应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法

技术领域

本发明属于电学器件领域，涉及一种水分含量的测定方法，具体涉及一种应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法。

背景技术

油浸式电力变压器是电力系统的关键设备之一。研究表明，绝大部分的变压器故障是由内绝缘问题引起的。油纸复合绝缘作为变压器内部的主绝缘系统，长期处于高温、潮湿、化学腐蚀和电磁场等恶劣环境下，其绝缘性能会显著降低，从而导致变压器的机械寿命和电气寿命严重缩短。油纸复合绝缘中的绝缘油可通过滤油、换油等措施恢复其绝缘性能，而绝缘纸不易更换、且老化是不可逆的，因此绝缘纸的老化程度直接决定了变压器的使用寿命。水解降解是绝缘纸老化的主要形式，绝缘纸中水分含量增加一倍，其机械寿命减半，热老化速度也将成倍加速；绝缘纸中水分含量多且受滤油、换油等措施的影响并不明显，其作为绝缘纸老化状态的检测指标具有更高的可靠性。

目前国际公认的判定绝缘纸达到寿命终点的参量是绝缘纸聚合度。绝缘纸聚合度是最能真实反映绝缘纸的老化程度。DL/T 596-2005《电力设备预防性试验规程》推荐聚合度低于250时，应引起注意。但是聚合度的测试需对变压器进行放油吊罩，不但实施难度大，还可能造成绝缘的损伤。对于已经投运的油浸式变压器，由于很难直接获得绝缘纸试样，在测试绝缘纸中水含量时，一般先采用卡尔费休法，即KFT(Karl Fischer Titration)法测试绝缘油中的水分含量，再根据油纸绝缘系统水分分布平衡曲线得到绝缘纸中的水分含量；目前使用的油纸绝缘水分分布平衡曲线主要是Oommen曲线。使用Oommen曲线需要水分在绝缘油和绝缘纸达到平衡状态，耗时长，且操作繁杂，因此使用该方法测试不够简便和准确。而且绝缘纸老化会产生甲酸、环烷酸等有机酸，有机酸会影响水分在绝缘油和绝缘纸之间的浓度分布，同时指出绝缘油中酸值可以用于表征油纸绝缘老化程度，因此对于运行年限较长的变压器，其绝缘纸的老化程度较深，采用Oommen曲线测定绝缘纸中水分含量会带来较大误差。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法，它依次包括以下步骤：

(a)取工作中油浸式电力变压器的绝缘油，实时测定绝缘油的温度T；

(b)取部分测定过温度的绝缘油置于卡尔费休滴定仪中，测量其中水分的含量W_oil；

(c)再取部分测定过温度的绝缘油置于自动酸值测试仪中，测量其酸值A_c；

(d)利用式(1)即可计算出绝缘纸中水分的质量百分含量W_paper，

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{0.0058\times T+0.3478}---\left(1\right).$>

优化地，所述温度T为10℃～100℃。

优化地，步骤(b)和步骤(c)中，所述绝缘油的取用量为1～10毫升。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法，它仅仅通过测定绝缘油的温度、水分含量以及酸值，然后利用式(1)即可计算得到绝缘纸中水分含量，不仅步骤大幅减少，而且操作简单、所花时间很少，测量精确。

说明书附图

图1为本发明所述的实验设备布置图；

其中，1为玻璃器皿，2为含水甘油溶液，3为开孔挡板，4为开口玻璃瓶，5为绝缘纸，6为绝缘油，7为恒温箱，8为温湿度传感器，9为温湿度记录仪，10为1#试样，11为2#试样，12为3#试样，13为4#试样。

具体实施方式

本发明应用绝缘油中酸值和水分含量测量绝缘纸中水分含量的方法，它依次包括以下步骤：(a)取工作中油浸式电力变压器的绝缘油，实时测定绝缘油的温度T；(b)取部分测定过温度的绝缘油置于卡尔费休滴定仪中，测量其中水分的含量W_oil；(c)再取部分测定过温度的绝缘油置于自动酸值测试仪中，测量其酸值A_c；(d)利用式(1)即可计算出绝缘纸中水分的质量百分含量W_paper，$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{0.0058\times T+0.3478}---\left(1\right).$>需要注意的是，所要测定的温度T最好为10℃～100℃；步骤(b)和步骤(c)中，绝缘油的取用量优选为1～10毫升，这样测定的数据比较准确。

