一種油紙電容式套管介電響應特性測試的方法與流程
2023-06-11 04:16:21
本發明涉及電力設備技術領域，特別涉及一種油紙電容式套管介電響應特性測試的方法。
背景技術：
高壓套管作為電力變壓器、斷路器等電力設備的關鍵組成部分，其運行的可靠性對電網的安全穩定具有重要的意義。目前，世界上正在運行的套管80％以上是油紙電容式套管，而由套管故障導致電力變壓器停運或損壞的事故佔電力變壓器發生故障事件的25％～30％。
近幾年，介電響應技術因其抗幹擾能力強、無損等特點被廣泛地應用於油紙電容式套管油紙絕緣系統的狀態評估，取得的成果對保證套管安全運行意義重大。
一種典型的測試方法中，採用真型油紙電容式套管進行測試，真型套管即用於實際使用的套管。然而，真型油紙電容式套管價格比較昂貴，用其進行試驗研究成本比較高。
因此，如何降低套管進行介電響應測試的成本，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提供一種油紙電容式套管介電響應特性測試的方法，能夠降低套管進行介電響應測試的成本。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種油紙電容式套管介電響應特性測試的方法，包括：
建立與待測套管電容相等的套管模型；
對所述套管模型進行仿真測試，並判斷所述套管模型是否合格；
製作合格的所述套管模型；
根據所需測試的缺陷情況處理所述套管模型；
用處理好的所述套管模型進行介電響應特性測試。
優選地，所述套管模型包括沿徑向由內至外依次套設的絕緣層和對應套設在每個所述絕緣層的外側的極板，所有所述極板依次串聯，每個所述絕緣層均為圓環體，所有所述絕緣層厚度相等。
優選地，所述建立與待測套管電容相等的套管模型具體包括：
設定所述絕緣層的層數n，n為正整數且n≥2；
根據所述絕緣層的層數以及所述待測套管的電容確定每個所述絕緣層的電容ck；
設定最內層所述絕緣層的內側半徑r0；
根據如下公式確定每個所述絕緣層對應的所述極板的長度，
其中，設定最內層絕緣板為第一層絕緣層，且絕緣層層數沿徑向向外依次增加；lx為第x層極板長度；x＞1時，rx為第x層絕緣層的外側半徑，rx-1為第x-1層絕緣層的外側半徑；x＝1時，r1為第一層絕緣層的外側半徑，r0為第一層絕緣層的內側半徑；ε0為真空介電常數，εr為極板間介質的相對介電常數。
優選地，所述設定所述絕緣層的層數n具體包括：
確定每個所述絕緣層的厚度dmin；
根據如下公式確定安全場強ek：
其中，εr為極板間介質的相對介電常數，k1為各極板形式的經驗係數；
根據所述安全場強ek設定所述絕緣層的層數n，保證所述套管模型中的各處場強均小於安全場強ek。
優選地，所述極板為鋁箔極板，所述厚度dmin的取值範圍為1.0mm至1.2mm，k1為10.6，每個所述絕緣層由相同層相同的電纜紙組成，每層所述電纜紙的厚度值範圍為0.08mm至0.15mm且εr為3.5。
優選地，所述對所述套管模型進行仿真測試，並判斷所述套管模型是否合格具體包括：
通過comsolmultiphysicsac/dc模塊建立所述套管模型對應的仿真模型；
獲取所述套管模型的電勢路徑沿徑向分布的徑向電勢走向線；
判斷所述徑向電勢走向線是否符合線性要求；
若是，則所述套管模型合格。
優選地，所述製作合格的所述套管模型具體包括：
選用半徑與最內層所述絕緣層的內側半徑r0相等的中心圓管；
在所述中心圓管的外側依次對應包繞所述絕緣層與所述極板。
優選地，所述用處理好的所述套管模型進行介電響應特性測試具體包括：
