一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量计算方法

摘要

本发明涉及一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量计算方法。该方法首先，对变压器油进行取样检测，获得变压器油中水含量；其次，通过步骤S2获得的水含量计算出空气中实际的水蒸汽压P；再而，对变压器油进行老化处理，通过对比新旧变压器油中水含量，计算得出老化系数；最后，通过Norris油纸水分平衡曲线，计算得出绝缘纸中水含量C。本发明考虑绝缘老化产生的影响，给出了根据油中水分含量计算纸中水分含量的公式，为油纸间水分平衡关系的应用提供了一种更准确又方便的途径。

说明书

技术领域

本发明属于电力设备绝缘状态评估与寿命预测领域，具体涉及一种基于绝缘油老化补偿的 绝缘纸中水含量计算方法。

背景技术

油纸绝缘结构广泛地用于电力变压器中，绝缘材料性能的优劣直接影响变压器的电气性能 和运行寿命。而水分是影响油和纸绝缘材料性能的一个重要因素。油中微量水分会降低绝缘 系统的击穿电压和增加绝缘系统的介质损耗，当油中水分含量超过一定阈值时，设备的绝缘性 能将大大降低。而且水分总是向最危险的高场强区聚集，这是因为水是强极性液体，比纸和油 的介电常数高得多，所以变压器中的水分易被强电场所吸引。这样，在变压器最危险的高场强 区反而聚集的水分最多，在高场强区域水分的增加能导致局部放电起始电压的降低以及局部放 电强度的提高。

水分还将直接参与油纸纤维等高分子材料的化学降解反应，促使这些材料降解老化，从而 加速绝缘系统各项性能的劣化。绝缘纸的热老化率与其中的水分含量成正比，纸中含水量每增 加一倍其机械寿命就会减半。严重时可导致绝缘击穿、烧毁设备等事故，这是一个随变压器运 行时间而逐渐发展的不可逆的过程。因此，变压器中含水量的检测对变压器安全、稳定运行具 有重要的意义。

目前油中的水分含量可以通过例行油样采集和试验室分析来检测，所采用的方法一般为库 仑滴定法。这是一种基于卡尔·费休反应的方法，可以精确到1μL/L～2μL/L。但是变压器一 旦投入运行，要估计纸中的水分含量是比较困难的。当变压器油纸间水分处于平衡状态时，通 过测量油中水分来检验纸中水分的方法，可用来评估变压器绝缘的受潮情况。然而绝缘老化产 物会产生水分、气体等气体产物，会对测试结果产生干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量计算方法，该方法考虑 绝缘老化产生的影响，给出了根据油中水分含量计算纸中水分含量的公式，为油纸间水分平衡 关系的应用提供了一种更准确又方便的途径。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量计算 方法，包括如下步骤，

S1：对变压器油进行取样检测，获得变压器油中水含量；

S2：通过步骤S1获得的水含量计算出空气中实际的水蒸汽压P；

S3：对变压器油进行老化处理，通过对比新旧变压器油中水含量，计算得出老化系数α；

S4：通过Norris油纸水分平衡曲线，计算得出绝缘纸中水含量C。

在本发明一实施例中，所述步骤S1采用库仑法对变压器油进行取样检测，具体如下：

提取1mL变压器油样品，通过库伦分析仪对该样品进行测试，并通过下式计算出变压器油 中水含量W_oil，

$W_{oil}=\frac{Q\times {10}^3}{DV\times 10722}$

式中，W_oil--变压器油中水含量，

Q——样品油消耗的电量，

D——样品油的视密度，

V——样品油的体积，

10722——换算常数。

在本发明一实施例中，所述步骤S2具体计算过程如下：

S21：通过下式计算变压器油的水分溶解度：

$S={10}^{(A-\frac{B}{T})}$

式中，S——变压器油中水分溶解度，

T——绝对温度，

A——水分溶解度公式中的系数，

B——水分溶解度公式中的系数；

S22：变定义压器油中水分的相对饱和度为变压器油中水分含量与在温度T下变压器油中水 分溶解度的比值，即：

$RS=\frac{W_{oil}}{S\left(T\right)}\times 100\%$

式中，RS——相对饱和度，

W_oil——变压器油中水含量，

S(T)——温度为T时，变压器油中水分溶解度；

由上式可以看出相对饱和度也是温度的函数，可有效地反映油中水分的真实情况；

对于水分平衡状态下的同一温度，油中水分的相对饱和度与空气中的相对湿度是相同的， 因此油中水分与空气中相对湿度的平衡呈线性关系：

RH＝RS

式中，RH——空气中的相对湿度；

S23：对于饱和的水蒸汽压，可表示为：

$P_S={10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}$

式中，P_S——饱和水蒸汽压；

S24：空气实际水蒸汽压，可表述为：

$P=RH\times P_S=\frac{Q\times {10}^3\times {10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}}{DV\times 10722\times {10}^{(A-\frac{B}{T})}}$

