连续监测液体品质和水分参数的方法和设备与流程

本发明涉及液体状态监测及诊断的领域，本发明的优选实施例中为电力电器的液体，并且更特别涉及联机监测绝缘液体品质和有关液体介质中存在水的参数的方法和装置。

背景技术：

绝缘液体中水(也称为水分)的存在对于包含大型，中型和小型液体填充变压器的电器的可靠性操作来说是最为关心的事情其中之一。水对于液体绝缘和固体绝缘两者都有害；其加速老化并且分别危害任意电气设备的介质完整性。因此液体绝缘和固体绝缘两者中的含水量都评估是任何基于状态的监测程序的关键和必要的部分。

当制造电力变压器时，其绝缘系统具有低含水量。随着该变压器老化，或者通过从该变压器外部进入，或者通过绝缘材料的化学分解，水分迁移至该绝缘系统。随着绝缘液体老化，绝缘材料中水的溶解度变化显著。水的参数包括绝缘体中的绝对和相对含水量连同其溶解度特性，因此可以用来指示绝缘液体的状态和变压器整体上的健康状况。

传统上，使用化学方法来测定绝缘液体中的含水量，例如卡尔·费希尔滴定法。这些方法是劳动密集型的，使用危险试剂并且仅能使用于实验室中，由此不适合于连续联机评估。实验室方法的另一缺点是由于测量的不确定性，麻烦的采样过程以及人为误差引起的误差的可能。

在过去的十年里，基于电容聚合物薄膜技术的联机水分传感器已经成功用于按照百分比测定油中水的相对饱和度。这些传感器一般不提供按照诸如毫克/千克来测量的绝对含水量的测定，并且因此不能用于符合相关工业标准和准则的基准，趋势及水分评估。

美国专利6809528描述了用于测量液体含水量的方法和设备，其中该液体性质的测量同时使用了相对值和绝对值测量方法。为完成这项工作，同时使用了两种不同的方法，一种是相对于液体含水量的饱和值直接测量，而另一种是通过测量液体介电常数预测含水量的绝对值。

众所周知，介电常数取决于绝缘液体的类型，化学成分，酸性以及水分含量。该发明描述了计算干燥液体介电常数的方法，并且因此能够计算绝对含水量，但是由于绝缘液体的含水量低，所需施行的介电常数测量难以实现。因此所述发明的实施非常受限制。

美国专利7036356描述了一种用于测量液体中总含水量的方法和设备。根据该方法，液体的相对含水量(aw)在第一测量步骤中在第一温度(T1)测量。根据公布，所测量液体的温度自第一温度(T1)改变，并且在第二测量步骤中在改变的第二温度(T2)测量相对含水量，由此，基于这些至少两测量值(aw(1)T 10aw(2)T 2)，总含水量通过水溶解于测量下的液体的温度依赖性来确定。

美国专利5644239描述了一种方法，其中液体介电特性的测量用于计算液体的品质参数。该方法包括用于测量所述液体不透光性的装置，以及测量液体电导率的装置。众所周知，液体的电导率取决于含水量，化学成分，酸性以及其他污染物。区分各种参数对油的品质的影响以及任意特定参数对液体的影响程度是困难或不可能的。

由于相对成本高和复杂，这些方法和装置没有一个实现任何实质程度的商业成功，并且因此需求可靠的低成本的，简单的方法和设备，用于测量绝缘液体的品质连同绝缘液体的绝对含水量和水溶解度特性。

因此，本发明的目的在于提供实用的方法和设备，用于鉴定绝缘液体的绝对含水量，水溶解度系数，包括所述绝缘液体的亨利定律常数。

本发明的另一目的在于提供测量，用于鉴定绝缘液体的状态，例如液体品质指数。

技术实现要素：

本发明目的在于通过温度和湿度测量来确定液体的老化。

这些及其他目的通过本发明实现，如下文所描述及主张。因此，本发明所涉及的方法包括步骤用于，在第一测量步骤在第一温度(T₁)测量该液体的相对含水量(rS₁)，在第二测量步骤在第二温度(T₂)测量该相对含水量(rS₂)，执行该第一和第二测量步骤以使绝对含水量(w)在这两次测量之间基本上保持不变，对于该液体确定第一水于油中溶解度系数(B)以基本上连续监测该第一水于油中溶解度系数(B)，从而确定该液体品质。

