用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的方法及其系统

摘要

本发明公开了一种用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的方法及其系统，该方法首先制备不同受潮程度的油浸纸板，再进行不同受潮程度的油浸纸板频域介电测试，获取不同受潮程度油浸纸板的介电模量谱，提取能有效表征油浸纸板水分含量的特征量，将所述RDMI和IDMI与对应油浸纸板的水分含量的关系进行非线性函数拟合，根据拟合结果评估油浸纸板水分含量。本发明可有效表征受潮对油浸纸板系统内部松弛极化过程影响，进而评估油浸纸板系统的水分含量，可为油浸式电力设备水分含量评估提供新思路。

说明书

技术领域

本发明涉及油浸式电力设备绝缘状态评估领域，具体涉及一种用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的方法及其系统。

背景技术

随着特高压输电工程的逐渐发展，油浸式电力设备安全可靠运行尤为重要。在实际运行中，油浸式电力设备易受水分、电应力、热应力和机械应力等影响而发生劣化，其中水分是公认的影响油浸纸板系统性能优劣的最主要因素。IEEE Std C57.91-1995也明确了水分可以加速变压器、套管等油浸式电力设备绝缘失效。因此，诊断和评估水分含量对维护电力设备安全稳定运行具有重要的工程价值。

油浸式电力设备的绝缘水分主要来自电力设备生产制造时绝缘内部残余水分、电力设备维护或实际运行过程中外来环境水分以及绝缘劣化生成水分。传统水分检测方法有卡尔费休法和油纸水分平衡曲线法等，但传统方法易受环境以及现场使用不方便等因素影响。近年来，以介电响应为基础且作为无损检测技术，极化去极化电流法(Polarizationand depolarization current method，PDC)和频域介电谱法(Frequency dielectricspectroscopy，FDS)被逐渐应用在油浸式电力设备绝缘性能和水分含量诊断和评估方面。国内外研究学者利用时频域介电测量技术对油浸式电力设备的受潮状态评估展开大量研究，并取得了较多有价值的研究成果。廖瑞金等研究了受潮对10kV油浸纸套管的频域介电响应的影响，研究结果表明受潮会使得介质损耗和电容明显增加，并以特征频率点处与工频频率点处电容值之比作为特征量评估套管水分含量。邓军波等研究了受潮对硅油纸和矿物油浸纸板频域介电特性影响，研究结果表明随水分含量增大油浸纸板介质损耗逐渐增大。刘捷丰等对含有不同水分的油浸纤维素纸板开展频域介电测试，研究结果表明水分对油浸纤维素纸板频域介电特性影响显著，并从频域介电曲线提取特征量来量化水分的影响。Lundgaard等对具有三种不同水分含量的油浸纸板开展频域介电谱测试，研究结果表明低频区相对介电常数受水分影响较大，高频区相对介电常数基本不受水分影响。

目前，大多数研究均直接从频域介电谱曲线提取特征量来定量评估水分的影响。但传统频域介电谱FDS易受直流电导过程的影响而使得低频介电常数过于偏大，进而抑制能准确反应油浸纸板状态和受潮的内部松弛极化过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于评估油浸式电力设备(油浸式变压器、油浸式套管等)中油浸纸板水分含量的方法，本发明将传统频域介电谱FDS转换成介电模量谱 DMS，削弱直流电导过程的影响进而使得可表征油浸纸板受潮的松弛极化信息凸显，进而根据介电模量谱(Dielectric modulus spectroscopy，DMS)提取可有效表征油浸纸板受潮信息的特征量。从介电模量谱DMS提取特征量评估油浸纸板水分含量的方法，可为油浸式电力设备水分含量评估提供新思路。

为实现上述目的，本发明所设计一种用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的方法，包括以下步骤：

1)制备不同受潮程度(水分含量0.5％-5％)的油浸纸板：

将多个油浸纸板放在空气中自然吸潮(吸潮程度由控制自然吸潮时间决定)，得到不同受潮程度的油浸纸板；采用滴定仪对不同受潮程度的油浸纸板进行水分含量测试，获得不同受潮程度的油浸纸板的水分含量(每个油浸纸板进行三次测试并取平均值作为受潮油浸纸板的水分含量)；

2)不同受潮程度的油浸纸板频域介电测试：

获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱；其中，所述介电谱由介电常数实部和介电常数虚部组成；

