基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法

摘要

本发明涉及套管绝缘状态评估技术领域，具体公开了基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法，包括：制备不同老化和受潮状态的油浸纸板样本；对油浸纸板样本进行介电响应测试、水分滴定和纤维素聚合度的检测；对老化动力学方程进行理论推导；对参数ωDP、kDP关于油浸绝缘的水分mc%进行拟合分析；基于频域介电响应提取表征油浸绝缘内部的含水量的特征参量IV；使用特征参量IV表示方程参数ωDP和kDP；结合主曲线修正技术，构建修正老化动力学方程；验证修正老化动力学方程的可靠性。本发明借助频域介电响应技术和修正老化动力学方程实现套管绝缘老化状态的诊断，为套管运行状态的判断提供可靠的依据，使电力系统运行更可靠、安全。

说明书

技术领域

本发明属于套管绝缘状态评估技术领域，特别涉及基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法。

背景技术

套管作为连接变压器和输配电网的核心器件，是电网能够安全稳定运行的最关键设备之一。当变压器套管出现严重事故时，不仅会导致套管自身的损坏，还会导致电力供应的中断，给社会生产造成巨大的经济损失。作为变压器的关键组件，套管在运行过程中，会受到高压电场、磁场及温度等运行环境的作用，其绝缘会发生劣化，绝缘性能下降，甚至会完全失去绝缘作用，导致电力变压器发生故障。

套管聚合物绝缘的老化状况决定了套管的整体使用寿命。已有研究表明，聚合度(DP)可以作为反映聚合物绝缘老化状态(机械强度)的最直接、最有效的指标。目前预测套管聚合物绝缘的DP值的方法主要有直接法例如粘度测试，和间接方法包括频率介电谱技术和老化动力学模型等。

目前普遍认为，套管聚合物绝缘降解过程中产生的老化副产物，如水分、酸、醇、醛等，会影响其介电响应曲线。因此，从介电响应曲线中提取相关特征参数，可以实现对聚合物材料DP值的定性或定量分析。然而，老化条件对介电响应数据的影响很容易被水分效应覆盖。因此，在套管内部水分含量过高的情况下，单纯依靠频域介电响应技术很难准确分析套管聚合物绝缘的老化情况。

已有研究指出，老化动力学模型可以用来描述套管绝缘在不同条件下的降解过程，包括温度、老化时间，尤其是初始含水量。因此，对动力学模型的挖掘可以弥补频域介电响应技术的局限性。目前，对聚合物绝缘老化动力学模型的研究主要基于Ekamstam方程。此外，埃姆斯利发现聚合物(纤维素)材料的降解速率并不总是一个常数，而应该归因于聚合度，这被称为LODP现象，因此他提出了二阶动力学模型。结果表明，二阶动力学模型能准确地描述聚合物材料在不同反应条件下的DP值变化规律。因此，为了准确评估套管绝缘老化状态，需要确定模型参数，对模型进行修正可以准确地预测聚合物绝缘材料的DP值。

发明内容

本发明的目的在于提供基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法，用于评估套管整体运行状态，使电力系统运行更加可靠、安全、稳定。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：

(1)制备不同老化和受潮状态的油浸纸板样本；

(2)对步骤(1)得到的油浸纸板样本进行介电响应测试、水分滴定和纤维素聚合度的检测；

(3)对老化动力学方程进行理论推导；

(4)以油浸绝缘的水分mc％为自变量，老化动力学方程的参数ω

(5)基于频域介电响应提取特征参量IV，用于表征油浸绝缘内部的含水量；

(6)整合数量关系，使用特征参量IV表示方程参数ω

(7)结合主曲线修正技术，完成修正老化动力学方程的构建；

(8)实验室制备油浸样本，进行频域介电响应测试，用修正的老化动力学方程对油浸样本的老化程度进行预测，预测结果证明了修正老化动力学方程的可靠性；

(9)通过修正老化动力学方程，根据频域介电响应技术测得的特征参量实现对套管油浸绝缘的DP值实现直接预测，用于评估套管绝缘老化状态。

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(1)中，油浸纸板样本由套管油和纤维素纸板制得，所述套管油为克拉玛依25号环烷烃矿物油，所述纤维素纸板T4套管纸板。

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(3)中，从聚合度DP值的定义入手，进行老化动力学方程的推导，引出老化动力学方程的核心参量ω