上述测定方法涉及的原理如下：老化的绝缘油中水分饱和溶解度与绝缘油温度、绝缘油中酸值的关系满足Arrhenius方程，可以表述为：

$>W_s={10}^{A-\frac{B}{273.15+T}+m\times A_c}---\left(2\right);$>

式中，W_s是绝缘油中水分饱和溶解度，单位为ppm；T是绝缘油的温度，单位为℃；A和B是关联系数，与绝缘油的组成成分、化学性质等有关；m是与绝缘油中酸值相关的平移因子。

根据弗罗因德利希吸附等温式(Freundlich Isotherm Equation)，油纸绝缘体系中吸附在绝缘纸中的水分含量可以表述为：

W_paper＝cPⁿ(3)；

式中，W_paper是绝缘纸中水分的含量，用质量百分含量或质量百分比(％)表示；c是吸附平衡常数，一般随温度的升高而降低；n是表征材料吸附性能强弱的参数；P被吸附组分(水蒸汽)在气相中的平衡分压，单位为kPa。

又由于空气中的相对湿度(RH_air)是指相同温度下，空气中水蒸汽压(P)和饱和水蒸汽压(P_s)的百分比，如式4所示：

$>{\mathrm{RH}}_{\mathrm{air}}=\frac{P}{P_s}\times 100\%---\left(4\right);$>

绝缘油中的相对湿度(RH_oil)是指相同温度下，绝缘油中水分含量(W_oil)与水分饱和溶解度(W_s)的百分比，如式(5)所示：

$>{\mathrm{RH}}_{\mathrm{oil}}=\frac{W_{\mathrm{oil}}}{W_s}\times 100\%---\left(5\right);$>

在同一个环境体系中，不同物态中的相对湿度是相等的，因此空气中的相对湿度(RH_air)与绝缘油中的相对湿度(RH_oil)是相等的，即RH_air＝RH_oil，则式(4)和(5)联立得到式(6)：

$>P=P_s·\frac{W_{\mathrm{oil}}}{W_s}---\left(6\right).$>

其中，不同温度下的饱和水蒸汽压数值表如表1所示，利用该表中的数据可拟合得到不同温度下的饱和水蒸汽压公式，如式(7)所示：

$>P_s={10}^{7.8825-\frac{2191.8}{273.15+T}}---\left(7\right).$>

表1 不同温度下的饱和水蒸汽压数值表

为了得到参数A、B、c和n，本发明利用如图1所示的试验设备进行测试，具体为：

(1)将干燥的绝缘油6(绝缘油中水分含量低于10ppm)和绝缘纸5(绝缘纸中水分含量低于0.4％)按照质量比为18:1的比例混合置于开口玻璃瓶4中，制作4份相同的试样，编号分别为1#试样10、2#试样11、3#试样12、4#试样13；然后将开口玻璃瓶4，置于常温环境中静置72h，采用JKCS-3自动酸值测试仪测试1#试样10绝缘油中的酸值；

(2)将2#试样11、3#试样12和4#试样13都置于恒温箱7中进行加速热老化；恒温箱7中的温度设定为150℃，温度波动幅度为±0.5℃；15天后取出2#试样11，采用JKCS-3自动酸值测试仪测试绝缘油中的酸值；30天后取出3#试样12，采用JKCS-3自动酸值测试仪测试绝缘油中的酸值；45天后取出4#试样13，采用JKCS-3自动酸值测试仪测试绝缘油中的酸值；

(3)将含水甘油溶液2置于玻璃器皿1中，开孔挡板3置于玻璃器皿1的上面，然后将玻璃器皿1和开孔挡板3一起置于恒温箱7中，将1#试样10、2#试样11、3#试样12和4#试样13的开口玻璃瓶4不密封，然后置于开孔挡板3的上面；

(4)通过置于恒温箱7中的温湿度传感器8和恒温箱7外的温湿度记录仪9实时监测恒温箱7中的温度和相对湿度：首先调节恒温箱7中的温度为10℃，按照ASTM D5032-2011操作规程调节恒温箱7中的相对湿度，待水分在绝缘油6和绝缘纸5达到平衡状态后，采用水分含量测定仪(915KF Ti-Touch体式卡尔费休滴定仪)不定时地测定绝缘油6和绝缘纸5中的水分含量；然后依次调节恒温箱7中的温度为20℃～100℃(间隔10℃)，待水分在绝缘油6和绝缘纸5达到平衡状态后，不定时地测定绝缘油6和绝缘纸5中的水分含量。