P——空气中的水蒸汽压。

在本发明一实施例中，所述S21中，A取值范围为7.09～7.42；B取值范围为1567～1670。

在本发明一实施例中，所述步骤S3具体计算过程如下：

S31：对变压器油进行老化处理，通过改变试验温度和试验时间，对变压器油进行不同程度 的老化处理；

S32：通过库仑分析仪对经过不同程度的老化处理后的变压器油进行测试，从而得到不同程 度的老化处理后的变压器油中水含量W_oil，并记入数据；

S33：通过对上述数据进行分析，得出不同程度的老化处理后的变压器油下W_oil的变化，从 而得到变压器油老化系数α，由于老化对变压器油和绝缘纸是同时进行的，且老化都是随着时 间变化加剧，因此这里把上述变压器油老化系数α与绝缘纸老化系数近似相等，变压器油老化 系数α计算公式如下：

α＝5×10^-6X+0.9999。

在本发明一实施例中，所述步骤S4具体计算过程如下：

通过Norris油纸水分平衡曲线，将上述数据代入下算式，计算出绝缘纸中水含量C，公式 如下：

$C=2.1729\times {10}^{-7}\times P^{0.6684}\times e^{\left(\frac{4724.9}{T}\right)}\times \alpha .$

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明考虑绝缘老化产生的影响，给出了根 据油中水分含量计算纸中水分含量的公式，为油纸间水分平衡关系的应用提供了一种更准确又 方便的途径。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明所依据的Norris油纸水分平衡曲线。

图3为计算得出的绝缘纸中水含量曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量计算方法，包括如下步 骤，

S1：对变压器油进行取样检测，获得变压器油中水含量，具体即采用库仑法对变压器油进 行取样检测，过程如下：

提取1mL变压器油样品，通过库伦分析仪对该样品进行测试，并通过下式计算出变压器油 中水含量W_oil，

$W_{oil}=\frac{Q\times {10}^3}{DV\times 10722}$

式中，W_oil--变压器油中水含量，

Q——样品油消耗的电量，

D——样品油的视密度，

V——样品油的体积，

10722——换算常数。

S2：通过步骤S1获得的水含量计算出空气中实际的水蒸汽压P，具体计算过程如下：

S21：通过下式计算变压器油的水分溶解度：

$S={10}^{(A-\frac{B}{T})}$

式中，S——变压器油中水分溶解度，

T——绝对温度，

A——水分溶解度公式中的系数，一般取7.09～7.42，

B——水分溶解度公式中的系数，一般取1567～1670；

S22：变定义压器油中水分的相对饱和度为变压器油中水分含量与在温度T下变压器油中水 分溶解度的比值，即：

$RS=\frac{W_{oil}}{S\left(T\right)}\times 100\%$

式中，RS——相对饱和度，

W_oil——变压器油中水含量，

S(T)——温度为T时，变压器油中水分溶解度；

由上式可以看出相对饱和度也是温度的函数，可有效地反映油中水分的真实情况；

对于水分平衡状态下的同一温度，油中水分的相对饱和度与空气中的相对湿度是相同的， 因此油中水分与空气中相对湿度的平衡呈线性关系：

RH＝RS

式中，RH——空气中的相对湿度；

S23：对于饱和的水蒸汽压，可表示为：

$P_S={10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}$

式中，P_S——饱和水蒸汽压；

S24：空气实际水蒸汽压，可表述为：

$P=RH\times P_S=\frac{Q\times {10}^3\times {10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}}{DV\times 10722\times {10}^{(A-\frac{B}{T})}}$