一种方法，优选包括该第一水于油中溶解度系数(B)限定为所述rS₁,T₁,rS₂和T₂的函数。

一种方法，优选包括该第一水于油中溶解度系数限定为或其他数学解答。

一种方法，优选包括液体品质指数(LQI)形成为B的函数。

一种方法，优选包括液体品质指数(LQI)基于等式或其他数学解答形成。

一种方法，优选包括对于一种油的类型通过实验室测量(图2)，通过在第一(B)和第二油溶解度系数(A)之间形成数学关系式确定第二油溶解度系数(A)，使用这种数学关系式来从该第一油溶解度系数(B)解答该第二油溶解度系数(A),并且从等式或其他数学解答确定绝对含水量。

一种方法，优选包括使用回归方法作为数学关系式。

一种方法，优选包括评估变压器的油。

一种方法，优选包括，该测量用两湿度传感器执行，包括位于该测量目标的位置的温度传感器以使测量期间在该传感器之间具有温度差异。

一种方法，优选包括，该测量用一湿度传感器执行，包括具有旁通管的温度传感器，以及用于输送该液体至该旁通管的阀，用以交替待测量的该液体的该温度。

一种方法，优选包括将该传感器彼此相对设置于不同高度。

一种方法，优选包括将该传感器设置于用于该液体的冷却器的进口和出口。

一种方法，优选包括将该传感器设置于油干燥器的进口和出口。

通过观察液体的水溶解度特性的改变来测量该绝缘液体品质是一种新颖的方式。

有益效果

在本发明的帮助下，各种目标的液体品质可以联机监测。这样可以节约成本，特别是对于像变压器一样的大型单元，其中老化的液体可能引起变压器严重损坏。与基于该变压器现场所采样品在实验室中测试该液体的方法进行比较，联机测量同样节约了成本。

附图说明

图1为变压器的示意图，配备有组成本发明设备的水分和温度传感器。

图2A图示表示溶解度系数A和B之间的关系。

图2B为另一图示表示溶解度系数A和B之间的关系。

图3为变压器的示意图，配备有根据本发明另一实施例的水分和温度传感器。

图4为变压器的示意图，配备有根据本发明另一实施例的水分和温度传感器。

图5为根据本发明一替代的实施例的示意图。

具体实施方式

仅为图解的目的而非限制一般性，本发明现将根据油填充大型电力变压器的模型来进行解释。无论如何，应当认识到本发明适用于其他类型的液体填充电器，例如仪表用变压器，自耦变压器，整流变压器，电抗器以及抽头变换器。

对于熟知本领域的人来说，不难看出本发明还能够应用于实验室环境来测试介电液体水分含量以及液体品质。当用于实验室环境中时，还应当认识到当前发明能够用于非绝缘液体，例如润滑油和液压油。

图1所示为电力变压器的例子，包括箱体10，顶部冷却器管20；带有嵌入式顶部温度传感器30A和顶部水分传感器30B的顶部水分和温度探测器30；带有嵌入式底部温度传感器40A和底部水分传感器40B的底部水分探测器40；以及底部冷却器管50。所有所述传感器为市场上可买到的。

该绝缘液体由流经绕组60的交流电导致的电力损失加热，因此该液体通常在变压器箱体10顶部较热而在底部较冷。在这种布置中，该绝缘液体用作冷却剂和绝缘体。该液体由冷却装置70冷却，其可为各种设计中的一种，例如基于自然热对流的散热器或者由风扇辅助，或者由泵辅助的水冷却器。

该水分传感器30B和40B在上面位置测量水于该液体中的相对饱和度。

为确定该液体的绝对含水量，下面的公式为本领域所熟知。

$w=rS\×\exp (A-\frac{S}{T})/100,---\left(1\right)$

其中w为该液体的绝对含水量(也称为水浓度)，以毫克/千克表示；rs-以％表示相对水饱和度，其可以通过所述相对饱和度传感器其中之一来测量，T为以开尔文表示的热力学温度，由与所述相对饱和度相同位置的温度传感器所测量；以及，A和B为具体的水溶解度系数。不幸的是，这些系数A和B随该液体老化而变化，引起连续确定绝对含水量w的困难。

