CN111880054A - 变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，它的高压电极的电极板位于密封罐内，高压电极的电极杆伸出密封罐的上盖板，高压电极的电极杆能相对上盖板移动，低压电极设置在密封罐的底部，高压电极电极板与低压电极电极板之间设有绝缘试样，密封罐侧壁具有与密封罐连通的温度测量导管和接地线接线导管，温度测量导管由第一橡皮塞封堵，接地线接线导管由第二橡皮塞封堵，温度传感器壳体嵌入第一橡皮塞中，温度传感器的感应探头置于密封罐罐底，接地线嵌入并穿过第二橡皮塞后连接低压电极，油浴槽通过内部的加热油对密封罐进行加热，高频电流传感器安装在接地线上。本发明能为变压器的运维决策提供准确的数据参考。

Description

变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置及方法

技术领域

本发明涉及变压器老化实验技术领域，具体地指一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置及方法。

背景技术

电力变压器尤其是大型油浸式电力变压器，是交直流输电工程的重要设备，其可靠性直接决定了交直流工程输电的稳定性和安全性。电力变压器的绝缘系统是变压器正常工作和运行的基本条件，变压器的运行寿命很大程度上取决于油纸绝缘系统的老化状态。因此，开展变压器油纸绝缘老化的研究是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键，准确诊断油纸绝缘系统的老化状态，预测变压器的寿命，也是实现变压器状态维护的前提。

变压器油纸绝缘在长时间热、电、机械、化学等多种因素的作用下，纤维素纸板和变压器油都会随着时间的积累而逐渐老化，产生一系列老化产物，如乙烯、乙炔、微水和呋喃化合物等，导致绝缘的电气和机械性能下降。另外，变压器内绝缘的老化会受到电场、温度、氧气、水分等众多因素的影响，且各因素间会产生协同效应，共同促进老化的发生。

尽管变压器油纸绝缘老化是多种因素的综合作用结果，但变压器主绝缘的寿命，即油纸绝缘的寿命实际上主要是由其热老化决定的，热老化是众多老化因数中最主要因素。随着温度上升，绝缘的热老化速度迅速增加，生成的烃类和CO、CO₂气体、有机酸等能够降低绝缘强度的物质成分也迅速增加，纤维素的断链引起聚合度大幅下降。此外，在强电场作用下引发局部放电，造成电老化，最终导致绝缘的散热特性劣化，引起温度上升，进一步加速热老化进程，形成恶性循环。

由于变压器在正常运行应力条件下，油纸绝缘老化过程十分缓慢，因此，国内外专家学者大都开展更高水平应力的加速老化实验，研究油纸绝缘老化规律、探索老化内在机理。设计出较多的电热联合老化实验装置，开展电热联合老化实验，定期测试不同温度下、不同电压下老化后绝缘纸的聚合度，测试掌握危险气体及有机酸等特征产物的含量变化。总结得出聚合度、糠醛、乙炔、氢气等含量与老化程度的相关关系，设置了危险气体及有机酸含量等特征产物的安全值范围。通过监测特征产物浓度变化，为保障变压器的安全运行提供了有力支撑。

早前提出的专利“变压器油纸绝缘电热联合老化与局部放电一体化实验装置”(申请号CN201310016098.5公开号CN103105568B)，该装置能够提供油中电晕放电、沿面放电以及气隙放电模型的试验，密封罐材料为不锈钢保证了罐体为同一电位，但在进行局放检测试验时，不锈钢材质的罐体的屏蔽作用可能导致无法检测到较小的局放量，因而降低了局部放电检测的准确度，此外，也无法实施高速摄像机拍摄沿面放电过程。专利“一种变压器油纸绝缘电热联合老化实验装置”(申请号CN201410341409.X公开号CN104076232B)文献中设计了具备多个开口的罐体结构，可以实现不打开腔体的情况下直接取出老化后的油样和气体，并设置了超高频传感器接口用于检测局部放电，试验操作便捷，但采用热电偶加热油样，不能保证加热均匀性，热电偶与超高频传感器距离较近，受腔体内复杂电磁场的影响，超高频检测信号的来源不明确，超高频传感器长时间置于温度较高的油样中，传感器的寿命也将缩短，此外，加热温度较高也会导致密封效果变差，不利于开展长时间老化实验。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置及方法，利用本发明进行油纸绝缘的长时间电热联合老化实验，能降低常规加速老化实验的高温对设备密封性的影响，采用长时间加热的方法也能保证检测过程中气体和油样的采集更加的准确，实验操作简单，方便取样，辅助解决了变压器油纸绝缘气体及有机酸产生机理阐述不清的问题，加深了温度、电压对变压器油纸绝缘老化影响的认识，为变压器的运维决策提供准确的数据参考。

