CN113640625B - 评估高压套管内部最高温度的方法以及试验装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种评估高压套管内部最高温度的方法以及试验装置，开展温升试验，通过试验装置对高压套管进行绝缘性能测试和温度监测，根据绝缘特性曲线，提取特征参量拟合得到了间接评估套管内部最高温度的方法。该方法实现了高压套管内部最高温度的间接监测，有助于发现高压套管运行过程中存在的潜在风险，为高压套管的运行维护、检修提供了重要的参考依据，对于优化套管设计和制造工艺，保障套管的长期安全稳定运行，提升电网的运行可靠性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于高压套管绝缘状态诊断领域，具体涉及一种应用FDS法评估高压套管内部最高温度的方法以及试验装置。
背景技术
高压套管用于在输变电工程中将载流导体穿过与其电位不同的设备金属箱体或阀厅墙体，引入或引出全电压、全电流，起绝缘和机械支撑作用，长期经受电、热、环境应力以及它们联合作用的严格考验，在运行温度方面，套管本体载流发热和介质损耗发热会显著提高套管的运行温度，运行条件极其苛刻，运行可靠性又直接关系到大电网的运行安全，是保证电力***安全稳定运行的关键设备之一。
近年来，由于发热导致的胶浸纸套管故障频频出现，换流站被迫停修，经济损失巨大。高压套管的运行可靠性很大程度上取决于其绝缘性能，而绝缘性能又跟套管内部的产热和散热密切相关。近年来，基于介电响应理论的电介质响应法已取得显著成果，包括基于频域介电响应的频域介电谱法(frequency domain spectroscopy，FDS)，基于时域介质响应的回复电压法(recovery voltage method，RVM)和极化去极化电流法(polarizationand depolarization current，PDC)，其作为一种无损检测手段具有携带信息丰富的特点。国内外已有一些商用介电响应测试仪用于套管绝缘性能测量，如IDAX 300、DIRANA等，对于在线监测套管介质损耗因数、复电容等绝缘性能的方法也相对成熟。
但是目前针对套管运行过程中温度监测的方法，仅有技术成熟的油温在线监测和将军帽附近温度监测，而对于套管内部温度，在不破坏套管本体绝缘结构的情况下没有可行的监测手段。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种评估高压套管内部最高温度的方法以及试验装置，旨在突破现有技术无法实现的难题。高压套管长期经受电、热、环境应力以及它们联合作用，套管本体载流发热和介质损耗发热会显著提高套管的运行温度，套管绝缘特性将会发生变化，反之，绝缘特性的变化也可间接反映内部温度的变化，基于此思想，本专利提取绝缘频域介电谱中的特征参量进行拟合，得到能够评估套管内部最高温度的方法。
在第一方面，本申请提供一种评估高压套管内部最高温度的方法，包括：
步骤一，获取套管内部最高温度，以及套管内部最高温度对应的绝缘特性曲线；
步骤二，分析所述绝缘特性曲线的变化规律，提取所述绝缘特性曲线中的多个特征频段f1～f2，计算套管的介质损耗因数tanδ在特征频段f1～f2的不定积分因数Stanδ；
步骤三，根据Stanδ与多个特征频段f1～f2中的特征频率点f的离散点对应关系获取Stanδ(f)拟合曲线、Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，以及各拟合方程对应的拟合优度，以拟合优度大于等于预设值确定为最优Stanδ(f)拟合曲线；
步骤四，根据多条最优Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，分析最优Stanδ(f)拟合曲线规律，选取最优Stanδ(f)拟合曲线上特征频率点fT对应的不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)作为最终评估套管内部最高温度的特征参量，其中，f1＜fT≤f2；
