CN108226726A - 一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热‑电‑机多应力联合老化实验平台及实验方法。该实验平台包括三种应力模块：热应力模块包括设置在老化试验腔外壁的加热板，能够使得油纸绝缘材料达到指定温度；电应力模块是由电压源和电极组成，能够为油纸绝缘材料提供直流、交流、交流直流复合电压，其中直流、交流电压均能够达到指定电压水平；机械应力模块是由振动台组成，振动台可以提供指定频率和振幅的机械振动。“热‑电‑机”三个模块同时工作时，能够为油纸绝缘材料提供多种应力老化条件，模拟换流变压器内部复杂工况，并且可以对三种应力进行单独调节，有助于分析得到三种不同应力分别对油纸绝缘材料的老化作用。

Description

一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合 老化实验平台及实验方法

技术领域

本发明属于特高压换流变压器油纸绝缘技术领域，具体涉及一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台及实验方法。

背景技术

油纸绝缘材料作为一种优良的复合绝缘材料，因为其绝缘性能优良、廉价，易大量获取，自上个世纪以来一直作为变压器中的主绝缘材料。由于部分变压器运行年数逐渐接近和超过其设计使用寿命，目前已经有大量的关于变压器中的油纸绝缘材料的热老化机理、状态评估和寿命预测的研究。在高压直流输电领域，油纸绝缘材料作为纵绝缘和主绝缘材料广泛应用在特高压换流变压器中。由于特高压换流变压器的运行工况相比于普通交流变压器更为复杂，油纸绝缘材料在换流变运行过程中受到“热-电-机”等多因子联合老化作用，其绝缘性能比单纯的热老化作用下衰减更快。

因此，研究油纸绝缘材料在“热-电-机”联合作用下的老化机理、状态评估和寿命预测等的研究非常关键。目前，已有的老化实验平台只能针对油纸绝缘材料进行热老化或者热电老化实验，鲜有关于对油纸绝缘材料进行“热-电-机”联合老化实验的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台及实验方法，该实验平台结构设计合理，能够实现“热-电-机”联合老化实验；该方法操作简便，过程易控，时间周期可控，成本低，效率高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开的一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，包括振动台和设置在振动台上方的若干个老化试验腔，老化试验腔内灌注有待测试绝缘变压器油，在老化试验腔的顶部设有密封盖，密封盖上设有注油口、注气口、抽气口及减压阀；

在老化试验腔内部设有若干个板-板电极，待测试的绝缘纸设置于板-板电极的两个电极板之间，且板-板电极通过导线与外接的电压源相连；在老化试验腔的侧壁外还设有加热板。

优选地，在加热板外还固定有保温层。

进一步优选地，加热板采用电热丝作为发热材料，云母软板作为绝缘材料进行固定。

优选地，在老化试验腔内壁上还设有分别用于检测温度和真空度的温度传感器和真空传感器。

进一步优选地，温度传感器和真空传感器通过导线连接外接的显示屏，实时反馈老化试验腔内的实验条件参数。

优选地，电压源能够提供指定电压等级的直流、交流或交直流复合电压，且具有短路保护功能。

本发明还公开了基于上述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台的实验方法，包括以下步骤：

1)取待测试的绝缘变压器油及绝缘纸，分别进行预处理；

2)将预处理之后的绝缘变压器油和绝缘纸置于真空油浸腔中进行真空浸油处理；

3)将油浸后的绝缘纸置于老化试验腔内的板-板电极中，然后将老化试验腔抽真空处理，通过注油口将步骤2)处理后的绝缘变压器油注入老化试验腔内直至浸没板-板电极，在注油结束后，通过抽气口对老化试验腔进行抽气处理，然后通过注气口注入氮气进行封存；

4)将老化试验腔安装在振动台上，保证振动时实验平台重心保持在振动台的中心线上；

5)利用加热板对老化试验腔进行加热，使得老化试验腔温度升高到指定温度，打开电压源，对板-板电极施加电压，同时启动振动台对老化试验腔进行振动处理；

6)处理完毕后取出老化试验腔，取出绝缘变压器油和绝缘纸进行油中及纸中的理化、电学相关变化结果分析。

优选地，步骤1)中，对待测试的绝缘变压器油进行预处理，具体操作为：利用抽滤瓶、真空泵和可加热型磁力搅拌器，对于绝缘变压器油进行脱气脱水处理，使绝缘变压器油中水分、气体控制达到指定实验要求；

