一种温度变化下套管电容芯子绝缘性能的评估方法与流程

本发明属于套管的绝缘试验领域，具体涉及一种温度变化下套管电容芯子绝缘性能的评估方法。

背景技术：

变压器套管是变压器的主要绝缘装置之一，不仅能固定内部高压引线并将其引到油箱外部，而且使引出线间及引出线和变压器金属外壳间绝缘。随着近年来电力系统规模和电压等级的迅速发展，套管的绝缘性能势必将面临严峻的挑战，而电容芯子是油浸式电容套管的内部绝缘结构，其好坏将直接影响电力系统运行的安全性和可靠性，尤其对于高电压等级下变压器安装的油浸式电容套管而言。

套管不仅广泛用于电力系统，在牵引供电系统中也是必不可少的。随着我国高铁的不断发展，不少高寒地区已经通有高铁，而由于这些区域昼夜温差大且高铁负荷具有“昼频夜空”的特点，一天内高铁上配备的高压套管将承受零下几十度到零上几十度的温度变化，长此以往将加速在运的高压套管内绝缘劣化。但目前大多数套管绝缘试验与评估方法是针对在常规工作环境下运行的套管展开的，无法对温度变化下的套管绝缘状态进行有效的评估，因此急需一种能在温度变化下对套管电容芯子绝缘性能的评估方法，通过频域介电谱测试研究套管电容芯子在温度变化下的绝缘劣化情况。

技术实现要素：

为了模拟高寒地区在运高压套管温度变化的工况，并且能更真实准确地评估实际套管的绝缘性能，本发明提供了一种温度变化下套管电容芯子绝缘性能的评估方法。

一种温度变化下套管电容芯子绝缘性能的评估方法，包含以下步骤：

步骤一，安装测试装置

a)处理套管电容芯子模型：

将套管电容芯子放入干燥箱中，在90℃下干燥48小时，然后将套管电容芯子模型放入干燥的绝缘油中充分浸油48小时；

b)连接设备与装置：

设备与装置包括：绝缘实验箱、套管电容芯子、电脑、末屏引出线、高压导线、频域介电谱测试仪、冷凝管、橡胶软管、冷凝水箱、直流电源、1号温度传感器、2号温度传感器、3号温度传感器；

绝缘实验箱内部装有绝缘油和套管电容芯子，套管电容芯子通过绝缘实验箱上部开孔来固定；

套管电容芯子包含导电杆与末屏引出线；

绝缘实验箱内部设有多根电热丝、1号温度传感器、2号温度传感器以及3号温度传感器，电热丝安装在绝缘实验箱内壁及底部，1号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下15％处，2号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下50％处，3号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下85％处；

多根电热丝通过导线串联后再与直流电源相连；

绝缘实验箱外部设有冷凝管，其内部流通有经橡胶软管传输的冷凝水；

控制装置分别与1号温度传感器、2号传感器、3号传感器、冷凝水箱和直流电源相连；

控制装置将处理得到的绝缘实验箱的平均油温与控制装置的预设油温相比较，若绝缘实验箱的平均油温低于控制装置的预设油温，则控制冷凝水箱停止供给冷凝水并且控制直流电源通电，若绝缘实验箱的平均油温高于控制装置的预设油温，则控制直流电源断电并且控制冷凝水箱加速冷凝管及橡胶软管内的冷凝水循环；

设备与装置还包括：1号输油管、1号油泵、2号输油管、油箱、3号输油管、2号油泵、4号输油管；

绝缘实验箱通过1号输油管与1号油泵连接；

1号油泵通过2号输油管与油箱连接；

油箱通过3号输油管与2号油泵连接；

2号油泵通过4号输油管与绝缘实验箱连接；

控制装置还与1号油泵和2号油泵连接；

控制装置将1号温度传感器、2号传感器、3号传感器所采集温度经计算处理后所得的绝缘实验箱的平均油温与预设温度值相比较，若经控制装置处理得到的绝缘实验箱的平均油温不等于预设温度值，则启动1号油泵和2号油泵，加速绝缘实验箱、1号输油管、2号输油管、3号输油管和4号输油管中的油流速度；

