CN101957423B - 一种高压油纸绝缘特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种高压油纸绝缘特性研究试验装置。可针对换流变压器运行经常出现的故障位置，模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；可实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验，进而能够得到换流变压器主绝缘的局部放电特性和击穿特性。

Description

一种高压油纸绝缘特性试验装置

技术领域

本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种高压油纸绝缘特性研究试验装置。

背景技术

随着我国直流线路的增多和±800kV直流输电工程的建设，和直流有关的研究项目越来越受到关注。已有工程经验和统计结果表明：高压直流输电系统中，换流变压器、套管等众多关键一次设备的绝缘问题是制约设计和引起现场事故最主要的因素。CIGRE高压直流分委会WG B4.04工作组统计结果表明：高压直流输电系统设备事故率是交流系统的2倍以上。

我国葛上工程中第一批次换流变压器主绝缘试验中多次出现阀侧绕组、引线、分接开关等多个部位的绝缘问题，在后续运行过程中也多次出现绝缘问题。在我国南方电网公司的“云广±800kV直流输电工程”的首台换流变压器由西门子公司负责生产制造，国家电网公司的“向上±800kV直流输电工程”的首台换流变压器由ABB设计制造。西门子、ABB和西门子在换流变压器制造领域处于国际最领先的水平，但在西门子、ABB首台±800kV换流变试验过程中均出现了绝缘故障。国内外在交流叠加直流条件下缺乏深入研究是导致事故主要的因素。

在交流绝缘设计领域，初期的绝缘性能的研究主要在大量模型工频、冲击击穿试验的基础上进行。在基于试品击穿试验的研究过程中，通过对不同油隙下油纸绝缘击穿特性的研究提出了伏-距理论。但由于变压器绝缘系统相当复杂，伏-距理论对许多击穿现象无法作出合理的解释。随着人们对局部放电现象认识的深入，在1962国际大电网会上，局部放电的测量和理论得到了更为深入的研究，进而形成了统一的局部放电测量方法。在变压器绝缘设计领域，从击穿电压控制过渡到控制局部放电起始场强控制的绝缘设计，大大提高了变压器绝缘系统可靠性。

中国发明申请200810233094.1提供了一种电-热-机械应力三因子联合老化的试验装置和试验方法，所述试验装置，包括电热老化箱，电热老化箱内设置有变压器油纸绝缘模拟装置、振动装置和用于控制电热老化箱内温度的温度控制装置，所述振动装置能带动变压器油纸绝缘模拟装置振动，变压器油纸绝缘模拟装置与高压电源电连接；所述试验方法包括将绝缘纸真空干燥、真空浸油后贴于试验装置不锈钢箱体内的地电极上，在绝缘纸及地电极外面缠绕线圈作为高压电极，并向不锈钢箱体内注入绝缘油；将高压引线与高压电源接通，并开启振动装置；对绝缘纸、绝缘油间隔取样，测定绝缘老化参数。该装置使用穿墙套管将高压引入密闭老化装置内；电极引入通过穿墙套管，体积较大；老化箱对外无其他接口，不能进行试品内部油样的在线滤油处理；被试品内部密封，仅依靠老化箱的密封实现，不能保证试品内部的密封效果。

中国发明申请200810233095.6提供一种用于局部放电检测的一体化试验装置，包括电热老化箱、试品电极系统和高压交流电源系统，试品电极系统设置于电热老化箱内并与高压交流电源系统连接，还包括局部放电信号采集系统，所述局部放电信号采集系统包括局部放电信号传感器、信号传输电缆和数据采集处理装置，局部放电信号传感器的输入端与试品电极系统连接，输出端通过信号传输电缆和数据采集处理装置连接；本发明的试验装置能采集油纸绝缘电热老化过程中的局部放电参量，为变压器油纸绝缘电热老化研究提供数据，在此研究基础上可进而实现对变压器油纸绝缘电热老化状态的在线监测。该装置属于在“200810233094.1”发明装置外围增加了在线测量装置，也存在无法对被试品状态进行连续在线的滤油处理，试验过程中无法保证密封性能。而在现代绝缘设计领域，被试品环境条件入湿度、含水量、介损、颗粒度等关键参量与试验性能密切相关，并且是至关重要的。

