溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙性能的影響分析

馬睿陽，江 川

(1.河海大學(xué)，江蘇 常州 213000；2.武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710086)

1 引言

計算機(jī)變壓器是計算機(jī)系統(tǒng)的必要組成部分之一，一般為是自動調(diào)壓變壓器，其內(nèi)部帶有一個自藕調(diào)壓的結(jié)構(gòu)[1]，通過可逆電機(jī)自動調(diào)整電壓，調(diào)整速度快而且不間斷，電壓始終保持在220V左右，容量一般為1000-2000瓦。

在計算機(jī)變壓器的組成中，絕緣紙是極其重要的組成部分[2]。絕緣紙的耐高溫性能是制約變壓器及用電安全的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。計算機(jī)變壓器的耐高溫性能是影響計算機(jī)安全運(yùn)行的重要因素之一，受環(huán)境因素影響較為明顯。因此，有效分析溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響意義重大，對提高計算機(jī)變壓器絕緣紙的使用性能、確保計算機(jī)變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[3]。

一般情況下，分析溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響需建立在對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性的控制約束參量分析基礎(chǔ)上實現(xiàn)，然后結(jié)合對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫測試模型的設(shè)計過程建立實驗驗證模型，完成戶外溫度與計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性的量化分析[4]。

在傳統(tǒng)分析方法中，對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的測試主要采用模糊PID約束控制方法，結(jié)合對變壓器絕緣紙的纖維分布特征進(jìn)行耐高溫性測試，提高量化測試分析能力[5]。但利用模糊PID約束控制方法進(jìn)行戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響建模存在偏差較大和自適應(yīng)性能不好的問題。

針對傳統(tǒng)方法中存在的問題，本文設(shè)計了基于RFID傳感器監(jiān)測及深度飽和控制的計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫測試模型，根據(jù)所構(gòu)建的計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型，以絕緣紙的伸長率、勵磁涌流等為約束參量，分析溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的模糊控制模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建單相變壓器的模擬儲能協(xié)調(diào)控制模型，通過RFID傳感器對變壓器的有效監(jiān)測，對比絕緣紙試樣的伸長率，并在不同纖維素分子聚合度模型中，分析計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能受環(huán)境溫度的影響。最后設(shè)計仿真并分析實驗結(jié)果，證明了上述分析過程在提高計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能測試能力方面的優(yōu)越性能。

2 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型及模糊控制

2.1 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型設(shè)計

為了實現(xiàn)戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能影響的量化分析，首先構(gòu)建計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型，分析電場作用下硫化亞銅(Cu2S)在絕緣紙表面的高溫特性，結(jié)合紙絕緣介電性能下測試方法[6]，進(jìn)行變壓器絕緣紙的高溫性特征分析，得到變壓器絕緣紙材料微觀結(jié)構(gòu)分布能量函數(shù)可以表示為下式形式

(1)

式中，M表示變壓器原油經(jīng)過處理后的磁密，K表示絕緣紙的聚合度，R表示變壓器供電半徑，θ表示變壓器相位角。以反應(yīng)分子動力學(xué)為模板函數(shù)，進(jìn)行變壓器絕緣紙的高溫性傳播衰減分析[7]，得到絕緣紙的劣化作用下的纖維素梯度表面函數(shù)為

(3)

式中，μ表示溫度。

在永磁無刷直流電機(jī)機(jī)組供電過程中，隨著實際電流矢量的變化，電磁耦合模值如下

(4)

變壓器絕緣紙纖維素分子的松弛速率與溫度具有密切關(guān)系，表示為下式形式

(5)

式中，χ表示纖維素分子的松弛速率。

在此基礎(chǔ)上，假設(shè)微纖維素結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)k1，則在500K溫度下，可得到纖維素的晶體形態(tài)分布情況如下

(6)

通過上述模型構(gòu)建，構(gòu)建計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型，以絕緣紙的伸長率、勵磁涌流、電磁暫態(tài)參數(shù)以及單相雙繞組變壓參數(shù)等為約束參量[8]，得到計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型分布如圖1所示。

圖1 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型分布示意圖

2.2 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的模糊控制

結(jié)合上述構(gòu)建的計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型，進(jìn)行計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的模糊控制分析，構(gòu)建目標(biāo)控制函數(shù)，結(jié)合絕緣紙聚合度參照值[9]，計算電樞反應(yīng)下的絕緣紙磁阻特性，可以估算為

(9)

(12)

式(10)至式(12)中，r表示漏磁系數(shù)，z表示非正弦磁密。根據(jù)各個老化階段絕緣紙的聚合度進(jìn)行模糊控制，構(gòu)建計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能與戶外溫度的約束關(guān)系模型[10]。當(dāng)空白組的聚合度數(shù)值最高，表示耐高溫性能越好。

3 絕緣紙用耐高溫性能與戶外溫度的關(guān)系建模

3.1 絕緣紙試樣的伸長率特征分析

在上述構(gòu)建計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，分析溫度與計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能之間的關(guān)系，為此，本研究基于RFID傳感器監(jiān)測及深度飽和控制提出了計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫測試模型。然后采用非飽和區(qū)參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方法測試計算機(jī)變壓器絕緣紙的耐高溫性能，構(gòu)建單相變壓器的模擬儲能協(xié)調(diào)控制模型[11]。假設(shè)在任意時刻t，在環(huán)境溫度的影響下，硫醇對絕緣紙劣化的影響磁通密度為Bg，則可得到絕緣紙劣化的進(jìn)度如下