饱和状态下含水量与温度相比较的函数称之为水溶解度曲线，其表现关于该绝缘液体的成分及其品质的重要信息。溶解度系数并非独立的并且该两溶解度系数之间的关系一般如图2所绘示进行观察。

本领域众所周知，通过在两个位置测量温度并且在这些位置其中之一(例如底部箱体)测量相对水饱和度，第二(顶部)相对饱和度值能够确定为：

${\mathrm{rS}}_{to}={\mathrm{rS}}_{bo}\×\exp (B\×(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{bo}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{to}}\left)\right),---\left(2\right)$

其中rS_to为在该顶部冷却器管位置的水于液体中的相对饱和度；rS_bo为在该底部冷却器管位置的水于液体中的相对饱和度；T_to为在该顶部冷却器管位置的热力学温度而T_bo为在该底部冷却器管位置的热力学温度。假使该液体的含水量在温度从T₁变化至T₂期间保持不变，等式(2)还对单一位置有效。在这种情况下，在该第二温度rS₂的相对饱和度能够从在该第一温度rS₁的该相对饱和度确定。该等式(2)可改写为：

${\mathrm{rS}}_2-{\mathrm{rS}}_1\×\exp (B\×(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\left)\right).---\left(2a\right)$

这是本发明的核心思想，测量和监测水溶解度系数以确定绝缘液体的绝对水分含量和品质。

本领域熟知，在变压器运行期间，水的溶解度随液体老化而改变。因此通过监测水溶解度的变化能够使其与液体品质的变化相关联。

按照本发明，根据如下指引确定水分参数：

首先，假设在该传感器30A和40A的顶部位置和底部位置之间具有可观的温度梯度，该水于油中溶解度系数B能够从(2)确定：

$B=\frac{\ln \left(\frac{{\mathrm{rS}}_{to}}{{\mathrm{rS}}_{bo}}\right)}{(\frac{1}{T_{bo}}-\frac{1}{T_{to}})}.---\left(3\right)$

该可观的温度梯度举例来说大于5℃。当然，该水于油中溶解度系数B还能够通过若干其他方式数学上确定，并且这个公式仅为本发明一实施例的举例。换句话说，该第一水于油中溶解度系数限定为所述rS1,T1,rS2和T2的函数。

然后该液体品质指数(LQI)可以作为B的函数计算，例如：

$LQI=1-\frac{B_{\max }-B}{B_{\max }-B_{\min }},---\left(4\right)$

其中B_max和B_min为该溶解度系数B的最大和最小值，从表示新的干净的绝缘液体的B_max变化至表示非常老化(寿命终止)液体的B_min。例如，对于变压器矿物油，这些值熟知分别为3900和3100。根据本发明，LQI还可以用其他数学表示来限定，例如，限定为B的函数。

根据该当前实施例，该LQI在0和1之间变化。1(一)指定为新的干净的，未污染的液体，而0(零)指定为需要替换或回收的严重老化的液体。系数B的任意其他值归于该液体品质的中间状态。

为确定所述绝缘液体的绝对含水量，下面方法其中之一指引溶解度系数A的计算：

(a)联机，在A和B之间应用线性关系：

Α＝αΒ+β,(5)

其中α和β对确定类型的绝缘液体来说是唯一的。例如，如图2A所示，对于矿物油这些能够通过执行线性回归来获得。换句话说，图2中的点为对值A和B的实验室测量，而α和β通过线性回归从这一信息中解出。依照本发明，其他更复杂的数学回归也可以用以确定A和B之间的关系，例如图2B所绘示。

