油浸式变压器油纸中水分扩散测量评估方法与流程

本发明涉及一种油浸式变压器油纸中水分扩散测量评估方法，属于油纸浸式变压器监控评估技术领域。

背景技术：

油浸式电力变压器对电网中电能传输的分配性、稳定性、及运行的经济性起着重要意义，它是电网运行中的一个重要电力设备。

变压器油纸绝缘体系中微水含量及微水分布状况是评估变压器绝缘状态的重要依据。绝缘纸受潮将严重影响变压器的内绝缘特性。水分能严重降低油纸绝缘的机械强度和电气强度，会使绝缘电阻降低、介质损耗因数增加，从而缩短绝缘寿命。水分含量每增加一倍，绝缘纸机械寿命将会减半，其热老化速度也将成倍增加。水分转移加速还致使油纸绝缘分界面处的油流带电，破坏绝缘。此外水分还将直接参与油、纸纤维素等高分子材料的化学降解反应，促使这些材料降解老化，这是一个随变压器运行时间而逐渐发展且不可逆的过程。因此需要一种方法来确定绝缘纸的水分含量和老化程度，可以实现对变压器实时绝缘状态进行评估以及对电力变压器剩余运行寿命的预测。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，进而提供油浸式变压器油纸中水分扩散测量评估方法。

本发明的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

第一步、变压器绝缘纸样品备样

裁剪3组质量固定的变压器绝缘纸样品以及一组绝缘纸板，置于真空箱中105℃，50pa下干燥4小时，然后冷却至20℃，浸入新油保持48小时，然后把各组纸样在N₂的环境下分别放入用丙酮清洗过并且干燥洁净的1000mL烧瓶,按油与纸的质量比为20:1的比例注入700mL的#25克拉玛依油,充氮至一个大气压后密封；

变压器及回复电压测试仪准备，将变压器停运且与线路断开连接，保持套管完好并与变压器正常连接，变压器油纸绝缘温度将至环境温度，在没有强迫油循环，将变压器高中低压绕组各相及其中性点套在套管出线端处用于铜裸线短接并接地，接地10-20分钟；回复电压测试仪要可靠接地；

第二步、将绝缘纸预处理后，选择并控制不同初始水分含量的试品进行加速热老化试验，老化过程中按照一定时间间隔取样后，通过测量纸纤维溶于铜乙二胺溶液后的运动粘度，测得聚合度值，在推算出纸张的聚合度；

第三步、遵循时温叠加方法假设前提及纤维素聚合度累计损失的动力学方程，绘出不同温度下的性能参数变化曲线，获得主曲线及时温平移因子αT，得到Arrhenius方程的活化能并建立任意热老化温度下的外推寿命模型；

第四步、遵循时温叠加的方法，绘出不同初始水分含量下的性能参数变化曲线，获得主曲线和水分平移因子αM，将传统的Arrhenius方程进行改进，并建立任意热老化温度及任意初始水分含量下的外推寿命模型；

第五步、现场测量运行并收集变压器绕组的热点温度、油中微水含量以及变压器实时油温数据，进行数据处理后代入外推的基于时温水叠加方法的热老化寿命模型计算变压器的剩余寿命。

进一步，在步骤二中，所述预处理主要包括：形状处理、晾置处理、滴定校正并固定放置在可控环境中；所述选择并控制不同初始水分含量的方法是将预处理后的试品放入真空干燥箱，通过真空干燥法控制干燥时间、干燥温度和真空度来实现绝缘纸试品中不同初始水分含量；所述加速热老化试验是将不同水分含量的绝缘纸试品同矿物油以一定比例置入磨口碘量瓶中，真空浸油后充入干燥氮气并密封，然后将油浸后的试品放入不同温度下的老化箱中进行加速热老化试验。