在直流绝缘设计领域，难以通过交、直流局部放电考核绝缘可靠性。以典型的±800kV换流变压器为例，换流变阀侧绕组主分接交流电压170/√3kV，阀侧对地直流电压为800kV，直流分量远高于交流分量。阀侧绕组交流长时感应耐压试验电压最高180kV，而直流长时外施耐压试验电压1270kV。因此，由于在换流变试验过程中无法模拟交流叠加直流这一实际工况，交流局放试验电压低，难以发现油纸主绝缘系统中可能存在的缺陷，而直流局放试验对反应绝缘缺陷不灵敏，换流变阀侧绝缘缺乏有效考核手段是绝缘事故率高的最主要的因素。因此，需要对交流叠加直流条件下的绝缘特性进行研究，进而探讨有效考核绝缘特性的方法和手段。

发明内容

本发明的目的主要克服上述缺陷提供一种高压油纸绝缘特性试验装置，包括不锈钢实心导杆、环氧树脂盖板、垂直定向环、耐酸芯棒、可拆卸式高压电极、试品、接地电极、进油口及出油口、挡板、油桶、可拆卸式球板高压电极、可拆卸式针板高压电极、可拆卸式平板高压电极和可拆卸式悬浮电极，所述垂直定向环固定于环氧树脂盖板上，不锈钢实心导杆通过垂直定向环固定于环氧树脂盖板上，并与环氧树脂盖板保持垂直角度，耐酸芯棒上部通过加固螺帽固定于环氧树脂盖板上，下部通过加固螺帽固定于接地电极上，可拆卸式高压电极通过螺纹与不锈钢实心导杆相连，试品根据其具体的形状特征，采取不同方式固定在接地电极上，进油口及出油口、挡板直接粘接在油桶上；

所述不锈钢实心导杆的表面经过精细打磨光滑，用于高压电压的引入；

所述环氧树脂盖板与垂直定向环配合，用于固定不锈钢实心导杆；

所述垂直定向环，为金属圆环柱体结构，侧面开口约2mm，可通过螺栓调节开口大小，调节内环直径，进而起到固定高压导杆的作用，垂直定向环通过螺栓固定在环氧树脂盖板上；

所述耐酸芯棒，用于固定环氧树脂盖板，进而固定不锈钢实心导杆，耐酸芯棒具有较高的抗压、抗张强度，从而使得不锈钢实心导杆头部的尺寸在该装置紧固后不会发生明显的偏移；

所述可拆卸式高压电极，可以是各种不同尺寸、结构和形状的电极；

所述试品，可根据试验需要更换成不同的尺寸、结构和形状的试品；

所述接地电极，是不锈钢平板结构，表面经过精细打磨，底部有接地螺栓；

所述挡板，采用亚克力材料制造，固定于装置的底部，用于防止油流直接冲击试品6；

所述油桶，采用透明的亚克力材料制造，具有耐高温、绝缘性能好的特性。

其中，所述可拆卸式高压电极是不同尺寸的平板电极、针电极、球电极。

其中，所述油桶可进行气密封，用于在真空状态下进行试验。

其中，所述油桶还连接有抽真空装置，用于对油桶抽真空。

本发明还提供了一种变压器油纸绝缘特性试验方法，使用上述的装置进行。

其中，可针对换流变压器运行经常出现的故障位置，模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验，进而能够得到换流变压器主绝缘的局部放电特性和击穿特性。

其中，不锈钢实心导杆与可拆卸电极为螺纹对接结构，通过更换不同的电极，实现模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；通过在“不锈钢实心导杆”上施加不同性质的试验电压，实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验

