CN103222017A - 预测变压器的剩余寿命 - Google Patents

Abstract

一种对在高于IEC 60℃/65℃/78℃或IEEE 65℃/65℃/80℃的温度下操作的变压器的剩余寿命进行评估的方法，该变压器包括铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体，以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料，其中所述被覆盖的绕组导体和所述压制板材料被浸入具有至少300℃燃点的液体之中，所述方法包括步骤：a)至少两次在液体顶部表面测量液体的温度并且记录每次测量的时间；和b)评估变压器的剩余寿命作为所测量温度和相对应记录时间的函数，和/或a’)获得已经在液体顶部表面与液体相接触的压制板材料的样本；和b’)对该样本进行分析以评估变压器的剩余寿命，其中该高温绝缘材料在IEC 60076-14：2009或IEEE 1276：1997中定义。

Description

预测变压器的剩余寿命

技术领域

本发明涉及预测变压器的使用年限或剩余寿命的领域，该变压器包括至少一个具有被浸入适当液体之中的高温绝缘的绕组导体，其中采用压制板材料作为绝缘层和/或机械支撑垫片。

背景技术

变压器通常包括被绕组导体所环绕的油浸铁芯。

在传统变压器中，绕组导体被纸所覆盖。经常通过监视所覆盖的纸的老化来预测这样的变压器的剩余寿命。

然而，许多更为现代的变压器采用被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体，该材料具有超过200年的预期寿命(当以相同方式进行预测时)。因此，绕组导体覆盖物的属性不再是变压器剩余寿命的可用指示。通常为矿物油的油是这种变压器最弱的点，其限制了工作温度并且降低了寿命预测的重要性。

在新一代的变压器中，采用绕组导体的高温绝缘覆盖物结合高燃点的液体，并且主要使用纸板或纤维素材料作为绝缘层和/或支撑结构(例如，垫片)。

WO 01/09906公开了在充液变压器的液体(通常为油)上执行温度测量以便检测变压器的健康度，尤其是该变压器是否已经出现故障或者将在不久的将来出现故障。在WO 01/09906中表明，不应当在临近罐壁或者罐中液体的上表面附近监视液体或油，因为与罐中其它区域中的液体相比，这些区域中的液体趋于更为停滞。相反，WO 01/09906强烈提倡在液体流动的地方进行测量。另外，WO01/09906并未记载工作温度。

US 2007/289367公开了一种基于对罐的顶部的油的温度测量来评估变压器中固态绝缘的水含量的方法。然而，US 2007/289367的绕组导体并未被高温绝缘材料所覆盖。相反，US 2007/289367仅提到了纸作为绝缘材料。US 2007/289367也没有记载工作温度。

DE 10 2007 026175公开了变压器的老化率的计算，以及对以下参数之一进行测量：氧含量、水分含量、中和程度、酸度、皂化度或过电压。另外，DE 10 2007 026175讨论了“热点(hot spot)”温度的测量，热点温度是覆盖绕组的绝缘材料中的最高温度。由于热点温度对于使用高温绝缘材料的变压器的老化率并非是决定性的，所以DE 10 2007 026175的公开内容无法应用于这种变压器。

WO 98/44356公开了一种用于检测放置于充满油的罐体中的电气装置中的部分放电的设备，其中罐壁具有至少一个排放阀门，其特征在于该设备包括安装在可通过开放的排放阀门移动至罐中的载体上的探测器。因此可以对变压器中绝缘材料的质量进行评估。该文献涉及如何使探测器进入变压器，但是并未涉及利用该探测器进行何种测量。由于绝缘材料的质量对于使用高温绝缘材料的变压器的老化率并非是决定性的，所以WO 98/44356的公开内容无法应用于这种变压器。

US 5773709公开了一种通过使用热对流将液体从变压器传输至测量单元而对例如变压器的绝缘电介质液体(例如，油)进行采样的方法和设备。该测量的目的可以是指示绝缘液体的失效。然而并没有对变压器的固态结构的质量进行分析。

