CN110275095A - 变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法，装置中，电流发生器配置成生成电流，所述电流发生器包括用于改变电流大小的调压装置；罐体提供用于变压器绝缘加速劣化的密闭空间，所述罐体内包括绝缘液体；电极固定于所述罐体顶部，所述电极电连接所述电流发生器，绕组支架配置成固定待模拟的变压器的绝缘绕组，所述绕组支架电连接所述电极以加载电流到所述绝缘绕组，所述绝缘绕组浸没于所述绝缘液体中，温度传感器检测所述绝缘绕组的第一温度和所述绝缘液体的第二温度，控制单元连接所述温度传感器和调压装置，控制单元基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置，所述调压装置基于所述调节信号调节电流大小。

Description

变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，特别是一种变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法。

背景技术

电力变压器是电力系统的中枢设备，不仅造价高昂，而且功能重要，其安全运行对于社会经济的发展具有重要意义。油纸复合绝缘是油浸式电力变压器的核心，其在设备长期运行过程中，不可避免受到电、热、机械及环境等多种应力联合作用而出现老化/劣化现象，引起绝缘性能逐渐衰退，从而引发绝缘失效或严重时形成击穿事故。同时，上个世纪我国生产的变压器设计寿命一般为30年，近年来我国变压器设计寿命逐渐调整为40年，而国际上的变压器平均运行寿命为40～50年，可见，相比于国际电力装备及运维水平，目前我国电力变压器呈现出服役时间偏低、寿命周期较短、经济效益较差等问题。

近年来，随着电网安全问题不断得到重视，我国电力部门已经将电力设备状态检修确立为一个维护电力系统安全运行的重要课题，为此，对电力变压器采取有效的评估方法和寿命预测模型，需要在实验室内进行大量的有效试验，对油纸绝缘结构的老化过程进行仿真型结构试验模拟。在多种应力的变压器复杂结构下，已知热应力是导致油纸绝缘结构，尤其是绝缘纸板不断裂解老化的最主要因素，因此，设计有效的试验方法模拟实际的热老化工况对油纸结构实现加速绝缘劣化试验，具有工程价值。基于目前实验室中多对油纸结构进行直接放置于高温环境下长期存放，既不考虑实际运行中变压器由于导体结构的大电流导致局部过热的实际工况，又无法准确获悉样品实际所处的温度而仅可获知环境温度的设计缺陷。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种变压器绝缘加速劣化模拟装置包括，

电流发生器，其配置成生成电流，所述电流发生器包括用于改变电流大小的调压装置；

罐体，其提供用于变压器绝缘加速劣化的密闭空间，所述罐体内包括绝缘液体；

电极，其固定于所述罐体顶部，所述电极电连接所述电流发生器，

绕组支架，其配置成固定待模拟的变压器的绝缘绕组，所述绕组支架电连接所述电极以加载电流到所述绝缘绕组，所述绝缘绕组浸没于所述绝缘液体中，

温度传感器，其检测所述绝缘绕组的第一温度和所述绝缘液体的第二温度，

控制单元，其连接所述温度传感器和调压装置，控制单元基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置，所述调压装置基于所述调节信号调节电流大小。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，温度传感器实时监测第一温度的变化，控制单元实时调节所述调压装置，控制单元通过持续反馈循环使得第一温度大致保持恒温。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，罐体的材质为不锈钢，所述电极和所述绕组支架为黄铜材质，所述电极经由绝缘套筒穿出所述罐体且经由绝缘垫固定于罐体项部，所述绝缘液体为绝缘油。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，所述绝缘垫为PTFE材质，所述绝缘绕组为纸包铜绕组，所述温度传感器包括光纤传感器。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，所述罐体包括设在其顶部的用于抽放气体的球形阀和设在其下部的放油阀。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，变压器绝缘加速劣化模拟装置还包括温度采集单元，其一端连接所述温度传感器，另一端连接控制单元，所述控制单元预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组的劣化温度。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，所述绝缘液体的体积和罐体体积的比值不大于四分之三，绝缘纸板浸没于所述绝缘液体中。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置中，所述罐体设置在恒温的油浴槽中，所述油浴槽包括绝缘液体，恒温温度为30度。