將所述套管模型放入呈裝有絕緣油的有機玻璃容器中；
將所述中心圓管連接測試加壓端，所述套管模型連接測試電流端；
進行測試。
優選地，所述缺陷情況為受潮時，所述根據所需測試的缺陷情況處理所述套管模型具體包括：
將所述套管模型與礦物油分別放在90℃下進行真空乾燥48小時；
在60℃、50pa下將所述套管模型浸入所述礦物油中浸油48小時；
在60℃、0.1pa下將所述套管模型充氮氣浸油24小時；
對所述套管模型進行乾燥；
將乾燥的所述管模型分別放在預設溼度的環境中進行吸潮處理。
優選地，所述缺陷情況為老化時，所述根據所需測試的缺陷情況處理所述套管模型具體包括：
將乾燥浸油後的所述套管模型與絕緣油混合，油紙比例為1:3，呈裝在密封的鋼製老化管中；
在130℃下對所述套管模型進行加速老化處理至所需的老化階段。
本發明提供的方法中，建立的套管模型與待測套管的電容值是相等的，在建模後，對套管模型進行仿真測試，可以判斷該套管模型與待測套管之間的等效性以及套管模型的正確性，如果套管模型不合格，需重新設計，如果套管模型合格，對測試合格的套管模型進行加工製作，根據缺陷情況對套管模型進行處理，例如，對套管模型進行老化處理或受潮處理，並用處理好的套管模型進行介電響應特性測試。其中，待測套管指的是油紙電容式套管。
此方法採用模型代替實際的油紙電容式套管進行測試，可以降低測試的成本，避免因使用真型套管帶來的經濟成本高的問題，避免了對真型套管的破壞，同時，可以保證測試結果的準確性。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明所提供方法實施例的流程圖；
圖2為圖1中步驟s1的具體流程圖；
圖3為本發明所提供套管模型的結構示意圖；
圖4為本發明所提供套管模型在仿真時獲得的電勢沿徑向分布圖；
圖5為本發明所提供套管模型在進行測試時的安裝圖；
圖6為本發明所提供套管模型在進行測試時的電路圖。
圖3、圖5、圖6中，1為套管模型，11為絕緣層，12為極板，2為中心圓管，3為有機玻璃容器。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的核心是提供一種油紙電容式套管介電響應特性測試的方法，能夠降低套管進行介電響應測試的成本。
請參考圖1和圖2，圖1為本發明所提供方法實施例的流程圖；圖2為圖1中步驟s1的具體流程圖。
本發明所提供用於油紙電容式套管介電響應特性測試的方法的一種具體實施例中，包括：
步驟s1：建立與待測套管電容相等的套管模型1。
步驟s2：對套管模型1進行仿真測試，並判斷套管模型1是否合格。
步驟s3：製作合格的套管模型1。
步驟s4：根據所需測試的缺陷情況處理套管模型1。
步驟s5：用處理好的套管模型1進行介電響應特性測試。
在此方法中，建立的套管模型1與待測套管的電容值是相等的，在建模後，對套管模型1進行仿真測試，可以判斷該套管模型1與待測套管之間的等效性以及套管模型1的正確性，如果套管模型1不合格，需重新設計，如果套管模型1合格，對測試合格的套管模型1進行加工製作，根據缺陷情況對套管模型1進行處理，例如，對套管模型1進行老化處理或受潮處理，並用處理好的套管模型1進行介電響應特性測試。其中，待測套管指的是油紙電容式套管。
此方法採用模型代替實際的油紙電容式套管進行測試，可以降低測試的成本，避免因使用真型套管帶來的經濟成本高的問題，同時，可以保證測試結果的準確性。