EP 2244089公开了通过对油的湿度和温度进行在线测量来评估变压器的纤维素材料的水含量。根据EP 2244089，任意变压器油的电介质强度始终随其相对湿度而变化，并且严重依赖于两个变量：油中的水含量以及油的温度。油中的水含量指示纤维素绝缘中的水含量，其被认为是质量指标。由于绝缘材料的质量对于使用高温绝缘材料的变压器的老化率并非是决定性的，所以WO 98/44356的公开内容无法应用于这种变压器。

US4654806公开了一种连续监视变压器的参数以便观察包括绝缘油在内的工作状态的长期变化的方法。似乎并未对固态绝缘进行讨论。US4654806的公开内容涉及并未使用高温绝缘材料的旧式的变压器。

发明内容

本公开内容的目标是提供对变压器的老化评估或其剩余寿命的预测，该变压器包括被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体，以及布置为绝缘层或支撑结构的压制板材料，其中所述被覆盖的绕组导体和所述压制板材料浸入被加热至高于常温的温度的适当的变压器液体之中。

因此，提供了一种对变压器的剩余寿命进行评估的方法，该变压器包括铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料，其中所述被覆盖的绕组导体和所述压制板材料被浸入液体之中，所述方法包括以下步骤：

a)至少一次在液体的顶部表面测量液体的温度并且记录每次测量的时间；以及

b)评估变压器的剩余寿命作为(多个)所测量的温度和(多个)相对应的记录时间的函数，

和/或

a’)获得已经在液体的顶部表面与液体相接触的压制板材料的样本；以及

b’)对该样本进行分析以评估变压器的剩余寿命。

另外，提供了一种变压器，其包括用液体填充的罐体，铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料浸入该液体中，

其中温度传感器和/或用于容纳可从变压器外部进入的一块压制板的液体可渗透的箱体在液体的顶部表面处浸入液体之中。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的变压器的简化视图。

图2示出了采样模型的示例，其中x轴表示时间，y轴表示老化变量，并且虚线表示寿命终止阈值。

图3示出了温度模型的示例，其中x轴表示时间，y轴表示所累积的依赖于温度的寿命消耗(∫寿命消耗(温度，时间)d时间)，并且虚线表示预期寿命。

图4是变压器的一部分的简化视图，其示出了铁芯和绕组以及绝缘、间隔和支撑结构。

具体实施方式

本公开的发明概念通常被实施在如下的装备中，该装备被设计为以高于IEC 60℃/65℃/78℃(顶部液体温升/平均绕组温升/热点绕组温升)或IEEE 65℃/65℃/80℃(液体温升/平均绕组温升/最大(最热点)绕组温升)的温度工作，该装备对于绕组使用高温绝缘材料并且对于绝缘层和/或支撑结构使用纤维素或压制板材料。

变压器领域的技术人员熟悉以上温度术语。另外，该术语的定义可以分别在标准IEC 60076-2和IEEE C.57.12.00中找到。

以下对术语高温绝缘材料进行讨论。本发明基于发明人的以下观点，在确定寿命时，新一代变压器的最弱点不是导电绕组的覆盖物也不是液体，而是与最高温度的液体相接触的纤维素或压制板组件。另外，最高温度的液体具有最低密度并且因此可在顶部表面找到。

因此，可以对已经与最热液体相接触的纤维素或压制板样本的一个或多个属性进行测量以预测变压器的剩余寿命。该样本可以从支撑结构或绝缘层组件获得。可替换地，该样本可以从与最热液体相接触的一块压制板或纤维素获得，这块板布置在变压器中主要是用于提供这样的样本。作为示例，该样本可以从顶部表面50cm以内的位置获得。