套管电容芯子通过高压导线和末屏引出线与频域介电谱测试仪相连，频域介电谱测试仪与电脑相连；

步骤二，油温拟合公式确定

建立平均油温t与低频介质损耗tanδ之间的关系公式：

tanδ＝ae^bt

其中，其中，a是套管电容芯子绝缘系数，b是油温影响因子，e是自然常数；零下温度时b小于0、零上温度时b大于0,a始终大于0；

步骤三，不同油温下频域介电谱测试

设置输出电压为100v、测试频率为0.001hz，用频域介电谱测试仪对干燥的套管电容芯子模型进行频域介电谱测试，记录零下30℃到零上60℃、温度梯度设置为5℃下套管内绝缘的低频介质损耗tanδ，通过非线性拟合得到步骤二中公式并得到参数a、b；

步骤四，温度变化率拟合公式确定

建立温度变化率v与低频介质损耗tanδ之间的关系公式：

其中，c是套管电容芯子油温绝缘复合系数，d是频率因子，t0为测试起始油温，e是自然常数；

步骤五，温度变化下频域介电谱测试

设置输出电压为100v、测试频率为0.001hz，用频域介电谱测试仪对干燥的套管电容芯子模型进行频域介电谱测试，记录此刻绝缘实验箱内的平均油温为t0，按照不同温度变化率v(摄氏度/秒)改变控制装置的设定油温并记录套管电容芯子模型的低频介质损耗tanδ数据，通过非线性拟合得到步骤四中公式并得到参数c、d。

本发明所提出的评估方法采用了一种闭环控制系统对套管电容芯子所处油温进行控制，通过在试验箱内壁等间隔安装的3个温度传感器将绝缘实验箱内的平均油温传导给控制装置，当所测平均油温低于预设油温时，则控制冷凝水箱停止供给冷凝水并且控制直流电源给多根电热丝通电；当所测平均油温高于预设油温时，则控制直流电源断电并且控制冷凝水箱加速冷凝管及橡胶软管内的冷凝水循环。温度的变化则通过控制装置控制油泵的开启加速多根输油管及绝缘实验箱内的油流速度来实现。设定好油温后便可用频域介电测试仪对套管电容芯子的绝缘性能进行评估。其中，a为套管电容芯子绝缘系数，表征了套管电容芯子在0摄氏度的初始绝缘状态；b为油温影响因子，表征了套管电容芯子所处平均油温对套管电容芯子的绝缘状态的影响程度。对比介质损耗tanδ，参数a和参数b可以更具体地表征不同油温下套管绝缘芯子的绝缘状态。c为套管电容芯子油温绝缘复合系数，表征了套管电容芯子的绝缘状态受套管电容芯子0摄氏度初始绝缘状态和所处平均油温的复合影响程度；d为频率因子，表征了温度变化率对介质损耗tanδ变化快慢的影响程度。通过温度变化率拟合公式，就可以得到温度变化率v与低频介质损耗tanδ之间的关系，而介质损耗tanδ可以表征套管电容芯子绝缘状态，所以本方法就能在温度变化下对套管电容芯子的绝缘性能进行评估。

附图说明

图1为评估方法流程图。

图2为实验装置示意图。

其中，绝缘实验箱(1)、套管电容芯子(2)、电脑(3)、导电杆(4)、末屏引出线(5)、高压导线(6)、频域介电谱测试仪(7)、冷凝管(8)、橡胶软管(9)、冷凝水箱(10)、电热丝(11)、导线(12)、直流电源(13)、1号输油管(14)、1号油泵(15)、2号输油管(16)、油箱(17)、3号输油管(18)、2号油泵(19)、4号输油管(20)、1号温度传感器(21)、2号温度传感器(22)、3号温度传感器(23)、控制装置(24)。

具体实施方式

如图1，评估方法主要包括以下步骤：

第一步，电容芯子模型的处理

将套管电容芯子放入干燥箱中，在90℃下干燥48小时，然后将套管电容芯子模型放入干燥的绝缘油中充分浸油48小时；

第二步，连接设备与装置

设备与装置包括：绝缘实验箱、套管电容芯子、电脑、末屏引出线、高压导线、频域介电谱测试仪、冷凝管、橡胶软管、冷凝水箱、直流电源、1号温度传感器、2号温度传感器、3号温度传感器；

绝缘实验箱内部装有绝缘油和套管电容芯子，套管电容芯子通过绝缘实验箱上部开孔来固定；

套管电容芯子包含导电杆与末屏引出线；

绝缘实验箱内部设有多根电热丝、1号温度传感器、2号温度传感器以及3号温度传感器，电热丝安装在绝缘实验箱内壁及底部，1号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下15％处，2号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下50％处，3号温度传感器安装在绝缘实验箱内壁自顶向下85％处；

