CN108680835A - 基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，主要由电荷注入装置、表面电位测量装置和温度控制装置构成；所述电荷注入装置包括直流电源、谐波电源、电压复合单元；所述直流电源的输出端与所述谐波电源的输出端分别与所述电压复合单元的输入端相连接；所述温度控制装置主要由微处理器恒温预热平台构成。还公开一种基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量方法。本发明实验安全可靠，输出电压稳定，调节灵活，能够准确模拟换流变压器阀侧套管现场实际工况，为油纸绝缘电荷特性研究以及击穿机理和劣化机制研究提供高效的实验平台和方法。
Description
技术领域
本发明属于换流变压器油纸绝缘电荷测量领域，涉及一种基于直流叠加谐波 的油纸绝缘表面电荷测量装置与方法。
背景技术
换流变压器是特高压直流输电系统的核心设备，直接影响直流输电工程的运 行可靠性。随着直流输电工程运行年限的增长，已投运的换流变压器的绝缘问题 日益突出。2008年投运的南方电网公司“云广”工程和国家电网公司“向上”工程中 分别由西门子、ABB设计制造的首台±800kV换流变压器在试验过程中均有出现 绝缘故障。通过对换流变压器绝缘故障案例进行统计表明，换流变压器故障多因 为设备本身绝缘结构设计不合理，运行过程中出现绝缘缺陷等原因而导致的。与 传统交流电力变压器的广泛应用相比，换流变压器的应用较少，对其的绝缘问题 研究尚不充分，在绝缘设计中未充分考虑换流变压器承受的电应力与普通电力变 压器的明显差异以及对绝缘失效特性的影响。在直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)中，换流变压器阀侧绕组承受着交流、直流、重复性暂 态脉冲和大量谐波组成的复合电压，同时在直流输电系统进行潮流反转操作时， 阀侧绕组还将承受极性反转电压，导致换流变压器内部电场分布相对交流电力变 压器更为复杂。此外，由于短路阻抗、漏磁通以及损耗等原因，导致换流变压器 的运行温度通常比交流电力变压器高20％左右。
因此，油纸绝缘作为换流变压器阀侧套管部分的主要绝缘材料，其电荷特性 既影响材料的介电强度，诱发局部放电通道的形成，是制约电介质材料绝缘介电 强度的主要因素，对复合电场作用下换流变压器油纸绝缘电荷特性进行研究与测 量，是换流变压器绝缘故障诊断评估中的应用基础关键问题，是揭示换流变压器 油纸绝缘故障产生及击穿与失效规律的重要内容。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于直流叠加谐波的油纸 绝缘表面电荷测量装置与方法。
本发明通过将直流电压与谐波电压相耦合，研究油纸绝缘表面电荷在换流变 压器阀侧套管复杂工况下动态特性进行测量的装置与方法。
本发明为解决背景技术中提出的技术问题，采用的技术方案是：基于直流叠 加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，主要由电荷注入装置、表面电位测量装置 和温度控制装置构成；
所述电荷注入装置包括直流电源、谐波电源、电压复合单元；
所述直流电源的输出端与所述谐波电源的输出端分别与所述电压复合单元 的输入端相连接；
所述电荷注入装置采用针-板电极形式进行电晕充电；
所述电荷注入装置通过针电极电晕放电；
所述温度控制装置上设置有地电极，所述地电极固定在所述温度控制装置上 并连接大地；
所述表面电位测量装置主要由静电电位计、探头以及台式计算机和摄像头构 成；所述静电电位计与探头相连，所述台式计算机与摄像头相连；所述探头固定 在机械臂上，并处于温度控制装置的平台上方；所述温度控制装置通过滑轨可自 由在探头下方和针电极下方进行移动；
所述温度控制装置主要由微处理器恒温预热平台构成。
所述直流电源由一台正极性高压直流电源和一台负极性高压直流电源构成。
所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。
所述电压复合单元由一个高压电容和高压电阻串联的隔直电路以及一个高压 电容和高压电阻搭建的低通滤波电路构成。
所述微处理器恒温预热平台采用电阻丝发热进行升温，可以实现快速升温。
所述微处理器恒温预热平台内置微处理器通过程序控制温度并配置独立感温 探头，面板每点差小于±2℃，能够实现试样均匀恒温加热。
所述地电极采用铜箔。
所述针-板电极形式选用不锈钨针作为针电极。
所述针电极通过支架固定在温度控制装置的平台上方。
本发明提出的第二个技术方案是基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量 方法，包括如下步骤：
1)试样干燥：将纤维素绝缘纸裁剪成为正方形试样，并将绝缘纸试样放入干燥 箱中，在80-90℃环境下进行干燥12小时以上；
2)浸油处理：取出试样后将绝缘纸试样浸入变压器油中，并放置在真空度为 50-70Pa的环境下24小时以上，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20；
3)设置直流电源的幅值为4-7kV，并使得直流电压幅值与谐波电压有效值之和 为8kV；