预测例如可以包括已经与最热液体相接触的样本和全新压制板样本之间的比较。

例如，可以使用本领域技术人员已知的物理、电气和/或化学测试遵循适当的标准化程序对表示样本老化的变量(“老化变量”)进行测量。该老化变量因此是可量化的视觉参数(“外观”)。其也可以是聚合程度、拉伸强度和/或压缩、弯曲强度，或者提供与结构退化或其副产品相关的比较参数的其它机械、物理或化学测试。另外，其可以是诸如电阻系数、传导率、电容、介质击穿、功率因数、电介质频率响应、极化或去极化电流测量之类的电气属性。

然而，也可能基于在液体顶部表面的液体温度测量来作出预测。这可以被认为是间接测量—与压制板或纤维素相接触的液体的温度越高，压制板或纤维素的退化率就越高。因此，可以在计算模型中使用在顶部表面的液体的温度测量以对剩余寿命进行评估。可以用压制板或纤维素的老化曲线修改/校准该计算模型。老化曲线可以是通过对已经浸入各种温度以及不同时间段的的液体的压制板或纤维素进行分析而获得的经验数据。

另外，可以将直接和间接方法相结合以提高预测的可靠性。例如，如果将“在线”测量(时间和温度)以及测试样本的分析结果(示出实际老化)相结合，则能够对预测模型进行校准。例如，这样的校准在某个时间段之后可以涉及利用间接方法所预测的剩余寿命时间与利用间接方法所预测的剩余寿命时间的比较。然后可以基于比较的结果对该计算模型进行调整。在这种方式下，可以随时间改进在线预测。

因此，作为本公开内容的第一方面，提供了一种对在高于IEC60℃/65℃/78℃或IEEE 65℃/65℃/80℃的温度下工作的变压器的剩余寿命进行评估的方法，该变压器包括铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体，以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料，其中所述被覆盖的绕组导体和所述压制板材料被浸入液体之中，所述方法包括以下步骤：

a)至少一次在液体顶部表面测量液体的温度并且记录每次测量的时间；以及

b)评估变压器的剩余寿命作为(多个)所测量温度和(多个)相对应记录时间的函数，

和/或

a’)获得已经在液体顶部表面与液体相接触的压制板材料的样本；以及

b’)对该样本进行分析以评估变压器的剩余寿命。

第一方面的变压器可以包括多于一个的被绕组导体所围绕的铁芯。在本领域中，具有两个或三个铁芯的变压器是常见的。每个铁芯可以被一个(在电抗器的情况下)或多个绕组导体所围绕。例如，一个高压绕组和一个低压绕组可以围绕一个铁芯(仍见图4)。

本公开内容的高温绝缘材料在通常是固态的。变压器领域的技术人员熟悉术语“高温绝缘材料”并且能够对于给定的变压器选择适当类型的这种材料。例如，本公开内容的高温绝缘材料可以是如IEC 60076-14：2009或IEEE 1276：1997中所定义的材料。

如以上所提到的，在液体的顶部表面找到最高液体温度。在本领域，该温度有时被称作“顶部油温”(例如，见国际标准IEC 60076-2：1993(E))。本领域技术人员知晓如何测量顶部油温(例如，见IEC60076-2：1993(E)，条款5.3.1)。

本公开内容的液体是适于在变压器中用作电介质和冷却介质的绝缘液体。本领域技术人员能够选择用于实现本发明的适当液体。

该液体例如可以是高燃点液体。本领域技术人员熟悉变压器环境中的术语“高燃点液体”。通常，这样的液体具有至少300℃的燃点。这样的液体在IEC 60076-2和IEEE C.57.12.00中有所定义。

该液体可以是矿物油，但是这并非优选。如果根据本公开内容所使用的矿物油过于老化，其可能必须要进行更换。更为优选的是使用酯基油或硅油。酯可以是合成的或天然的。天然酯类液体的示例是诸如