为实现此目的，本发明所设计的一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，它包括密封罐、高压电极、低压电极、油浴槽和高频电流传感器，所述高压电极的电极板位于密封罐内，高压电极的电极杆伸出密封罐的上盖板，高压电极的电极杆能相对上盖板移动从而调整高压电极的电极板在密封罐内的位置，低压电极设置在密封罐的底部，高压电极电极板位于低压电极电极板的正上方，高压电极电极板与低压电极电极板之间设有绝缘试样，高压电极的电极杆伸出上盖板的部分设有均压环，密封罐侧壁具有与密封罐连通的温度测量导管和接地线接线导管，温度测量导管由第一橡皮塞封堵，接地线接线导管由第二橡皮塞封堵，温度传感器壳体嵌入第一橡皮塞中，温度传感器的感应探头置于密封罐内部罐底，接地线嵌入并穿过第二橡皮塞后连接低压电极，油浴槽用于通过内部的加热油对密封罐进行加热，高频电流传感器的感应端安装在接地线上。

一种基于上述装置的老化实验方法，它包括如下步骤：

步骤1：将高压电极接外部电源，同时通过油浴槽对密封罐进行加热；

步骤2：通过高频电流传感器对流过接地线的高频电流进行检测，实现密封罐内局部放电检测，另外还通过超高频电磁波传感器检测密封罐内辐射出的电磁波信号，通过温度传感器测量密封罐内变压器油的温度；

步骤3：将温度测量导管上的第一橡皮塞移开，采用注射器伸入温度测量导管将变压器油取出，并检测变压器油色谱、测试变压器油的糠醛浓度；

第三橡皮塞保持对取气口的塞紧状态，通过取气注射器穿过第三橡皮塞抽取密封罐内的气体，并将密封罐内的气体通入气相色谱仪测试气体浓度。

本发明专利的有益效果为：

1、本发明设计的密封罐体、温度测量导管和接地线接线导管属于一体化成型，且未在罐体底部和侧面设计贯穿性开口，油样在密封罐体内不接触任何密封器件，避免了高温下油样对密封圈的腐蚀，或导致密封圈热胀冷缩而漏油的问题，保证了电热联合老化整套装置能够长时间工作。

2、本发明采用油浴加热的方法，加热方式均匀，安全可靠，避免了加热棒可能产生的加热不均和影响电场分布的问题，也避免了加热棒离高压电极距离较近可能导致的高电压下的击穿。

3、本发明利用超高频电磁波信号能够穿通有机玻璃密封罐体的特点，提出将超高频传感器置于密封罐体的外部，检测操作便捷，安放位置灵活。

4、本发明可通过取气口实现气体含量检测，安装在接地线上的高频电流传感器可实现高频局部放电检测，温度传感器(热电偶)可实现变压器油温度测量，实现对变压器油纸绝缘电热联合老化过程的多参量状态评估。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为图1的侧视结构示意图。

其中，1—上盖板、2—机玻璃壳体、3—圆环密封圈、4—均压环、5—法兰、6—高压电极、7—低压电极、8—绝缘试样、9—聚四氟乙烯螺钉、10—聚四氟乙烯螺母、11—温度测量导管、12—油浴槽、13—温度传感器、14—接地线、15—第一橡皮塞、16—第二橡皮塞、17—高频电流传感器、18—超高频电磁波传感器、19—取气口、20—取油口、21—接地线接线导管、22—U型槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和2所示的一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，它包括密封罐、高压电极6(本实施例中加压最大可达50kv)、低压电极7(本实施例中低压电极7为接地极电压为0v)、油浴槽12和高频电流传感器17(本实施例中能感应电流的频率范围为100Hz～10MHz)，所述高压电极6的电极板位于密封罐内，高压电极6的电极杆伸出密封罐的上盖板1，高压电极6的电极杆能相对上盖板1移动从而调整高压电极6的电极板在密封罐内的位置，低压电极7设置在密封罐的底部，高压电极6电极板位于低压电极7电极板的正上方，高压电极6电极板与低压电极7电极板之间设有绝缘试样8(本实施例为绝缘纸)，高压电极6的电极杆伸出上盖板1的部分设有均压环4，均压环4起到稳定电压防止电晕的作用，密封罐侧壁具有与密封罐连通的温度测量导管11和接地线接线导管21，温度测量导管11和接地线接线导管21与密封罐为一体式结构，温度测量导管11由第一橡皮塞15封堵，所述温度测量导管11的出口为取油口20，接地线接线导管21由第二橡皮塞16封堵，温度传感器13壳体嵌入第一橡皮塞15中，温度传感器13的感应探头置于密封罐内部罐底，取油时将第一橡皮塞15移开，打开取油口20，采用注射器将老化后的变压器油取出检测油色谱、测试糠醛浓度，接地线14嵌入并穿过第二橡皮塞16后连接低压电极7，测试过程中，第二橡皮塞16始终处于塞紧状态，油浴槽12用于通过内部的加热油对密封罐进行加热，高频电流传感器17的感应端安装在接地线14上，通过检测高频电流实现局部放电检测。