式中，ω(t)表示DP的损失，DP

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(4)中，参数ω

式中，a、b、c、d、m、n为方程参数，取值范围[-1000,1000]。

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(5)中，特征参量IV的公式为：

式中，tanδ为介电损耗，f为频率。

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(6)中，用特征参量IV表征方程参数ω

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(7)中，主曲线修正技术为频域介电响应的温度修正技术，基于阿伦尼乌斯方程，所述阿伦尼乌斯方程为：

式中，R为气体常数，E

优选的，上述基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法中，所述步骤(7)中，修正老化动力学方程如下：

其中，a、b、c、d、m、n为方程参数，取值范围[-1000,1000]。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于修正老化动力学方程对套管绝缘进行老化状态评估，相较于传统方法，本发明结合频域介电响应技术和传统老化动力模型的优点实现对套管绝缘DP的直接预测。经测试数据的分析，本模型的可靠性得到了初步的验证。本发明对于套管绝缘聚合度的预测有助于发现绝缘系统的潜在风险，为套管的运行维护、检修提供重要的参考依据，进而使电力系统运行更加稳定可靠。

附图说明

图1是本发明实施例中油浸纸板样本制备和测试的流程图。

图2是本发明实施例中纤维素纸板的聚合度(DP值)与老化时间的指数型拟合图。

图3是本发明实施例中传统老化动力学方程的核心参数ω

图4是本发明实施例中传统老化动力学方程的核心参数k

图5是本发明实施例中特征参量关于含水量的拟合图。

图6是本发明实施例中可靠性验证的对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实施例的基于频域介电响应和老化动力学方程的套管绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：

(1)首先将纤维素纸板进行真空干燥，真空干燥条件为：温度为105℃，压强为50Pa；随后与经过干燥脱气处理的绝缘油进行真空浸渍，真空浸渍条件为：温度为60℃，压强为50Pa，得到油浸纸板样本。纤维素纸板为T4套管纸板，套管油为克拉玛依25号环烷烃矿物油。将油浸纸板样本放入不同的老化罐内进行加速热老化以及吸潮实验和水分平衡，得到不同老化和受潮状态的油浸纸板样本，共制备6组不同老化状态的油浸纸板样本，基于制备的6组不同老化状态的油浸样本展开修正老化动力学方程的构建；

(2)通过介电响应测试仪对油浸纸板样本进行频域介电响应测试得到浸纸板样本介电损耗(tanδ)曲线，通过粘度测试仪和卡尔菲修滴定装置获得DP值和水分含量，油浸纸板样本的制备和测试流程如图1所示；

(3)进行传统老化动力学方程的推导，老化动力学方程的建立从聚合度(DP)的定义入手，聚合度(DP)为：

式中，N为聚合物绝缘层中葡萄糖单体的总数，M

描述聚合物绝缘材料DP值与老化时间变化规律的动力学方程为：

式中，DP

式中，参数k

综合以上等式：

从上式出发，采用积分运算，得到了DP、反应速率和反应时间之间的关系式：

上述公式称为二阶老化动力学模型，随后基于聚合物材料的DP损失百分比，得到传统老化动力学方程：

其中，ω(t)表示DP的损失，DP

(4)针对传统老化动力学方程的核心参数ω

式中，a、b、c、d、m、n为方程参数，取值范围[-1000,1000]；

DP关于老化时间的拟合如图2所示，参数ω

(5)借助频域介电响应技术提取特征参量IV，IV的表达式如下：

式中，tanδ为介电损耗，f为频率；

(6)用介电特征参量表征油浸绝缘的含水量，拟合关系如图4所示，拟合关系式如下：

IV(mc％)＝a+b·e

式中，a、b、c、d、m为方程参数，取值范围[-1000,1000]；由此得到了水分和介电特征参量的数量表达式，进而用特征参量表征传统老化动力学方程中的参量ω

(7)结合频域介电响应的温度修正技术，完成修正老化动力学方程型的构建，其中温度修正技术基于阿伦尼乌斯方程：

式中，R为气体常数，E

由此构建的修正老化动力学方程如下：

式中，a、b、c、d、m、n为借助频域介电响应技术和拟合分析技术得到的改进老化动力学方程参数，取值范围[-1000,1000]；

(8)结合实验室制备的油浸绝缘样本验证了修正老化动力学方程预测DP的可靠性，其DP测试值和DP预测值对比图如图6所示，由图可见对于不同老化程度(DP值)的绝缘样本，改进的老化动力学方程均实现了较为可靠的DP定量预测；

(9)通过修正老化动力学方程，根据频域介电响应技术测得的特征参量实现对套管油浸绝缘的DP值实现直接预测。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。