的可生物降解液体。高燃点液体例如可以包含至少50wt.％的酯类，诸如至少75或90wt.％。

本公开内容的压制板例如可以是压制在一起形成板的纸或纤维素。通常，板厚达6mm，并且如果需要更厚的结构，可以将两张或更多的板粘合在一起。

在该方法的实施例中，平均顶部油温至少为55℃，诸如至少60℃或65℃。在该方法的补充实施例的替换形式中，平均绕组温度至少为60℃，诸如至少65℃。在该方法的补充实施例的又一种替换形式中，热点温度至少为75℃，诸如至少80℃或85℃。

在步骤a)中，对温度进行测量。还记录测量的时间。通常，这是自变压器被安装起或者自变压器开始工作起所过去的时间。具有本公开内容的教导，技术人员能够为时间测量选择适当起始点。当使第一方面的方法进入实践时，通常将执行很多温度测量(以及相对应的时间记录)，并且随着测量数量的增加，剩余寿命评估的准确性通常将有所提高。因此，在第一方面的实施例中，评估基于至少2次根据步骤a)的温度测量，诸如至少5、10、50、100或500次温度测量。换句话说，步骤a)的温度测量可以至少被执行两次，诸如至少5、10、50、100或500次。

在第一方面的实施例中，b)的函数可以至少基于一条依经验确定的压制板材料的老化曲线。这在以下示例性实施例下进一步进行讨论。

发明人已经发现，本公开内容的变压器中的压制板材料的退化还取决于变压器液体中的氧和水分的水平。因此，可以通过监视这些杂质的水平来提高预测准确度。因此，在第一方面的一些实施例中，步骤a)可以进一步包括测量液体中的氧和/或水的水平。在这样的实施例中，步骤b)进一步包括评估变压器的剩余寿命作为(多个)所测量的温度、(多个)氧和/或水的水平以及相对应的(多个)所记录的时间的函数。然而，并不要求在每次测量温度时都对氧和/或水的水平进行测量。例如，氧和/或水的测量可以是与(在线)温度测量相比较不频繁执行的离线测量。

在第一方面的实施例中，a′)的样本可以从绝缘层或支撑结构获得。这里，绝缘层或支撑结构的相关部分位于接近顶部表面，即处于最热的液体的环境中。在可替换或补充的实施例中，a′)的样本可以从出于提供这样的样本的目的而在液体的顶部表面浸入液体中的一块压制板材料获得。前面得实施例的益处在于，无需为了提供压制板样本而提供额外的配置。后面的实施例的益处在于，可以在不影响变压器功能部件的情况下轻易地访问压制板样本。

在后面的情况中，a′)的样本可以被布置于在液体的顶部表面浸入液体之中的液体可渗透的箱体中。因此，这块压制板材料的样本是从变压器外部可访问的。

在第一方面的实施例中，执行a)和b)以及a′)和b′)。这在上文中进行了进一步的讨论(直接和间接方法的结合)。在这样的实施例中，可以比a′)和b′)更频繁地执行a)和b)。例如，可以比每周一次更频繁地执行a)和b)，而可以比每月一次更不频繁地执行a′)和b′)。

在第一方面的一个实施例中，a)和b)被用来更新基于a′)和b′)的预测。因此，a)和b)可以被用来连续更新基于a′)和b′)的预测，直至执行了基于a′)和b′)的新的预测。这里，该更新因此是来自步骤a)的(多个)所测量的温度和(多个)相对应的记录时间以及来自步骤b′)的之前评估的函数。技术人员所理解的是，在这样的函数中所使用的记录时间可以是自执行步骤a′)起(即，自从变压器获得样本起)所过去的时间。由于基于a′)和b′)的预测通常要求人工而基于a)和b)的预测则并不需要，所以该实施例可以以低成本提供经更新的预测。

作为本发明的第二方面，提供了一种被设计为以高于IEC 60℃/65℃/78℃或IEEE 65℃/65℃/80℃的温度进行工作的变压器，其包括用液体填充的罐体，铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料被浸入该液体中，其中温度传感器和/或用于容纳可从变压器外部访问的一块压制板的液体可渗透箱体在液体的顶部表面处浸入液体之中。

