本方法能够融合水分和老化产物协同增效影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估，水分含量范围可以在0.5％～5％范围内，更符合现场油浸式变压器运行实际，弥补了传统方法仅考虑单一因素(水分或老化)对油纸绝缘系统老化状态评估不准确的技术难题。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为频域介电谱测试系统示意图；
图2为不同水分含量下聚合度832油浸绝缘纸板的频域介电谱；
图3为不同水分含量下聚合度832油浸绝缘纸板的介电模量谱；
图4为不同水分含量和老化状态油浸绝缘纸板的模量因子；
图5为不同聚合度下模量因子与水分含量的关系；
图6为融合水分和老化协同增效影响的主曲线构建过程图，图6(a)为平移过程图，图6(b)为主曲线图；
图7为lnψDP和(1/DPref-1/DP)的关系示意图；
图8(a)为被验证实验室油纸纤维素纸板的频域介电谱，图8(b)为介电模量谱；
图9(a)为实测电力变压器主绝缘的复电容，图9(b)为复介电常数；
图10为变压器主绝缘结构的等效模型，图10(a)为主绝缘结构，图10(b)为等效XY模型；
图11(a)为变压器主绝缘中油浸绝缘纸板的复介电常数频谱，图11(b)为介电模量谱；
图12为油浸绝缘纸板和油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态评估流程图；
图13为本发明实现流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种应用频域介电模量虚部积分值评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，该方法能融合水分和老化产物协同影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估，水分含量范围可以在0.5％～5％范围内，更符合现场油浸式变压器运行实际，弥补了传统方法仅考虑单一因素(水分或老化)对油纸绝缘系统老化状态评估不准确的技术难题。
本实施例包括以下步骤：
1.含不同水分含量老化油浸绝缘纸板的频域介电响应测试
首先将油浸绝缘纸板在120℃热老化箱中进行加速热老化。然后对未老化和不同热老化状态的油浸绝缘纸板进行吸潮试验，得到具有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板。本实施例制备了聚合度为1286、832和356的油浸绝缘纸板，其中聚合度为1286的新油浸绝缘纸板水分含量分别是0.98％、1.84％、2.53％、3.62％、3.85％和4.51％，聚合度为832的老化油浸绝缘纸板水分含量分别是1.24％、1.71％、2.08％、3.37％、3.77％和4.42％，聚合度为356的老化油浸绝缘纸板水分含量分别是1.13％、1.98％、2.76％、3.34％、4.12％和4.75％。
对含有不同水分和老化状态的油浸绝缘纸板开展频域介电特性测试，频域介电谱测试系统示意图如图1所示。测试仪器选用Megger公司生产的IDAX-300，测试峰值电压为200V，测试频率范围是10-3-103Hz，测试温度为45℃。获得含有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板的频域介电谱，以不同水分含量下聚合度为832油浸绝缘纸板的频域介电谱为例，如图2所示。
2.提取表征水分和老化产物协同增效影响的介电模量特征量
采用公式1将受水分和老化协同增效影响的油浸绝缘纸板频域介电曲线转换成介电模量谱曲线。以不同水分含量下聚合度为832油浸绝缘纸板的介电模量谱为例，如图3所示。
其中，M’(ω)和M”(ω)分别代表介电模量实部和虚部。ε’(ω)和ε”(ω)分别代表频域复介电常数实部和虚部。
综合考虑水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响，采用公式2对介电模量虚部进行积分(积分数值被称为模量因子A(DP-mc％))，对水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响进行量化表征。对本实施例提供的三组具有不同水分和老化状态的油浸绝缘纸板计算模量因子A(DP-mc％)，计算结果如图4所示。
其中，M”(f)代表介电模量虚部，f代表测试频率。
3.构建水分和老化产物协同增效影响下油浸绝缘纸板聚合度与介电模量虚部积分值的关联关系
针对不同老化状态下油浸绝缘纸板，构建其模量因子与水分的函数关系，如图5所示。