所述可拆卸式高压电极及固定装置可快速实现电极更换，精确调整电极间距，所述电极间距的精确调整主要通过使用高精度塞尺和螺旋测器配合实现；根据需要的电极尺寸，选择不同厚度的塞尺进行组合，最后通过螺旋测微器定量测量塞尺组合的厚度，安装过程中使用定量的塞尺组合限定间隙距离。

本试验装置原理图如图1所示，其主要组部件及联接方式如下：

1——不锈钢实心导杆，表面经过精细打磨光滑，主要用于高压电压的引入；

2——环氧树脂盖板，主要与3配合，用于固定高压导杆1

3——垂直定向环，为金属圆环柱体结构，侧面开口约2mm，可通过螺栓调节开口大小，调节内环直径，进而起到固定高压导杆1的作用。垂直定向环3通过螺栓固定在环氧树脂盖板2上。

4-耐酸芯棒，主要用于电力系统线路复合绝缘子内部，在本装置中起着固定环氧树脂盖板2的作用，进而固定高压电极。耐酸芯棒具有抗压、抗张强度高的特点，因此有效保证了本装置的整体受力强度，进而保证高压电极头部尺寸在装置紧固后不会发生明显的偏差。

5——可拆卸式高压电极，图中为平板电极，可根据需要更换成不同尺寸的针、平板、球及各种特定结构的电极

6——试品，根据试验需要更换成不同的结构。

7——接地电极，为不锈钢平板结构，表面经过精细打磨，底部有接地螺栓

8——进油口及出油口。

9——挡板，采用亚克力材料，固定于底部，可防止油流直接冲击试品。

10——油桶，采用亚克力材料，具有耐高温、绝缘性能好、透明易观测等优点。

本发明技术方案的优点是：

1、采用本发明中的试验装置，可针对换流变压器运行经常出现的故障位置，模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；可实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验，进而能够得到换流变压器主绝缘的局部放电特性和击穿特性。

2、可拆卸式试验电极及固定装置快速实现电极更换，精确调整电极间距，实验既能实现不断重复验证，同时又节省了资源，保护了环境。

3、因为直流电压下油纸电位分布按照体积电阻率分布，而电阻率受外界因素影响会不断变化，设计的试验油桶可以实现真空密闭，这就保证了试验不受外界因素的影响，得到确实可靠的试验数据。另外，有机玻璃材料保证了全程能够观察到实验过程，而油桶上设计的两通道方便变压器油进出，便于变压器油的处理传输。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的试验装置原理图。

图2是典型针板试验模型图。

图3是直流击穿电压预预加交流电压的关系图。

图4是交流击穿电压与预加直流电压的关系图。

图5示出了不同预加电压对击穿特性的影响。

图6是球-板电极下油纸绝缘局部放电连接图。

图7是针-板电极下油纸绝缘局部放电连接图。

图8是板-板电极下油纸绝缘局部放电连接图。

图9是悬浮放电试验连接图。

图10是悬浮放电电极具体解析图。

图11是沿面放电电极下的油纸放电试验连接图。

图12是沿面放电试验电极具体解析图。

具体实施方式

电极材质的选取：模型击穿过程中，较大的电流从装置中流过，可能在电极表面产生烧蚀，影响电极表面粗糙度或尺寸，进而影响使用结果。装置从以下两方面采取措施，解决了电极表面烧蚀问题：一是对试验回路进行改进，采用限流电阻、串联电容等方式，通过理论计算，将试验短路时的瞬态电流峰值控制在70A以内。另一方面在材质选用上进行了探索，主要结论如下：

(1)对于平板电极，平板面积大，散热好；多次击穿试验结果表明：击穿后绝缘介质分解，产生固体分解物附着于电极表面，但不会造成电极本身明显损伤，可以采用普通不锈钢材质。