3)获取不同受潮程度的油浸纸板的介电模量谱：

将每个油浸纸板的频域介电谱转化为介电模量谱(所述介电模量谱由介电模量实部和介电模量虚部组成)，不同受潮程度的油浸纸板的介电模量谱组合形成不同测试频率点下，离散的介电模量实部的数据点和介电模量虚部的数据点(介电模量谱实部和虚部对油浸纸板受潮状态反应更加灵敏，介电模量虚部出现明显损耗峰，表明介电模量谱可有效表征受潮油浸纸板内部松弛极化过程)；

4)提取能有效表征油浸纸板水分含量的特征量：

a.采用Origin软件将上述不同测试频率点下，离散的介电模量实部数据点和介电模量虚部的数据点转化成具有连续特性的数学函数，分别为介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M”(f)；

b.根据介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M”(f)，构成线性数学函数G’(f)和线性数学函数G”(f)；

c.将不同受潮程度的油浸纸板的M’(f)和M”(f)分别与对应G’(f)和G”(f)围成的平面进行积分计算，最终，获得表征油浸纸板受潮程度的特征量RDMI和IDMI；

5)评估油浸纸板水分含量

将所述RDMI和IDMI与对应油浸纸板的水分含量的关系进行非线性函数拟合，根据拟合结果评估油浸纸板水分含量(利用该方法拟合公式评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量)。

进一步地，所述步骤1)中，不同受潮程度的油浸纸板的制作工艺如下：

采用电子天平称量得到初始水分含量绝缘纸板的初始质量，将其放在空气中自然吸潮，在预期吸潮时间后再次称量，达到公式(1) 的目标质量后停止吸潮；

公式(4)中，m

再进一步地，所述步骤2)中，获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱的方法如下：

a.制作三电极系统(依据国标GB/T1410-2006并结合油浸纸板实际尺寸制作三电极系统，三电极系统用于测试油浸纸板的频域介电特性)，将三电极测试系统放置在恒温箱中，并将油浸纸板放在恒温箱中的三电极测试系统内部，

b.再将IDAX300频域介电响应测试仪与恒温箱中的三电极测试系统进行接线连通，对不同受潮程度的油浸纸板进行频域介电测试，获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱(频域介电谱由介电常数实部和介电常数虚部构成)。

再进一步地，所述恒温箱中的温度为20℃-85℃；

频域介电响应测试仪的工作条件为：

测试温度为45℃，测试电压峰值为200V，测试频率为2.2× 10

再进一步地，所述步骤3)，频域介电谱基于公式(2)转化为介电模量谱；

公式中，M’(ω)为介电模量实部，

M”(ω)为介电模量虚部，

ε’(ω)为介电常数实部，

ε”(ω)为介电常数虚部。

再进一步地，所述步骤4)中，获得表征油浸纸板受潮程度的特征量RDMI和IDMI的公式如下：

公式(3)～(4)中，RDMI为介电模量实部积分值，

IDMI为介电模量虚部积分值，

f

M’(f)为不同离散频率点下介电模量实部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G’(f)为介电模量实部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数；

M”(f)为不同离散频率点下介电模量虚部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G”(f)为介电模量虚部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数。

本发明还提供了一种用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的系统，它包括水分含量获取模块、频域介电谱获取模块、介电模量谱获取模块、介电模量的积分值获取模块和油浸纸板水分含量评估模块；其中，

所述水分含量获取模块用于将多个油浸纸板放在空气中自然吸潮，得到不同受潮程度的油浸纸板，并对不同受潮程度的油浸纸板进行水分含量测试，获得不同受潮程度的油浸纸板的水分含量；

所述频域介电谱获取模块获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱；

所述介电模量谱获取模块用于将每个油浸纸板的频域介电谱转化为介电模量谱，并将不同受潮程度的油浸纸板的介电模量谱组合形成不同测试频率点下，离散的介电模量实部的数据点和介电模量虚部的数据点；

所述介电模量的积分值获取模块用于将离散的介电模量实部数据点和介电模量虚部的数据点转化成具有连续特性的数学函数，分别为介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M”(f)；

根据介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M”(f)，构成线性数学函数G’(f)和线性数学函数G”(f)；将不同受潮程度的油浸纸板的M’(f)和M”(f)分别与对应G’(f) 和G”(f)围成的平面进行积分计算，获得表征油浸纸板受潮程度的特征量的介电模量实部积分值RDMI和介电模量虚部积分值 IDMI；