本实施例提出“聚合度-水分”平移思想，选取聚合度为356的模量因子曲线为参考曲线，将聚合度为832和1286的模量因子曲线沿水平方向向左移动向参考曲线，形成主曲线，如图6所示。并采用公式3对主曲线进行非线性函数拟合。公式中a、b和c均为非线性函数的拟合系数，mc％ref为主曲线下的水分含量。此主曲线融合水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响，有利于实现准确评估水分和老化协同增效影响下油浸绝缘纸板的绝缘状态。
同时，本实施例将曲线平移前的水分含量与平移后的水分含量比值称为聚合度平移因子ψDP，聚合度平移因子ψDP计算公式如公式4所示。公式中，(mc％)DP被称为曲线平移前的水分含量，(mc％)ref为曲线平移后的水分含量。聚合度1286、832和356曲线的平移因子分别是1、1.281和1.363。
根据阿伦乌斯方程形式构建聚合度平移因子ψDP与(1/DPref-1/DP)的函数关系，函数关系如公式5所示。其中DPref是参考曲线对应的聚合度，DP为被平移曲线对应的聚合度，EDP被定义为与油浸绝缘纸板聚合度相关的常数。同时，对公式5等号两边同时取对数可得公式6，进而构建ψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系式。在本实施例中，lnψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系被拟合，拟合图和拟合公式分别如图7和公式7所示。拟合优度为0.99，EDP数值大小为132.533。
根据以上分析，本实施例得到了融合水分和老化产物协同增效影响评估油浸绝缘纸板老化状态的方法，如公式8所示。最后，可根据公式推导出融
合水分和老化产物协同增效影响下的绝缘纸板聚合度，如公式9所示。
4.验证本专利方法有效性
本实施例提供了一种应用频域介电模量虚部积分值评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，该方法能融合水分和老化产物协同增效影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估。为了验证本实施例方法有效性，本专利选取老化和受潮的油浸绝缘纸板样品，以及现场一台油浸式电力变压器为验证对象。
(1)实验室制备的老化和受潮协同增效影响的油浸纤维素样品绝缘状态评估
本实施例制备了聚合度和水分含量分别为356和1.27％、聚合度和水分含量分别为544和3.87％的油浸绝缘纸板样品。利用IDAX300设备获得两种油浸绝缘纸板样品进行频域介电谱数据(测试示意图如图1所示)，频域介电谱数据如图8(a)所示。同时，利用公式将频域介电谱转换为介电模量谱如图8(b)所示。
同时，利用本实施例公式2对实验室油浸绝缘纸板的介电模量虚部进行积分进而获得模量因子A(DP-mc％)。聚合度和水分含量分别为356和1.27％、聚合度和水分含量分别为544和3.87％的油浸绝缘纸板样品模量因子A(DP-mc％)分别为1.58和和10.34。最后根据两种油浸绝缘纸板的模量因子A(DP-mc％)和通过测试设备评估的水分含量分别代入到本实施例公式11，可最终求得融合水分和老化状态协同增效影响的油浸绝缘纸板的预测聚合度。本实施例求得聚合度和水分含量分别为356和1.27％、聚合度和水分含量分别为544和3.87％的油浸绝缘纸板样品的预测聚合度数值分别为398和559，与实测聚合度较为接近。
(2)现场油浸式变压器油纸绝缘老化状态评估
结合本实施例新评估方法和变压器油纸绝缘系统XY等效模型，本专利进一步提出了针对现场变压器油纸绝缘老化状态评估的方法和流程，如下所示：
本实施例对实际运行某三绕组电力变压器的开展FDS测试，该电力变压器主绝缘结构参数为X＝0.23，Y＝0.48，测试时该变压器已投入运行时间为约8年，根据变压器30年寿命预期计算可知该变压器寿命处在中前期，聚合度应在700-900之间。测试设备采用Megger公司的IDAX300，测试峰值电压为200V，频率范围为10-3Hz～103Hz，测试时变压器温度为28℃，同时测得该温度下变压器绝缘油直流电导率为4.2×10-13S/m。此外，用测试设备软件评估该变压器水分含量为1.65％。被测电力变压器的复电容谱Ctot*如图9(a)所示。同时，电力变压器主绝缘的实测复电容谱可通过公式10转换为复介电常数谱，如图9(b)所示。
油浸式电力变压器绕组间主绝缘结构为油纸复合绝缘，主要由圆柱形隔板、油道以及垫片组成，如图10所示。等效XY模型是简化油浸式电力变压器绕组间油纸复合绝缘的常用方法，如图10所示。其中，X为隔板总厚度与主绝缘厚度比值，Y为垫片总宽度与高低压绕组平均周长比值。
