CN109932307B - 变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法，该实验装置包括主油箱、副油箱、高压电极、加热装置、机械手臂、油泵、泄压阀和油路。高压电极包括上电极和下电极，主油箱底部一侧开有竖直向下的通道，通道底部加装放油阀，在上电极和下电极之间放置纸包铜试样，上电极可以上下移动位置，取样时通过机械手臂拾取下电极表面的纸包铜试样，然后将其夹住并移动至放油阀的位置，在重力作用下纸包铜试样自然下沉至放油阀底部，从而实现对铜片、绝缘纸和绝缘油三者的同时取样。该实验装置可以同时实现对不同老化程度的铜片、绝缘油和绝缘纸试样的测量，模拟的实验条件更贴近变压器内部实际运行环境，具有密封、坚固和可视化的特点。

Description

变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法

技术领域

本发明属于变压器绝缘监测与故障诊断技术领域,特别地涉及一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法。

背景技术

电力变压器作为电网中能量转换和传输的核心，是输变电设备中最为关键、昂贵的设备，其运行可靠性直接关系到电网的经济运行和安全稳定。变压器内部铜绕组绝缘主要是由绝缘油和绝缘纸组成的复合绝缘，在长期运行过程中受到热、电、机械、化学、环境等因素的影响逐渐发生老化，导致绝缘电气和机械性能下降，严重影响了变压器的使用寿命。因此，适时有效地对变压器内部绝缘的老化程度和故障情况进行模拟研究，进而提出变压器运行状态的评估方法，对于保障变压器的安全运行具有重要的现实意义。

在变压器的实际运行中，其老化过程是一个铜、油、纸三方面并行劣化的过程，因此铜、油、纸三者老化特征参量的变化规律与单一材料老化的特征参量可能存在差异。此外，研究表明空气中的氧气、水分含量会明显影响油纸绝缘老化过程，因此在实验过程中需严格控制氧气、水分的含量。综合来看变压器电热老化实验装置需能够同时有效控制电压、温度，且实验平台必须密封性良好。此外，变压器内部还存在自循环和强制循环，因此实验平台中的油样也需要进行强制循环。目前国内外学者针对变压器油纸绝缘电热老化的实验装置提出了一些设计方案，可以实现对油、纸的老化和取样测量，但均无法实现对不同老化程度下铜、油、纸三者的同时取样。而铜片的颜色、形貌和表面附着物等特征参量对于评价绝缘状态具有重要意义，因此需要设计能够同时对不同老化程度的铜片、绝缘油和绝缘纸三者进行取样测量的实验装置，这也是进行上述实验的难点。

发明内容

本发明提出一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法，该实验装置可以同时实现对不同老化程度的铜片、绝缘油和绝缘纸试样的取样测量，模拟的实验条件更贴近变压器内部实际运行环境，具有密封、坚固和可视化的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，该装置包括主油箱、副油箱、高压电极、加热装置、机械手臂、油泵、泄压阀和油路，所述高压电极包括上电极和下电极，其特征在于：所述主油箱底部一侧开有竖直向下的通道，所述通道底部加装放油阀，在所述上电极和下电极之间放置纸包铜试样，所述上电极可以上下移动位置，取样时通过所述机械手臂拾取所述下电极表面的所述纸包铜试样，然后将其夹住并移动至所述放油阀的位置，在重力作用下所述纸包铜试样自然下沉至所述放油阀底部，从而实现对铜片、绝缘纸和绝缘油三者的同时取样。

进一步，所述上电极和下电极均为黄铜材料制作的圆盘。

进一步，所述上电极接高压电源，所述下电极接地线。

进一步，所述主油箱、副油箱和通道都由石英玻璃制成。

进一步，所述主油箱顶部与所述通道相同的一侧装有注油阀，用于注入绝缘油。

进一步，所述主油箱顶部另一侧通过软管与副油箱相连接，所述副油箱通过软管与所述主油箱和所述油泵相连接，所述通道中间开孔通过软管与所述油泵连接。

进一步，所述软管均由铜管外套耐高温聚四氟乙烯管构成。

进一步，所述副油箱上设有所述泄压阀。

进一步，所述油泵驱动油路循环系统，保证油中各成分含量均匀分布。

进一步，所述加热装置可为温度控制柜。

进一步，所述温度控制柜通过温度传感器测量油样温度并控制红外加热灯的工作，实现对绝缘油温度的精确控制。

进一步，所述红外加热灯有两个，分别设置在所述主油箱上部和下部两个贯穿的通道内，从而与油隔离。

进一步，所述红外加热灯采用短波红外加热灯。

进一步，所述两个红外加热灯分别布置在主油箱上方和下方。

进一步，在所述红外加热灯的表面、所述主油箱1的上部、中部和下部均安装有所述温度传感器。

进一步，所述温度传感器采用与油隔离的设计方式安装在所述主油箱的箱体的内嵌通道里。

一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验取样方法，其特征在于：利用上面所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置进行取样，取样时，将所述上电极移动部分距离，通过所述机械手臂拾取所述下电极表面的所述纸包铜试样，然后将其夹住并移动至所述主油箱底部一侧所述放油阀的位置，在重力作用下所述纸包铜试样自然下沉至所述放油阀底部，将烧瓶放置在所述放油阀的出口处，打开所述放油阀，所述纸包铜试样和部分绝缘油在重力作用下进入到所述烧瓶中，然后盖上瓶塞密封保存。