所述油浸纸板水分含量评估模块用于将所述RDMI和IDMI与对应油浸纸板的水分含量的关系进行非线性函数拟合，并根据拟合结果评估油浸纸板水分含量。

进一步地，所述水分含量获取模块制作不同受潮程度的油浸纸板的工艺如下：

采用电子天平称量得到初始水分含量绝缘纸板的初始质量，将其放在空气中自然吸潮，在预期吸潮时间后再次称量，达到公式(1) 的目标质量后停止吸潮；

公式(1)中，m

再进一步地，所述频域介电谱获取模块获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱的方法如下：

将三电极测试系统放置在恒温箱中，将油浸纸板放在恒温箱中的三电极测试系统内部，将频域介电响应测试仪与恒温箱中的三电极测试系统进行接线连通，开始对不同受潮程度的油浸纸板进行频域介电测试，获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱。

再进一步地，所述介电模量谱获取模块利用公式(2)将频域介电谱转化为介电模量谱；

公式中，M’(ω)为介电模量实部，

M”(ω)为介电模量虚部，

ε’(ω)为介电常数实部，

ε”(ω)为介电常数虚部。

再进一步地，所述介电模量的积分值获取模块利用公式(3)～ (4)获得表征油浸纸板受潮程度的特征量RDMI和IDMI：

公式(3)～(4)中，RDMI为介电模量实部积分值，

IDMI为介电模量虚部积分值，

f

M’(f)为不同离散频率点下介电模量实部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G’(f)为介电模量实部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数；

M”(f)为不同离散频率点下介电模量虚部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G”(f)为介电模量虚部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数。

本发明的有益效果：

受潮是油浸式电力设备绝缘性能失效的最主要因素。本发明将松弛极化过程受直流电导过程影响严重的频域介电谱转换为可凸显松弛极化过程的介电模量谱，并依据介电模量谱特征，提出一种可有效表征油浸纸板水分含量的评估方法。本发明可有效表征受潮对油浸纸板系统内部松弛极化过程影响，进而评估油浸纸板系统的水分含量，可为油浸式电力设备水分含量评估提供新思路。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的实现过程流程图；

图3为本发明中油浸纸板频域介电三电极测试系统图；

图4为本发明中不同受潮程度油浸纸板的频域介电谱图；

图5为本发明中不同受潮程度油浸纸板的介电模量谱图；

图6为本发明中评估油浸纸板水分含量特征量计算示意图；

图7为本发明中不同受潮油浸纸板RDMI与水分关系图；

图8为本发明中不同受潮油浸纸板IDMI与水分关系图；

图9为本发明中水分含量为1.84％油浸纸板频域介电谱图；

图10为本发明中水分含量为1.84％油浸纸板介电模量谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例1

如图1所示的用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的系统，它包括水分含量获取模块、频域介电谱获取模块、介电模量谱获取模块、介电模量的积分值获取模块和油浸纸板水分含量评估模块；其中，

水分含量获取模块用于将多个油浸纸板放在空气中自然吸潮，得到不同受潮程度的油浸纸板，并对不同受潮程度的油浸纸板进行水分含量测试，获得不同受潮程度的油浸纸板的水分含量；

频域介电谱获取模块获得不同受潮程度的油浸纸板的频域介电谱；

介电模量谱获取模块用于将每个油浸纸板的频域介电谱转化为介电模量谱，并将不同受潮程度的油浸纸板的介电模量谱组合形成不同测试频率点下，离散的介电模量实部的数据点和介电模量虚部的数据点；

介电模量的积分值获取模块用于将离散的介电模量实部数据点和介电模量虚部的数据点转化成具有连续特性的数学函数，分别为介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M” (f)；

介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数 M”(f)，构成线性数学函数G’(f)和线性数学函数G”(f)；将不同受潮程度的油浸纸板的M’(f)和M”(f)分别与对应G’(f)和 G”(f)围成的平面进行积分计算，获得表征油浸纸板受潮程度的特征量的介电模量实部积分值RDMI和介电模量虚部积分值 IDMI；

油浸纸板水分含量评估模块用于将所述RDMI和IDMI与对应油浸纸板的水分含量的关系进行非线性函数拟合，并根据拟合结果评估油浸纸板水分含量。

实施例2

如图2所示的基于上述装置用于评估油浸式电力设备中油浸纸板水分含量的方法，包括以下步骤：

1)制备不同受潮程度(水分含量0.5％-5％)的油浸纸板：

a.将4个干燥油浸纸板按不同天数放在空气中自然吸潮(吸潮程度由控制自然吸潮时间决定)，得到不同受潮程度的油浸纸板；不同受潮程度的油浸纸板制作工艺如下：

选定干燥油浸纸板，采用电子天平称量得到初始水分含量绝缘纸板的初始质量，将其放在空气中自然吸潮，并对放置在空气中吸潮时间不同的油浸纸板称重，在预期吸潮时间后再次称量，达到公式(1)的目标质量后停止吸潮；