(b)脱机，按照该等式使用卡尔·费希尔(KF)滴定法

$A=ln(\frac{w}{rS}\×100)+\frac{B}{T},---\left(6\right)$

其中w为通过KF滴定法获得的该液体样品的水浓度。

(c)脱机，添加已知量的水至该液体样品。这种方法不需要KF滴定并且具有明显的不使用试剂/消耗品的优点。

$A=ln(\frac{\mathrm{\Δ}w}{\mathrm{\Δ}rS}\×100)+\frac{B}{T},---\left(7\right)$

其中Δw和ΔrS分别为该已知量的水按照毫克/千克液体添加至该溶液，以及相对饱和度中的改变。

一旦确定了该溶解度系数A和B，通过应用公式(1)能够计算在任意所述位置的该液体的绝对含水量：

$w=\frac{rS\×\exp (A-\frac{B}{T})}{100},---\left(8\right)$

其中rS和T在相同位置测量。

然后，对于所述位置，亨利定律常数k_H的计算可以通过应用该公式：

$k_H=\frac{\exp (A-\frac{B}{T})}{F_S}---\left(9\right)$

下面的世界气象组织(WMO,2008)对于该饱和蒸气压的表述可以用于(9)中：

p_s＝6.112x exp(17.62t/(243.12+t)),

其中t为摄氏温度，与(9)中的热力学温度相一致。

依照图3，探测器30和40可以直接安置至该变压器80的箱体10的该顶部和底部部分，因为在该箱体10的该顶部和该底部之间具有温度差异。

作为替代，依照图4，探测器30和40可以安置于导通至油干燥单元90的输入管130的相对末端。

作为替代，依照图5，待解析的液体可以输送至测量管140(类似图1和4中的管20,50或130)，该液体由旁通管100以及用于选择输送该液体至该旁通管100或直接输送至该测量管140的该两阀110和120提供。该旁通管100对于该液体具有冷却或加热功能，由此等式2和2a的参数可以仅通过一探测器30获得，通过

a)关闭阀120并且打开阀110，以在第一温度获得参数，以及

b)关闭阀110并且打开阀120，以在第二温度获得参数。

本发明的益处包括，本发明为用于确定绝缘液体绝对含水量及其包括亨利定律常数的水溶解度特性不受限制的方法。而且，该方法允许在新近引入的液体品质指数的帮助下确定液体品质。

虽然前述本发明的文字说明使得熟知本领域的技术人员能够制作和使用本发明当前所认为的最佳模式，但是熟知本领域的技术人员可以理解和领会在此的具体实施例，方法及举例的变化，组合及等价。因此本发明不应仅限于上述实施例，方法和举例，而应由在本发明的范围和精神内的全部实施例和方法来限制。

基本上连续的测量在本申请中意谓着例如在预定间隔如分钟，小时或天内的定期测量。这也可以意谓着例如对该待评估液体在其寿命期间具有预定间隔的100-1000次测量。

本申请中的数学等效意谓着一种表示使用基本上相同的形成该公式的变量。

该待测量液体可以为例如使用于金属热处理过程的淬火油，制冷剂液体，以及热传导液体。

本申请中执行与公式2和2a相关的该第一rS₁和第二测量步骤rS₂，以使绝对含水量w在这两次测量之间基本上保持不变。实践中这意味着用两探测器，典型的用该两探测器30和40同时测量。作为替代，该测量可以用图5的一个探测器采用短间隔执行。该间隔可以是一些分钟甚至是小时。稳定状态中该绝对含水量可以长期保持不变，因而该方法在第一rS₁和第二测量步骤rS₂之间用稍微长的间隔也可以成功执行，像小时或甚至天的间隔。

本申请中基本上连续监测系数B意谓着监测该系数B数周，数月或甚至数年，换句话说长期监测，其中该上述两测量(该第一rS₁和第二测量步骤rS₂)更加频繁重复。

该系数B可以通过该第一rS₁和第二测量步骤rS₂例如每天或每天数次来确定，并且B的值将基于这些测量连续监测。

标号列表：

10 箱体

20 顶部冷却器管

30 顶部温度探测器

30A 顶部温度传感器

30B 顶部水分传感器

40 底部温度探测器

40A 底部温度传感器

40B 底部水分传感器

50 底部冷却器管

60 绕组

70 冷却装置

80 变压器

90 油干燥单元

100 冷却旁通管

110 第一阀

120 第二阀

130 输入管

140 测量管

在本申请中“湿度”或“湿度传感器”意思是与液体“相对饱和度”或“相对饱和度传感器”相关。