上述實施例中，套管模型1具體可以包括沿徑向由內向外依次套設的絕緣層11和對應套設在每個絕緣層11的外側的極板12，且所有極板12依次串聯，通過調節極板12的長度來實現串聯電容及電場的均勻分布，每個絕緣層11均為圓環體。即，套管模型1的結構類似於電容芯子的結構，在套管模型1中，沿著徑向由內向外依次為第一個絕緣層、第一個極板、第二個絕緣層、第二個極板，依此類推，不同電壓等級的套管模型1均按照「電容分壓」原理進行設計。所有絕緣層11的厚度可以設置為相等的。此種結構的套管模型1能夠更加準確地等效待測套管，且便於加工。
其中，由於絕緣層11具有一定的厚度，其內周壁所對應的半徑為內層半徑，外周壁所對應的半徑為外側半徑。
上述實施例中，建立與待測套管電容相等的套管模型1具體可以包括以下步驟：
步驟s11：設定絕緣層11的層數n，n為正整數且n≥2。
步驟s12：根據絕緣層11的層數以及所述待測套管的電容確定每個絕緣層11的電容ck。
步驟s13：設定最內層絕緣層的內側半徑r0。
步驟s14：根據如下公式確定每個絕緣層11對應的極板12的長度，
其中，設定最內層絕緣板為第一層絕緣層，且絕緣層層數沿徑向向外依次增加；lx為第x層極板長度；x＞1時，rx為第x層絕緣層的外側半徑，rx-1為第x-1層絕緣層的外側半徑；x＝1時，r1為第一層絕緣層的外側半徑，r0為第一層絕緣層的內側半徑；ε0為真空介電常數，εr為極板間介質的相對介電常數。
在油紙電容式套管中，油紙電容式套管絕緣分為內絕緣和外絕緣。內絕緣主要為電容芯子，其全部浸在優質的絕緣油。外絕緣主要為陶瓷外殼，起到電氣絕緣和機械支撐作用。
油紙電容式套管主要是通過電容分壓原理設計，電容式套管的絕緣結構取決於電容式套管內部電場的分布。油紙電容式套管單層絕緣可以看成是圓柱形電容器，忽略邊緣效應，絕緣層11中電場分布基本沿徑向等距離分布。由高斯定理得徑向電場強度er為：
其中，τ為電極單位長度上的電荷量，ε0為真空介電常數，εr為極板間介質的相對介電常數。由上式可得內外極板間的電壓為：
其中，r0、rn依次為內外電極半徑，u為內外極板間的電壓。
由上兩式可得徑向電場強度為：
由q＝cu以及上式可得電容c可以表示為：
油紙電容式套管通過各極板12形成串聯相等的電容來改善油紙絕緣中電場的分布。在「等電容」的原則下，任何一層的電容滿足如下公式：
其中，ck為任一層電容，l1，ln，lx依次為最內層、最外層極板長度及第x層極板長度，r0，rn，rx依次為最內層絕緣層內側半徑、最外層絕緣層外側半徑及第x層絕緣層外側半徑。
可見，在確定了絕緣層11的層數n、每個絕緣層11的電容ck、最內層絕緣層的內側半徑r0後，可以根據如下公式確定每個極板12的長度：
需要說明的是，如果選用的極板厚度極小，例如0.01mm，為便於計算，極板的厚度值均可以取0。
本實施例中的套管模型1對待測套管的等效性較高，其中，r0可以根據實際需要進行設計，可以在滿足測試要求的前提下設置為較小值，同時，套管模型1可以根據測試需要靈活設置絕緣層11的層數，通常可以小於其所等效的待測套管的層數，有利於降低成本，便於進行缺陷處理，能夠減少模擬套管油紙絕緣系統老化、受潮等需要時長，便於模擬套管油紙絕緣系統生產過程中存在的加工缺陷，為細緻研究不同類型缺陷油紙電容式套管的介電響應特性提供了參考。
上述實施例中，步驟s11具體可以包括以下步驟：
1、確定每個絕緣層11的厚度dmin。
2、根據如下公式確定安全場強ek：
其中，εr為極板間介質的相對介電常數，k1為各極板形式的經驗係數。
3、根據安全場強ek設定絕緣層11的層數n，保證套管模型1中的各處場強均小於安全場強ek。
極板邊緣的局部放電電壓值可按照下列經驗公式來計算：
