专利名称：用于确定绝缘液体填充的电气设备的相对湿度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定绝缘液体填充的电气设备的相对湿度的方法和装置，该电 气设备包括容纳绝缘液体和气体的容器和连通单元，该连通单元提供容器的气体和外部 环境的气体的连通，并且提供对通过连通单元的气体的脱水。
背景技术：
绝缘液体填充的电气设备，比如变压器，抽头变换器或者开关设备，是在需要 隔离和冷却的应用中使用的设备。电气单元浸没在具有适当的介电和冷却性质的绝缘液 体中。该电气单元封闭在容纳绝缘液体和气体的容器中，该气体诸如空气，氢气和诸如 此类的气体。具有浸没的电气单元的容器还可以连接到包含绝缘液体和气体的膨胀箱。 绝缘液体具有包括绝缘液体和气体之间的界面的表面。绝缘液体的相对湿度的值对于绝缘液体填充的电气设备的功能而言是重要的。 绝缘液体的相对湿度是在某一温度下水汽含量和绝缘液体的最大可能的水汽含量的比 率。绝缘液体填充的电气设备的故障在覆盖电气单元的绝缘液体的相对湿度太高的情况 下可能发生。绝缘液体的相对湿度的变化对于绝缘液体的介电耐受性具有巨大影响。在 绝缘液体的高相对湿度下，绝缘液体的介电耐受性低。绝缘液体的介电耐受性还受到绝 缘液体中的颗粒污染的影响，比如来自电气单元的电极的金属颗粒。如果绝缘液体的介 电耐受性低，可能发生电气单元中的闪络，这可能损坏或者限制电气设备的功能。按照经验，以规则的间隔来分析和维护高压设备的绝缘液体。还可以获取绝缘 液体的样本，来测量绝缘液体中的水汽的量，以便确定绝缘液体的相对湿度。更换绝缘 液体和获取绝缘液体的样本的操作是费时的，因此导致电气设备较高的运行成本。取而 代之，可以将水汽传感器放置在绝缘液体中。然而，测量液体中的水汽需要昂贵的传感器。电气设备在工作时产生热量，这引起局部温度升高。这对于抽头变换器和类似 的开关设备而言尤其如此，其中机械接触开关在切换点之间具有高电势的情况下持续闭 合和断开。在开关操作中，绝缘液体可分解为气体，这些气体需要被释放。因此，容器 需要与外部环境连通。外部环境是包围绝缘液体填充的电气设备的环境，比如围绕容器 的空气。到外部环境的连通通常通过连通单元(比如脱水通气装置)来进行。连通单元提供容器的气体和外部环境之间的连通。因此，气体可以通过连通单 元并且容器内的压力将保持在外部环境的压力下。当绝缘液体例如被电气单元加热时， 绝缘液体膨胀并且容器内的气体通过连通单元被压出到外部环境中。反之，当绝缘液体 冷却时，绝缘液体的体积下降并且来自外部环境的气体通过连通单元被吸入到容器中。 此外，连通单元具有对通过连通单元的气体提供脱水的功能，即连通单元具有去除在容 器和外部环境之间流通的气体的水汽的能力。如果流通单元的该功能很差，绝缘液体的 相对湿度可能增加，这可能导致电气设备的故障。
US20060162304示出了用于油隔离的电气设备的减湿器。水汽传感器设置在 设备的外壳和减湿器中的加热器之间。来自水汽传感器的信息用于控制减湿器中的加热 器，加热器具有使减湿器再生的功能。然而，该减湿器没有确定油中的相对湿度的能 力。此外，没有公开用于测试减湿器去除水汽的能力的措施。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于确定绝缘液体填充的电气设备的相对湿度的方法。该目的通过如权利要求1所限定的方法而实现。该方法包括 持续地测量和存储容器中的气体的相对湿度，基于在一定时间段内的所述存储的湿度测量，计算气体的相对湿度的平均值， 以及基于气体的相对湿度的所述平均值和在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的 相对湿度之间的关系，确定绝缘液体的相对湿度。相对湿度是物质的水含量的度量。气体的相对湿度是在某一温度下气体的水汽 含量和最大可能水汽含量之间的比率。在平衡态下，在具有气体和绝缘液体的封闭系统 中，水从气体到绝缘液体的扩散以及反之的扩散之间存在平衡。在此平衡态下，气体的 相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间存在关系。