(5)将4份试样的绝缘油6和绝缘纸5分别进行干燥处理，使得绝缘油6中水分含量低于10ppm，绝缘纸5中水分含量低于0.4％，调节恒温箱7中的温度为10℃，相对湿度为80％；当恒温箱7外的温湿度记录仪9显示相对湿度为一个不变的数值时，认为绝缘油6中的水分含量达到饱和，采用水分含量测定仪(915KF Ti-Touch体式卡尔费休滴定仪)测定绝缘油6中的水分含量，该值即为绝缘油中水分饱和溶解度；然后按照该方法分别测试恒温箱7中的温度为15℃～100℃(间隔5℃)时的绝缘油6中水分饱和溶解度。

通过以上试验方法，可以得到4份试样在不同温度下的绝缘油中水分饱和溶解度，如表2所示。

表2 不同温度下的绝缘油中水分饱和溶解度

利用最小二乘法对表2中的数据按照公式(2)进行拟合，可以得到参数A、参数B和参数m，其中，A＝7.26，B＝1618.3，m＝0.9384；那么公式(2)为：

$>W_s=10^{7.26-\frac{1618.3}{279.15+T}+0.9384\times A_c}---\left(2\right);$>

通过以上试验方法，可以得到4份试样在不同温度条件下，水分在绝缘纸和绝缘油之间处于平衡状态时，绝缘纸和绝缘油中的水分含量，如表3所示。

表3 不同温度下绝缘纸和绝缘油中的水分含量

将公式(6)、公式(7)和公式(2)代入公式(3)中，可得到公式(8)：

$>W_{\mathrm{paper}}=c{[{10}^{7.8825-\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^n---\left(8\right);$>

再利用最小二乘法对表3中的数据按照公式(8)进行拟合，可以得到不同试样下的参数c和参数n，然后取平均值，即可得到不同温度下参数c和参数n的值，分别如表4和表5所示。

表4 不同温度下参数c的值

表5 不同温度下参数n的值

根据表4中的数据可拟合得到参数c与温度T的关系，如式(9)所示：c＝16.59e^-0.0423×T(9)；根据表5中的数据可拟合得到参数n与温度T的关系，如式(10)所示：n＝0.0058×T+0.3478(10)；将公式(9)和公式(10)代入公式(8)，得到绝缘油温度(T，单位为：℃)、绝缘油中水分含量(W_oil，单位为：ppm)和绝缘油中酸值(Ac，单位为：mgKOH/g)情况下的油浸式变压器老化绝缘纸中水分含量的计算公式，如式(1)：

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{0.0058\times T+0.3478}---\left(1\right).$>

下面将对本发明优选实施方案进行详细说明。

实施例1

取工作中油浸式电力变压器的绝缘油，实时测定绝缘油的温度T为70℃；取部分(5ml)测定过温度的绝缘油置于915KF Ti-Touch体式卡尔费休滴定仪中，测量其中水分的含量W_oil为38.6ppm；再取部分(5ml)测定过温度的绝缘油置于JKCS-3自动酸值测试仪中，测量其酸值A_c为0.068mgKOH/g。把T＝70℃、W_oil＝38.6ppm和A_c＝0.068mgKOH/g代入下列算式中，求得绝缘纸中水分含量：

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{0.0058\times T+0.3478}(\%)$>

即：

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{219.8}{273.15+T}}\times \frac{38.6}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{00058\times 70+0.3478}=1.995(\%)$>

因此所测试得到该油浸式变压器绝缘纸中的水分含量为1.955％。

实施例2

测试某油浸式变压器的绝缘油温度T为82℃，该温度在10℃～100℃之间，然后采用水分含量测定仪(915KF Ti-Touch体式卡尔费休滴定仪)测定绝缘油中水分含量W_oil为42.8ppm，采用JKCS-3自动酸值测试仪测定绝缘油中酸值A_c为0.105mgKOH/g。把T＝82℃、W_oil＝42.8ppm和A_c＝0.105mgKOH/g代入下列算式中，求得绝缘纸中水分含量：

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times T}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+T}}\times \frac{W_{\mathrm{oil}}}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+T}+0.9384\times A_c}}]}^{0.0058\times T+0.3478}(\%)$>

即：

$>W_{\mathrm{paper}}=16.59e^{-0.0423\times 82}{[{10}^{7.8825\frac{2191.8}{273.15+82}}\times \frac{42.8}{{10}^{7.26-\frac{1618.3}{273.15+82}+0.9384\times 0.105}}]}^{0.0058\times 82+0.3478}=1.441(\%)$>

因此所测试得到该油浸式变压器绝缘纸中的水分含量为1.441％。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。