变压器绝缘层压板干燥过程微水分检测
第４６卷第１期妻偿ｖｏＩ４６Ｎｏ．１２００９年１月ＴＲＡＮ，．§ＦＯＩ？ＪＩＥＲＪａｎｕａｒｙ２００９变压器绝缘层压板干燥过程微水分检测
李万全
（重庆三峡学院，重庆４０４０００）
摘要：介绍了电容传感器的工作原理，对传感器介电测试信号与被测纸板水分百分含量之间的关系进行了统计处理，建立了干燥过程微水分含量的计算公式。
关键词：变压器；绝缘层压板；微水分；模型
中图分类号：ＴＭ４０６文献标识码：Ｂ文章编号：１００ｌ一８４２５（２００９）０１－００２２－０５ＭｏｉｓｔｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＰｒｅｓｓｂｏａｒｄＤｒｙｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ
ＬＩＷａｎ－ｑｕａｎ
（ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０４０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅｎｓｏｒｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｉｇｎａｌａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｐｅｒｃｅｎｔｏｆｐｒｅｓｓｂｏａｒｄｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．‘
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；Ｐｒｅｓｓｂｏａｒｄ；Ｍｏｉｓｔｕｒｅ；Ｍｏｄｅｌ
１引言
绝缘层压板是变压器的主要绝缘材料之一，其含水量对变压器的性能和使用安全有很大影响。因此。在变压器生产过程中，通常采用煤油气相干燥工艺进行整体真空干燥。为了掌握生产过程中的干燥情况，需要实时监测绝缘层压板的残留水分。由于绝缘层压板中所含水分对它的介电性能有很大影响，采用电容传感确定水分含量与介电信号之间的关系可以达到实时检测绝缘材料干燥过程的目的。
笔者针对绝缘层压板的结构特点，采用二维扩散方程计算了纸板内部水分分布规律，并利用二维扩散方程对干燥过程中绝缘层压板内部微水分的变化规律进行了计算。
２电容式传感器的近似计算
检测系统主要由电容传感器、温度传感器、正弦驱动源、调理电路、数据采集卡、微机及相关算法软件构成。
笔者采用边缘场电容传感器介电检测技术进行绝缘层压板微水分含量的无损测量。通过电力线穿过被检测材料，获得两电极间填充材料的介电性能和电极、检测材料几何尺寸确定的电容和电导。边缘场电容器可以通过展开平板电容器两电极得到，即电容的驱动电极板和感应电极板置于同一平面内，如图ｌ所示。其穿透深度可达电极中心距的２／５。
图１电容式传感器
Ｆｉｇ．１Ｃａｐａｃｉｔｏｒ辩ｎｓｏｌ＂
传感器的驱动电极由一定频率的正弦电压驱动。产生的边缘电场穿过被测绝缘材料后被感应电极接收，由感应电极结合已知的负载阻容网络可以得到高阻抗的测量电压信号。通过测试软件计算，得到测鼍信号电压的幅值增益肘以及相位角‘Ｄ，从而可得被测对象的介电系数８和电导率ｆｉｒ，标定后可以求出对应的水分含量。
垭鹱 万方数据
第１期李万全：变压器绝缘层压板干燥过程微水分检测２３传感器电极尺寸如图２所示。设电容器单块矩层的边界条件与单层绝缘纸板不同，这种情况下，因形极板的长为Ｚ，宽为ｂ，两极板中心距为口，被测绝其内部各单层纸板的上、下两面均被不透水的胶层缘纸板的介电系数为Ｂ，电极基片的介电系数为８ｂ，覆盖，水分只能从四周散失或吸收，而其厚度方向上假设两电极间的电力线为近似椭圆曲线，则通过积的水分含量梯度基本为零，如图３所示。可利用ｔｉｃｋ分可得有效电容ｃＩ的近似表达式为：扩散定律对扩散过程的水分变化规律进行求解。
ｃｔ。．２．２（８，＋ｅｂ）＇Ｋｏ＇ｌＩｎ（ａ＋２ｂ）（１）
。
１ｆ口
式中Ｋ广考虑极板形状特征及其基片的介电特
性等因素的修正系数
图３绝缘层压板的二维水分扩散示意图
Ｆｉｇ．３Ｔｗｏ
ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗａｔｅｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎｄｉａｇｒａｍｉｎ
ｐｒｅｓｓｂｏａｒｄ
圈２传感器电极尺寸示意图
Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅｉｎｓｅｎｓｏｒ
同理．若湿绝缘纸板的电导率为氓，电极基片
的电导率为叽，假设电极与绝缘纸板表面接触良好，则该纸板的有效电导Ｇ；可用下式近似表达为：ｃ。。兰：型型型丛！：Ｌｌｎ（堕堡）（２）式中Ｋ，——考虑极板形状特征及其基片的电导特
性等因素的修正系数
如果考虑电极极板与被测材料之间有一绝缘层，这相当于串接了两个平板电容器。若该层的介
电常数为岛，厚度为函，该绝缘层的电容ｃｉ应为：ｃ．＝芈（３）ｄｉ
则驱动电极与感应电极之间的总导纳ｌ，可表示为：
ｙ；２．．２（ｊｔｏＣ＋Ｃ、）ｊｔｏ．Ｃ一（４）
‘
ｊｗ（Ｃ＋２Ｃｉ）＋Ｇｉ、…式中ｎ卜驱动电压角频率
３干燥过程二维扩散数学模型
处于外界水分长期稳定的环境中的变压器绝缘纸板的水分分布是均匀的，当绝缘纸板的外界水分边界条件发生改变时，就会破坏原来的平衡状态，这时也就会发生水分的转移现象。这种转移只有在外界环境重新稳定一段相当长的时间后才会停止，绝缘纸板也就与外界环境处于新的水分平衡状态下。