该关系取决于温度。由于连通单元，绝 缘液体填充的设备是半开放的系统，其不处于平衡态，从而所述关系不成立。然而，与 气体的相对湿度变化的速率相比，绝缘液体的相对湿度的变化缓慢地发生。气体的相对 湿度的平均值将代表容器的假定的平衡态，并且根据本发明用于确定绝缘液体的相对湿 度。因此，基于气体的相对湿度的所述平均值和在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体 的相对湿度之间的所述关系，来确定绝缘液体的相对湿度。相对湿度的平均值是代表容器的假定平衡态的值。可以基于已经在一时间段内 存储的多个测量值计算平均值。关于平均值的示例是算术平均值，中值，加权平均值， 截断平均值，或者其他代表假定平衡态的相对湿度的值。可以以相同的方式，计算温度 测量的平均值。本发明具有确定绝缘液体的相对湿度的优点。因此，将不再需要诸如根据维护 计划获取绝缘液体样本或者更换绝缘液体的过程，这将减少电气设备的运行成本。此 外，本发明具有可以使用用于测量气体中的相对湿度的传感器来测量绝缘液体的相对湿 度的优点，该传感器比用于直接测量液体中的湿气含量的湿气传感器价格更低。从而， 本发明提供了对绝缘液体的相对湿度的成本有效的确定，这降低了绝缘液体填充的电气 设备的成本。根据本发明的一个实施方式，该方法还包括在确定的绝缘液体的相对湿度超过 特定值的情况下，指示绝缘液体的故障。从而，指示出绝缘液体的相对湿度高于期望， 并且存在电气设备的功能降低的风险。当指示出绝缘液体的故障时，需要将其干燥或更 换为具有足够低的相对湿度的新的绝缘液体。根据本发明的一个实施方式，该方法还包括
持续地测量和存储容器的绝缘液体的温度，基于在所述时间段内的所述存储的温度测量，计算容器中的温度的平均值，以 及产生依赖于温度的平均值的、在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿 度之间的关系，以及基于产生的关系确定绝缘液体的相对湿度。通过产生气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间的关系，容器中的温度的 平均值用于选择或者计算该关系。从而，可以确定绝缘液体的相对湿度的更精确的值。根据本发明的一个实施方式，该方法还包括基于在超过一天(优选2-3天)的一 段时间内存储的湿度测量，确定相对湿度的平均值。因为绝缘液体的相对湿度中的变化 与气体的相对湿度中的变化相比缓慢地发生，在超过一天的时间段内计算的相对湿度的 平均值捕捉了气体的相对湿度中的变化。因此，可以确定更精确的绝缘液体的相对湿度 的值。本发明的另一目的是指示绝缘液体填充的电气设备的故障。该目的通过一种方 法完成，该方法包括指示绝缘液体的故障和指示连通单元的故障。通过使用这两种故障 的组合，指示了电气设备的当前和未来状态两者的可靠诊断。这得到了电气设备的安全工作。根据本发明的一个实施方式，该方法还包括检测何时绝缘液体中的温度在第一温度和第二温度之间下降且第一温度和第二 温度之间的差值大于特定值，计算容器中的气体的相对湿度在第一温度和第二温度下的差值，以及基于所述计算的相对湿度差值指示连通单元的故障。在温度下降时，绝缘液体被冷却，从而绝缘液体的密度增加，并且绝缘液体的 体积减小。为了维持容器中的压力与外部环境的压力相同，允许来自外部环境的气体通 过连通单元进入容器中。在检测到的温度下降时，允许通过连通单元进入容器中的气体 的相对湿度要通过连通单元的脱水功能进行降低。因此，起作用的连通单元应当降低通 过连通单元的气体的相对湿度。如果连通单元对通过连通单元的气体的相对湿度没有降 低或者降低很少，则连通单元有故障。基于在第一温度和第二温度下计算的相对湿度的差值，指示连通单元的故障。 优选地，该方法还包括当在第一温度和第二温度下计算的相对湿度差值小于特定值时， 指示连通单元的故障。在连通单元故障时，连通单元降低通过连通单元的气体的相对湿 度的能力低于预期。从而有可能的是，容器的绝缘液体的相对湿度将增加到高于使电气 设备的功能处于危险中的水平。该实施方式使得能够指示连通单元的故障，从而可以确 保电气设备的安全工作。