多根电热丝通过导线串联后再与直流电源相连；

绝缘实验箱外部设有冷凝管，其内部流通有经橡胶软管传输的冷凝水；

控制装置分别与1号温度传感器、2号传感器、3号传感器、冷凝水箱和直流电源相连；

控制装置将处理得到的绝缘实验箱的平均油温与控制装置的预设油温相比较，若绝缘实验箱的平均油温低于控制装置的预设油温，则控制冷凝水箱停止供给冷凝水并且控制直流电源通电，若绝缘实验箱的平均油温高于控制装置的预设油温，则控制直流电源断电并且控制冷凝水箱加速冷凝管及橡胶软管内的冷凝水循环；

设备与装置还包括：1号输油管、1号油泵、2号输油管、油箱、3号输油管、2号油泵、4号输油管；

绝缘实验箱通过1号输油管与1号油泵连接；

1号油泵通过2号输油管与油箱连接；

油箱通过3号输油管与2号油泵连接；

2号油泵通过4号输油管与绝缘实验箱连接；

控制装置还与1号油泵和2号油泵连接；

控制装置将1号温度传感器、2号传感器、3号传感器所采集温度经计算处理后所得的绝缘实验箱的平均油温与预设温度值相比较，若经控制装置处理得到的绝缘实验箱的平均油温不等于预设温度值，则启动1号油泵和2号油泵，加速绝缘实验箱、1号输油管、2号输油管、3号输油管和4号输油管中的油流速度；

套管电容芯子通过高压导线和末屏引出线与频域介电谱测试仪相连，频域介电谱测试仪与电脑相连；

第三步，油温拟合公式确定

建立平均油温t与低频介质损耗tanδ之间的关系公式：

tanδ＝ae^bt

其中，a是套管电容芯子绝缘系数，b是油温影响因子，e是自然常数；零下温度时b小于0、零上温度时b大于0,a始终大于0；

第四步，不同油温下频域介电谱测试

设置输出电压为100v、测试频率为0.001hz，用频域介电谱测试仪对干燥的套管电容芯子模型进行频域介电谱测试，记录零下30℃到零上60℃(温度梯度设置为5℃)下套管内绝缘的低频介质损耗tanδ，通过非线性拟合得到第三步中公式并得到参数a、b；

第五步，温度变化率拟合公式确定

建立温度变化率v与低频介质损耗tanδ之间的关系公式：

其中，c是套管电容芯子油温绝缘复合系数，d是频率因子，t0为测试起始油温，e是自然常数；

第六步，温度变化下频域介电谱测试

设置输出电压为100v、测试频率为0.001hz，用频域介电谱测试仪对干燥的套管电容芯子模型进行频域介电谱测试，记录此刻绝缘实验箱内的平均油温为t0，按照不同温度变化率v(摄氏度/秒)改变控制装置的设定油温并记录套管电容芯子模型的低频介质损耗tanδ数据，通过非线性拟合得到第五步中公式并得到参数c、d。

本发明的工作原理：

首先将处理完毕的套管电容芯子放入承装好干燥绝缘油的试验绝缘箱中，将套管电容芯子的高压导线及末屏引出线与频域介电谱测试仪的电压输入及输出端相连，并且确保电热丝与直流电源接触良好、冷凝管与冷凝水箱连接完好以及检查油箱、油泵、输油管及绝缘实验箱输油路径是否密封严密，最后在指定位置上安装好温度传感器并确保温度信号能即时传输给控制装置得到平均油温。随后，控制装置将所得平均油温与试验人员预设油温进行比对，当所测平均油温低于预设油温时，则控制冷凝水箱停止供给冷凝水并且控制直流电源给多根电热丝通电；当所测平均油温高于预设油温时，则控制直流电源断电并且控制冷凝水箱加速冷凝管及橡胶软管内的冷凝水循环。只要控制装置所得平均油温与试验人员预设油温不等，则启动1号油泵和2号油泵，加速绝缘实验箱、1号输油管、2号输油管、3号输油管和4号输油管中的油流速度以达到温度变化的要求。最后，试验人员设定好油温后便可用频域介电测试仪对套管电容芯子的绝缘性能进行评估。