绝缘层压板由多层绝缘纸板粘结构成，内部各３．１二维扩散数学模型的建立
对于绝缘层压纸板而言，其裸露的上、下表面的水分扩散规律可以用一维扩散方程进行描述，差别仅在于沿厚度方向选择的坐标轴原点基准不同，由绝缘纸板的中心截面变为表面层与粘接材料层的结合面。可将上、下表面层视为一个整体统一进行处理，其干燥过程较快，主要对试验的早期结果影响较大，且随着试样层数和厚度的增加，其影响相应减小，但其内部结构与单层绝缘纸板的结构有较大差别。绝缘层压板各纸板层的水分扩散不是在厚度方向上进行的，而是沿长度和宽度方向进行的，其水分的动态分布满足二维扩散方程。
等＝破争也等（５）式中，皿和职为菇和），方向上的扩散系数，针对相应的边界条件采用适当的解法可以求出二维水分分布。
笔者做了５个假设以便于问题的分析：（１）介质内部的水分运动是在水分梯度作用下的液态扩散；（２）忽略干燥过程介质内部的温度梯度，并认为介质在干燥过程中等温；（３）忽略干燥过程中介质的收缩；（４）介质为各向同性均质体；（５）干燥开始介质内部水分和温度均匀分布。
考虑到构成绝缘层压板的单层纸板均由多层很薄的纸张压制而成，组成薄纸的纤维素是随机分布的，其物理化学性能在水平方向上没有明显的方向性。因此，可以认为在外界条件相同的条件下，纸板卅平面上各处的水分扩散系数相同，即Ｄ。＝Ｄｙ。二维扩散方程简化为：
等以ｃ鲁＋等，（６）
设矩形绝缘层压板的长度为知、宽度为２６。单层纸板平面方向建立形坐标系，取单层纸板的几何
中心为坐标原点，四条边的坐标分别对应于Ｘ－－－－ｔｔ、 万方数据
万方数据
第１期李万全：变压器绝缘层压板干燥过程微水分检测２５
窀
涮
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图４绝缘层压板增益与微水分含量曲线
Ｆｉｇ．４Ｃｕｒｖｅｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｇａｉｎｏｆｐｒｅｓｓｂｏａｒｄ
在测试过程中，温度、真空度以及环境的相对
湿度都不是恒定的。干燥环境的变化直接影响到绝
缘材料的干燥速度，从而引起测试信号的幅值和相
位角的测试曲线与典型关系曲线有所不同。表现为
当外界条件发生变化时，曲线会随之发生相应的快
速变化。但曲线在新的试验条件下达到稳定后的变
化趋势仍与原有典型的变化曲线一致，试验数据见
图５。
鲁搬翅靶
趋
辎
磬
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套
篙
时间，ｌｌ
图５绝缘层压板干燥过程中测量的幅值增益、相位角及水分变化曲线
Ｆｉｇ．５Ｃｕｒｖｅｓｏｆａｍｐｆｉｔｕｄｅｇａｉｎ，ｐｈａｓｅａｎｇｌｅａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｄｒｙ?
ｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｅｓｓｂｏａｒｄ
在干燥１３８ｈ后，已观察不到的介电信号的变化，利用介电测量信号计算传感器检测区域的水分含量，计算得到的传感器检测区域水分含量为０．０２８，认为纸板含水量已达到要求，试验终止。经称重法测量，确定层压板的平均水分质量百分含量为０．０３８％，计算值的绝对误差为０．０１％。
采用二维扩散方程（１３）展开式的前九项估算纸板内部的水分分布情况。扩散系数预先经过试验数据标定，对试验终止时水分分布的计算结果见图６。分析表明，绝缘层压板的整体水分含量已达到生产要求，中心区域的水分含量为Ｏ．２０５％，考虑到粘结层的影响，水分含量也低于０．３％，产品质量完全满足工艺要求。根据分析结果，可适当减少干燥时间以缩短生产周期，通过时效作用降低能耗和生产成本。
图６绝缘纸板二维水分分布图
Ｆｉｇ．６Ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎ
ｐｒｅｓｓｂｏａｒｄ
对于长宽比相差较大的绝缘层压板，也可简化为一维水分扩散过程进行水分分布估算。
５结论
笔者对传感器测试信号与被测纸板水分百分含量之间的关系进行统计处理，建立相应的计算公式。同时针对绝缘层压板的水分扩散过程进行了分析，建立了适用于绝缘层压板的二维扩散方程，给出了相应的解析解。通过对公式中的扩散系数进行标定，可获得干燥过程水分分布规律。经试验研究表明，对干燥动力学规律的研究有助于确定合理的生产工艺，提高产品干燥质量及提高生产效率，同时有助于建立真实的干燥过程计算机仿真模型。
参考文献：
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（下转第７０页）
万方数据
万方数据
变压器绝缘层压板干燥过程微水分检测
作者：李万全， LI Wan-quan
作者单位：重庆三峡学院,重庆,404000
刊名：
变压器
英文刊名：TRANSFORMER
年，卷(期)：2009,46(1)
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引证文献(1条)
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本文链接：https://www.360docs.net/doc/5d15247498.html,/Periodical_byq200901008.aspx