本发明的另一个目的是提供用于确定绝缘液体填充的电气设备的相对湿度的装置。该目的通过如权利要求8所限定的装置而实现。该装置包括第二传感器，配置为持续地测量容器中的气体的相对湿度；计 算单元，配置为接收和存储来自第二传感器的测量值，并且基于在一定时间段内的所述存储的湿度测量，计算气体的相对湿度的平均值，基于气体的相对湿度的所述平均值和 在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间的关系，确定绝缘液体的相对湿度。计算单元是具有存储和处理测量数据的功能的装置。基于经过处理的数据和在 平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间的关系，可以指示绝缘液体填充的 设备的故障。根据本发明的方法和装置有利地用于检测抽头变换器的故障。抽头变换器是具有沿着变压器绕组的连接点的电气设备。从而，可以按照使得 能够对次级侧的电压进行调节的目的，控制变压器绕组上的匝数。抽头变换器是为了隔 离和冷却的目的而浸没在绝缘液体中的电气设备。
现在通过对本发明的不同实施方式的描述并参考附图，来更进一步地解释本发 明。图Ia示出包括根据本发明的实施方式的装置的绝缘液体填充的设备的一个示 例。图Ib示出连接到膨胀箱的绝缘液体填充的设备的一个示例。图2示出在某一温度、在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间 的关系。图3示出根据本发明的实施方式的方法的流程图。
具体实施例方式图Ia示出绝缘液体填充的设备20的一个示例，该绝缘液体填充的设备包括根据 本发明的实施方式的用于检测设备的故障的装置。绝缘液体填充的设备20包括容器1， 其容纳有绝缘液体2和气体3。绝缘液体2具有适当的介电性质和冷却性质。绝缘液体 2具有构成绝缘液体2和气体3之间的界面的表面。绝缘液体填充的设备20还包括电气 单元8，诸如抽头变换器，其封闭在容器1内，并且完全浸没在绝缘液体2中。电气单 元8执行产生热的操作，并且在那里绝缘液体2可以被分解成气体。绝缘液体填充的设 备20具有连通单元4，比如脱水通气装置，其定位在容器1的边缘上。连通单元4提供 容器的气体3和包围绝缘液体填充的电气设备20的气体之间的连通。因此，可以释放绝 缘液体填充的设备20内产生的气体，并且将气体3的压力维持在与包围绝缘液体填充的 设备20的气体相同的压力下。此外，连通单元4具有对通过连通单元4的气体提供脱水 的功能。从而，确保容器1内的气体3的相对湿度足够低，使得类似地，容器1内的绝 缘液体2的相对湿度将保持在低的水平。图Ia还示出用于检测本发明的实施方式的设备20的故障的装置的示例。图Ia 中的装置具有提供检测绝缘液体填充的设备20的故障的功能。该装置能够检测两种单独 的故障，首先是绝缘液体2的故障，其次是连通单元4的故障。在绝缘液体2的相对湿 度超过特定值的情况下指示绝缘液体2的故障，在此情况下绝缘液体2的隔离和冷却性质 被降低从而绝缘液体填充的设备20的功能处于危险中。在对通过连通单元4的气体的脱水功能被降低时指示连通单元4的故障，在此情况下存在绝缘液体2的相对湿度将会增加 的风险。图Ia中所示的用于检测设备的故障的装置包括温度传感器5和相对湿度传感器 6。温度传感器5构造为持续地检测容器1内的绝缘液体的温度。在示出的实施方式中， 温度传感器5定位在容器1内的液体2中。温度传感器5可以例如是热敏电阻器，热电 偶，或者任何其他使得能够连续测量温度的传感器。相对湿度传感器6配置为持续地测 量容器1中的气体3的相对湿度。相对湿度传感器6与绝缘液体2的表面相距一定距离 定位在容器1内的气体3中。在优选的示例中，湿度传感器6接近连通单元4定位。相 对湿度传感器6可以例如是电容聚合物传感器，或者任何其他使得能够连续测量不同气 体中的相对湿度的传感器。图Ib示出绝缘液体填充的设备20，其中容器1包括包含有电气单元8的主容器 和包含绝缘液体2和气体3之间的相交的膨胀箱。因此，可以确保电气单元8总是浸没 在绝缘液体2中。在该示出的示例中，在容器内的几个位置处测量温度，比如在主容器 和膨胀箱内。