专利名称：用于确定固体绝缘件中的水含量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定固体绝缘件中的水含量的方法和装置。
背景技术：
对电力变压器的湿度控制一直受到关注，对于老化装置来说更是这样。大量的干燥处理在制造阶段进行，在使用中努力维持，以便保持较高干燥度。固体或液体绝缘件中的过多水分可能导致介电强度明显降低，并降低局部放电起始电平。水分对绝缘老化的影响已经在文献中进行了介绍。还已经证明，在高温下，在绕组绝缘件中的残余水分可能引发释放自由气泡，从而对绝缘结构的介电整体性产生直接威胁。估计固体绝缘件中的水含量是任意复杂的状态估计程序的主要部分。
传统的水分监测方法要求以定期的间隔进行油品采样。然后，油样通过Karl Fischer滴定方法进行处理，该滴定方法提供了油中的总含水量，该含水量是百万分之几(ppm)。大部分的水成溶解水的形式，并当变压器朝着平衡状态前进时能够从油运动至该固体绝缘件中。不过，一些被测水与化学试剂(例如氧化作用的副产品)进行化学结合。该结合水只是部分地可从油迁移至纸。当油老化时，由于氧化，化学试剂的量增加，这些试剂为水提供了额外结合场所。一些水也可以与油中的悬浮物颗粒结合，且该水将不能完全用于运动至固体绝缘件中。已经研究出平衡曲线，该平衡曲线用于将油中的绝对水含量与纸中的水含量联系起来。应用该曲线时意味着变压器处于热平衡状态。实际上，很少有这样的情况，因为变压器中的温度是根据环境温度和所施加的电负载的变化而几乎连续地变化的。尽管有这些限制，但是该方法仍然是用于估计固体绝缘件的水含量的最常用方法。
近年来，已经研究出用于测量油中的水含量的在线传感器。该传感器通常浸入油中，并测量电容，该电容又与油的水含量相关联。然后，油中的水含量利用平衡曲线而转变成纸中的水含量。该方法是非常概略的，因为它假定变压器处于热平衡状态下。不过，因为变压器的温度随着环境温度的变化和工作负载的变化而几乎连续的变化，因此几乎不能获得平衡。而且，在变压器中存在明显的温度梯度，从而导致水含量相应变化。
因此，本领域需要一种用于即使当固体绝缘件的温度连续变化时也能确定变压器中的固体绝缘件的精确水含量的系统和方法。另外，甚至当固体绝缘件在各位置的水含量可以不同时，也需要确定在变压器内不同位置处的固体绝缘件的水含量。
发明内容
这里公开了一种涉及确定变压器中特定位置处固体绝缘件的水含量的方法。该方法包括确定在特定位置处固体绝缘件的温度；计算在该特定位置处油的相对水分饱和度；计算在该特定位置处固体绝缘件中的极限水含量；以及计算在该特定位置处固体绝缘件中的实际水含量。
这里还公开了一种涉及监测在变压器中的特定位置处固体绝缘件的实际水含量的系统。该系统包括第一温度传感器，用于测量在第一位置处变压器内的油的温度；用于测量在该第一位置处油的水含量的装置；第二温度传感器，用于测量在该特定位置处油的温度；以及处理器，用于接收来自传感器的输入并计算在该特定位置处固体绝缘件的实际水含量。
这里还公开了一种计算机程序产品，其涉及在计算机环境中计算在变压器内特定位置处固体绝缘件的实际水含量。该计算机程序产品包括储存介质，该储存介质可由处理电路读取，并储存有由处理电路执行的指令，以便于执行一方法。该方法包括接收在变压器中流动的油的水含量数据；接收在测量该水含量的位置处的油的温度数据；接收在该特定位置处固体绝缘件的温度数据；利用所接收的该数据来计算在该特定位置处油的相对水分饱和度；计算在该特定位置处固体绝缘件中的极限水含量；以及计算在该特定位置处固体绝缘件中的实际水含量。
图1表示了这里公开的变压器的示意图；
图2表示了这里公开的用于计算固体绝缘件中水含量的流程图；图3表示了用于确定固体绝缘件的温度的流程图，该温度用于输入到图2的流程图中；以及图4表示了用于确定固体绝缘件的温度的另一方式的流程图，该温度用于输入到图2的流程图中。
具体实施例方式
参考图1，本发明实施例的电力变压器示意图总体以10表示。不过应当知道，本发明实施例也可以用于其它类似类型的浸入式电设备，例如配电变压器、调节变压器、并联电抗器、换流变压器、仪表用互感器、发电站单元和仪表用互感器。由导电材料制成的多个绕组14中的一个缠绕在固体绝缘材料18中，该固体绝缘材料18在这里有时也称为纸，尽管纸只是可以用作固体绝缘件的一种可能材料。主固体绝缘件22位于绕组14与具有箱壁28的箱26之间。绕组14和固体绝缘件18、22浸入在绝缘油30中。该变压器10可以包括冷却系统34，该冷却系统34有风扇38和泵42，它们根据需要而由冷却控制系统(未示出)来启动。变压器10还包括各种传感器，用于计算固体绝缘件18、22的水含量。例如，油中水分探测器46包括油中水传感器50和温度传感器54，该温度传感器54用于测量在该油中水传感器50位置处的油温。该变压器10还包括处理器55，该处理器55至少与前述传感器电连通，用于从传感器接收数据并处理该数据。