4)设置谐波电源的输出电压幅值，使得谐波电压与步骤3)中直流电压的幅值之比满足1:1，1:3，1:5或1:7，并且设置频率为50，150，250或350Hz；
5)设置电晕充电时间为3-4分钟；
6)录制：将摄像头对准静电电位计屏幕，通过台式计算机对所述静电电位计示 数进行录制；
7)充电：将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将所述温度控制装置移 至针电极下方，通过所述电荷注入装置对试样进行充电；
8)电位测量：当充电时间结束后3秒内，将温度控制装置迅速移至探头下方， 测量油浸纸试样表面电位随着时间的衰减过程；
9)根据表面电位衰减曲线，由公式(1)能够计算得出不同温度下，油浸纸材料 陷阱能级分布情况：
其中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.854187817*10-12F·m-1，εr为相对介电常数， Vs为t时刻试样的表面电位。
有益效果
1、本发明装置可实现同时施加直流电压与谐波电压，能够准确模拟换流变压器阀侧套管的复杂工况；
2、本发明正负直流电压源切换快捷，保证实验方便与安全；
3、本发明谐波电源的输出电压和频率均可调节，保证功能的完善；
4、温度控制平台为内嵌ARM芯片控制，精度高，安全可靠；
5、与现有测量装置和测量设备相比，本发明实验安全可靠，输出电压稳定，调 节灵活，能够准确模拟换流变压器阀侧套管现场实际工况，为油纸绝缘电荷特性 研究以及击穿机理和劣化机制研究提供高效的实验平台和方法。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的电荷注入装置电路接线图；
图3是本发明的复合电压输出波形；
图4是本发明的实验表面电位衰减图：
(a)正直流+谐波；
(b)负直流+谐波；
图5是本发明的实验试样陷阱结果图：
(a)正直流+谐波；
(b)负直流+谐波。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的基于复合电场的油纸绝缘 表面电荷测量装置是如何实现的。
本发明提供一种不同温度环境下直流叠加谐波电压的实验装置，能够准确模 拟换流变压器阀侧套管用油纸绝缘在实际工况中所承受的电压，采用表面电位法 对其表面电荷进行测量的方法。
如图1所示，直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置包括：电荷注入装 置、表面电位测量装置和温度控制装置，其中：
电荷注入装置的电路连接如图2所示，包含直流电源、谐波电源、电压复合 单元；所述直流电源的输出端与所述谐波电源的输出端分别与所述电压复合单元 的输入端相连接。
本实施例中直流电源由一台正极性东文静电纺丝高压电源和一台负极性东 文静电纺丝高压电源构成，型号为DW-P503-1ACDF，内部采用模块化电路设计， 输出稳压精度高，输出电压连续可调，并带有高精度输出电压及电流数字显示。
本实施例中谐波电源由一台3KVA单相输入单相输出交流单相变频电源和 一台试验变压器构成；所述变频电源的型号为OYHS-9803，频率再40-499.9Hz 连续可调，输出电压在0-300V连续可调，波形为正弦波，波形失真<1％；所述 变压器型号为武汉三鑫华泰电气10KVA试验变压器，额定输出电压为AC 16kV, 额定输入电压为200V；所述变频电源输出端通过三相电源线与所述试验变压器 的输入端相连。
所述直流电源的输出端与所述谐波电源的输出端分别与所述电压复合单元 的输入端相连接。
本实施例中电压复合单元由一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和大红袍 高压玻璃釉高频无感放电电阻串联的隔直电路以及一个聚丙烯高压无感吸收薄 膜电容器和大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻搭建的低通滤波电路构成。所述 聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器的型号为EACO-SDD，电容值为0.1μF，耐压为 20kV。所述大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻的型号为RI80，阻值为1MΩ。
本实施例中电荷注入装置采用针-板电极形式进行电晕充电，选用不锈钨针 作为针电极，所述针电极直径为1mm，尖端曲率半径为15μm。采用铜箔作为地 电极，将铜箔固定在温度控制装置上并连接大地。
本实施例中电荷注入装置通过针电极进行电晕放电，将电荷注入至试样表 面，针电极通过支架固定在温度控制装置的平台上方3.5mm处，并且针尖对准 油浸纸试样的中心处。
本实施例中表面电位测量装置由一个型号为Trek P0865的静电电位计、型 号为6000b-5c的开尔文探头以及戴尔Inspiron 3668-R1848台式计算机和一个罗 技C310摄像头构成。所述静电电位计与探头相连，所述台式计算机与摄像头相 连。所述探头固定在机械臂上，并处于温度控制装置的平台上方3mm处。所述 温度控制装置通过滑轨可自由在探头下方和针电极下方进行移动。