(2)对于球形电极，采用不锈钢电极时，多次击穿可能出现烧蚀现象。改进后采用黄铜电极，一方面黄铜熔点相对较高，热传导性能更好，基本解决问题。

(3)对于针型电极，尖端直径＞0.1mm时可采用黄铜电极，尖端直径＜0.1mm时应采用熔点更高的钨作为原材料。

试验电极模型固定支架材质的选取：图1所示的三根绝缘支架的选取也是本装置的关键之一。因绝缘支架主要有2个重要的功能，一是作为绝缘介质，将高、低压电位分离，需要能承受交流、直流电压的共同作用，绝缘性能的差异直接决定了装置的轴向尺寸。另一主要功能是对模型结构进行支撑，需要绝缘材料在高温(100°)下仍能保持优异的绝缘性能，大部分绝缘材料做成直径＜2cm的芯棒后，在高温下很难保持原有的刚度，易造成尺寸偏差，严重影响试验结果。本装置采用环氧树脂材质制造，其不仅具有良好的介电性能，分子量小，分子结构致密等特点使其具有加工工艺好，力学性能高，收缩率小，稳定性佳，耐热温度高达150℃的优良特性。使试验研究免受不必要因素的影响，得到更真实可信的实验结论。

试验油桶的选材及设计：传统高压设备普遍采用金属油箱，通过高压套管引入高压电源。传统金属油箱结构的优点是技术成熟、稳定可靠，但存在以下几个方面的缺点：

(1)造价高，因本装置主要用于开展交流、直流及复合电压条件下的绝缘试验，一只300kV交直流特殊试验套管价格超过100万元；

(2)尺寸大，一只300kV高压交直流特殊试验套管尺寸可能超过3米，油箱本体尺寸也接近2米，整体尺寸超过5米。

(3)操作复杂，试验过程中需要频繁更换试品，采用金属油箱结构时，常规设计普遍高压从顶部出线，侧部开窗的形式。更换试品过程中需将油整体抽出，打开和安装密封圈等操作复杂。

(4)试验不易观测，因油箱结构不透明，即使采用观察窗，但仍需在光线充足的前提下靠近观察窗进行观测。观测不方便，且不安全。

本装置在设计过程中选用亚克力有机玻璃材料进行加工，亚克力有机玻璃材料本身具有绝缘性能好、耐热、机械强度高、透明、耐油等优点。造价便宜，尺寸小，易于观测，设计成箱盖式结构后操作也极为方面。

以针板条件下绝缘油击穿特性为例，采用图1中的试验装置，构造图2所示典型针板结构试验模型。

在模型上同时施加交流、直流合成试验电压，测量击穿特性。试验过程中，首先施加固定分量的交流电压，再逐步增加直流电压直至试品击穿。试验结果如图3所示；首先施加固定分量的直流电压，再按逐步序增加交流电压至试品击穿，试验结果如图4所示。

将图4中试验结果进行逆变换，可以得到图5所示试验结果。在绝缘设计领域，普遍认为，油质绝缘击穿主要受电场强度影响。在预加不同电压时，绝缘击穿时的电场强度应该一致。但从图7中可以看出，在同一直流电压下，预加交流电压下的模型击穿电压较预加直流条件下约高8％。因此，预加电压对交直流击穿强度有明显影响。这一结论在国内外还未相关报道，对直流条件下的绝缘试验、绝缘考核具有重要指导意义。

本单位使用本发明中的试验装置，开展了针板、球板、平板典型电极以及悬浮放电、局部放电等绝缘特性试验试验研究，后续还将开展典型结构绝缘特性试验等，已取得大量珍贵、具有原创性、创新性的研究成果，本发明中试验装置的研制具有重要意义。

实施例

下面以研究油纸绝缘在交直流复合电压作用下的局部放电特性为例给出发明中各典型电极的具体应用情况。

1、球板电极下的油纸局放研究

图6给出了交直流电压下球板电极间油纸绝缘的局部放电连接图，其中，11为球板电极结构，其中球形电极直径为20mm采用不锈钢材料，地电极为不锈钢制直径280mm，厚度10mm的板型电极。