其中，uk為起始電壓，k1為經驗係數，dmin為絕緣層11厚度。各極板形式的局部放電起始電壓經驗係數與極板12的材料以及介質有關，如表1。
表1：各極板形式的經驗係數
套管模型1的極板12優選採用鋁箔極板，當浸漬良好時，其起始局部放電場強按油中計算，即k1＝10.6。dmin的範圍可以為為1.0mm～1.2mm，例如1.0mm、1.1mm或1.2mm，其目的在於提高套管模型1的耐局部放電性能和選取較高的最大工作場強。每個絕緣層11由相同層相同的電纜紙組成，根據電氣絕緣結構設計原理，電纜紙厚度值的範圍可以為0.08mm～0.15mm，優選厚度為0.12mm，當然，也可以為0.08mm、0.15mm或其他值。浸透變壓器油後的電纜紙密度約為1.2g/cm3，εr≈3.5，εr可取值3.5，常溫下的工頻介質損耗tanδ≈0.3％。
為了防止套管模型1的局部放電持續發展，選擇工作場強必須有較大的裕度。油紙絕緣金屬極板在油中的局部放電起始場強ek為：
套管模型1的徑向工作場強約為2.5～3.5kv/mm，考慮到絕緣裕度要求一般為1.5～2，取裕度值為1.56，故徑向最大工作場強可以設為3.5kv/mm。
本實施例中，絕緣層11的層數以及每個絕緣層11的厚度是確定套管模型1中各處場強的重要因素。在每個絕緣層11的層數確定、總電壓確定時，通過極板12在介質中的局部放電起始場強作為安全場強限定套管模型1各處的場強，進而確定絕緣層11的層數，可以保證套管模型1在測試時的安全性。
上述各個實施例中，對套管模型1進行仿真測試，並判斷套管模型1是否合格具體可以包括以下步驟：
通過comsolmultiphysicsac/dc模塊建立套管模型1對應的仿真模型；
獲取套管模型1的電勢路徑沿徑向分布的徑向電勢走向線；
判斷徑向電勢走向線是否符合線性要求；
若是，則套管模型1合格。
本實施例中，通過對套管模型1的電勢路徑沿徑向分布的情況的驗證，判斷所建立的套管模型1與對應的待測套管的電勢路徑沿徑向分布情況是否一致，若一致，則套管模型1與對應的待測套管等效，從而可以準確判斷所建立的套管模型1是否符合等效性要求以及建立的套管模型1是否正確。
上述各個實施例中，製作合格的套管模型1具體可以包括：
選用半徑與最內層絕緣層的內側半徑r0相等的中心圓管2，中心圓管2優選為紫銅圓管；
在中心圓管2的外側依次對應包繞絕緣層11與極板12。
本實施例中，中心圓管2可以起到支撐作用，可以進一步降低套管模型1的製作難度。
上述各個實施例中，用處理好的套管模型1進行介電響應特性測試具體可以包括：
將套管模型1放入呈裝有絕緣油的有機玻璃容器3中；
將中心圓管2連接測試加壓端，套管模型1連接測試電流端；
進行測試。
本實施例中，通過更換有機玻璃容器3中的套管模型1的種類、改變測試條件，即可得到各種缺陷情況下的測試結果，測試操作較為方便。
上述各個實施例中，缺陷情況具體為受潮時，根據所需測試的缺陷情況處理套管模型1具體包括以下步驟：
將套管模型1與礦物油分別放在90℃下進行真空乾燥48小時；
在60℃、50pa下將套管模型1浸入礦物油中浸油48小時；
在60℃、0.1pa下將套管模型1充氮氣浸油24小時，以使套管模型1中的油紙間隙充分浸油；
對套管模型1進行乾燥；
將乾燥的套管模型1分別放在預設溼度的環境中進行吸潮處理。