对待测试的绝缘纸进行预处理，具体操作为：利用鼓风干燥箱，对绝缘纸进行干燥处理，使绝缘纸中水分控制在指定实验要求。

优选地，步骤4)中，将若干个老化试验腔同时安装在振动台上；步骤5)处理完毕后，即在一个老化周期后，停止加压和振动，将一个老化试验腔卸下，然后其余的老化试验腔继续老化过程。

进一步优选地，步骤4)中有五个老化试验腔，五个老化试验腔在振动台上的分布为：中间三个呈一列，两边各一个。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过“热-电-机”联合老化实验平台模拟特高压换流变压器中的复杂工况，该实验平台包括三种应力模块：热应力模块包括设置在老化试验腔外壁的加热板，能够使得油纸绝缘材料达到指定温度；电应力模块是由电压源和电极组成，能够为油纸绝缘材料提供直流、交流、交流直流复合电压，其中直流、交流电压均能够达到指定电压水平；机械应力模块是由振动台组成，振动台可以提供指定频率和振幅的机械振动。“热-电-机”三个模块热应力、电应力及机械应力模块同时工作时，能够为油纸绝缘材料提供多种应力老化条件，模拟换流变压器内部复杂工况，并且可以对三种应力进行单独调节，有助于分析得到三种不同应力分别对油纸绝缘材料的老化作用，对于研究油纸绝缘材料“热-电-机”多应力下的老化机理、寿命预测具有重要指导意义。具体优势如下：

1、老化试验腔作为老化主体结构，是绝缘变压器油和绝缘纸的载体，设计时考虑了特高压换流变压器实际工况及相关实验条件的控制，老化试验腔上表面有多个接口，分别用作真空抽气、注油、注气等过程，老化试验腔上表面有减压阀，在超过指定压强时自动减压；老化试验腔具有小型化特征，方便在振动台上进行同样条件下，不同时间尺度的老化实验；

2、电应力模块的相关设计着重考虑特高压换流变压器中油纸绝缘材料的电场情况，在电极的设计方面，在老化试验腔内部具有多个板-板电极，能够同时对多个油纸绝缘材料进行加压处理；

3、电应力模块的相关设计着重考虑特高压换流变压器中油纸绝缘材料的热场分布情况，因此在老化试验腔的侧壁外还设有加热板，在升温过程中，加热板能够对老化试验腔快速加热到指定温度；

4、振动台能够模拟特高压换流变压器实际工况，能够长时间提供指定频率和指定振幅的正弦振动；振动台具有指定要求的推力，能够同时搭载多个老化试验腔进行老化实验。

进一步地，老化试验腔上表面接入多个传感器，检测内部实验条件，例如温度、真空度等

进一步地，在电源的设计方面，电压源能够提供指定电压等级的直流、交流、交直流复合电压，并且具有短路保护功能。

进一步地，保温层固定在加热板外侧，在老化过程中，可以保证老化试验腔内温度维持在控温精度内。

本发明公开的实验方法，基于上述公开的实验平台，操作简便，过程易控，时间周期可控，成本低，效率高。

附图说明

图1为本发明公开的特高压换流变压器油纸绝缘材料的“热-电-机”多应力联合老化实验平台结构示意图；

图2为本发明公开的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台的老化试验腔内部的板-板电极平面示意图；

图3为本发明公开的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台的振动台及老化试验腔的分布示意图。

其中，1为振动台；2为保温层；3为加热板；4为电压源；5为板-板电极；6为绝缘纸；7为减压阀；8为抽气口；9为注气口；10为注油口。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明公开的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，包括振动台1和设置在振动台1上方的若干个老化试验腔，老化试验腔内灌注有待测试绝缘变压器油，在老化试验腔的顶部设有密封盖，密封盖上设有注油口10、注气口9、抽气口8及减压阀7；在老化试验腔内部设有若干个板-板电极5，待测试的绝缘纸6设置于板-板电极5的两个电极板之间，且板-板电极5通过导线与外接的电压源4相连；在老化试验腔的侧壁外还设有加热板3，在升温过程中，加热板3能够对老化试验腔快速加热到指定温度。