(13)

式(13)中，kc表示絕緣紙纖維素分子鏈的修正系數(shù)，l表示變壓器絕緣紙長度。在此基礎(chǔ)上，計算緣紙試樣的伸長率特征分量，令ρm、ρw、ρy表示絕緣紙的伸長尺寸與原試樣長度比值的百分率，對比絕緣紙試樣的伸長率，得到溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的分子鏈結(jié)構(gòu)分布為

(14)

式(13)中，μ0表示初始溫度。無定形區(qū)內(nèi)纖維素分子的活性特征可表示為下式

(15)

在不同硫化物濃度下，計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能與溫度的統(tǒng)計關(guān)系模型如下

(16)

變壓器絕緣紙材料在受到應(yīng)力時會產(chǎn)生應(yīng)變，由廣義的胡克定律，得到絕緣紙試樣的伸長率特征分布模型為

(17)

在此基礎(chǔ)上，采用非飽和區(qū)參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能測試[12]，構(gòu)建單相變壓器的模擬儲能協(xié)調(diào)控制模型，從而可有效實現(xiàn)對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫量化的分析。

3.2 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能測試

在上述分析絕緣紙試樣的伸長率特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合RFID傳感器監(jiān)測方法對比絕緣紙試樣的伸長率，在不同硫化物濃度下，得到計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的纖維特征分布模型，將其用計算公式描述可表示為

(18)

式(18)中，Pcu表示維素分子鏈損耗、Ph表示變壓器絕緣紙的機(jī)械損耗，Pb表示固體絕緣材料在受到應(yīng)力是的溫度漢能之和，由此可得到絕緣紙試樣的伸長特征分布為

(19)

通過上述設(shè)計，結(jié)合RFID傳感器監(jiān)測方法對比絕緣紙試樣的伸長率，在不同纖維素分子聚合度模型中分析戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響，得到計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫特征分布的狀態(tài)方程為

(20)

其中

(21)

式(20)和式(21)中，gNa表示纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)的粘滯系數(shù)，αm表示變壓器絕緣紙耐溫性磁密系數(shù)，gL表示無定形區(qū)內(nèi)纖維素分子的活性，h表示空白組的聚合度，αm表示溫度變化的幅值。在不同纖維素分子聚合度模型中分析戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能，由此可得到優(yōu)化的約束函數(shù)表示為

(22)

式(22)中，wp、wv、wc表示權(quán)重系數(shù)，P=Pcu+Ph+Pe+Pb+Pw表示環(huán)境溫度干擾。

根據(jù)上述分析，采用非飽和區(qū)參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能測試，從而實現(xiàn)戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響分析。

4 仿真測試與結(jié)果分析

為驗證上述基于RFID傳感器監(jiān)測及深度飽和控制的計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能測試模型的應(yīng)用效果和分析結(jié)果的有效性，設(shè)計如下仿真。

結(jié)合計算機(jī)變壓器中絕緣紙聚合度分析方法，分析其耐高溫性能。實驗環(huán)境如下：給出計算機(jī)變壓器絕緣紙的初始靜電能量為3000kJ/mol，變壓器的負(fù)荷波動頻率為1200kHz，系統(tǒng)間相互耦合系數(shù)為0.25，纖維素分子彈性模量為200N·m。

計算機(jī)變壓器絕緣紙纖維素的分子鏈模型如圖2所示。

圖2 變壓器絕緣紙纖維素的分子鏈模型

結(jié)合圖2所示的究竟是變壓器絕緣紙纖維素的分子鏈模型，在二芐基二硫(Dibenzyl Disulfide，DBDS)、十六硫醇和DBDS+六硫醇三組模型下，測試戶外溫度的變化幅值與計算機(jī)計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的范德華能量分布關(guān)系，得到結(jié)果如圖3所示。分析圖3所示結(jié)果可知，隨著戶外溫度的不斷變化，計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的范德華能量分布增大。

在此基礎(chǔ)上，測試在溫度不斷變化的情況下，計算機(jī)變壓器絕緣紙的耐高溫溫度，結(jié)果如圖4所示。分析圖4所示結(jié)果可知，DBDS、十六硫醇和 DBDS+六硫醇三組模型下的耐高溫性具有顯著特征，說明利用本文方法能準(zhǔn)確分析戶外溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的關(guān)系，結(jié)合不同硫化物濃度下靜電能量關(guān)系進(jìn)行絕緣紙耐高溫性能測試，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖3 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能與溫度間的范德華能量分布關(guān)系示意圖

圖4 計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的范德華能量分布示意圖

5 結(jié)束語

結(jié)合對變壓器絕緣紙的耐高溫性測試，構(gòu)建絕緣紙的電氣和機(jī)械特性分析模型，在此基礎(chǔ)上，分析溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響，有利于提高計算機(jī)變壓器的使用壽命和使用效果。為此，本研究提出基于RFID傳感器監(jiān)測及深度飽和控制的計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫測試模型，在構(gòu)建計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫飽和區(qū)參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置約束參量，繼而建立溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫的模糊控制模型，采用非飽和區(qū)參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方法測試計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能，從而分析溫度對計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能的影響。經(jīng)實驗研究結(jié)果可知，本文設(shè)計的分析過程能夠準(zhǔn)確分析溫度與計算機(jī)變壓器絕緣紙耐高溫性能之間的關(guān)系，且分析效果理想，應(yīng)用性能優(yōu)越。