绝缘纸板干燥过程微水分扩散模型的建立及应用.pdf

44卷第7期
Vol 44 No. 7
2007年7月
绝缘纸板干燥过程微水分扩散模型的建立及应用
李万全
(重庆三映学院,重庆404000
摘要:介绍了绝纸板微水分检测系统,提出了绝線纸板内部微水分扩敞及水分分布算法,并对于燥动力学规律
进行了分析研究
关纏词:绝缘纸板;微水分;扩散;模型
中图分类号:TM401.1文献标识码:B
文章编号:1001-8425(2007)07-0025-05
Establishment and Application of Moisture Diffusion Model
in Pressboard Drying Process
LI Wan-quan
(Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China)
Abstract: A moisture detection system for pressboard is introduced. The algorithm for
moisture diffusion and moisture distribution in pressboard is presented. The drying dy-
namic law is analyzed and researched
Key words: Pressboard; Moisture Diffusion; Model
引言
燥条件下的脱水能力,也是制定合理的干燥工艺的
重要参数之一。文中针对绝缘纸板的一维扩散方程,
绝缘纸板是大型电力变压器的主要绝缘材料,给出了绝纸板内部水分分布的计算公式。然后介
其含水量对变压器的性能、可靠性及使用寿命影响绍了试验条件下的绝缘纸板干燥检测过程,并利用
很大。因此,应对绝缘纸板进行真空干燥,使纸板含一维扩散方程对干燥过程微水分的分布进行计算,
水质量分数低于0.3%。介电测量技术是目前已得到以确定产品于燥工艺是否合理。研究结果有助于深
广泛应用的无损检测测量技术。含有水分的绝缘纸人了解纸板的十燥特性,进一步认识十燥过程中纸
板在外电场作用下会发生极化,在交变电场中发生板内部水分的护散机理和脱水能力。
介电损耗,利用绝绿纸板这种电介质中所含水分对
介电常数和损耗率的影响,通过电容传感器确定欢2微水分测量系统
分含量与介电特性之间的关系,就可达到绝缘纸板2.1微水分测试系统组成
干燥过程中在线检遡的目的。
在线检测绝缘纸板微水分测量系统主要由电容
变压器绝缘纸板在干燥过程中,其内部的水分式微水分传感器、温度传感器、正弦驱动源、调理电
分布会由于自身的几何特征、初始条件及边界条件路、数据采集卡、微机及相关算法软件构成。如图1
的不同而有所不同。对水分扩散过程的研究将有助所示。
于对变压器干煤过程进行合理控制,但目前国内外
温度传感器测量干燥环境温度以补偿温度对绝
对于纸板内部水分扩散机理的研究还很少。单传感缘纸板介电特性及物理特性的影响叫,干燥温度不
器检测试验研究主要描述干燥过程中绝缲纸板的同或波动时都会影响传感器的输出值。正弦驱动信
平均含水率的变化情况。要进一步分析和再现绝缘号源提供幅值为5的正弦驱动信号,其频率选择
纸板内部的水分扩散过程,需要确定绝缘纸板内部要考虑含水分的绝缘纸板在交变电场作用下界面极
水分的有效扩散系数,因为它反映了物料在一定干化的弛豫时问,选择低频驱动电压较为适宜,试验采
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变器
等44
蔽层接地,内屏蔽层接驱动电压V,这种驱动屏蔽
数摒处
方式大大减少变化的环境温度和外界于扰对V。的
电容式微水分传感器
显示水分
影响,且便于信号较长距离传输。
集成数据
由于驱动电极和感应电极间电场的穿透深度与
正弦驱动
采集卡
两电极间的距离成正比,与驱动信号的频率无关。
信号源
则电场强度沿电极平面外法向约呈负指数函数关
温度
系衰减,其穿透深度可达电极中心距的2/52。电容
传感器
调理电路
霽两电极的距离越远,其电场的辐射范围越大,则传
图1微水分測量系統框图
感器的穿透深度越大,但此时电容量减小,灵敏度也
Fig1 Frame diagram of moisture detection sstcm
随之下降
用1Hz的正弦驱动电压。
传感器的驱动电极由一定频率的止弦电玉驱
由电容式微水分传感器返回的感应电压信号被动。产生的边缘电场穿过被测绝缘材料后被感应电
送到调理电路,经过滤波放大,去除主要的T频干极接收,由感应电极结合已知的负载阻容网络就可
扰,得到感应电压信号与驱动电压信号。此外,它还以得到高阻抗的测量电压信号。通过测试软件计算,
要把温度传感器AD590的输出电流转换为摄氏温得到测量信号电压的幅值增益M以及相位角∞,从
度电压。这些电压信号通过数据采集卡送入微机进而可得被测对象的介电常数e和电率,标定后
行数琚处理
可以求出对应的水分含量。
2.2电容式传感器工作原理
本文中采用边缘场电容传感器介电检测技术遊3绝缘纸板的水分扩散规律
行绝缘纸板微水分含量的尢损测量。边缘场电容传
处于外界水分长期稳定环境中的变压器绝缘纸
感器与常用的平行板电容器或者同轴圆柱形电容传板,其水分分布是均匀的,当绝缘纸板的外界水分边
感器的设计原理相同,都是通过电力线穿过被检测界条件发生改变时,就会破坏原来的平衡状态,这时
材料,获得由两电极间填充材料的介电性能、电极和也就会发生水分的转移现象。这种转移只有在外界
检测材料几何尺寸确定的电容和电导。边缘场咆容环境重新稳定一段时间后オ会停止,此时的绝缘纸
器可以通过展开平板电容器两电极得到,即电容的板与外界环境处于新的水分平衡状态下。
驱动电极板和感应电极板置于同一平面内。电容式
对于变压器中使用的绝缘纸板,各表面都与外
微水分传感器由个相同的边缘场电容传感器组界接触,并进行水分交换,但由于纸板的厚度远小于
成,两者串联起来构成交流电桥的两个,其中一个其他尺寸,所以纸板中的水分交换主要在两侧大平
用以测量纸板,称为测量电容器C1,而另-一个测量面上进行,其厚度方向上的水分交换量也远大于四
周围的空气,可称为平衡电容器C2,如图2所示。
周,如果忽略周的水分交换,就可以将其水分交换
过程简化为一维问题,如图3所示。可利用Fick第
定律对扩故过程的水分变化规律进行求解。
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图3绝缘纸板的一维水分扩散
图2电容式传感器原理图
Fig 3 One-dimensional moisture diffusion
Fig 2 Diagram of capacitor sensor
of pressboard
交流驱动信号V通过同轴线缆接到测量电容
绝缘纸板由多层很薄的纸张压制而成,纸张是
器C1的一极,C2的一极接地,C1、C2的另一极连在
种由非均质管状细胞构成的毛细管多孔有限膨胀
起,得到测量信号Vm,通过驱动传输方式由双层屏胶体,在纸板内部、纸张与纸张的结合部有大量的结
蔽同轴线缆引出,经系统中的跟随器缓冲后送回构缺陷存在,如空穴。纸板中的水分即包含在多种不
电压V,V、和V。的幅值、