一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法

1.本发明属于变压器绝缘技术领域，尤其涉及一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法。

背景技术：

2.换流变压器已经成为当代直流高压输电系统中不可或缺的电力设备，但其阀侧绝缘性能仍需进行改进。根据国际大电网组织提供的统计数据表明，换流变压器故障类型中65％的故障是由其内部连接件、阀侧绕组和出线套管的绝缘失效引起的，主要是由介质击穿等绝缘破坏所致。
3.换流变压器中的绝缘系统由绝缘纸板和矿物油组成，绝缘性能的优劣很大程度上由绝缘纸决定。绝缘纸的物理特性取决于不同因素：纤维素自身的强度和它们之间的粘合强度，木质素和半纤维素等作为填充和粘结物质可以与纤维素相互连接，从而形成很强的分子内或分子间氢键。在变压器运行期间，绝缘纸会逐渐裂解，失去其机械强度。而纤维素的降解主要取决于含水量和酸度，并受温度和氧气浓度等因素的长期作用，这在一定程度上影响了变压器的故障发生概率和使用寿命。研究表明，即使绝缘纸失去部分机械性能，其介电性能也不会受到影响，但却容易引发绝缘纸局部脱落堵塞油道的现象,甚至导致更严重的电气事故。
4.因此，有必要定期对绝缘纸机械性能进行可靠性分析。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，以解决绝缘纸机械性能的失效问题。
6.一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法,包括以下步骤：
7.s10：制备不同热老化状态的纳米tio2改性绝缘纸板；
8.s20：测量不同热老化期间的改性纸板的粘度特性；
9.s30：建立基于聚合度的绝缘纸板退化可靠性评估模型；
10.s40：对不同老化状态的绝缘纸板进行可靠性分析。
11.步骤s10具体为：
12.s101：选取粒径为10nm的tio2，制备含量为5wt％的纳米改性纸板；
13.s102：将制备的纳米tio2改性纸板和25#变压器油置于真空干燥箱干燥48h；
14.s103：将干燥后的纸板样品放入提纯过滤后的25#变压器油中，使绝缘纸在40℃下真空浸油24h；
15.s104：将浸油后的样品放入老化罐中，用氮气封存后将老化罐放入老化箱中，进行5、10、15和20天的加速热老化试验。
16.进一步的，所使用的纳米tio2粒子经过硅烷偶联剂kh550预处理。
17.进一步的，所使用的油与纸质量比为12：1。
18.进一步的，所述老化温度为130℃。
19.进一步的，所使用的变压器油为25#变压器油。
20.进一步的，步骤s30具体为：
21.s301：根据不同热老化期间的改性纸板/变压器油的粘度特性，分析粘度特性与纳改性纸板聚合度的关系，理论表达式为
22.ln d
p
＝b'ln[η]+a'
[0023]
式中，d
p
表示改性纸板聚合度；η表示特性粘度；a'和b'为常数。
[0024]
s302：确定绝缘纸板退化模型，改性纸板聚合度随老化时间的变化如下式所示
[0025][0026]
式中，d
p
(t)和d
p
(t0)分别是纸板在t时刻和初始时刻t0的聚合度；k(t)为纸板在t时刻的分解速率；k(t)＝aexp(-e/rt(t))；t(t)是化学反应过程中t时刻的反应温度(单位k)。
[0027]
s303：根据热分析实验确定退化模型参数频率因子a和活化能e；频率因子和活化能可由下式得到
[0028][0029]
式中，β为热分析实验升温速率；l为反应级数1；r为气体常数；α为热失重反应程度。
[0030]
进一步的，实验在氩气氛围下进行。
[0031]
进一步的，步骤s40具体为：
[0032]
s401：确定纸板聚合度失效概率，即为纸板聚合度低于250的概率；
[0033]
s402：建立两个概率分布，分别如下式所示
[0034][0035][0036]
式中，p(x)为高于聚合度x的概率；pf(t)为任意t时刻的失效率；p
dp
(x,t)dx为聚合度在t时刻处于x和x+dx之间的概率。
[0037]
s403：确定基于聚合度的改性纸板可靠度，如下式所示
[0038]rdp
(t)＝1-pf(t)
[0039]
s404：根据不同老化时间的纸板聚合度测量结果，定义改性纸板的剩余寿命为
[0040][0041]
式中，t1是改性纸板的老化时间；t2是改性纸板从老化开始到聚合度低于250的时间。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
本发明制备了纳米tio2改性纸板，并对改性纸板进行了热老化处理，同时测量了纸板不同热老化时间的粘度特性，分析了粘度特性与聚合度之间的关系，确定了基于聚合度的绝缘纸板退化模型，并对不同老化时间的改性纸板进行了可靠性分析，验证了模型的
准确性。综上，本发明可有效评估改性纸板热老化状况及其剩余寿命预测。
附图说明
[0044]
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0045]
图1为本发明一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法的流程图。