本实施例中温度控制装置由一个型号为HB-HP-6040汉邦恒温加热平台构 成，预热平台采用电阻丝发热进行升温，可以实现快速升温。预热平台内置微处 理器通过程序控制温度并配置独立感温探头，面板每点差小于±2℃，能够实现试 样均匀恒温加热，且带有实际温度和设定温度数显。
基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量方法，具体实施方式如下：
实施例1
纤维素绝缘纸试样的制作步骤：
①本实例中采用南唐中利有限公司生产的纤维素绝缘纸，厚度为0.13mm， 将纤维素绝缘纸裁剪成40mm*40mm的正方形试样，将试样放入型号为401B型 热老化试验箱中进行干燥，温度设置为90℃，干燥时间设置为12小时。
②采用长城25#变压器油进行真空滤油处理。
③将处理后的纤维素绝缘纸放入变压器油中，并在型号为DZF-6020/6050 的真空干燥箱中静置48小时，以减少试样中水分对电荷测量的影响；控制绝缘 纸与绝缘油的质量比小于1：20，环境温度设定为40℃，真空度设定为50Pa。
④取出浸油处理后的油浸绝缘纸进行后续实验步骤。
表面电位消散过程的测量步骤：
①将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将温度控制装置移至针电极 正下方，确保针电极对准试样中心，设置温度为30℃。注意去除绝缘纸与地电 极之间的气泡。
②设定谐波电源与直流电源的电压幅值之比为1：1，1：3，1：5与1：7， 本实施例中选择电压幅值之比为1：3，且两者电压之和设定为8kV，即本实施 例中谐波电压幅值为2kV，直流电压幅值为6kV，谐波电压频率设定为150，250， 350或450Hz；所述谐波电压幅值为有效值。
电荷注入装置产生的复合电压波形如图3所示(当谐波电压频率为250Hz， 谐波电压幅值为4kV，直流电压幅值为4kV时)。
③针电极施加复合电压时间设定为3min，之后通过滑轨将温度控制装置迅 速移至所述静电电位计探头正下方，保证探头所指位置与针电极所指位置一致。 摄像头录制时间设定为20min。
测量得到的表面电位衰减图如图4所示。
根据公式(1)得到的陷阱能级分布图如图5所示：
实施例2
1)试样干燥：将纤维素绝缘纸裁剪成为正方形试样，并将绝缘纸试样放入干燥 箱中，在80℃环境下进行干燥24小时；
2)浸油处理：取出试样后将绝缘纸试样浸入变压器油中，并放置在真空度为70Pa的环境下24小时以上，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20；
3)设置直流电源的幅值为4kV，并使得直流电压幅值与谐波电压有效值之和为8kV；
4)设置谐波电源的输出电压幅值，使得谐波电压与步骤3)中直流电压的幅值之比满足1:1，并且设置频率350Hz；
5)设置电晕充电时间为4分钟；
6)录制：将摄像头对准静电电位计屏幕，通过台式计算机对所述静电电位计示 数进行录制；
7)充电：将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将所述温度控制装置移 至针电极下方，通过所述电荷注入装置对试样进行充电；
8)电位测量：当充电时间结束后3秒内，将温度控制装置迅速移至探头下方， 测量油浸纸试样表面电位随着时间的衰减过程；
9)根据表面电位衰减曲线，由公式(1)能够计算得出不同温度下，油浸纸材料 陷阱能级分布情况。
实施例3
1)试样干燥：将纤维素绝缘纸裁剪成为正方形试样，并将绝缘纸试样放入干燥 箱中，在85℃环境下进行干燥24小时以上；
2)浸油处理：取出试样后将绝缘纸试样浸入变压器油中，并放置在真空度为60Pa的环境下24小时以上，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20；
3)设置直流电源的幅值为7kV，并使得直流电压幅值与谐波电压有效值之和为8kV；
4)设置谐波电源的输出电压幅值，使得谐波电压与步骤3)中直流电压的幅值之比满足1:7，并且设置频率为150Hz；
5)设置电晕充电时间为3分钟；
6)录制：将摄像头对准静电电位计屏幕，通过台式计算机对所述静电电位计示 数进行录制；
7)充电：将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将所述温度控制装置移 至针电极下方，通过所述电荷注入装置对试样进行充电；
8)电位测量：当充电时间结束后3秒内，将温度控制装置迅速移至探头下方， 测量油浸纸试样表面电位随着时间的衰减过程；
9)根据表面电位衰减曲线，由公式(1)能够计算得出不同温度下，油浸纸材料 陷阱能级分布情况。
实施例4
1)试样干燥：将纤维素绝缘纸裁剪成为正方形试样，并将绝缘纸试样放入干燥 箱中，在90℃环境下进行干燥12小时以上；
2)浸油处理：取出试样后将绝缘纸试样浸入变压器油中，并放置在真空度为50Pa的环境下24小时以上，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20；
3)设置直流电源的幅值为4-7kV，并使得直流电压幅值与谐波电压有效值之和 为8kV；