以上结合第一方面所讨论的定义、解释、实施例和益处加以必要的修改应用于第二方面。因此，第二方面的液体例如可以是高燃点液体。

在实施例中，第二方面的变压器进一步包括用于测量液体中氧的水平的氧传感器和/或用于测量液体中水的水平的湿度传感器。

第二方面的液体可渗透箱体有助于以上所讨论的“直接方法”，而温度传感器则有助于上所讨论的“间接方法”。

液体可渗透箱体例如可以包括可以从变压器外部打开的可移除的盖子。因此，对于操作人员而言，这块压制板可以以便利的方式访问。

示例性实施例

参考图1，提供了一种示例性变压器，其中罐壁1和罐底部定义了罐体。该罐体被高燃点液体填充，该高燃点液体诸如包含酯类的油。铁芯2浸入液体之中。铁芯2以常规方式被绕组3所环绕。绕组3被固态高温绝缘材料所覆盖，并且在罐体中，将压制板材料布置为支撑结构(未示出)。在变压器操作期间，液体被加热(“加热的油”)并且朝着液体顶部表面向上移动。冷却器或散热器4被布置在罐体内用于冷却液体。在液体的顶部表面，用于容纳压制板材料的箱体5可以被布置在罐体盖6中。箱体5包括可移除的盖7，以使得可以从罐体外部访问压制板材料的样本。因此，变压器操作人员可以获得压制板样本而不必打开变压器或者影响支撑的压制板结构。作为含有压制板的箱体5的替代或补充，液体温度传感器8可以被布置在罐体中从而可以对顶部表面的液体温度进行测量。例如，可以在罐体盖6中布置传统的油槽9以便容纳液体温度传感器8并且有助于温度测量。

如以上所提到的，固态高温绝缘材料覆盖本发明的变压器的绕组导体，并且使用纤维压制板材料作为绝缘层用于间隔和在绝缘结构中。

绝缘和压制板材料例如可以如图4所示进行布置，其示出了根据本公开内容的变压器的一部分。铁芯20被低压绕组配置14和高压绕组配置15所围绕。绕组配置包括被固态高温导体绝缘10所覆盖的导体21(例如，电线)。固态高温绝缘材料的径向11和轴向13垫片被布置在导体绝缘10之外。绝缘材料的静电环12被布置在绕组配置14、15的顶端。如果有必要，静电环12可以具有高温绝缘。压制板材料的角环16和绝缘层17被布置在绕组配置之外和绕组配置之间。压制板材料的径向垫片(或块)18被布置在静电环12的顶端和上方。按压结构19被布置在块18顶端以使得按压结构的下表面与定位最高的块18的上表面相接触。因此，该变压器的压制板组件作用为绝缘层和支撑结构(变压器的压制板组件将绕组装置14、15保持在适当的位置)。

参考图2和3，描述了基于变压器中的顶部油温的测量的剩余寿命预测。如以上所解释的，本发明的实施例是基于，压制板材料(这种类型的变压器的最弱点)的退化速率取决于液体的温度以及暴露于那些温度的时间，其中压制板材料浸入该液体中。较高的温度导致较高的退化速率。另外，测量可以被扩展为还包括液体中的氧和/或水的水平。这种特定温度处的退化的经验模型可以通过测量已经与处于所讨论温度的液体相接触的压制板材料的老化变量而获得(该老化变量例如可以是以上所提到的压制板材料的化学或机械属性之一)。这样的经验模型的示例在图2中示出。如图中所能够看到的，在一定时间量之后，老化变量达到被认为是寿命终止阈值的水平。优选地，获得如图2中的表示不同温度的多条老化曲线。表示较高温度的老化曲线较早达到寿命终止阈值，而表示较低温度的曲线则较晚到达寿命终止阈值。也可以以类似方式获得各种氧和/或水的水平的老化曲线。