为了计算固体绝缘件18、22中的水含量，其中必须知道固体绝缘件18、22的温度。固体绝缘件温度的确定可以直接测量，或者可以根据其它传感器的输入来计算。为了直接测量固体绝缘件18、22的温度，例如可以使用非导电装置，例如光纤温度探测器58。为了计算固体绝缘件18、22的温度，利用来自以下传感器的输入电流计62，用于测量在一个或多个绕组14上的负载电流；温度传感器66，用于测量箱顶部90中的油30的温度；温度传感器70，用于测量箱底部122中的油30的温度；风扇工作传感器74和/或泵工作传感器78。另外，根据变压器10的安装位置，空气密度110作为该系统的固定参数而输入。用于计算特定位置处固体绝缘件18、22的温度的方法将参考图3和4进一步介绍。
在能够计算在特定位置处固体绝缘件18、22的实际水含量之前，必须首先确定固体绝缘件18、22的极限水含量。不过，在能够确定固体绝缘件18、22的极限水含量之前，必须知道在油30与固体绝缘件18、22接触的位置处的相对油饱和度。一旦确定了实际水含量，就可以利用已知方法来计算该水含量对绝缘件老化的影响、对水蒸汽释放自由气泡的阈值温度的影响以及对介电强度降低的影响。
参考图2，图中表示了怎样计算固体绝缘件18、22中的水含量的流程图。该油中水传感器50提供了油30的相对湿度值52。具体地说，该油中水传感器50确定了相对于在该特定位置处在油30所处温度下在饱和时能够携带的总水量来说在油30中所存在的水量。该相对湿度值52表示为RHs(在油中水传感器50处的相对湿度)，且通常表示为百分数RH。油温度传感器54测量在油中水传感器50位置处的油温度56。将该温度转变成绝对温度Ks(单位是开尔文度数)，并用于计算在特定关注位置处的相对湿度。
只要知道在变压器10中任意点x处的绝对温度Kx，就能够通过以下等式来计算在该点x处的相对湿度RHx＝RHs*EXP(A(1/Ks-1/Kx))其中，A是取决于特定油的特性60的一个系数。
在位置x处纸中的极限水含量(有时称为WCPxu)64由已知的纸中水饱和度函数(作为温度的函数)68以及点x处的油的相对湿度值(有时称为RHx)72来计算，按照以下等式WCPxu＝POWER(10，(Ax+Bx/Kx))其中，Ax和Bx是从RHx72导出的五阶多项式函数以及水在纸中的溶解度函数(作为温度的函数)68，且Kx76是在点x处的绝对温度(单位为开尔文)。
该词语“极限”用于说明纸中的极限水含量，因为只有当油30和纸18、22的温度保持稳定无限长时间时，纸中的水含量才会达到该水平。对于使用薄固体绝缘材料18的多种类型变压器部件来说，接近稳定所需的时间是已知的。该时间需求可以取决于一些参数而在几小时至几年之间变化，这些参数例如是所使用的具体的固体绝缘材料、材料的厚度以及材料的温度。在本发明实施例中，发现固体绝缘件18、22的水分迁移时间常数(Td)80可以简化成一个指数函数，并通过以下等式来计算Td＝L2*C*EXP(D*Tx)其中，L是固体绝缘件的等效厚度(单位mm)84，C和D是通过试验确定的系数，而Tx是固体绝缘材料的温度(单位为摄氏度)。
然后，在时间t时固体绝缘件中的实际水含量(有时也称为WCPt)88由WCPxu64和迁移时间常数(Td)80来计算。这可以利用增量计算来进行，在该增量计算中，在时间t时固体绝缘件中的实际水含量(有时也称为WCPt)88根据之前在时间t-1时计算的WCPt88的值并利用逐次计算之间的时间增量dt以及迁移时间常数Td80而以增量方式确定WCPt＝WCPt-1+(WCPxu-WCPt-1)*(1-EXP(-dt/Td))或者也可选择，固体绝缘件中在时间t时的实际水含量值(WCPt)88能够利用下面的低通滤波等式来计算WCPt＝WCPt-1+(WCPxu-WCPt-1)*(dt/E*Td)其中，E是实验确定的系数。
前述等式将用于变压器10内的两个明显关注的特定位置。特别关注的第一位置是该箱的顶部90，它通常是绕组固体绝缘件18的最热部分。图3示意表示了对于该位置的温度计算方法的实施例。变压器箱顶部的油温度92能够通过顶部油温度传感器66来测量(见图1)。处于监测之下的绕组中的负载电流96可以用电流计62来测量(见图1)。这两个值能够利用合适的变压器特性100而以已知方式组合，以便导出通常最热的绕组固体绝缘件温度104。