根据XY模型公式11，可以计算得到变压器主绝缘中油浸绝缘纸板的复介电常数频谱εPB*，如图11(a)所示。σ(T)表示温度T下的直流电导率,ε0真空介电常数，ε0＝8.85×10- 12F/m。同时，利用公式1将变压器主绝缘中油浸绝缘纸板的复介电常数频谱转换为介电模量谱，如图11(b)所示。并利用公式2对变压器主绝缘中油浸绝缘纸板的介电模量虚部进行积分计算可得模量因子为1.278，并结合评估水分含量代入公式9，可得出变压器主绝缘中油浸绝缘纸板预测聚合度为776。与变压器主绝缘DP范围一致，进而验证本实施例融合水分和老化协同增效影响的油浸绝缘纸板绝缘状态评估方法的有效性。
本实施例提供了一种应用频域介电模量虚部积分值评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，该方法能融合水分和老化产物协同影响进行油浸式电力变压器油纸绝缘系统老化状态评估。油浸绝缘纸板和油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态评估的流程图如图12所示。
如图13所示即为本发明的实现流程示意图。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对含不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板进行频域介电响应测试；
S2：提取表征水分和老化产物协同增效影响的介电模量特征量；
S3：构建水分和老化产物协同增效影响下油浸绝缘纸板聚合度与介电模量虚部积分值的关联关系。
2.根据权利要求1所述的评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11：将油浸绝缘纸板在120℃热老化箱中进行加速热老化，然后对未老化和不同热老化状态的油浸绝缘纸板进行吸潮试验，得到具有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板；
S12：对含有不同水分和老化状态的油浸绝缘纸板开展频域介电特性测试，获得含有不同水分含量和老化状态的油浸绝缘纸板的频域介电谱。
3.根据权利要求2所述的评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：
S21：采用式(1)将受水分和老化协同增效影响的油浸绝缘纸板频域介电曲线转换成介电模量谱曲线：
其中，M’(ω)和M”(ω)分别代表介电模量实部和虚部；ε’(ω)和ε”(ω)分别代表频域复介电常数实部和虚部；
S22：综合考虑水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响，采用式(2)对介电模量虚部进行积分，积分数值称为模量因子A(DP-mc％)，对水分和老化对油浸绝缘纸板的协同增效影响进行量化表征：
其中，M”(f)代表介电模量虚部，f代表测试频率。
4.根据权利要求3所述的评估油浸式变压器油纸绝缘系统老化状态的方法，其特征在于：步骤S3中，具体包括：
S31：针对不同老化状态下油浸绝缘纸板，构建其模量因子与水分的函数关系；
S32：采用“聚合度-水分”平移思想，选取特定聚合度的模量因子曲线为参考曲线，将其余聚合度的模量因子曲线沿水平方向移动向参考曲线，形成主曲线；
S33：采用式(3)对主曲线进行非线性函数拟合：
其中，a、b和c均为非线性函数的拟合系数，mc％ref为主曲线下的水分含量；
S34：将曲线平移前的水分含量与平移后的水分含量比值称为聚合度平移因子ψDP，聚合度平移因子ψDP计算公式如下：
式中，(mc％)DP为曲线平移前的水分含量，(mc％)ref为曲线平移后的水分含量；
S35：根据阿伦乌斯方程形式构建聚合度平移因子ψDP与(1/DPref-1/DP)的函数关系，函数关系如下：
其中，DPref是参考曲线对应的聚合度，DP为被平移曲线对应的聚合度，EDP为与油浸绝缘纸板聚合度相关的常数；
对式(5)等号两边同时取对数得式(6)，进而构建ψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系式：
S36：对lnψDP和(1/DPref-1/DP)的函数关系进行拟合，拟合公式如下：
S37：得到融合水分和老化产物协同增效影响评估油浸绝缘纸板老化状态的公式：
从而推导出融合水分和老化产物协同增效影响下的绝缘纸板聚合度：
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