进一步，在步骤二中，所述聚合度值的测量是按照ASTMD4243-99标准测量绝缘纸聚合度，对同一试品的不同部位取样测量3次，使用其平均值作为聚合度值；所述ASTMD4243-99标准是首先称取适量绝缘纸试品并烘干后撕碎，溶解于实现配置的铜乙二胺溶液中，在(25±1)℃下测量水和纤维素通过标准毛细管粘度计的流出时间，并计算出纤维素溶液的相对粘度，根据待测溶液的已知浓度和相对粘度求出特性粘度值，根据聚合度和粘度特性的关系式求得聚合度值。

进一步，在步骤三中，所述时温叠加方法假设前提是指假设在高温下加速老化过程中，表征材料微结构的参数变化规律与较低温度下较长时间内的变化规律基本一致；所述纤维素聚合度累积损失的动力学方程如下式所述：

其中：DP0表示绝缘纸初始聚合度，ωDP表示聚合度累积损失率，表征绝缘纸的降解状态，当所述ωDP＝0时为未降解状态，ωDP＝1时为完全降解状态，DPt表示经历老化时间t后的聚合度值，ω*DP表征聚合度降解储蓄的能力，所述的聚合度降解储蓄值根据ωDP(t＝tf)＝1确定，其中tf表示达到失效的时间；kDP表示纤维素聚合度降解的速率；

所述性能参数曲线是指同一坐标中作出不同温度下的性能参数变化曲线；所述坐标中Y轴定义为绝缘纸的“性能参数”(Y＝1/DPt-1/DP0)，X轴定义为老化时间的自然对数(Ln(t))；所述曲线可以反映同一种试品在不同温度下进行的热老化试验，不同老化时间t下的绝缘纸试品的聚合度；

所述的主曲线是通过选取任意一个温度作为参考温度Tref(一般选试验最低温度为参考温度)，将非参考温度下的曲线图沿时间轴水平移动，使之与参考温度下的曲线图连成一光滑连接的整体，从而得到主曲线图；

所述的平移因子αT是指对某个温度T下的性能参数随时间变化曲线在形成主曲线前后的时间之比的倒数，按照以下公式计算：

αT＝tref/tT

其中，tT表示温度T下曲线上某点平移前的时间，tref表示曲线平移并构成主曲线的一部分后该点对应的的时间值；同一绝缘材料的曲线平移因子是试验绝对温度T的函数，并满足Arrehenius方程：

其中：Ea为Arrhenius活化能(J/mol)，R为气体常数(8.314J/mol/K)；当所述TTSP假设前提下的老化机理不发生改变，不同温度下得到的平移因子都不应该发生改变；

所述Arrhenius方程的活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量；当所述的平移因子αT在相同热老化机理遵循式：时，lnαT与1/Tref-1/T组成的坐标平面上表现为一条直线，直线斜率为Ea/R；所述Arrhenius活化能Ea通过用斜率乘以气体常数得到后，用以计算相同老化机理下任意温度的平移因子；

所述建立的任意热老化温度下的外推寿命模型为

进一步，在步骤四中，所述不同初始水分含量下的性能参数变化曲线是按照步骤三所述分别对不同初始水分含量下的试验数据进行了时温叠加主曲线构造和拟合；所述主曲线是通过任意选取一个水分含量作为参考水分含量Mref，将非参考水分含量下的曲线图沿时间轴水平移动，使之与参考水分含量下的曲线图连成一光滑连接的整体，从而得到主曲线图；

所述水分平移因子αM指对某个水分含量M与参考水分含量Mref之比的指数关系，按照以下公式计算：

αM＝(M/Mref)b

式中参数b表征αM和M/Mref关系，根据平移后的数据进行拟合得到；

所述将传统的Arrhenius方程进行改进是指在传统的Arrhenius方程中加入了水分的影响，将水分含量的影响考虑到指前因子中，使高温加速老化的试验数据能够外推至不同温度和水分含量，改进的Arrhenius方程按照以下公式计算：