或者也可选择，光纤温度探测器58(见图1)或类似温度测量装置能够插入该绕组固体绝缘件18中并处于已知的最热区域中，以便提供通常最热的绕组固体绝缘件18的直接温度测量值106。
然后，将该绕组固体绝缘件的温度104用作点x处的固体绝缘件温度76，以便进行图2的计算。
在变压器10中特别关注的第二位置是主固体绝缘件22，该主固体绝缘件22提供在绕组14与变压器箱26之间的介电强度。最关注的区域是在箱122底部中的主固体绝缘件22，因为该温度比变压器10的其它位置更冷，因此水含量更高。图4中示意表示了用于箱的该底部部分122中的主固体绝缘件22的温度计算实施例。
如上所述，该箱顶部90的油温度92可以通过顶部油温度传感器66来测量，且处于监测之下的绕组中的负载电流能够通过电流计62来测量。冷却系统34的冷却风扇工作传感器74和冷却泵工作传感器78用于选定合适的变压器特性100。变压器10的安装位置处的空气密度110用于相应地调节热特性。以已知方式使用前述参数来计算该主固体绝缘件底部箱温度114。
或者也可选择，温度传感器70可以用于直接测量在箱底部122中的油30的温度118，已知该温度118与箱底部122中的主固体绝缘件22的温度相似。
然后，将该主绝缘件底部箱温度114用作图2中的点x处的固体绝缘件温度76。
所述实施例已经介绍了可以怎样在变压器10中的两个特定位置处计算固体绝缘件的含水量。不过，应当知道，这里所述方法可以用于计算在变压器10内能够计算或测量出温度的任意位置处的固体绝缘件的含水量。
本发明实施例的形式可以是由计算机实施的方法以及实现这些方法的装置。在示例实施例中，本发明具体表现为计算机程序代码。实施例包括包含指令的计算机程序代码，该计算机程序代码包含于有形介质中，例如软磁盘、CD-ROM、硬盘驱动器、或者任意其它计算机可读储存介质，其中，当将计算机程序代码装入计算机中并由计算机执行时，该计算机成为用于实施本发明的装置。实施例包括计算机程序代码，无论是例如储存在存储介质中、装入计算机中和/或由计算机执行的计算机程序代码，还是通过光纤或通过电磁辐射而在一些传输介质(例如高架电线或电缆)中传输的计算机程序代码，其中，当计算机程序代码装入计算机中和由计算机执行时，该计算机成为用于实施本发明的装置。该可执行指令的技术效果是计算变压器中特定位置处的固体绝缘件的实际水含量。
尽管已经参考示例实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和可以用等效物代替其中的元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以对本发明的教导进行多种变化，以便适应特殊情况或材料。因此，本发明并不局限于作为实现本发明的最佳方式的所述特殊实施例，而是本发明包括落在权利要求范围内的所有实施例。
部件列表10 变压器14 绕组18 绕组固体绝缘件22 主固体绝缘件26 箱28 箱壁30 油34 冷却装置38 风扇42 泵46 油中水分探测器50 油中水传感器52 油的相对湿度54 油温度传感器55 处理器56 油温度58 光纤温度探测器60 油特性62 电流计64 在位置x处的纸的极限水含量(WCPxu)66 顶部油温度传感器68 作为温度的函数的、纸的水饱和特性70 底部油温度传感器72 在点x处的油相对湿度(RHx)74 风扇工作传感器76 在点x处的固体绝缘件温度(Kx)78 泵工作传感器80 在固体绝缘件中的水分迁移时间常数(Td)84 固体绝缘件厚度88 在点x处的固体绝缘件中的实际水含量90 箱的顶部部分
92 箱的顶部部分的油温度96 处于监测之下的绕组中的负载电流100 变压器特性104 绕组最热温度106 直接测量的绕组绝缘件温度测量值110 空气密度114 主固体绝缘件底部温度118 直接测量的底部箱油温度测量值122 箱的底部部分
权利要求
1.一种确定变压器(10)中特定位置处固体绝缘件(18、22)的水含量的方法，该方法包括确定在特定位置处固体绝缘件(18、22)的温度；计算在该特定位置处油(30)的相对水分饱和度；计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的极限水含量；和计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的实际水含量。