根据本发明的另一方面，一种利用所述变压器绝缘加速劣化模拟装置的模拟方法包括以下步骤，

第一步骤，干燥待模拟的变压器的绝缘绕组和绝缘纸板，绝缘绕组上的绝缘纸的水分含量小于0.5％，绝缘纸板的水分含量小于1％，

第二步骤，电流发生器生成电流，绕组支架电连接所述电极以加载电流到所述绝缘绕组，温度传感器检测所述绝缘绕组的第一温度和所述绝缘液体的第二温度，

第三步骤，控制单元基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置，所述调压装置基于所述调节信号调节电流大小。

所述的方法中，第一步骤中，绝缘绕组和绝缘纸板放置于真空腔的罐体中以50Pa的真空度在90℃下真空干燥48小时以去除水分，脱气后将绝缘油注入真空腔中加热至40℃，绝缘纸板在50Pa和40℃的油中浸渍24小时，第三步骤中，所述控制单元预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组的劣化温度。

有益效果：

本发明通过温度传感器读取腔体内部的多点温度并可以用如多通道温度记录仪进行记录和保存；通过预设老化的温度范围和用以加热的电流幅值范围，通过具有反馈功能的电流发生器调压装置实现电流大小的循环调节，通过不断修正电流的幅值与预设温度相比较，最终实现精确的控温，本发明可以通过设计的电路精确的对铜绕组模型实现精确控温，进而模拟实际设备工况下油纸绝缘的不均匀热应力分布，能够使模拟更加接近实际工况。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的变压器绝缘加速劣化模拟装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的变压器绝缘加速劣化模拟装置的部分结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的模拟方法的步骤示意图；

图4是根据本发明一个实施例的模拟方法的流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种变压器绝缘加速劣化模拟装置包括，

电流发生器11，其配置成生成电流，所述电流发生器11包括用于改变电流大小的调压装置12；

罐体1，其提供用于变压器绝缘加速劣化的密闭空间，所述罐体1内包括绝缘液体8；

电极2，其固定于所述罐体1顶部，所述电极2电连接所述电流发生器11，

绕组支架5，其配置成固定待模拟的变压器的绝缘绕组6，所述绕组支架5电连接所述电极2以加载电流到所述绝缘绕组6，所述绝缘绕组6浸没于所述绝缘液体8中，

温度传感器3，其检测所述绝缘绕组6的第一温度和所述绝缘液体8的第二温度，

控制单元13，其连接所述温度传感器3和调压装置12，控制单元13基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置12，所述调压装置12基于所述调节信号调节电流大小。

本发明基于电流加热法的变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法模拟变压器实际运行过程中绕组发热条件下热应力分布的运行环境，罐体1通过电流发生器11提供电流，进而对其内部的油纸绝缘进行加热老化；通过控制单元13的温度控制流程实现劣化温度的控制。

为了进一步理解本发明，如图1、图2所示，绝缘绕组6密封于不锈钢老化罐中，两端通过金属支架连接到罐体1顶部的铜柱电极2，并通过绝缘套筒固定和穿出不锈钢罐的上部密封盖。开展实验时，不锈钢罐中装有一定体积的绝缘油，不锈钢罐顶部留有约1/4的空间以避免绝缘油在高温下膨胀。为了保证一定的油纸比例，在不锈钢罐底部放有一定数量的绝缘纸板7，这些纸板同时还可以用于后期的介电响应和局部放电测试样品。绕组在通过铜电极2接入大电流后会发热，控制通过电流的大小即可控制实验温度。采用2根Pt100光纤传感器，一根与绕组紧密接触，一根放入附近的绝缘油中，可以实时监测绕组的发热及油9温。老化罐顶部有两个阀门，用于对老化罐抽真空和灌入氮气，减少氧气对热老化的影响。底部有一放油阀10，用于定期采集油样。

电流发生器11输出电流通过老化罐中的铜绕组，由于铜条发热使得缠绕在其上的绝缘纸以及周围的绝缘油发热。大电流发生器11的调压装置12设有温度限值比较功能，当温度值超过限值时减小电流输入。与老化罐连接的光纤温度传感器3输出信号被多通道温度记录仪记录并保存，其中绕组温度信号反馈至大电流发生器11调压装置12，与预设限值进行比较。