上述技术方案中，所述密封罐内装有变压器油，所述变压器油浸没高压电极6和低压电极7。

上述技术方案中，所述密封罐包括上盖板1和有机玻璃壳体2，所述上盖板1与有机玻璃壳体2之间通过圆环密封圈3实现密封。圆环密封圈3固定在预先设定的定位槽内(上盖板1设计一圈开槽用于敷设圆环密封垫圈)，防止滑动。上盖板1为聚四氟乙烯上盖板，聚四氟乙烯上盖板与有机玻璃壳体2之间通过聚四氟乙烯螺钉9与聚四氟乙烯螺母10紧固，保证密封。

上述技术方案中，所述上盖板1中部设有法兰5，法兰5内圈设有内螺纹，高压电极6的电极杆具有外螺纹，高压电极6的电极杆与法兰5螺纹配合实现高压电极6的高度调节。法兰5为聚四氟乙烯高压法兰。

本发明设计的密封罐体为有机玻璃材质、上盖板为聚四氟乙烯材质，固定上盖板和罐体的螺钉和螺母均为聚四氟乙烯材质，装置轻便耐用，避免了金属材质部件可能引发的电晕，在较高的电压作用下也能保证电场分布的均匀性。

上述技术方案中，所述上盖板1开设有取气口19，所述取气口19由第三橡皮塞17封堵。第三橡皮塞17保持塞紧状态，通过取气专用注射器穿过第三橡皮塞17取气，通入气相色谱仪测试气体浓度。

上述技术方案中，低压电极7与有机玻璃壳体底部通过螺纹连接，密封罐内侧的底部设置合适长度的螺纹，但不贯穿密封罐的底部，低压电极7的高度可以通过旋转螺纹微调。高压电极6与低压电极7通过螺纹调节高度，相互配合固定住绝缘纸。

上述技术方案中，所述油浴槽12内加热油的液位与密封罐内变压器油的液位相对应。油浴槽12内的U型槽22用于支撑有机玻璃壳体2的重量，U型槽22高度适当，用于支撑密封罐温度测量导管11和接地线接线导管21，同时，保证密封罐内部油样的最大高度刻度线在U型槽以下，所述油浴槽12置于具有温控功能的加热装置台面之上。

上述技术方案中，所述温度传感器13用于测量密封罐内变压器油的温度，油浴槽12内加热油的温度由煤油温度计测量，保证加热过程中变压器油的温度与加热油的温度相同，此时表明温度稳定。

上述技术方案中，它还包括超高频电磁波传感器18(本实施例中能感应电磁波的频率范围为300MHz～3000MHz)，所述超高频电磁波传感器18设置在有机玻璃壳体2的外部，放置在离有机玻璃密封罐体侧面合适的位置即可，用于接收高频电磁波信号。

一种基于上述装置的老化实验方法，它包括如下步骤：

步骤1：将高压电极6接外部电源，同时通过油浴槽12对密封罐进行加热(根据实验需求，加热温度一般设置在30～100℃，加热时间500小时以内)；

步骤2：通过高频电流传感器17对流过接地线14的高频电流进行检测，实现密封罐内局部放电检测，另外还通过超高频电磁波传感器18检测密封罐内辐射出的电磁波信号，通过温度传感器13测量密封罐内变压器油的温度；