从而，可以确定对于整个容器具有代表性的绝缘液体内的温度变化。用于检测设备的故障的装置还包括计算单元10，其放置在绝缘液体填充的设备 20之外。该计算单元包括处理器，诸如中央处理单元(CPU)，以及存储介质，比如随机 存取存储器(RAM)或者其他类型的存储介质。计算单元10配置为接收和存储来自温度 传感器5和相对湿度传感器6的测量值。计算单元10还配置为执行几个任务，其中处理存储的测量值。经过处理的测量 值由计算单元10用于执行检测和指示绝缘液体填充的设备20的故障的任务。计算单元10的主要任务是执行如根据本发明的权利要求中限定的方法。图3是 根据本发明的实施方式的方法和计算机程序产品的流程图示例说明。将理解，流程图的 每个块可以用计算机程序指令实施。在方法的第一步骤，接收和存储来自温度传感器5 和相对湿度传感器6的温度和相对湿度(RH)的测量值，块30。如果测量是在少于一定 时间段内进行的，在方法中前进之前需要接收和存储更多的测量值，块32。将会在一定 的时间窗口内存储测量值，使得比特定值更久的测量值将会从方法中排除。时间段的持 续长度优选足够长以捕捉绝缘液体填充的电气设备20的工作中温度和相对湿度的变化， 该持续时间比如2到3天。在如图3所示的方法的余下部分中，基于存储的测量值计算气体3的相对湿度和 容器1内的温度的平均值，块34。关于平均值的示例是算术平均值，中值，或者其它类 型的平均值。气体的相对湿度的平均值将代表容器1的假定的平衡态。平均温度用于 选择在平衡态时气体的相对湿度和绝缘液体2的相对湿度之间的关系，进一步称为该关 系。该关系从多种存储的关系中选择，块36。取而代之，该关系可以基于平均温度而计 算。因此，可以确定绝缘液体的相对湿度的更精确的值。图2示出在某一温度下在平衡态时气体3的相对湿度和绝缘液体2的相对湿度之 间的关系。在χ轴上，示出气体3的相对湿度。在y轴上示出绝缘液体2的相对湿度。 该关系取决于温度。该关系显示了水从气体3向液体2的扩散以及反之之间的平衡态。 因为绝缘液体2的相对湿度中的变化与气体3的相对湿度中的变化的速率相比缓慢地发 生，所以气体3的相对湿度的平均值将代表容器1的假定的平衡态。因此，图2中所示的关系可以与气体3的相对湿度的计算平均值一起使用，以便确定绝缘液体2中的相对湿度。例如，使用图2中所示的关系并且假定气体3的相对湿度的平均值已经被计算为 0.5。从该关系可以确定，绝缘液体2中的相对湿度处于相同的相对湿度值，即0.5。在图3中示出的方法的下一部分，基于气体3中的相对湿度的平均值和选择的关 系，确定绝缘液体的相对湿度(RH)，块38。如果确定的绝缘液体的相对湿度大于特定 值，则指示绝缘液体2的故障，块42。从而，例如产生警报或者停止绝缘液体填充的电 气设备20，并且可以用包含低相对湿度的绝缘液体替换绝缘液体2。在绝缘液体的相对 湿度没有超过特定值的情况下，通过如图3所示的方法测试连通单元4降低通过连通单元 4的气体的相对湿度的能力。该测试可以在有超过特定值的温度下降的情况下执行，块 44。在没有检测到这种温度下降的情况下，方法结束，块52。在检测到的温度下降大于 特定值的情况下，使来自外部环境中的气体进入到容器1中。计算在该温度下降下容器 中的气体3的相对湿度上的差值，块46。如果计算的相对湿度的差值超过特定值，指示 连通单元4的故障，块50。否则，重新开始该方法，块52。从而，液体填充的电气设 备20可以在其工作中被监测。本发明不限于公开的实施方式，而是可以在下列权利要求书的范围内变化和修 改。例如，本发明可以专门地具有指示绝缘液体2的故障的能力。相对湿度不需要超过 特定水平而被指示；或者，可以单独地呈现确定的绝缘液体2的相对湿度。
权利要求
1.一种确定绝缘液体填充的电气设备的相对湿度的方法，所述设备包括容器，容纳 绝缘液体和气体；连通单元，提供容器的气体和外部环境的气体之间的连通，并且提供 通过连通单元的气体的脱水，其中该方法包括持续地测量和存储容器中的所述气体的相对湿度，基于在一定时间段内的所述存储的湿度测量，计算所述气体的相对湿度的平均值，以及基于所述气体的相对湿度的所述平均值和在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的 相对湿度之间的关系，确定绝缘液体的相对湿度。