优选地，所述绝缘绕组6密封于不锈钢老化罐体1中，两端通过金属支架连接到罐体1顶部的铜柱电极2，并通过绝缘套筒固定和穿出不锈钢罐的上部密封盖。

所述罐体1的材质为不锈钢，具有良好的耐热性和机械强度；所述电极2为黄铜材质，导热性和导热性理想；所述绕组支架5采用黄铜材质，与实际变压器的绕组保持一致；所述变压器绝缘材料为油纸绝缘；所述绝缘垫9为PTFE材质，具有耐高温和高介电强度的特性。

所述电流发生器11可以产生大电流通至所述老化罐体1内部的铜绕组，通过电流的热效应对绕组进行加热。

优选地，所述电流发生器11具有调压装置12，且调压装置12设有温度限值比较功能，在设定温度阈值后，当温度值超过阈值则时减小电流输入，从而使加热用的铜绕组保持恒温。

所述温度传感器3为光纤式温度传感器3，前端与老化罐体1连接，从而读取老化罐体1内部的温度；后端与多通道温度记录仪记录并保存。

优选地，所记录的绕组温度信号可实现至大电流发生器11调压装置12的反馈，从而实现与预设限值进行比较的功能。

第一温度由电流大小控制和调节，通过反馈系统与预设值的对比和修正来实现预设温度。

所述试验方法可预先设置试验预期的温度范围，分别确定上限温度和下限温度；同时预设电流发生器11的电流范围，确定电流的上限幅值和下限幅值。

所述试验方法通过实时监测温度的变化以及调压装置12改变输出电流的大小，通过反馈不断循环，最终得以实现对老化温度的精确控制。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，温度传感器3实时监测第一温度的变化，控制单元13实时调节所述调压装置12，控制单元13通过持续反馈循环使得第一温度大致保持恒温。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，罐体1的材质为不锈钢，所述电极2和所述绕组支架5为黄铜材质，所述电极2经由绝缘套筒穿出所述罐体1且经由绝缘垫9固定于罐体1顶部，所述绝缘液体8为绝缘油。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，所述绝缘垫9为PTFE材质，所述绝缘绕组6为纸包铜绕组，所述温度传感器3包括光纤传感器。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，所述罐体1包括设在其顶部的用于抽放气体的球形阀4和设在其下部的放油阀10。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，变压器绝缘加速劣化模拟装置还包括温度采集单元，其一端连接所述温度传感器3，另一端连接控制单元13，所述控制单元13预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元13发送调节信号使得调压装置12降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元13发送调节信号使得调压装置12增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组6的劣化温度。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，所述绝缘液体8的体积和罐体1体积的比值不大于四分之三，绝缘纸板7浸没于所述绝缘液体8中。

所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置的优选实施例中，所述罐体1设置在恒温的油浴槽14中，所述油浴槽14包括绝缘液体，恒温温度为30度。

如图3所示，一种利用所述变压器绝缘加速劣化模拟装置的模拟方法包括以下步骤，

第一步骤S1，干燥待模拟的变压器的绝缘绕组6和绝缘纸板7，绝缘绕组6上的绝缘纸的水分含量小于0.5％，绝缘纸板7的水分含量需小于1％，

第二步骤S2，电流发生器11生成电流，绕组支架5电连接所述电极2以加载电流到所述绝缘绕组6，温度传感器3检测所述绝缘绕组6的第一温度和所述绝缘液体8的第二温度，

第三步骤S3，控制单元13基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置12，所述调压装置12基于所述调节信号调节电流大小。

为了进一步理解本方法，如图4所示说，打开控制单元13电源，设置电流上下限值IH和IL，同时设定目标控制温度上下限值TH和TL。打开多通道温度传感器3记录仪，启动控制平台，输出初始电流IH，开始进行绝缘热老化试验。当绕组温度上升至TH时，电流发生器11的调压装置12控制平台将减小电流输出为IL；继续监测当绕组温度下降至TL时，电流发生器11的调压装置12控制平台将增大电流输出为IH。循环往复，实现对老化温度的控制。

以实例说明时，为了完成110℃下的热老化，设置电流发生器11输出电流上下限为[460A，500A]，绕组目标温度变化范围[106℃，113℃]。为了减小环境温度对实验的影响，整个不锈钢老化罐放置于恒温油槽中，设定其温度为30℃。