4)设置谐波电源的输出电压幅值，使得谐波电压与步骤3)中直流电压的幅值之比满足1:5，并且设置频率为50Hz；
5)设置电晕充电时间为4分钟；
6)录制：将摄像头对准静电电位计屏幕，通过台式计算机对所述静电电位计示 数进行录制；
7)充电：将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将所述温度控制装置移 至针电极下方，通过所述电荷注入装置对试样进行充电；
8)电位测量：当充电时间结束后3秒内，将温度控制装置迅速移至探头下方， 测量油浸纸试样表面电位随着时间的衰减过程；
9)根据表面电位衰减曲线，由公式(1)能够计算得出不同温度下，油浸纸材料 陷阱能级分布情况。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术 人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权 利要求的保护范围。
Claims (10)
1.基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，主要由电荷注入装置、表面电位测量装置和温度控制装置构成；
所述电荷注入装置包括直流电源、谐波电源、电压复合单元；
所述直流电源的输出端与所述谐波电源的输出端分别与所述电压复合单元的输入端相连接；
所述电荷注入装置采用针-板电极形式进行电晕充电；
所述电荷注入装置通过针电极电晕放电；
所述温度控制装置上设置有地电极，所述地电极固定在所述温度控制装置上并连接大地；
所述表面电位测量装置主要由静电电位计、探头以及台式计算机和摄像头构成；所述静电电位计与探头相连，所述台式计算机与摄像头相连；所述探头固定在机械臂上，并处于温度控制装置的平台上方；所述温度控制装置通过滑轨可自由在探头下方和针电极下方进行移动；
所述温度控制装置主要由微处理器恒温预热平台构成。
2.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述直流电源由一台正极性高压直流电源和一台负极性高压直流电源构成。
3.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。
4.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述电压复合单元由一个高压电容和高压电阻串联的隔直电路以及一个高压电容和高压电阻搭建的低通滤波电路构成。
5.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述微处理器恒温预热平台采用电阻丝发热进行升温。
6.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述微处理器恒温预热平台内置微处理器通过程序控制温度并配置独立感温探头，面板每点差小于±2℃。
7.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述地电极采用铜箔。
8.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述针-板电极形式选用不锈钨针作为针电极。
9.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量装置，其特征在于，所述针电极通过支架固定在温度控制装置的平台上方。
10.基于直流叠加谐波的油纸绝缘表面电荷测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)试样干燥：将纤维素绝缘纸裁剪成为正方形试样，并将绝缘纸试样放入干燥箱中，在80-90℃环境下进行干燥12小时以上；
2)浸油处理：取出试样后将绝缘纸试样浸入变压器油中，并放置在真空度为50-70Pa的环境下24小时以上，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20；
3)设置直流电源的幅值为4-7kV，并使得直流电压幅值与谐波电压有效值之和为8kV；
4)设置谐波电源的输出电压幅值，使得谐波电压与步骤3)中直流电压的幅值之比满足1:1，1:3，1:5或1:7，并且设置频率为50，150，250或350Hz；
5)设置电晕充电时间为3-4分钟；
6)录制：将摄像头对准静电电位计屏幕，通过台式计算机对所述静电电位计示数进行录制；
7)充电：将油浸纸试样放在温度控制装置的平台上，并将所述温度控制装置移至针电极下方，通过所述电荷注入装置对试样进行充电；
8)电位测量：当充电时间结束后3秒内，将温度控制装置迅速移至探头下方，测量油浸纸试样表面电位随着时间的衰减过程；
9)根据表面电位衰减曲线，由公式(1)能够计算得出不同温度下，油浸纸材料陷阱能级分布情况：
其中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.854187817×10-12F·m-1，εr为相对介电常数，Vs为t时刻试样的表面电位。
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