进一步，通过调节高压电源的电压值和温度控制柜，来模拟实现不同的电压和温度，以模拟不同的老化阶段。

进一步，在每次取样时至少取样三个试样。

进一步，取样测量的老化特征参量为铜片颜色、形貌及表面附着物；绝缘纸的聚合度、回复电压、FDS曲线；绝缘油糠醛含量、酸值、水分、电阻率、油中铜离子浓度，测量结果取上述三个试样的平均值。

本发明的有益效果为：实验装置可以同时实现对不同老化程度铜片、绝缘油和绝缘纸试样的取样测量，模拟的实验运行和故障环境更贴近变压器内部实际运行和故障环境，对温度的控制范围大、精度高，可以满足变压器油纸绝缘电热联合老化及故障模拟的要求。

附图说明

图1为本发明的变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置整体结构图；

图2为铜片、绝缘油和绝缘纸取样方法示意图。

图中标记说明：

主油箱-1；副油箱-2，上电极-31，下电极32，纸包铜试样-4，机械手臂-5，油泵-6，泄压阀-7，放油阀-8，温度控制柜-9，温度传感器-10，红外加热灯-11，高压电源-12，注油阀-13，烧瓶-14，瓶塞-15，支架16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置与取样方法，用于模拟不同老化程度和故障情况下的变压器油纸绝缘系统。该装置包括主油箱1、副油箱2、高压电极、加热装置、机械手臂5、油泵6、泄压阀7和油路等部分。整个实验装置至于支架16上。

如图1所示，主油箱1是加速老化实验的箱体。主油箱1整体由石英玻璃制成，有较好的耐高温耐高压特性，玻璃的通透性也为观察实验过程中纸包铜试样4和绝缘油中的变化提供了便利。

高压电极采用板-板电极模型，分为上电极31和下电极32，两个之间放置纸包铜试样4，用于模拟实际的变压器工作情况，上电极31可以上下移动位置。上电极31接高压电源12，下电极32接地线。上电极31穿过主油箱1中间的高压套管与高压引线相连，外接耐压绝缘子保障高压实验的安全。高压电极的上下电极均为用黄铜材料制作的圆盘。

主油箱1顶部一侧装有注油阀13，用于注入绝缘油。主油箱1顶部另一侧通过软管与副油箱2相连接。主油箱1内部中间一侧装有机械手臂5，底部左侧开有竖直向下的圆柱形石英玻璃通道，底部加装放油阀8，通道中间开孔通过软管与油泵6连接。

机械手臂5用于夹取下电极32上的纸包铜试样4，其可夹取的范围为下电极32至主油箱1底部的石英玻璃通道开口处，在实验时将纸包铜试样4从下电极板表面夹取后放置在底部的玻璃通道开口处。

副油箱2上设有泄压阀7，泄压阀7一方面在加热温度较高时保证设备安全，另一方面在主油箱1底部放出部分试样后，泄压阀7的位置会自动降低，实现内外压力的平衡，通过调节泄压阀7上的活塞可以较准确地控制取样油样的数量。

副油箱2通过软管与主油箱1和油泵6相连接。油泵6驱动油路循环系统，保证油中各成分含量均匀分布。油泵6的流速可以通过流速控制柜显示和控制，通过油泵6带动绝缘油循环从而加速特征产物的溶解，使特征产物分布更均匀。油的循环还有利于热量的传递，使主油箱1中温度更均匀。油泵6配合泄压阀7减小主油箱1内压力而避免主油箱1温度过高、压强过大发生炸裂。

软管均由铜管外套耐高温聚四氟乙烯管构成，耐高温聚四氟乙烯与玻璃接触处保持密封，保证了管道的硬度和绝缘。

加热装置可由温度控制柜9实现，其通过温度传感器10测量绝缘油温度并控制红外加热灯11的工作，实现对绝缘油温度的精确控制。

在主油箱1中有两个贯穿的通道，用于安装红外加热灯11，用于对主油箱1中的绝缘油进行局部和整体的加热。红外加热灯11采用短波红外加热灯。相比较普通加热丝，短波红外加热灯加热速度快，还可以实现恒温稳定加热，温度易控制且使用寿命长。短波红外加热灯最高可达到1200℃左右，温度可控区间大，可以实现低温、中温、高温的故障模拟。用贯穿箱体的方式安装短波红外加热灯使其与油隔离，避免其浸泡在油中，既可以防止循环使用的灯对油品产生污染，还可以防止油黏附在灯表面缩短其使用寿命，油-灯隔离的设计为灯管的更换和日常维护也提供了便利。两个短波红外加热灯分别布置在主油箱上方和下方，防止高压电极将其击穿。

