基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法技术

本发明专利技术涉及变压器纸绝缘聚合度评估技术领域，公开了一种基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，具体包括：对油纸绝缘样本进行不均匀热老化试验；绝缘纸聚合度和含水量数据分析；基于老化过程中的含水量波动，划分老化周期；引入时温平移因子，考虑不均匀热场的影响；以及建立消除温度影响后的反应速率与含水量的关系，获得考虑不均匀热场和水分分布的改进二阶老化动力学模型。本发明专利技术提出的基于改进二阶动力学模型的不均匀热场下变压器纸绝缘聚合度评估方法，与传统二阶老化动力学模型和纤维素聚合度累积损失动力学模型等聚合度评估方法相比，其可靠性和准确性更高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法


[0001]本专利技术涉及变压器纸绝缘聚合度评估
，特别是一种基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法。

技术介绍

[0002]变压器的内绝缘主要是绝缘纸和矿物绝缘油组成的混合绝缘系统。在老化过程中，它会在水分、温度等的作用下发生劣化。由于绝缘纸难以更换，故其成为了决定变压器服役寿命的决定性因素。绝缘纸的主要成分是纤维素，它是一种葡萄糖单体的聚合物。聚合度是表征绝缘纸老化状态的固有参数。以往的研究表明，绝缘纸材料的聚合度评估方法包括电气特征参量法、化学特征参量法、老化动力学模型等方法。根据之前的研究，老化对测得的电气特征参量(频域介电谱等)的影响很容易受绝缘纸含水量的干扰。此外，温度、老化等因素对用于评估绝缘纸聚合度的化学特征参量(如呋喃类化合物、有机酸、CO及CO2气体、醇类物质等)的影响还有待进一步研究。
[0003]针对此问题，老化动力学模型能够描述绝缘纸聚合度的变化规律，具有准确预测不同条件下绝缘纸聚合度的潜力。其中，二阶动力学模型被用于建立纤维素降解速率与老化时间之间的关系。上述老化动力学模型为评估聚合度提供了可靠的理论依据，并在实验室条件下对均匀老化的绝缘纸进行了较好的测试。然而，实际变压器中温度的不均匀分布对绝缘纸的不均匀热老化效应限制了这些老化动力学模型的可行性。具体来说，受负载条件、环境温度、绕组几何尺寸等因素的影响，运行变压器的温度分布是不均匀的。此外，温度和湿度之间存在依赖性，导致绝缘纸内部的实际水分也存在不均匀分布。在水分和温度不均匀分布的协同作用下，绝缘纸在不同位置的老化速率是不同的。绕组热点附近的绝缘纸的老化状况最严重，被认为是绝缘系统的“薄弱环节”。同时，传统的老化动力学模型难以推广到不均匀热场下，处理后的绝缘纸聚合度结果可能与绝缘纸的实际老化状态有较大偏差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是提供一种基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，该考虑了不均匀热场温度和水分分布对绝缘纸老化的影响，能够准确预测绝缘纸在不均匀热场作用下的实际聚合度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，具体包括如下步骤：
[0006]S1，将油纸绝缘样本进行不均匀热场老化试验，将绕组高度与绕组温度的关系进行拟合；
[0007]S2，选取若干取样时间点对处于不均匀热场下的油纸绝缘样本进行取样，获取油纸绝缘样本在老化过程中各老化区域的含水量和聚合度，基于不均匀热场和含水量分布建立改进二阶老化动力学模型，并获取含水量与绕组高度h的函数关系；
[0008]S3，将整个老化过程划分成几个老化周期，根据每个老化周期包含的取样时间点与聚合度进行拟合，得到各老化周期内的改进二阶老化动力学模型；
[0009]S4，引入时温平移因子，将不同绕组高度对应的油纸绝缘样本的反应速率等效到参考温度下，对归算至参考温度下的反应速率与油纸绝缘样本的含水量之间的函数关系进行拟合；
[0010]S5，基于时温叠加原理，将不同老化区域的反应速率归算到同一参考温度下，建立归算后的反应速率与含水量的关系，得到基于不均匀热场和含水量分布的改进二阶老化动力学模型。
[0011]优选地，上述技术方案中，步骤S1中在不均匀热老化装置中进行不均匀热场老化试验，不均匀热老化装置由实验罐和冷却罐组成，实验罐内安装了若干加热管和温度传感器，实验罐的底部与冷却罐相连。
[0012]优选地，上述技术方案中，步骤S1中绕组高度与绕组温度之间的拟合函数关系可以表示为：
[0013][0014]式中，T为绕组温度，h为绕组高度。
[0015]优选地，上述技术方案中，步骤S2中油纸绝缘样本的含水量采用IEC 60814的卡尔费休滴定法测定，油纸绝缘样本的聚合度采用IEC 60450标准的自动粘度法测定。
[0016]优选地，上述技术方案中，步骤S2中改进二阶老化动力学模型为：
[0017][0018]式中，DP
t
为变压器绝缘纸当前所处的时刻t的聚合度值；DP0为绝缘纸的初始聚合度；t为绝缘纸的老化时间，k
10
(mc,T)和k2(mc,T)分别考虑不均匀热场和含水量分布下二阶老化动力学模型的初始反应速率参数和运行环境参数，mc为含水量，T为绕组温度。