如图6所示，本实用新型所述试验装置的各部件均置于油桶10中，在使用时需要在本实用新型的试验装置的外部连接有一些外围部件，包括：一滤油机、一示波器和一电源系统、一耦合电容Ck和两个用于试品及试验回路局部放电信号检测的检测阻抗Zm。上述外围部件与本实用新型试验装置的连接结构为：将本试验装置的各部件均安装至油桶10内，将滤油机连接在位于油桶侧壁上的进、出油口8之间；该试验装置的高压导杆1的上端并联有一AC电源系统和一电容Ck，AC电源系统的另一端接地，两个传感器Zm分别具有三个接线端分别为输入端、输出端和接地端：第一个传感器Zm的输入端与电容Ck的尾端相连、其接地与AC电源系统的接地端相连、其输出端与示波器相连；第二个传感器Zm的输入端与该试验装置内的接地电极7的下端相连接、其接地端与AC电源系统的接地端相连、其输出端与示波器相连。其中，AC电源系统、电容Ck、第一个传感器、示波器与该试验装置构成第一路测试电路，当试品出现放电信号时，通过示波器显示出来。AC电源系统、第二个传感器、示波器与该试验装置可构成第二路测试电路，当试品出现放电信号时，同样可以通过示波器显示出来。这两路电路的作用均用于测试放电信号，只是实现的方式不同，第一路测试电路是通过电容耦合实现，而第二路通过耦合接地电极7末端的电流信号实现，在使用时可将这两路检测回路同时使用。

试验中试品为变压器油和绝缘纸板结构，油为25#变压器油，经滤油机处理后耐压值可高达60kV以上，微水含量值＜10ppm，试验时浸没电极形成封闭空间模拟换流变压器内部；绝缘纸板为变压器内专业使用绝缘纸板，试验前采取真空浸油预处理：在65℃下干燥72小时，再将温度升高到105℃干燥72小时，最后经过高温72小时真空浸油处理，以保证纸板充分干燥。

在电极固定方面，因为垂直定向环固定在环氧树脂盖板上，地电极也通过螺母固定在环氧底板上，而不锈钢导杆和电极上的螺纹设计既能确保电极间距固定不变，又可以方便电极模型的更换。另外垂直定向环实现了调节电极间距的功能，方便试验进行同种电极不同间距的研究。

在局放连接图中，交、直流电源系统可以实现两电源互不干扰，独立可调，在试品上施加不同分量的交、直流分量。Ck为数值为500pF并联在试品两端的耦合电容，试品通过测量阻抗Zm串联接地，并将放电信号传递到局放分析仪上。

2、针板电极下的油纸局放研究

图7为针板电极下局放试验连接线路图，其中，1为针板电极模型，其中针尖电极采用耐高温的钨丝材料，可以保证电极在每次试验时，不会因为由冲击引起的电火花而烧坏变形，直径分别为0.5，0.2，0.1三组。

3、板板电极下的油纸局放研究

图8为针板电极下局放试验连接线路图，图中1为板板电极模型，其中高压板电极，材料为不锈钢，厚度10mm，平面为直径50mm的圆。具体电路连接如上例球板模型一致。

4、悬浮放电电极下的油纸放电研究

图9为悬浮放电电极下的油纸放电试验连接图，悬浮放电电极的具体解析见图10所示。其中高压板电极，材料为不锈钢，厚度10mm，平面为直径50mm的圆。具体电路连接如上例球板模型一致。

图10中，1为绝缘纸板，三角形形状的铜制悬浮电极3置于纸板上，可根据不同情况调整距离，高压板电极，地电极4和悬浮电极3构成了悬浮放电电极模型；

5、沿面放电电极下的油纸放电研究

图11为沿面放电电极下的油纸放电试验连接图，其中的不锈钢沿面放电电极，设计为同心圆环的形状，外圆半径和内圆半径分别为250mm和150mm。在内圆上突出的半圆部分半径为50mm，详见图12。高压板电极与沿面放电电极置于绝缘纸板上构成了沿面放电电极模型。具体电路连接如上例球板模型一致。