在油纸绝缘放置于试验老化腔体进行老化试验之前，要保证其干燥，因而需要进行预处理。将所有的绝缘材料采用真空浸渍设备进行统一的干燥预处理，以保证其初始老化状态相同。首先将绕制好的绝缘绕组6、绝缘纸板7、绝缘油放置于真空腔中以50Pa的真空度在90℃下真空干燥48小时以去除水分。脱气后将绝缘油由注油口注入真空腔中加热至40℃；接着阀门打开，热油由于内外压力查而进入真空腔，绝缘纸在50Pa/40℃的油中浸渍24小时。经过干燥后的绝缘材料需要满足一定的水分含量要求，纸板水分含量需小于1％，纸包铜绕组上的绝缘纸水分含量小于0.5％，绝缘油水分含量小于20μL/L。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，绝缘绕组6和绝缘纸板7放置于真空腔的罐体1中以50Pa的真空度在90℃下真空干燥48小时以去除水分，脱气后将绝缘油注入真空腔中加热至40℃，绝缘纸板7在50Pa和40℃的油中浸渍24小时，第三步骤S3中，所述控制单元13预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元13发送调节信号使得调压装置12降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元13发送调节信号使得调压装置12增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组6的劣化温度。

工业实用性

本发明所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置及方法可以电力设备领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种变压器绝缘加速劣化模拟装置，其特征在于，其包括，

电流发生器，其配置成生成电流，所述电流发生器包括用于改变电流大小的调压装置；

罐体，其提供用于变压器绝缘加速劣化的密闭空间，所述罐体内包括绝缘液体；

电极，其固定于所述罐体顶部，所述电极电连接所述电流发生器，

绕组支架，其配置成固定待模拟的变压器的绝缘绕组，所述绕组支架电连接所述电极以加载电流到所述绝缘绕组，所述绝缘绕组浸没于所述绝缘液体中，

温度传感器，其检测所述绝缘绕组的第一温度和所述绝缘液体的第二温度，

控制单元，其连接所述温度传感器和调压装置，控制单元基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置，所述调压装置基于所述调节信号调节电流大小。

2.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，优选的，温度传感器实时监测第一温度的变化，控制单元实时调节所述调压装置，控制单元通过持续反馈循环使得第一温度大致保持恒温。

3.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，罐体的材质为不锈钢，所述电极和所述绕组支架为黄铜材质，所述电极经由绝缘套筒穿出所述罐体且经由绝缘垫固定于罐体顶部，所述绝缘液体为绝缘油。

4.如权利要求3所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，所述绝缘垫为PTFE材质，所述绝缘绕组为纸包铜绕组，所述温度传感器包括光纤传感器。

5.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，所述罐体包括设在其顶部的用于抽放气体的球形阀和设在其下部的放油阀。

6.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，变压器绝缘加速劣化模拟装置还包括温度采集单元，其一端连接所述温度传感器，另一端连接控制单元，所述控制单元预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组的劣化温度。

7.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，所述绝缘液体的体积和罐体体积的比值不大于四分之三，绝缘纸板浸没于所述绝缘液体中。

8.如权利要求1所述的变压器绝缘加速劣化模拟装置，其中，所述罐体设置在恒温的油浴槽中，所述油浴槽包括绝缘液体，恒温温度为30度。

9.一种利用权利要求1-9中任一项所述变压器绝缘加速劣化模拟装置的模拟方法，其包括以下步骤，

第一步骤，干燥待模拟的变压器的绝缘绕组和绝缘纸板，绝缘绕组上的绝缘纸的水分含量小于0.5％，绝缘纸板的水分含量小于1％，

第二步骤，电流发生器生成电流，绕组支架电连接所述电极以加载电流到所述绝缘绕组，温度传感器检测所述绝缘绕组的第一温度和所述绝缘液体的第二温度，

第三步骤，控制单元基于第一温度和/或第二温度生成调节信号到所述调压装置，所述调压装置基于所述调节信号调节电流大小。

10.如权利要求9所述的方法，其中，第一步骤中，绝缘绕组和绝缘纸板放置于真空腔的罐体中以50Pa的真空度在90℃下真空干燥48小时以去除水分，脱气后将绝缘油注入真空腔中加热至40℃，绝缘纸板在50Pa和40℃的油中浸渍24小时，第三步骤中，所述控制单元预设第一温度的上限温度和下限温度以及电流的上限幅值和下限幅值，当温度采集单元采集的第一温度高于上限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置降低电流到下限幅值，继续监测当第一温度下降至下限温度时，控制单元发送调节信号使得调压装置增加电流到上限幅值，循环往复以控制所述绝缘绕组的劣化温度。