步骤五，根据套管内部最高温度与不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)的对应关系，获得Stanδ(fT)与最高温度的应用拟合方程，以及所述应用拟合方程对应的拟合优度，以该拟合优度大于等于所述预设值确定为最优应用拟合方程；
步骤六、对需监测套管内部的未知最高运行温度进行评估，通过检测需监测套管的介质损耗因数频域谱，选取特征频率点fT对应的特征参量Stanδ(fT)，将该特征参量代入到最优应用拟合方程中，确定待监测套管内部运行最高温度。
进一步地，所述步骤一中，
通过设计套管运行过程中能够进行绝缘性能测量和温度监测的温升试验，获取套管内部最高温度对应的绝缘特性曲线。
进一步地，所述步骤二中，
按照式(1)
计算介质损耗因数正切值在特征频段f1～f的不定积分因数Stanδ(f)。
进一步地，所述步骤三中，
按照式(2)
计算拟合优度；
其中，yi为实测值，为拟合值，/>为所有实测值的平均值，R2越逼近于1拟合效果越好，并保证所述拟合优度大于所述预设值，所述预设值为0.95。
进一步地，步骤二中，
获取的所述绝缘特性曲线包括介质损耗因数频域谱曲线、电容实部频域谱曲线以及电容虚部频域谱曲线。
进一步地，在所述绝缘特性曲线中获取的特征频段f1～f2至少包括：
所述介质损耗因数曲线中一个特征频段，以及所述复电容频域介电谱中的实部和虚部各一个特征频段。
进一步地，步骤二中，
所述特征频段包括所有敏感特征频段；
获取所述特征参量与运行温度之间关系的方法包括：选择tanδ频域谱在特征频段内的积分得到的特征参量，或者，选择电容实部或电容虚部频域谱在特征频段内的积分得到的特征参量；
其中，所述特征频率点fT为末端频率点f2。
在第二方面，提供一种试验装置，其用于温升试验时绝缘特性曲线和温度监测，试验装置包括：套管、穿心式升流器、电流互感器、试验油箱、隔离开关、导杆连接件、升高座、热电偶、温度巡检仪以及绝缘诊断仪；
其中，试验所用套管包括至少两支，两支所述套管的两端分别通过导杆连接件对接形成串联电路，电流互感器设置在该串联电路中，在各所述导杆连接件上分别设置有第一隔离开关和第二隔离开关，两支所述套管的变压器侧均通过升高座设置在所述试验油箱中；
第一支套管与绝缘诊断仪连接，所述绝缘诊断仪用于为第一支套管进行绝缘性能测试；
第二支套管的各孔中分别设置一所述热电偶，各所述热电偶均与所述温度巡检仪电性连接；
第二支套管穿过穿心式升流器，所述穿心式升流器用于为温升试验回路施加电流；
其中，施加电流预设时间后按照温度测量方法和绝缘性能测试方法进行测量。
进一步地，温度测量方法包括：
S1、分别将第一隔离开关和第二隔离开关闭合；
S2、通过所述穿心式升流器对温升试验回路施加预设时间的指定电流；
S3、采用所述温度巡检仪对各测量点的温度进行监测并记录；
进一步地，绝缘性能测试方法包括：
S01、将温升试验回路中的电流降至零，分别将第一隔离开关和第二隔离开关断开；
S02、采用所述绝缘诊断仪对第一支套管进行绝缘性能测试并记录；
S03、测试结束后立即将第一隔离开关和第二隔离开关闭合，将电流升至设定值。
本申请具有的有益效果：
本申请提供的评估高压套管内部最高温度的方法，结合绝缘特性曲线，提取特征参量拟合得到了间接监测套管最高运行温度的方法。该方法在包含特征频段内信息的同时消除了采用单频率点评估时由于外界干扰带来的频率点畸变导致无法评估的问题，实现了高压套管运行中最高温度的间接监测，有助于发现高压套管运行过程中存在的潜在风险，为高压套管的运行维护、检修提供了重要的参考依据，对于优化套管设计和制造工艺，保障套管的长期安全稳定运行，提升电网的运行可靠性具有重要意义。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1是根据本发明实施例提供的温升试验时绝缘特性曲线和温度监测用的试验装置；
图2是根据本发明实施例提供的温升试验方法得到内部最高温度与绝缘特性曲线对应关系的实验步骤流程图；
图3是根据本发明实施例提供的根据绝缘特性曲线评估套管运行最高温度的方法流程图；