本装置的社会效益主要体现在：现阶段，国内外关于交流条件下的变压器绝缘设计已经有成熟的经验，但在直流绝缘特性领域，研究较为薄弱，换流变压器等大型设备事故率高。本单位现承担国家电网公司科技项目“高压直流条件下油纸主绝缘特性研究”(项目资助号GHZ200814)，本发明涉及的装置已在该项目中成功使用。并发现了众多国内外还没有报道过的创新性研究成果。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (7)

1.一种高压油纸绝缘特性试验装置，包括不锈钢实心导杆（1）、环氧树脂盖板（2）、垂直定向环（3）、耐酸芯棒（4）、可拆卸式高压电极（5）、试品（6）、接地电极（7）、进油口及出油口（8）、挡板（9）、油桶（10），其特征在于：

所述垂直定向环（3）固定于环氧树脂盖板（2）上，不锈钢实心导杆（1）通过垂直定向环（3）固定于环氧树脂盖板（2）上，并与环氧树脂盖板（2）保持垂直角度，耐酸芯棒（4）上部通过加固螺帽固定于环氧树脂盖板（2）上，下部通过加固螺帽固定于接地电极（7）上，可拆卸式高压电极（5）通过螺纹与不锈钢实心导杆（1）相连，试品（6）根据其具体的形状特征，采取不同方式固定在接地电极（7）上，进油口及出油口（8）、挡板（9）直接粘接在油桶（10）上；

所述不锈钢实心导杆（1）的表面经过精细打磨光滑，用于高压电压的引入；

所述环氧树脂盖板（2）与垂直定向环（3）配合，用于固定不锈钢实心导杆（1）；

所述垂直定向环（3），为金属圆环柱体结构，侧面开口约2mm，通过螺栓调节开口大小，调节内环直径，进而起到固定高压导杆（1）的作用，垂直定向环（3）通过螺栓固定在环氧树脂盖板（2）上；

所述耐酸芯棒（4），用于固定环氧树脂盖板（2），进而固定不锈钢实心导杆（1），耐酸芯棒（4）具有较高的抗压、抗张强度，从而使得不锈钢实心导杆（1）头部的尺寸在该装置紧固后不会发生明显的偏移；

所述可拆卸式高压电极（5），是可拆卸式球板高压电极（11）、可拆卸式针板高压电极（12）、可拆卸式平板高压电极（13）或可拆卸式悬浮电极（14）；

所述试品（6），根据试验需要更换成不同的尺寸、结构和形状的试品；

所述接地电极（7），是不锈钢平板结构，表面经过精细打磨，底部有接地螺栓；

所述挡板（9），采用亚克力材料制造，固定于装置的底部，用于防止油流直接冲击试品（6）；

所述油桶（10），采用透明的亚克力材料制造，具有耐高温、绝缘性能好的特性。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述可拆卸式高压电极（5）是不同尺寸的平板电极、针电极、球电极。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述油桶（10）进行气密封，用于在真空状态下进行试验。

4.如权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：所述油桶（10）还连接有抽真空装置，用于对油桶（10）抽真空。

5.一种变压器油纸绝缘特性试验方法，其特征在于使用1-4任一项权利要求所述的装置进行。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于使用1-4任一项权利要求所述的装置，可针对换流变压器运行经常出现的故障位置，模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验，进而能够得到换流变压器主绝缘的局部放电特性和击穿特性。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于不锈钢实心导杆（1）与可拆卸式高压电极（5）为螺纹对接结构，通过更换不同的电极，实现模拟球-板，针-板，板-板，沿面，悬浮放电电极模型；通过在“不锈钢实心导杆”上施加不同性质的试验电压，实现直流电压、交流电压和交直流电压下典型的高压油/油纸绝缘实验，

所述可拆卸式高压电极（5）及固定装置可快速实现电极更换，精确调整电极间距，所述电极间距的精确调整主要通过使用高精度塞尺和螺旋测器配合实现；根据需要的电极尺寸，选择不同厚度的塞尺进行组合，最后通过螺旋测微器定量测量塞尺组合的厚度，安装过程中使用定量的塞尺组合限定间隙距离。

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