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括测量在该特定位置处该固体绝缘件(18、22)的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括利用适当的变压器(10)特性、在该特定位置处测得的油(30)温度以及在所考虑的绕组(14)中测得的电流负载来计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用适当的变压器(10)特性、在该特定位置处测得的油(30)温度、在所考虑的绕组(14)中测得的电流负载以及空气密度来计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)的温度，其中，该适当的变压器(10)特性部分地由至少一个冷却系统传感器(74、78)来确定。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在温度传感器(54)的位置处用油中水传感器(50)来测量油(30)的相对湿度；在该油中水传感器(50)的位置处测量油(30)的温度；由在该油中水传感器(50)的位置处测得的油(30)的温度来计算在该油中水传感器(50)的位置处的绝对温度；在该特定位置处测量油(30)的温度；由在该特定位置处测得的油(30)的温度来计算在该特定位置处油(30)的绝对温度；利用在该油中水传感器(50)处的相对湿度、在该油中水传感器(50)处的绝对温度以及在该特定位置处的绝对温度来计算在该特定位置处油(30)的相对湿度。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括利用固体绝缘件(18、22)材料的水饱和特性、在该特定位置处油(30)的相对湿度以及在该特定位置处的绝对温度来计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的极限水含量。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括利用表征油(30)和固体绝缘件(18、22)之间的水交换的迁移时间常数以及在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的极限水含量来计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的实际水含量。
8.一种用于监测在变压器(10)中的特定位置处固体绝缘件(18、22)的实际水含量的系统，该系统包括第一温度传感器(54)，用于测量在第一位置处变压器(10)内的油(30)的温度；用于测量在该第一位置处油(30)的水含量的装置(50)；第二温度传感器(66、70)，用于测量在该特定位置处油(30)的温度；以及处理器(55)，用于接收来自传感器(50、54、58、62、66、70、74、78)的输入并计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)的实际水含量。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括电流传感器(62)，用于测量流过所考虑的绕组(14)的电流，以便输入给处理器(55)；以及至少一个冷却系统传感器(74、78)，用于测量冷却系统(34)的性能，以便输入给处理器(55)。
10.一种计算机程序产品，用于在计算机环境中计算在变压器(10)内特定位置处固体绝缘件(18、22)的实际水含量，该计算机程序产品包括储存介质，该储存介质可由处理电路读取，并储存有由处理电路执行的指令，以便于执行一方法，该方法包括接收在变压器(10)中流动的油(30)的水含量数据；接收在测量该水含量的位置处的油(30)的温度数据；接收在该特定位置处固体绝缘件(18、22)的温度数据；计算在该特定位置处油(30)的相对水分饱和度；计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的极限水含量；和计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的实际水含量。
全文摘要
这里公开了一种确定变压器(10)中特定位置处固体绝缘件(18、22)的水含量的方法。该方法包括确定在特定位置处固体绝缘件(18、22)的温度；计算在该特定位置处油(30)的相对水分饱和度；计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的极限水含量；以及计算在该特定位置处固体绝缘件(18、22)中的实际水含量。
文档编号G06F17/40GK101089620SQ200710110379
公开日2007年12月19日 申请日期2007年6月15日 优先权日2006年6月15日
发明者J·奥宾, C·博谢明, N·卡梅尔 申请人:通用电气公司