[0046]
图2为本发明实例中测量不同热老化期间的改性纸板的粘度特性的流程图。
[0047]
图3为不同老化周期的改性纸板聚合度与未改性纸板的对比图。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实例只用于解释本发明，并非用于本发明的范围。
[0049]
参照附图1和附图2，本发明提供一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法,包括以下步骤：
[0050]
s10：制备不同热老化状态的纳米tio2改性绝缘纸板；
[0051]
s20：测量不同热老化期间的改性纸板的粘度特性；
[0052]
s30：建立基于聚合度的绝缘纸板退化可靠性评估模型；
[0053]
s40：对不同老化状态的绝缘纸板进行可靠性分析。
[0054]
步骤s10具体为：
[0055]
s101：选取粒径为10nm的tio2，制备含量为5wt％的纳米改性纸板；
[0056]
s102：将制备的纳米tio2改性纸板和25#变压器油置于真空干燥箱干燥48h；
[0057]
s103：将干燥后的纸板样品放入提纯过滤后的25#变压器油中，使绝缘纸在40℃下真空浸油24h；
[0058]
s104：将浸油后的样品放入老化罐中，用氮气封存后将老化罐放入老化箱中，进行5、10、15和20天的加速热老化试验。
[0059]
所使用的纳米tio2粒子经过硅烷偶联剂kh550预处理。
[0060]
所使用的油与纸质量比为12：1。
[0061]
所述老化温度为130℃。
[0062]
所使用的变压器油为25#变压器油。
[0063]
具体的实验过程：根据经验将干燥的纤维素原浆固体切割成22.732g的小块纸片，以确保最终成型纸的厚度为1mm。首先将称取的纤维素纸片与适量的水混合后倒入搅拌器中，在2500r/min的转速下，打浆与解离5min，原浆中的纤维素在离心力的作用下被细化分解，从而符合纤维素纸板成型的要求。
[0064]
根据试验设计要求，在制备纳米改性绝缘纸板时，称取1.196g经硅烷偶联剂kh550预处理的纳米tio2粒子，溶解在适量的去离子水中，以制备纳米tio2悬浊液，纳米粒子粒径10nm。将纳米tio2悬浊液添加到纤维素浆料中，以500r/min的转速搅拌10min。通过纸页成型器的滤过系统，过滤纤维素和纳米粒子混合溶液中的大部分水分，形成纤维素湿原浆。最后将湿原浆放入增压除湿系统中进行除湿并压制成型，设定温度为105℃，压强50pa，压制
时间30min。
[0065]
将压制成型的纤维素纸板样品置于真空干燥箱中干燥48小时，以去除水分，干燥温度为90℃；按油与纸质量比为12：1的标准，将干燥后的纸板样品放入提纯过滤后的25#变压器油中，使绝缘纸在40℃下真空浸油24小时。将浸油后的样品放入老化罐中，用氮气封存后将老化罐放入老化箱中。25#变压器油的闪点温度为140℃，因此设定在130℃下进行5、10、15和20天的加速热老化试验。
[0066]
步骤s20测量不同热老化周期的改性纸板粘度特性的示意图如附图2所示。
[0067]
步骤s30具体为：
[0068]
s301：根据不同热老化期间的改性纸板/变压器油的粘度特性，分析粘度特性与纳米改性纸板聚合度的关系，理论表达式为
[0069]
ln d
p
＝b'ln[η]+a'
[0070]
式中，d
p
表示改性纸板聚合度；η表示特性粘度；a'和b'为常数。
[0071]
s302：确定绝缘纸板退化模型，改性纸板聚合度随老化时间的变化如下式所示
[0072][0073]
式中，d
p
(t)和d
p
(t0)分别是纸板在t时刻和初始时刻t0聚合度；k(t)为纸板在t时刻的分解速率；k(t)＝aexp(-e/rt(t))；t(t)是化学反应过程中t时刻的反应温度(单位k)。
[0074]
s303：根据热分析实验确定退化模型参数频率因子a和活化能e；频率因子和活化能可由下式得到
[0075][0076]
式中，β为热分析实验升温速率；l为反应级数1；r为气体常数；α为热失重反应程度。
[0077]
实验在氩气氛围下进行；
[0078]
具体的实验过程；将纸板切割成质量10mg大小，设定热重分析初始温度为30℃，气体体积流量100ml/min，对不同老化周期的纸板进行升温速率20℃/min的热失重试验，根据反应过程中的纸板质量损失确定热反应程度α。
[0079]
步骤s40具体为：
[0080]
s401：确定纸板聚合度失效概率，即为纸板聚合度低于250的概率；
[0081]
s402：建立两个概率分布，分别如下式所示
[0082][0083][0084]
式中，p(x)为高于聚合度x的概率；pf(t)为任意t时刻的失效率；p
dp
(x,t)dx为聚合度在t时刻处于x和x+dx之间的概率。
[0085]
s403：确定基于聚合度的改性纸板可靠度，如下式所示
[0086]rdp
(t)＝1-pf(t)
[0087]
s404：根据不同老化时间的纸板聚合度测量结果，定义改性纸板的剩余寿命为
[0088][0089]
式中，t1是改性纸板的老化时间；t2是改性纸板从老化开始到聚合度低于250的时间。