在红外加热灯11的表面、主油箱1的上部、中部和下部均安装了温度传感器10，与温度控制柜9相连，可以实现对主油箱1中绝缘油整体和局部的温度实时调整、监控。温度传感器10也采用与油隔离的设计方式安装在主油箱1的箱体的内嵌通道里，考虑到玻璃的导热性能好，隔离设计对温度的检测误差影响较小，温度传感器10仍可以实现对主油箱1中油温的准确、实时检测。

实验时通过调节高压电源的12的电压值和温度控制柜9，来模拟实现不同的电压和温度。在不同老化阶段取样时，首先将上电极移动部分距离，通过机械手臂5拾取下电极32表面的纸包铜试样4，然后将其夹住并移动至主油箱1底部左侧放油阀8的位置，在重力作用下纸包铜试样4自然下沉至放油阀底部。如图2所示。此时将烧瓶14放置在放油阀8的出口处，打开放油阀8，纸包铜试样4和部分绝缘油在重力作用下进入到烧瓶14中，然后盖上瓶塞15密封保存。

烧瓶14中存在纸包铜和部分绝缘油，从而完成对铜片、绝缘油和绝缘纸三者的取样，每次取样时至少取样三个试样。取样测量的老化特征参量为铜片颜色、形貌及表面附着物；绝缘纸的聚合度、回复电压、FDS曲线；绝缘油糠醛含量、酸值、水分、电阻率、油中铜离子浓度，测量结果取上述三个试样的平均值。

综上所述，本发明的实验装置可以同时实现对不同老化阶段铜片、绝缘油、绝缘纸三种试样的取样。模拟的实验运行、故障环境更贴近变压器内部实际运行、故障环境，对温度的控制范围大、精度高，内部强制循环流速范围大，且调节反应迅速。此实验装置可以满足变压器油纸绝缘电热联合老化故障模拟与取样测量的要求。

Claims (11)

1.一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，该装置包括主油箱、副油箱、高压电极、加热装置、机械手臂、油泵、泄压阀和油路，所述高压电极包括上电极和下电极，其特征在于：所述主油箱底部一侧开有竖直向下的通道，所述通道底部加装放油阀，所述主油箱顶部与所述通道相同的一侧装有注油阀，用于注入绝缘油，所述主油箱顶部另一侧通过软管与副油箱相连接，所述副油箱通过软管与所述主油箱和所述油泵相连接，所述通道中间开孔通过软管与所述油泵连接，所述油泵驱动油路循环系统，保证油中各成分含量均匀分布，所述副油箱上设有所述泄压阀；所述加热装置为温度控制柜，所述温度控制柜通过温度传感器测量油样温度并控制分别设置在所述主油箱上部和下部两个贯穿通道内与油隔离的两个短波红外加热灯的工作，实现对绝缘油温度的精确控制；在所述上电极和下电极之间放置纸包铜试样，所述上电极可以上下移动位置，所述机械手臂可夹取的范围为所述下电极至所述主油箱底部的石英玻璃通道开口处，取样时通过所述机械手臂拾取所述下电极表面的所述纸包铜试样，然后将其夹住并移动至所述主油箱底部一侧放油阀的位置，在重力作用下所述纸包铜试样自然下沉至所述放油阀底部，从而实现对铜片、绝缘纸和绝缘油三者的同时取样，以对三者的老化特征参数进行测量。

2.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：所述上电极和下电极均为黄铜材料制作的圆盘。

3.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：所述上电极接高压电源，所述下电极接地线。

4.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：所述主油箱、副油箱和通道都由石英玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：所述软管均由铜管外套耐高温聚四氟乙烯管构成。

6.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于，所述两个红外加热灯分别布置在主油箱上方和下方。

7.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：在所述红外加热灯的表面、所述主油箱的上部、中部和下部均安装有所述温度传感器。

8.根据权利要求1所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置，其特征在于：所述温度传感器采用与油隔离的设计方式安装在所述主油箱的箱体的内嵌通道里。

9.一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验取样方法，其特征在于：利用权利要求1-8中任一项所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验装置进行取样，取样时，将所述上电极移动部分距离，通过所述机械手臂拾取所述下电极表面的所述纸包铜试样，然后将其夹住并移动至所述主油箱底部一侧所述放油阀的位置，在重力作用下所述纸包铜试样自然下沉至所述放油阀底部，将烧瓶放置在所述放油阀的出口处，打开所述放油阀，所述纸包铜试样和部分绝缘油在重力作用下进入到所述烧瓶中，然后盖上瓶塞密封保存；取样测量的老化特征参量为铜片颜色、形貌及表面附着物；绝缘纸的聚合度、回复电压、FDS曲线；绝缘油糠醛含量、酸值、水分、电阻率、油中铜离子浓度。

10.根据权利要求9所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验取样方法，其特征在于：通过调节高压电源的电压值和温度控制柜，来模拟实现不同的电压和温度，以模拟不同的老化阶段。

11.根据权利要求9所述的一种变压器铜油纸系统电热联合老化实验取样方法，其特征在于：在每次取样时至少取三个纸包铜试样。

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