1、老化试验腔作为老化主体结构，是绝缘变压器油和绝缘纸的载体，其结构设计需要考虑特高压换流变压器实际工况及相关实验条件的控制，具体结构设计要点如下：

a.在老化试验腔的顶部设有密封盖，密封盖上设有注油口10、注气口9、抽气口8，本发明所用的接口阀门采用世伟洛克公司出的SS-6BW阀门；

b.在老化试验腔内壁上还设有分别用于检测温度和真空度的温度传感器和真空传感器。温度传感器和真空传感器植入老化试验腔壁内部，并利用电线连接到外界显示屏；

c.老化试验腔上表面有减压阀7，在超过指定压强时自动减压；优选地，减压阀利用波纹管结构进行压强调控；

d.老化试验腔具有小型化特征，方便在振动台上进行同样条件下，不同时间尺度的老化实验；

e.老化试验腔用耐腐蚀钢材，经过相应的切割、打磨、焊接之后，具有较强的抗压性。

2、电应力模块的相关设计着重考虑特高压换流变压器中油纸绝缘材料的电场情况，具体结构设计要点如下：

a.在电源的设计方面，电压源4能够提供指定电压等级的直流、交流、交直流复合电压，并且具有短路保护功能；本发明所用的电压源采用西安弘多电子技术有限公司制造的组合电源；

b.在电极的设计方面，在老化试验腔内部具有多个板-板电极5，能够同时对多个绝缘纸6进行加压处理，且板-板电极5中的电极使用纯铜作为电极材料，且经过打磨光滑处理。

3、在热应力方面，在设计制造多因子联合老化试验腔时，设计着重考虑特高压换流变压器中油纸绝缘材料的电场情况，因此热应力模块的具体结构设计要点如下：

a.加热板3固定在老化试验腔上，在老化过程中，加热板3能够对老化试验腔快速加热到指定温度，优选地，加热板3利用电热丝作为发热材料，云母软板作为绝缘材料进行固定。

b.保温层固定在加热板外侧，在老化过程中，可以保证在高温情况下达到指定控温精度，优选地，保温层利用保温效果较好的聚合物。

4、机械应力模块的相关设计着重考虑特高压换流变压器中油纸绝缘材料的机械振动情况，具体结构设计要点如下：

a.振动台1能够模拟换流变实际工况，能够长时间提供指定频率和指定振幅的正弦振动。优选地，振动台使用航天希尔的振动台系列产品。

b.振动台1上方具有指定尺寸的扩展板，并具有指定要求的推力，能够同时搭载多个老化试验腔进行老化实验。

本发明公开的基于上述特高压换流变压器油纸绝缘材料的“热-电-机”多应力联合老化实验平台的实验方法，包括以下步骤：

1)取特高压换流变所用的待测试绝缘变压器油及绝缘纸，分别进行预处理，预处理操作如下：

a.针对绝缘变压器油，利用抽滤瓶、真空泵和可加热型磁力搅拌器，对于绝缘油进行脱气脱水处理，保证处理结束之后，将变压器油中水分、气体控制到指定实验要求；

b.针对绝缘纸，利用鼓风干燥箱，对绝缘纸进行干燥处理，处理结束后将绝缘纸中水分控制在指定实验要求。

2)将预处理之后的绝缘变压器油和绝缘纸置于真空油浸腔中进行真空浸油处理。

3)将油浸后的绝缘纸置于板-板电极5内。老化试验腔内部板-板电极5分布如图2所示。然后将老化试验腔抽真空处理，通过注油口10将待测试绝缘变压器油注入老化试验腔，使绝缘变压器油能够浸没板-板电极5。在注油结束后，对老化实验腔进行抽气处理，然后注入氮气进行封存，并保证老化试验腔内部达到一个大气压。

4)对五个老化试验腔进行油纸绝缘材料的装载之后，按照图3的分布图，利用螺栓将老化试验腔固定在振动台1上。安装的时候需要保证振动时的实验平台重心保持在振动台1中心线上。