P——空气中的水蒸汽压。

S3：对变压器油进行老化处理，通过对比新旧变压器油中水含量，计算得出老化系数α， 具体如下：

S31：对变压器油进行老化处理，通过改变试验温度和试验时间，对变压器油进行不同程度 的老化处理；

S32：通过库仑分析仪对经过不同程度的老化处理后的变压器油进行测试，从而得到不同程 度的老化处理后的变压器油中水含量W_oil，并记入数据；

S33：通过对上述数据进行分析，得出不同程度的老化处理后的变压器油下W_oil的变化，从 而得到变压器油老化系数α，由于老化对变压器油和绝缘纸是同时进行的，且老化都是随着时 间变化加剧，因此这里把上述变压器油老化系数α与绝缘纸老化系数近似相等，变压器油老化 系数α计算公式如下：

α＝5×10^-6X+0.9999。

S4：通过Norris油纸水分平衡曲线，将上述数据代入下算式，计算出绝缘纸中水含量C(如 图3所示)，公式如下：

$C=2.1729\times {10}^{-7}\times P^{0.6684}\times e^{\left(\frac{4724.9}{T}\right)}\times \alpha .$

为便于一般技术人员理解本发明技术方案，以下具体讲述。

如图1所示，一种基于绝缘油老化补偿的绝缘纸中水含量算法包括绝缘油中水含量测试、 空气中实际的水蒸汽压计算、绝缘老化系数计算、纸中水含量计算。通过取样检测来获得油中 水含量W_oil、通过W_oil计算出空气中实际的水蒸汽压P、通过对比新旧变压器油中水含量的测 试，计算得出老化系数α、通过Norris油纸水分平衡曲线，计算出纸中水含量C。

第一步骤，通过取样检测来获得油中水含量W_oil，具体步骤如下：

提取1mL变压器油样品，通过库仑分析仪对样品进行测试，并将测试结果代入下式，计算 出油中水含量W_oil，即：

$W_{oil}=\frac{Q\times {10}^3}{DV\times 10722}$

式中W_oil——水分含量，ppm；

Q——试油消耗的电量，mC；

D——试油的视密度，g/mL；

V——试油的体积，mL；

10722——换算常数，mC/g。

第二步骤，通过W_oil计算出空气中实际的水蒸汽压P，具体步骤如下：

(1)变压器油中水分溶解度为：

$S={10}^{(A-\frac{B}{T})}$

式中S——油中水分溶解度，μL/L；

T——绝对温度；

A——水分溶解度公式中的系数，一般为7.09～7.42；

B——水分溶解度公式中的系数，一般为1567～1670；

(2)油中水分的相对饱和度定义为油中水分含量与在既定温度下油中水分溶解度的比值， 即：

$RS=\frac{W_{oil}}{S\left(T\right)}\times 100\%$

式中RS——相对饱和度；

W_oil——油中水分含量；

可以看出相对饱和度也是温度的函数，可有效地反映油中水分的真实情况。

对于水分平衡状态下的同一温度，Norris认为油中水分的相对饱和度与空气中的相对湿度 是相同的，因此油中水分与空气中相对湿度的平衡呈线性关系。

RH＝RS

式中，RH是空气中的相对湿度

(3)对于饱和的水蒸汽压，可以表示为：

$P_S={10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}$

式中P_S——饱和水蒸汽压；

T——绝对温度

(4)空气实际水蒸汽压，可以表述为：

$P=RH\times P_S=\frac{Q\times {10}^3\times {10}^{\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}}}{DV\times 10722\times {10}^{(A-\frac{B}{T})}}$

P——空气中的水蒸汽压，mmHg(1mmHg＝133.322368Pa)

第三步骤，通过对比新旧变压器油中水含量的测试，通过计算得出老化系数α，具体步骤 如下：

(1)取若干份1mL变压器油，分组进行老化处理，通过改变试验温度和试验时间，对样 品油进行不同程度的老化处理；

(2)通过库仑分析仪对处理后的样品进行测试，从而得到不同老化处理后的油中水含量 W_oil，多次测量后求出平均值，并记入数据；

(3)通过对上述数据进行分析，得出不同老化程度下W_oil的变化，从而得到绝缘油老化系 数α，由于老化对变压器油和绝缘纸板是同时进行的，且老化都是随着时间变化加剧，因此这 里把上述老化系数α与绝缘纸老化系数近似相等(参见表1)。

表1

α＝5×10^-6X+0.9999

第四步骤，通过Norris油纸水分平衡曲线(如图2所示)，将上述数据代入下算式，计算出 纸中水含量C(如图3所示)，公式如下：

$C=2.1729\times {10}^{-7}\times P^{0.6684}\times e^{\left(\frac{4724.9}{T}\right)}\times \alpha$

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出 本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。