所述任意热老化温度及任意初始水分含量下的外推寿命模型如下：

根据变压器油纸绝缘聚合度下降与运行的时间存在的一阶动力学模型，计及温度、水分的运行环境下变压器的剩余寿命按照以下公式计算：

其中：DPend表示变压器寿命终止时聚合度值，考虑到变压器的可靠性运行的情况下，通常取DPend＝350；DPt为变压器当前聚合度值；T为变压器运行时间内的平均热点温度值；M为由绝缘纸水分含量决定的加速因子；参数A和Ea与材料性能相关，根据变压器所用绝缘油和绝缘纸在实验室中通过加速老化试验获得；在TTSP寿命模型的方法上对上述公式进行扩展，借助时–温–水分平移因子为αT,M将剩余寿命模型流程化；所述时–温–水分平移因子为αT,M是由温度平移因子αT和水分平移因子αM的乘积组成，等效于在TTSP的主曲线基础上进行二次平移，故记为时–温–水分平移因子为αT,M，按照以下公式计算：

在此基础上可得初始聚合度为DP0，任意温度T及水分含量M下聚合度下降至λDPt

所需时间tT,M的一般外推公式即寿命模型为：

进一步，在步骤五中，所述变压器绕组热点温度可按照IEEEC57.91-1995标准《油浸式电力变压器负载导则》给出了绕组热点温度计算的经验模型进行计算；除了《油浸式电力变压器负载导则》给出的的热点温度计算模型可以计算绕组热点温度外，还可以通过光纤测温技术、绕组温度计、红外热像仪等方法获得绕组热点温度；

所述测得的油中微水含量以及变压器实时油温数据是用来导出绝缘纸中水分含量，根据拟合的油中水分和纸中水分的关系，绝缘纸中水分含量按照以下公式计算：

其中Wpaper是纸中水分含量，单位是％；Woil是油中水分含量，单位是mgH2O/kgOil；t是温度，单位是℃。

本发明的有益效果在于：本发明提供的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法可以将高温高初始水分含量下的加速老化数据外推至低温度低水分含量的运行条件下的数据，可以克服以往时温叠加模型中的不足，并提供了更加准确、全面的寿命评估方法。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为不同含水量油纸绝缘样品的制备流程图；

图3为通过实验室测得的试品数据构造拟合的时温水叠加的主曲线图；

图4为通过实验室测得的试品数据下拟合出αM与M/Mref的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本方法包括以下步骤：1)变压器绝缘纸样品备样,裁剪3组质量固定的变压器绝缘纸样品以及一组绝缘纸板，置于真空箱中105℃，50pa下干燥4小时，然后冷却至20℃，浸入新油保持48小时，然后把各组纸样在N₂的环境下分别放入用丙酮清洗过并且干燥洁净的1000mL烧瓶,按油与纸的质量比为20:1的比例注入700mL的#25克拉玛依油,充氮至一个大气压后密封；2)将绝缘纸预处理后，选择并控制不同初始水分含量的试品进行加速热老化试验，老化过程中按照一定时间间隔取样后测得聚合度值；3)遵循时温叠加方法假设前提及纤维素聚合度累计损失的动力学方程，绘出不同温度下的性能参数变化曲线，获得主曲线及时温平移因子αT，得到Arrhenius方程的活化能并建立任意热老化温度下的外推寿命模型；4)遵循时温叠加的方法，绘出不同初始水分含量下的性能参数变化曲线，获得主曲线和水分平移因子αM，将传统的Arrhenius方程进行改进，并建立任意热老化温度及任意初始水分含量下的外推寿命模型；5)现场测量运行并收集变压器绕组的热点温度、油中微水含量以及变压器实时油温数据，进行数据处理后代入外推的基于时温水叠加方法的热老化寿命模型计算变压器的剩余寿命。

在本实施例中，采用普通硫酸盐木浆牛皮绝缘纸和25号克拉玛依变压器矿物油，为了控制油浸渍绝缘纸板样品的初始水分含量，便于制备不同水分含量的绝缘纸板，对纸板进行预处理：首先将绝缘纸剪成长95cm、宽8cm的纸带，每条质量约为5g；其次将其置于温度25℃、湿度50％的湿度箱中晾置一个月，采用DL32卡尔费休滴定仪测量得到绝缘纸中平均水分含量为8.5％；最后将晾置好的纸带在环境可控实验室下固定放置。