5)利用加热板3对老化试验腔进行加热，能够使得老化实验腔温度升高到指定温度，此时打开电压源4，对板-板电极5施加电压，同时利用振动台1对老化试验腔进行振动处理。

6)在一个老化周期后，停止加压和振动，将一个老化试验腔卸下，然后其余的老化试验腔继续老化过程。

7)取出来的老化试验腔，取出绝缘变压器油样进行油中溶解气体分析、油中糠醛、界面张力、酸值、介损等理化、电学分析，取出绝缘纸试样进行纸中水分，聚合度、频域介电谱等理化、电学分析。

综上所述，本发明通过“热-电-机”联合老化实验平台模拟特高压换流变压器中的复杂工况。目前，已有的老化实验平台只能针对油纸绝缘材料进行热老化或者热电老化实验，很少能够做到对油纸绝缘材料进行“热-电-机”联合老化实验，即同时对于油纸绝缘材料施加“热-电-机”应力作用。同时，该平台能够同时对三种应力进行单独的调整，利用控制变量法，可以得到三种应力对油纸绝缘材料绝缘性能的影响，有助于构建油纸绝缘材料在“热-电-机”应力情况下的老化寿命预测模型，对于特高压换流变设备使用寿命预测，故障诊断等具有指导意义。

以上实施将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，包括振动台(1)和设置在振动台(1)上方的若干个老化试验腔，老化试验腔内灌注有待测试绝缘变压器油，在老化试验腔的顶部设有密封盖，密封盖上设有注油口(10)、注气口(9)、抽气口(8)及减压阀(7)；

在老化试验腔内部设有若干个板-板电极(5)，待测试的绝缘纸(6)设置于板-板电极(5)的两个电极板之间，且板-板电极(5)通过导线与外接的电压源(4)相连；在老化试验腔的侧壁外还设有加热板(3)。

2.根据权利要求1所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，在加热板(3)外还固定有保温层(2)。

3.根据权利要求2所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，加热板(3)采用电热丝作为发热材料，云母软板作为绝缘材料进行固定。

4.根据权利要求1所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，在老化试验腔内壁上还设有分别用于检测温度和真空度的温度传感器和真空传感器。

5.根据权利要求4所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，温度传感器和真空传感器通过导线连接外接的显示屏，实时反馈老化试验腔内的实验条件参数。

6.根据权利要求1所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台，其特征在于，电压源(4)能够提供指定电压等级的直流、交流或交直流复合电压，且具有短路保护功能。

7.基于权利要求1～6中任意一项所述的特高压换流变压器油纸绝缘材料的热-电-机多应力联合老化实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取待测试的绝缘变压器油及绝缘纸，分别进行预处理；

2)将预处理之后的绝缘变压器油和绝缘纸置于真空油浸腔中进行真空浸油处理；

3)将油浸后的绝缘纸置于老化试验腔内的板-板电极(5)中，然后将老化试验腔抽真空处理，通过注油口(10)将步骤2)处理后的绝缘变压器油注入老化试验腔内直至浸没板-板电极(5)，在注油结束后，通过抽气口(8)对老化试验腔进行抽气处理，然后通过注气口(9)注入氮气进行封存；

4)将老化试验腔安装在振动台(1)上，保证振动时实验平台重心保持在振动台(1)的中心线上；

5)利用加热板(3)对老化试验腔进行加热，使得老化试验腔温度升高到指定温度，打开电压源(4)，对板-板电极(5)施加电压，同时启动振动台(1)对老化试验腔进行振动处理；

6)处理完毕后取出老化试验腔，取出绝缘变压器油和绝缘纸进行油中及纸中的理化、电学相关变化结果分析。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，步骤1)中，对待测试的绝缘变压器油进行预处理，具体操作为：利用抽滤瓶、真空泵和可加热型磁力搅拌器，对于绝缘变压器油进行脱气脱水处理，使绝缘变压器油中水分、气体控制达到指定实验要求；

对待测试的绝缘纸进行预处理，具体操作为：利用鼓风干燥箱，对绝缘纸进行干燥处理，使绝缘纸中水分控制在指定实验要求。

9.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，步骤4)中，将若干个老化试验腔同时安装在振动台(1)上；步骤5)处理完毕后，即在一个老化周期后，停止加压和振动，将一个老化试验腔卸下，然后其余的老化试验腔继续老化过程。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，步骤4)中有五个老化试验腔，五个老化试验腔在振动台(1)上的分布为：中间三个呈一列，两边各一个。