步骤3：将温度测量导管11上的第一橡皮塞15移开，采用注射器伸入温度测量导管11将变压器油取出，并检测变压器油色谱、测试变压器油的糠醛浓度；

第三橡皮塞17保持对取气口19的塞紧状态，通过取气注射器穿过第三橡皮塞17抽取密封罐内的气体，并将密封罐内的气体通入气相色谱仪测试气体中CO、CO2、甲烷、乙炔和氢气分别的浓度，利用上述密封罐内辐射出的电磁波信号、密封罐内局部放电信号、密封罐内变压器油温度数据、变压器油色谱、变压器油的糠醛浓度、密封罐内的气体中CO、CO2、甲烷、乙炔和氢气分别的浓度实现对变压器油纸绝缘电热联合老化过程的多参量状态评估。

上述技术的步骤2中的测试项目的测试过程贯穿整个老化实验过程，步骤3的测试项目根据实验需求，自定义测试时机。

本发明中的机玻璃油浴槽和密封罐体在电热联合老化过程中，均能长时间承受变压器油的高温，不用考虑变压器油渗透有机玻璃油浴槽内部，且没有任何螺钉、螺母受到变压器油高温作用或腐蚀作用，保证了整套变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置能够长时间承受高温，且保持较高的密封性，具有取油、取气、局放检测的便捷性，且装置可靠耐用。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：它包括密封罐、高压电极(6)、低压电极(7)、油浴槽(12)和高频电流传感器(17)，所述高压电极(6)的电极板位于密封罐内，高压电极(6)的电极杆伸出密封罐的上盖板(1)，高压电极(6)的电极杆能相对上盖板(1)移动，低压电极(7)设置在密封罐的底部，高压电极(6)电极板位于低压电极(7)电极板的正上方，高压电极(6)电极板与低压电极(7)电极板之间设有绝缘试样(8)，高压电极(6)的电极杆伸出上盖板(1)的部分设有均压环(4)，密封罐侧壁具有与密封罐连通的温度测量导管(11)和接地线接线导管(21)，温度测量导管(11)由第一橡皮塞(15)封堵，接地线接线导管(21)由第二橡皮塞(16)封堵，温度传感器(13)壳体嵌入第一橡皮塞(15)中，温度传感器(13)的感应探头置于密封罐内部罐底，接地线(14)嵌入并穿过第二橡皮塞(16)后连接低压电极(7)，油浴槽(12)用于通过内部的加热油对密封罐进行加热，高频电流传感器(17)的感应端安装在接地线(14)上。

2.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述密封罐内装有变压器油，所述变压器油浸没高压电极(6)和低压电极(7)。

3.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述密封罐包括上盖板(1)和有机玻璃壳体(2)，所述上盖板(1)与有机玻璃壳体(2)之间通过圆环密封圈(3)实现密封。

4.根据权利要求1或3所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述上盖板(1)中部设有法兰(5)，法兰(5)内圈设有内螺纹，高压电极(6)的电极杆具有外螺纹，高压电极(6)的电极杆与法兰(5)螺纹配合实现高压电极(6)的高度调节。

5.根据权利要求1或3所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述上盖板(1)开设有取气口(19)，所述取气口(19)由第三橡皮塞(17)封堵。

6.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：低压电极(7)与有机玻璃壳体底部通过螺纹连接。

7.根据权利要求2所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述油浴槽(12)内加热油的液位与密封罐内变压器油的液位相对应。

8.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：所述温度传感器(13)用于测量密封罐内变压器油的温度，油浴槽(12)内加热油的温度由煤油温度计测量。

9.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘长时间电热联合老化实验装置，其特征在于：它还包括超高频电磁波传感器(18)，所述超高频电磁波传感器(18)设置在密封罐的外部。

10.一种基于权利要求1所述装置的老化实验方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将高压电极(6)接外部电源，同时通过油浴槽(12)对密封罐进行加热；

步骤2：通过高频电流传感器(17)对流过接地线(14)的高频电流进行检测，实现密封罐内局部放电检测，另外还通过超高频电磁波传感器(18)检测密封罐内辐射出的电磁波信号，通过温度传感器(13)测量密封罐内变压器油的温度；

步骤3：将温度测量导管(11)上的第一橡皮塞(15)移开，采用注射器伸入温度测量导管(11)将变压器油取出，并检测变压器油色谱、测试变压器油的糠醛浓度；

第三橡皮塞(17)保持对取气口(19)的塞紧状态，通过取气注射器穿过第三橡皮塞(17)抽取密封罐内的气体，并将密封罐内的气体通入气相色谱仪测试气体浓度。

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