本實施例中，對套管模型1進行乾燥後，可以先對套管模型1進行油紙取樣測含水量、具體可以採用卡爾費休水分測定儀進行初始紙中水分含量測試，在得到結果為0.7％左右時，將若干個乾燥的套管模型1分別放在預設溼度的環境中進行吸潮處理。例如，可以將多個乾燥的套管模型1分別放在室溫下空氣溼度為62％的環境中吸潮不同的時間，通過稱重法製備不同受潮水分含量的樣品來模擬不同受潮程度的套管絕緣狀態，本實施例的方法能夠較快捷地得到各種受潮狀態的套管模型1。
上述各個實施例中，缺陷情況具體為老化時，根據所需測試的缺陷情況處理套管模型1具體可以包括以下步驟：
將乾燥浸油後的套管模型1與絕緣油混合，油紙比例為1:3，呈裝在密封的鋼製老化管中；
在130℃下對套管模型1進行加速老化處理至所需的老化階段。
本實施例中，在130℃下對套管模型1進行加速老化處理至所需的老化階段可以通過處理時間的不同實現，例如，可以將多個套管模型1共同在130℃下分別進行加速熱老化0天、7天、18天、27天，老化完畢後測定不同老化階段絕緣層11的聚合度，獲得不同老化狀態的套管模型樣品，本實施例的方法能夠較快速地得到各種老化階段的套管模型1。
以一種10kv電壓等級的油紙電容式套管作為待測套管，對本申請的方法進行說明，但待測套管的選取不以此為限：
該待測套管對應的套管模型1中，ek取3.5，套管模型1的電壓等級為10kv，確定絕緣層11層數n＝3，每個絕緣層11的厚度均為1.2mm，選用電纜紙的厚度為0.12mm，選用厚0.01mm的鋁箔極板，絕緣油選用密度為0.8846g/cm3的25號克拉瑪依變壓器油。
實際製作的套管模型1的具體結構如圖3所示，中心圓管2為長度為15cm、半徑r0＝5mm的紫銅圓管；紫銅圓管外包繞0.12mm厚、密度約為1.2g/cm3、εr≈3.5的電纜紙，以及0.01mm的鋁箔極板。套管模型主絕緣採用三層結構，由內到外逐一是：10層電纜紙+1層鋁箔極板12，10層電纜紙+1層鋁箔，10層電纜紙+1層鋁箔。
根據下式確定每個極板12的長度，通過調節鋁箔極板的長度來實現串聯電容及電場的均勻分布：
其中，由於極板的厚度極小，在計算時可以忽略不計，套管模型1的設計尺寸請參見表2。
表2：套管模型的設計尺寸
為了驗證套管模型1電場的分布是否滿足套管結構的設計要求，將設計好的模型尺寸導入comsolmultiphysicsac/dc模塊進行有限元電場仿真。動態電場的求解問題採用ac/dc模塊的電流模式。將設計的10kv油紙電容式套管模型1各參數導入comsolmultiphysicsac/dc模塊建立仿真模型，可得出的套管整體電勢分布。
選取10kv油紙電容式套管模型1最內層絕緣層中間位置到最外層絕緣層中間位置為徑向路徑，獲得的電勢沿路徑分布如圖4所示。可以看到徑向電勢沿徑向方向基本線性降低，因此電場分布比較均勻，故套管模型1的設計滿足要求，即comsol軟體仿真驗證結果為該模型設計的合格。
然後，製作合格的套管模型1，再根據所需測試的缺陷情況處理套管模型1，具體可以為老化處理、受潮處理等，處理好後進行測試。
測試時，搭建測試平臺，如圖5所示，包括有機玻璃容器3、測試加壓端和測試電流端。有機玻璃容器3中承裝絕緣油，套管模型1套在中心圓管2上，中心圓管2與套管模型1放於有機玻璃容器3中，將中心圓管2連接測試加壓端，套管模型1連接測試電流端，測試電路圖如圖6所示。通過更換不同缺陷情況處理的套管模型樣品以及電壓、電流等測試條件，可以實現不同缺陷的套管模型1的介電響應特性測試。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
以上對本發明所提供的油紙電容式套管介電響應特性測試的方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。