图4是根据本发明实施例提供的不同温度下介质损耗因数曲线图；
图5是根据本发明实施例提供的不同温度下复电容实部频域谱曲线图；
图6是根据本发明实施例提供的不同温度下复电容虚部频域谱曲线图；
图7是根据本发明实施例提供的介质损耗因数正切值积分因数Stanδ与f的实测值与拟合曲线图；
图8是根据本发明实施例提供的套管内部最高温度Tmax与评估特征参量Stanδ(50)的关系图；
图9是根据本发明实施例提供的验证最高温度与特征参量准确性图。
其中，1-第一支套管；2、第二支套管；3、升高座；4-穿心式升流器；5-电流互感器；6-导杆连接件；7-第一隔离开关；8-第二隔离开关；9-试验油箱。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明以±400kV换流变阀侧胶浸纸干式套管(又称高压套管或套管)为例，详细说明了温升试验方法，得到了绝缘特性曲线与对应的温度，通过分析绝缘特性曲线的变化规律提取了特征频段，并根据式(1)计算得到f1～f2，计算套管的介质损耗因数tanδ在特征频段f1～f2的不定积分因数Stanδ；根据Stanδ与多个特征频段f1～f2中的特征频率点f的离散点对应关系，获取Stanδ(f)拟合曲线、Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，以及各拟合方程对应的拟合优度，以拟合优度大于等于预设值确定为最优Stanδ(f)拟合曲线；根据多条最优Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，分析最优Stanδ(f)拟合曲线规律，选取最优Stanδ(f)拟合曲线上特征频率点fT对应的不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)作为最终评估套管内部最高温度的特征参量，其中，f1＜fT≤f2；根据套管内部最高温度与不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)的对应关系，为保证获得套管内部最高温度与不定积分因数的稳定值，选用末端特征频率点fT，即f2，从而获得Stanδ(fT)与最高温度的应用拟合方程，以及所述应用拟合方程对应的拟合优度，以该拟合优度大于等于所述预设值确定为最优应用拟合方程；对于任意套管运行过程中未知的内部最高温度，可以先测量得到介质损耗因数频域谱，然后选取特征频率点fT对应的特征参量Stanδ(fT)，将该特征参量代入到所述最优应用拟合方程中，计算出待监测套管内部运行最高温度。
其中，公式(1)为：
公式(2)为：
yi为实测值，为拟合值，/>为所有实测值的平均值，R2越逼近于1拟合效果越好，并保证所述拟合优度大于所述预设值，所述预设值为0.95。
参考图1和图2，在本实施例的第二方面中，提供了一种温升试验时绝缘特性曲线和温度监测所使用的试验装置，该试验装置包括两支同材料同尺寸的±400kV换流变阀侧套管，两个套管包括：第一支套管1，用于进行绝缘性能测试；第二支套管2，用于进行温度测量。第一支套管1和第二支套管2的两端分别经导杆连接件6连接成测试电流回路，在该测试电流回路中设置有一电流互感器5，从而通过该电流互感器5进行检测电流值，两支套管的变压器侧均通过升高座3设置在试验油箱9中，在各导杆连接件6上均设置有第一隔离开关7和第二隔离开关8，用于闭合或者断开测试电流回路。在第二支套管2的载流导管、接线端子、芯体表面及内部等部分共布置测温点64个，各测温点均是在第二支套管2上进行钻孔，在各孔中均设置热电偶，各热电偶均与温度巡检仪进行电性连接，通过温度巡检仪对各测温点进行温度监测。第二支套管2穿过穿心式升流器4从而能够对温升试验回路施加电流。第一支套管1上能够通过绝缘诊断仪进行绝缘测试。