2.根据权利要求1的方法，其中该方法还包括如果绝缘液体的所述确定的相对湿度超 过特定值，则指示绝缘液体的故障。
3.根据权利要求1和2的方法，其中该方法还包括持续地测量和存储容器的绝缘液体的温度，基于在所述时间段内的所述存储的温度测量，计算容器中的温度的平均值，产生依赖于温度的平均值的、在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之 间的关系，以及基于产生的关系确定绝缘液体的相对湿度。
4.根据任一前述权利要求的方法，其中相对湿度的平均值基于在超过一天的一段时 间内存储的湿度测量。
5.根据任一前述权利要求的方法，其中该方法还包括检测何时绝缘液体中的温度在第一温度和第二温度之间下降且所述第一温度和所述 第二温度之间的差值大于特定值，计算容器中的气体的相对湿度在所述第一温度和所述第二温度下的差值，以及基于所述计算的相对湿度差值指示连通单元的故障。
6.根据任一前述权利要求的方法，其中当所述计算的相对湿度差值小于特定值时， 指示连通单元的故障。
7.一种根据任一前述权利要求1-6的方法的用途，用于检测抽头变换器的故障。
8.—种确定绝缘液体填充的电气设备(20)的相对湿度的装置，所述电气设备包括 容器(1)，容纳绝缘液体(2)和气体(3)；连通单元(4)，提供容器的气体(3)和外部环 境的气体之间的连通，并且提供通过连通单元(4)的气体的脱水，其中该装置特征在于 该装置包括第二传感器(6)，配置为持续地测量气体(3)的相对湿度，计算单元(10)，配置为从第二传感器(6)接收和存储测量值，并且基于在一定时间 段内的所述存储的湿度测量，计算气体(3)中的相对湿度的平均值，基于气体(3)的相对 湿度的所述平均值和在平衡态下气体(3)的相对湿度和绝缘液体(2)的相对湿度之间的关 系，确定绝缘液体(2)的相对湿度。
9.根据权利要求8的装置，其特征在于，所述计算单元(10)配置为如果所述绝缘液 体⑵的所述确定的相对湿度超过特定值，则指示所述绝缘液体⑵的故障。
10.根据权利要求8和9的装置，其中该装置特征在于第一传感器(5)，配置为持续地测量容器的绝缘液体的温度，所述计算单元(10)配置为接收和存储来自第一传感器(5)和第二传感器(6)的测量 值，并且基于在一定时间段内的所述存储的温度测量，计算容器中的温度的平均值，以 及产生依赖于温度的平均值的、在平衡态下气体的相对湿度和绝缘液体的相对湿度之间 的关系，以及基于所述气体(3)中的相对湿度的所述平均值和产生的在平衡态下气体(3) 的相对湿度和绝缘液体(2)的相对湿度之间的关系，来确定绝缘液体(2)的相对湿度。
11.根据权利要求8-10的装置，其特征在于所述计算单元(10)配置为接收和存储来自第一传感器(5)和第二传感器(6)的测量 值，并且检测何时绝缘液体(2)中的温度在第一温度和第二温度之间下降且第一温度和 第二温度之间的差值大于特定值，计算容器中的气体(3)的相对湿度在第一温度和第二 温度下的差值，以及基于所述计算的相对湿度差值，指示连通单元(4)的故障。
12.根据权利要求8-11的装置，其特征在于，所述绝缘液体填充的电气设备(20)是 抽头变换器。
全文摘要
一种用于确定绝缘液体填充的电气设备(20)的相对湿度的方法，所述设备包括容器(1)，容纳绝缘液体(2)和气体(3)；连通单元(4)，提供容器的气体(3)和外部环境的气体之间的连通，并且提供通过连通单元(4)的气体的脱水，其中该方法包括持续地测量和存储容器(1)中的气体(3)的相对湿度，基于在一定时间段内的所述存储的湿度测量，计算气体(3)的相对湿度的平均值，以及基于气体(3)的相对湿度的所述平均值和在平衡态下气体(3)的相对湿度和绝缘液体(2)的相对湿度之间的关系，确定绝缘液体(2)的相对湿度。
文档编号H01F27/40GK102017030SQ200980114943
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年4月28日
发明者B-O·斯特尼斯塔姆, G·安德森 申请人:Abb技术有限公司