不同含水量油纸绝缘样品的制备按照图2流程：首先将预处理后的纸板置于90℃/50Pa真空浸油箱中干燥72h；其次，将干燥脱气后的矿物绝缘油加热至40℃并注入纸板所在真空浸油箱，纸板在40℃/50Pa环境中浸渍48h；最后，采用DL32卡尔费休水分仪对预处理后随机取出的纸板分别测量其不同部位的水分含量；为了消除人为因素对纸板水分试结果的影响，每个纸板样品的水分重复测量三次；最后，将其它样品放置于空气中自然吸潮的方式获得不同水分含量的实验样品。经过上述流程制备出的油浸渍绝缘纸板样品的水分含量分别为0.5％、1％、3％、5％。

不同老化程度油纸绝缘样品的制备按照图2流程：得到不同水分含量的绝缘纸试品后，将其同初始含水量为10mg/kg的矿物油以质量比1:20放入磨口碘量瓶中，在40℃/50Pa下真空浸油24h后充入干燥氮气达到一个标准大气压并密封；之后分别放入90、110、130℃的老化箱中进行加速热老化试验，并按照一定的时间间隔取样。

取样后的不同老化程度样品按照ASTMD4243-99标准测量绝缘纸聚合度：首先称取适量绝缘纸试品并烘干后撕碎，溶解于实现配置的铜乙二胺溶液中，在(25±1)℃下测量水和纤维素通过标准毛细管粘度计的流出时间，并计算出纤维素溶液的相对粘度，根据待测溶液的已知浓度和相对粘度求出特性粘度值，根据聚合度和粘度特性的关系式求得聚合度值。对同一试品的不同部位反复测量3次，取其平均值作为聚合度值。

进一步，在处理得到的3个温度和4个初始水分含量下的试品中选定最低温度和最低水分含量作为参考温度和参考水分含量，即Tref＝T1＝90℃、Mref＝M1＝0.5％；在(1/DPt-1/DP0)-t坐标平面上作出不同水分含量M1、M2、M3、M4下的3×4条不同温度老化数据曲线。

进一步，分别在不同水分含量的坐标平面下将非参考温度下曲线的时间轴分别乘以时温平移因子αT，从而实现其它温度下的曲线沿着时间轴水平移动，并与参考温度下的曲线形成一光滑连接的整体，如下图3所示。

进一步，按照公式：对平移后的数据进行拟合，计算拟合优度R2；不断调整时温平移因子αT使得拟合优度尽量接近1，最终形成n条不同水分含量下的TTSP主曲线CM1～CM4，记录不同水分含量下的时温平移因子矩阵αT和TTSP主曲线参数矩阵ωDP*、kDP，如表1所示：

表1试验数据的拟合参数

进一步，按照公式

分别计算出不同水分含量下的活化能Ea，并取平均值作为表观活化能Ea＝90.4kj/mol

进一步，将4条不同水分含量下的TTSP主曲线CM1～CM4绘制在同一个(1/DPt-1/DP0)-t坐标平面上，再将非参考水分含量对应的主曲线时间轴分别乘以时间-水分平移因子αM，从而实现其它水分含量下的曲线沿着时间轴水平移动，并与参考水分含量下的曲线连成一条光滑连接的二次主曲线，如图3所示。

进一步，按照公式：

对平移后的数据进行拟合，通过不断调整后得到最优时间-水分平移因子矩阵以及主曲线参数并建立起αM＝(M/Mref)b的拟合关系，如图4所示，拟合求出参数b＝0.773、R2＝0.96。通过已得参数，将变压器寿命终结时的λDPend代入，按照公式：

可以最终推导出任意温度T和任意初始水分含量M下的变压器可靠性寿命。

进一步，通过光纤测温技术测量运行并收集变压器绕组的热点温度，通过变压器运行中记录的油中微水含量以及变压器实时油温数据，按照公式推算出绝缘纸中水分含量：

将所述热点温度和绝缘纸中水分含量共同代入外推的基于时温水叠加方法的热老化寿命模型计算变压器的剩余寿命。