为了能得到套管运行温度最大值，尤其要在套管中心附近多布置测温点。第一隔离开关7和第二隔离开关8闭合，穿心式升流器4对试验回路施加电流，通过热电偶监测第二支套管2各个测温点的温度。对第一支套管1进行绝缘特性测量，绝缘性能测试前，电流降到零再电动控制断开第一隔离开关7和第二隔离开关8，用绝缘诊断仪对第一支套管1施加200V的电压进行FDS绝缘特性测量，测量结束后立即将第一隔离开关7和第二隔离开关8闭合再将电流升至设定值。如此重复，并持续增大电流，即可得到不同温度下对应的多条绝缘特征曲线。
参考图3至图9，通过具体实施例对申请进行说明，相同条件下，温度对图4-图6各频域谱曲线的影响频段不同，不同温度条件下的套管C′频域谱在5mH～1Hz，C″与tanδ频域谱在5mH～50Hz特征频段内变化显著，综合考虑可选取5mHz～50Hz频率范围作为评估套管运行最高温度的特征频段。计算不定积分因数Stanδ，将其定义如式(3)所示。
图7给出了Stanδ与f的实测值与拟合曲线，表1给出了Stanδ(f)与内部最高温度的拟合关系，可以看出，不同温度下的套管模型在5mHz～50Hz特征频段内，Stanδ显著增大，Stanδ与f存在拟合优度非常高的幂函数关系，拟合优度计算如式(2)所示。
表1 Stanδ(f)与温度的拟合方程
为了能有效提取Stanδ(f)所携带的温度信息，选择不定积分因数稳定值Stanδ|f＝50Hz作为最终评估套管内部最高温度的特征参量，简写为Stanδ(50)。图8给出了套管内部最高温度与评估特征参量Stanδ(50)的拟合曲线，表2给出了内部最高温度Tmax与Stanδ(50)的拟合方程(即最优应用拟合方程)及拟合优度。
表2 最高温度Tmax与Stanδ(50)的拟合方程
为验证该温度评估方法的准确性，当套管内部最高温度为101.7℃。不定积分因数稳定值Stanδ(50)为0.7589，代入表2得Tmax为97.52℃，误差为4.28％，因此Stanδ(50)可作为评估套管内部最高温度的新特征参量。
由以上分析可知，对套管运行过程中任意未知的内部最高温度，只需测出tanδ频域谱，然后利用公式(3)积分计算提取特征参量Stanδ(50)，再将特征参量代入表2中的拟合方程，便可量化套管运行中内部最高温度，实现套管运行时内部最高温度间接监测。
本申请提供的评估高压套管内部最高温度的方法以及试验装置，通过该试验装置进行用于温升试验时绝缘特性曲线和温度监测，结合绝缘特性曲线，提取特征参量拟合得到了间接监测套管运行最高温度的方法。该方法在包含特征频段内信息的同时消除了采用单频率点评估时由于外界干扰带来的频率点畸变导致无法评估的问题，实现了高压套管内部最高温度的间接监测，有助于发现高压套管运行过程中存在的潜在风险，为高压套管的运行维护、检修提供了重要的参考依据，对于优化套管设计和制造工艺，保障套管的长期安全稳定运行，提升电网的运行可靠性具有重要意义。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，包括：
步骤一，获取套管内部最高温度，以及套管内部最高温度对应的绝缘特性曲线；
步骤二，分析所述绝缘特性曲线的变化规律，提取所述绝缘特性曲线中的多个特征频段f1～f2，计算套管的介质损耗因数tanδ在特征频段f1～f2的不定积分因数Stanδ；
步骤三，根据Stanδ与多个特征频段f1～f2中的特征频率点f的离散点对应关系，获取Stanδ(f)拟合曲线、Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，以及各拟合方程对应的拟合优度，将拟合优度大于等于预设值确定为最优Stanδ(f)拟合曲线；
步骤四，根据多条最优Stanδ(f)拟合曲线对应的拟合方程，分析最优Stanδ(f)拟合曲线规律，选取最优Stanδ(f)拟合曲线上特征频率点fT对应的不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)作为最终评估套管内部最高温度的特征参量，其中，f1＜fT≤f2；
步骤五，根据套管内部最高温度与不定积分因数的稳定值Stanδ(fT)的对应关系，获得Stanδ(fT)与最高温度的应用拟合方程，以及所述应用拟合方程对应的拟合优度，以该拟合优度大于等于所述预设值确定为最优应用拟合方程；