公式(4)中，m

b.当油浸纸板水分含量满足预期要求，则采用梅特勒-托利多 DO308及DL32卡尔菲休库仑滴定仪对受潮样品进行水分含量测试，每种油纸纸板进行三次测试并取平均值为样品水分含量，最终测得油纸纸板水分含量分别是0.98％、2.53％、3.62％和4.51％；

2)不同受潮程度的油浸纸板频域介电测试：

制作三电极系统(依据国标GB/T1410-2006并结合油浸纸板实际尺寸制作三电极系统，三电极系统用于测试油浸纸板的频域介电特性)，如图3所示，将三电极测试系统放置在温度为20℃-85℃恒温箱中，再将油浸纸板放在恒温箱中的三电极测试系统内部，然后将采用IDAX300频域介电响应测试仪与恒温箱中的三电极测试系统进行接线连通，不同受潮样品进行频域介电测试(测试温度控制为45℃，频域介电特性测试电压峰值选取200V，测试频率范围为 2.2×10

3)获取不同受潮程度的油浸纸板的介电模量谱：

依据介电模量谱转换公式(2)，将每个油浸纸板的频域介电谱转化为介电模量谱(所述介电模量谱由介电模量实部和介电模量虚部组成)，如图5所示。从图5中可知，介电模量谱实部和虚部对油浸纸板受潮反应灵敏，介电模量虚部出现明显损耗峰；

公式中，M’(ω)为介电模量实部，

M”(ω)为介电模量虚部，

ε’(ω)为介电常数实部，

ε”(ω)为介电常数虚部；

4)提取能有效表征油浸纸板水分含量的特征量：

a.首先，采用Origin软件将上述不同测试频率点下，离散的介电模量实部数据点和介电模量虚部的数据点转化成具有连续特性的数学函数，分别为介电模量实部的连续函数M’(f)和介电模量虚部的连续函数M”(f)；

b.此外，分别将函数M’(f)和M”(f)的左右边界点连线，进而构成对应的线性函数，分别为G’(f)和G”(f)；

c.采用公式(3)和公式(4)对不同受潮程度的油浸纸板的M’ (f)和M”(f)分别与对应G’(f)和G”(f)围成的平面进行积分计算，最终，获得表征油浸纸板受潮程度的特征量RDMI和IDMI (如表1)；

公式(3)～(4)中，RDMI为介电模量实部积分值，

IDMI为介电模量虚部积分值，

f

M’(f)表示不同离散频率点下介电模量实部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G’(f)表示介电模量实部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数；

M”(f)表示不同离散频率点下介电模量虚部数据经过连续化处理后形成的数学函数；

G”(f)表示介电模量虚部曲线左右截止频率点相连构成的线性数学函数；

表1

5)确立不同特征量评估油浸纸板水分含量的评估公式

将介电模量实部积分值RDMI、介电模量虚部积分值IDMI和水分含量的关系进行非线性函数拟合如图6～8所示，确立不同特征量评估油浸纸板水分含量的评估公式，如公式(5)和公式(6)所示。从公式(5)和公式(6)可知，介电模量实部积分值RDMI、介电模量虚部积分值IDMI与水分含量具有较好的指数函数关系 (拟合优度达到0.99以上)如下：

RDMI＝-1706.3×e

IDMI＝333.16/(1+e

实施例3

利用上述方法对现有油浸式电力设备中油浸纸板水分进行评估：

利用卡尔费休滴定仪对被验证的油浸纸板进行水分含量测试，得到其水分含量为1.84％。然后，利用IDAX300频域介电响应测试仪对油浸纸板进行频域介电测试，获得介电常数实部和介电常数虚部如图9所示。然后，利用公式(1)将测试得到的介电常数实部和虚部介电常数转换为介电模量实部和介电模量虚部，如图10 所示。其次，利用公式(2)和公式(3)对油浸纸板样品的介电模量实部和介电模量虚部进行量化积分计算，计算得到RDMI、IDMI 特征量数值分别是851和186。同时，将计算得到的RDMI、IDMI 数值分别带入拟合公式(5)和公式(6)，得到预评估水分含量数值分别为1.79％、1.89％。最后，与实测水分含量1.84％相比，利用公式(7)对评估的水分含量计算其相对误差均是2.7％。

公式(7)中RE为水分含量评估结果的相对误差，mc％

由上可知：使用上述方法评估油浸纸板水分含量的误差小，可被用来有效评估油浸纸板的水分含量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。