寿命消耗模型因此可以基于该老化曲线，并且这样的模型的示例在图3中示出。变压器的剩余寿命依赖于温度在不同时间点以不同速率被消耗。也就是说，在较低温度时期期间，剩余寿命以比较高温度时期期间更低的速率被消耗。最终，变压器达到其应当被替换的点。这在图3中由虚线表示。

使用本公开内容的教导以及常见的一般知识，本领域技术人员将能够构建计算算法，如果获得了与顶部油温和相对应时间相关的信息，就能够利用该算法来评估变压器的剩余寿命。

可以以温度和时间依赖函数随时间的积分的连续计算来评估剩余寿命。例如，可以规律地执行温度测量，并且可以在每次温度测量之后更新剩余寿命的评估。例如可以每分钟一次、每小时一次、每天一次、每周一次或者每月一次执行温度测量。技术人员所理解的是，如果以越短的间隔执行温度测量，则预测就变得越准确。测量的频率可以适应于预期负载变化。也就是说，如果预期负载(以及由此的顶部油温)大幅变化，则优选的更为频繁地执行测量，诸如至少每天一次。

Claims (13)

1.一种对在高于IEC 60℃/65℃/78℃或IEEE 65℃/65℃/80℃的温度工作的变压器的剩余寿命进行评估的方法，所述变压器包括铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体以及被布置为绝缘层和/或支撑结构的压制板材料，其中所述被覆盖的绕组导体和所述压制板材料被浸入具有至少300℃燃点的液体之中，所述方法包括步骤：

a)至少两次在所述液体的顶部表面测量所述液体的温度并且记录每次测量的时间；以及

b)评估所述变压器的所述剩余寿命作为所述测量的温度和所述相对应记录时间的函数，

和/或

a’)获得已经在所述液体的顶部表面与所述液体相接触的所述压制板材料的样本；以及

b’)对所述样本进行分析以评估所述变压器的所述剩余寿命，

其中所述高温绝缘材料在IEC 60076-14：2009或IEEE 1276：1997中所定义。

2.根据权利要求1所述的方法，其中b)的所述函数基于至少一条依经验确定的所述压制板材料的老化曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中a′)的所述样本从所述绝缘层或支撑结构获得。

4.根据权利要求1所述的方法，其中a′)的所述样本从出于提供这样的样本的目的而在所述顶部表面处浸入所述液体之中的一块压制板材料获得。

5.根据权利要求4的所述方法，其中a′)的所述样本被布置于在所述顶部表面浸入所述液体之中的液体可渗透的箱体中，从而这块压制板材料的样本是从所述变压器外部可访问的。

6.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中执行步骤a)和b)以对根据步骤a′)和b′)所获得的所述变压器的所述剩余寿命的先前的评估提供更新，所述更新是(多个)所述测量的温度和(多个)所述相对应的记录时间以及所述先前的评估的函数。

7.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中所述液体基本由酯基液体所构成。

8.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中所述压制板材料包括纸或纤维素。

9.根据之前任一项权利要求所述的方法，其中所述压制板材料基本由纸或纤维素以及任选地粘合剂所构成。

10.一种被设计为在高于IEC 60℃/65℃/78℃或IEEE 65℃/65℃/80℃的温度下工作的变压器，其包括用燃点至少为300℃的液体填充的罐体，其中铁芯、被高温绝缘材料所覆盖的绕组导体以及被布置为绝缘层或支撑结构的压制板材料被浸入在所述液体中，

其中温度传感器和/或用于容纳一块可从所述变压器的外部访问的压制板的液体可渗透箱体在液体顶部表面处浸入所述液体之中。

11.根据权利要求10所述的变压器，其中所述液体可渗透箱体包括可从所述变压器的外部打开的可移除的盖，从而这块压制板是可访问的。

12.根据权利要求10或11所述的变压器，进一步包括用于测量所述液体中氧的水平的氧传感器。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的变压器，进一步包括用于测量所述液体中水的水平的湿度传感器。

Images