步骤六、对需监测套管内部的未知最高运行温度进行评估，通过检测需监测套管的介质损耗因数频域谱，选取特征频率点fT对应的特征参量Stanδ(fT)，将该特征参量代入到所述最优应用拟合方程中，确定待监测套管内部运行最高温度。
2.根据权利要求1所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，所述步骤一中，
通过设计套管运行过程中能够进行绝缘性能测量和温度监测的温升试验，获取套管内部最高温度对应的绝缘特性曲线。
3.根据权利要求1所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，所述步骤二中，
按照式(1)
计算介质损耗因数正切值在特征频段f1～f的不定积分因数Stanδ(f)。
4.根据权利要求1所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，所述步骤三中，
按照式(2)
计算拟合优度；
其中，yi为实测值，为拟合值，/>为所有实测值的平均值，R2越逼近于1拟合效果越好，并保证所述拟合优度大于所述预设值，所述预设值为0.95。
5.根据权利要求1所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，步骤二中，
获取的所述绝缘特性曲线包括介质损耗因数频域谱曲线、电容实部频域谱曲线以及电容虚部频域谱曲线。
6.根据权利要求5所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，在所述绝缘特性曲线中获取的特征频段f1～f2至少包括：
所述介质损耗因数频域谱曲线中一个特征频段，以及复电容频域介电谱中的实部和虚部各一个特征频段。
7.根据权利要求1所述的评估高压套管内部最高温度的方法，其特征在于，步骤二中，
所述特征频段包括所有敏感特征频段；
获取所述特征参量与运行温度之间关系的方法包括：选择tanδ频域谱在特征频段内的积分得到的特征参量，或者，选择电容实部或电容虚部频域谱在特征频段内的积分得到的特征参量；
其中，所述特征频率点fT为末端频率点f2。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的评估高压套管内部最高温度的方法的试验装置，其用于温升试验时绝缘特性曲线和温度监测，其特征在于，包括：套管、穿心式升流器、电流互感器、试验油箱、隔离开关、导杆连接件、升高座、热电偶、温度巡检仪以及绝缘诊断仪；
其中，试验所用套管包括至少两支，两支所述套管的两端分别通过导杆连接件对接形成串联电路，电流互感器设置在该串联电路中，在各所述导杆连接件上分别设置有第一隔离开关和第二隔离开关，两支所述套管的变压器侧均通过升高座设置在所述试验油箱中；
第一支套管与绝缘诊断仪连接，所述绝缘诊断仪用于为第一支套管进行绝缘性能测试；
第二支套管的各孔中分别设置一所述热电偶，各所述热电偶均与所述温度巡检仪电性连接；
第二支套管穿过穿心式升流器，所述穿心式升流器用于为温升试验回路施加电流；
其中，施加电流预设时间后按照温度测量方法和绝缘性能测试方法进行测量。
9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于，进行温度测量方法包括：
S1、分别将第一隔离开关和第二隔离开关闭合；
S2、通过所述穿心式升流器对温升试验回路施加预设时间的指定电流；
S3、采用所述温度巡检仪对各测量点的温度进行监测并记录。
10.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于，进行绝缘性能测试方法包括：
S01、将温升试验回路中的电流降至零，分别将第一隔离开关和第二隔离开关断开；
S02、采用所述绝缘诊断仪对第一支套管进行绝缘性能测试并记录；
S03、测试结束后立即将第一隔离开关和第二隔离开关闭合，将电流升至设定值。
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