[0090]
不同老化周期的改性纸板聚合度与未改性纸板的对比图如说明书附图3所示；
[0091]
其表示为：未改性纸板老化刚开始时的聚合度(dp)值为1190，随着老化天数的增加，dp值逐渐变小，且在老化初期，聚合度的下降趋势很明显。改性纸板的dp初始值略小于未改性纸板，为1069，但随着老化程度的加深，改性纸板的dp值下降趋势逐渐减小，说明在热老化过程中，纳米粒子的添加有益于提升纸板聚合度性能，更能满足换流变压器阀侧的运行环境要求。
[0092]
利用聚合度退化模型分析得到的可靠度数据为：
[0093]
其表示为：可靠度与纸板的剩余寿命值变化规律一致，即随着剩余寿命降低，可靠度也随之降低。
[0094]
综上，实例的结果说明本发明提出的方法具有较好的实用性，通过测量不同老化周期的粘度特性，得出聚合度与粘度特性的关系，建立的聚合度退化模型和纸板可靠度评估可用于分析换流变压器油纸绝缘老化状态。
[0095]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：s10：制备不同热老化状态的纳米tio2改性绝缘纸板；s20：测量不同热老化期间的改性纸板的粘度特性；s30：建立基于聚合度的绝缘纸板退化可靠性评估模型；s40：对不同老化状态的绝缘纸板进行可靠性分析。2.根据权利要求1中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，s10具体包括：s101：选取粒径为10nm的tio2，制备含量为5wt％的纳米改性纸板；s102：将制备的纳米tio2改性纸板和变压器油置于真空干燥箱干燥48h；s103：将干燥后的纸板样品放入提纯过滤后的变压器油中，使绝缘纸在40℃下真空浸油24h；s104：将浸油后的样品放入老化罐中，用氮气封存后将老化罐放入老化箱中，进行5、10、15和20天的加速热老化试验。3.根据权利要求2中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所使用的纳米tio2粒子经过硅烷偶联剂kh550预处理。4.根据权利要求2中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，油与纸质量比为12：1。5.根据权利要求2中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，老化温度为130℃。6.根据权利要求2中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所用变压器油为25#变压器油。7.根据权利要求1中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤s30具体包括：s301：根据不同热老化期间的改性纸板/变压器油的粘度特性，分析粘度特性与纳米改性纸板聚合度的关系，理论表达式为lnd
p
＝b'ln[η]+a'式中，d
p
表示改性纸板聚合度，η表示特性粘度，a'和b'为常数；s302：确定绝缘纸板退化模型，改性纸板聚合度随老化时间的变化如下式所示式中，d
p
(t)和d
p
(t0)分别是纸板在t时刻和初始时刻t0的聚合度；k(t)为纸板在t时刻的分解速率；k(t)＝aexp(-e/rt(t))；式中，t(t)是化学反应过程中t时刻的反应温度(单位k)s303：根据热分析实验确定退化模型参数频率因子a和活化能e；频率因子和活化能可由下式得到
式中，β为热分析实验升温速率；l为反应级数1；r为气体常数；α为热失重反应程度。8.根据权利要求7中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，实验在氩气氛围下进行。9.根据权利要求1中所述的一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤s40具体包括：s401：确定纸板聚合度失效概率，即为纸板聚合度低于250的概率；s402：建立两个概率分布，分别如下式所示s402：建立两个概率分布，分别如下式所示式中，p(x)为高于聚合度x的概率；p
f
(t)为任意t时刻的失效率；p
dp
(x,t)dx为聚合度在t时刻处于x和x+dx之间的概率；s403：确定基于聚合度的改性纸板可靠度，如下式所示r
dp
(t)＝1-p
f
(t)s404：根据不同老化时间的纸板聚合度测量结果，定义改性纸板的剩余寿命为式中，t1是改性纸板的老化时间；t2是改性纸板从老化开始到聚合度低于250的时间。

技术总结

本发明提供了一种基于聚合度的换流变压器油纸绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：S10：制备不同热老化状态的纳米TiO2改性绝缘纸板；S20：测量不同热老化期间的改性纸板的粘度特性；S30：建立基于聚合度的绝缘纸板退化可靠性评估模型；S40：对不同老化状态的绝缘纸板进行可靠性分析。结果表明可靠度与油纸的剩余寿命值变化规律一致，即随着剩余寿命降低，可靠度也随之降低。本发明可为换流变压器绝缘老化状态诊断提供参考。化状态诊断提供参考。化状态诊断提供参考。