[0019]优选地，上述技术方案中，根据步骤S2测量的油纸绝缘样本不同老化区域处的含水量数据计算整张油纸绝缘样本各取样时间点的平均含水量：
[0020][0021]式中，mc
ave
‑
h
为不同老化区域处油纸绝缘样本的平均含水量；mc
i
为油纸绝缘样本老化区域H
i
的实测含水量；
[0022]采用mc
ave
‑
h
对不同绕组高度的含水量进行归一化处理，并计算归一化后的含水量值mc
*
，如下：
[0023]mc
*i
＝mc
i
/mc
ave
‑
h
[0024]式中，mc
*i
为油纸绝缘样本不同老化区域H
i
处归一化后的含水量值。
[0025]优选地，上述技术方案中，进一步拟合归一化后的含水量mc
*i
与绕组高度h的关系，可得同一高度归一化后的油纸绝缘样本含水量mc
*i
在不同取样时刻基本相同，因此可以用mc
*
代替mc
*i
，最后得到归一化后的油纸绝缘样本含水量mc
*
与绕组高度h的拟合函数关系：
[0026]mc
*
＝F(h)
[0027]优选地，上述技术方案中，步骤S3中根据每个老化周期包含的取样时间点与聚合
度进行拟合分别得到各老化周期内的反应速率k
10
'和k2'，最终得到各老化周期内纸绝缘样本的改进二阶老化动力学模型：
[0028][0029]式中，t
j
(j＝0
‑
3)为第j次取样对应的老化时间，其中，第一个老化周期P0为第一个取样点t0至第四个取样点t3之间的时间间隔；第二个老化周期P1为第二个取样点t1至第五个取样点t4之间的时间间隔，以此类推，每个老化周期包含四个取样点。
[0030]优选地，上述技术方案中，步骤S4中时温平移因子的计算公式为：
[0031][0032]式中，α
T
为时温平移因子，t
ref
和k
ref
为参考温度下的等效老化时间和反应速率，t和k
T
分别是给定温度下的等效老化时间和反应速率，Ea为活化能，绝缘纸热老化时的活化能为113kJ/mol；R为气体常数，其值为8.314J/(mol...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1，将油纸绝缘样本进行不均匀热场老化试验，将绕组高度与绕组温度的关系进行拟合；S2，选取若干取样时间点对处于不均匀热场下的油纸绝缘样本进行取样，获取油纸绝缘样本在老化过程中各老化区域的含水量和聚合度，基于不均匀热场和含水量分布建立改进二阶老化动力学模型，并获取含水量与绕组高度的函数关系；S3，将整个老化过程划分成几个老化周期，根据每个老化周期包含的取样时间点与聚合度进行拟合，得到各老化周期内的改进二阶老化动力学模型；S4，引入时温平移因子，将不同绕组高度对应的油纸绝缘样本的反应速率等效到参考温度下，对归算至参考温度下的反应速率与油纸绝缘样本的含水量之间的函数关系进行拟合；S5，基于时温叠加原理将不同老化区域的反应速率归算到同一参考温度下，建立归算后的反应速率与含水量的关系，得到基于不均匀热场和含水量分布的改进二阶老化动力学模型。2.根据权利要求1所述的基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，步骤S1中在不均匀热老化装置中进行不均匀热场老化试验，不均匀热老化装置由实验罐和冷却罐组成，实验罐内安装了若干加热管和温度传感器，实验罐的底部与冷却罐相连。3.根据权利要求1所述的基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，步骤S1中绕组高度与绕组温度之间的拟合函数关系可以表示为：式中，T为绕组温度，h为绕组高度。4.根据权利要求1所述的基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，步骤S2中油纸绝缘样本的含水量采用IEC 60814的卡尔费休滴定法测定，油纸绝缘样本的聚合度采用IEC 60450标准的自动粘度法测定。5.根据权利要求1所述的基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，步骤S2中改进二阶老化动力学模型为：式中，DP
t
为变压器绝缘纸当前所处的时刻t的聚合度值；DP0为绝缘纸的初始聚合度；t为绝缘纸的老化时间，k
10
(mc,T)和k2(mc,T)分别考虑不均匀热场温度和水分分布下二阶老化动力学模型的初始反应速率参数和运行环境参数，mc为含水量，T为绕组温度。6.根据权利要求4所述的基于改进二阶动力学模型的变压器纸绝缘聚合度评估方法，其特征在于，根据步骤S2测量的油纸绝缘样本不同老化区域处的含水量数据计算整张油纸绝缘样本的平均含水量：
式中，mc
ave
‑
h
为不同老化区域处油纸绝缘样本的平均含水量；mc
i
为油纸绝缘样本老化区域H
i
的实测含水量；采用mc
ave
‑
h
对不同绕组高度的含水量进行归一化处理，并计算归一化后的含水量值mc
*
，如下：mc
*i
＝mc
i
/mc
ave
‑
h
式中，mc
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒，蒋阔，刘捷丰，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：