CN112505515A - 一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，在现有变压器油纸绝缘特性测试方法中，对低温条件下击穿特性是没有考虑到电极温度变化的，这与变压器实际工况不相符。本发明中对变压器电极进行改造，创新地在击穿电极上安装加热丝或者采用循环加热油的方式，达到温度梯度控制的目的。相比传统低温条件下变压器击穿特性测试方法，在电极温度可控的条件下，对不同含水率和油纸比例的油纸绝缘样本进行工频击穿试验，得到不同电极温度下的油纸绝缘温度分布数据和工频击穿电压数据，并对试验取得的击穿电压数据进行机理解释，从而为变压器在低温环境下的改善措施提供理论支持。
Description
技术领域
本发明属于电气领域，尤其属于一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法。
背景技术
目前大型变压器的主绝缘结构复杂，影响因素较多，为简化分析，多采用单层油和纸板的典型油纸绝缘结构。虽然大型变压器的主绝缘为筒式结构，但由于其曲率半径较大，在小范围内与平板电极更为接近，且考虑到实验室制作模型的条件与高压设备电压等级等因素，国内研究机构多采用平板电极结构试验模型来研究交直流叠加电压作用下的油纸复合绝缘击穿特性。目前大型变压器仍采用油纸复合绝缘结构，其绝缘性能不仅和超高电压下的电场分布有关，同时还与含水率和温度等运行条件密切相关。温度和水分是影响绝缘材料电导和极化的重要因素，而针对油纸绝缘介电特性研究大多集中在常温与高温，低温下相关研究较少。目前国内外对油纸绝缘在低温下的击穿特性的研究均集中于等温条件下的电气参数和击穿电压测量，并且对试验结果的机理分析大都停留在应用经典的等效电路模型和杂质小桥击穿理论解释的阶段。然而，实际变压器在低温条件下冷启动时，线圈和铁心由于铜损和铁损产生的温升会使油纸绝缘中微水甚至绝缘油处于温度梯度下，尤其在线圈于绝缘的界面上可能会发生冻融现象。在低温条件下考虑线圈发热的油纸绝缘击穿特性试验研究目前国内外均未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种提出电极加热方法，分别测试变压器油和油纸绝缘在-50℃～20℃范围内的相对介电常数、介质损耗因数、电阻率、工频击穿场强、击穿电压等绝缘特性，掌握变压器油和油纸绝缘的绝缘特性在低温下的基本介电特性的低温条件下变压器绝缘特性测试方法，。进而，在电极温度可控的条件下对油纸绝缘中的温度分布和击穿电压进行测量，比较等温和温度梯度下的油纸绝缘击穿电压，为击穿机理的解释和改善措施的提出提供依据，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
(1)通过在油纸绝缘低温试验系统中，对电极设置加热测温装置，达到电极温度可控的目的；
(2)击穿电极选用平板电极或者球帽电极，电极浸没在实验油杯中，加热元件和测温元件通过导热硅脂或者其他材料粘附在击穿电极末端或者粘附在高压电极内部，减少对绝缘击穿实验的干扰；
(3)对高压电极进行升温采用循环供给加热油的方式，高压电极内部为中空，加热油在电极内部循环，有效减少加热元件对实验的影响；
(4)在均温条件下和温度梯度分布条件下对油纸绝缘介电参数进行测试，研究温度对变压器油及油浸纸板电导率、相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性的影响规律；
(5)开展均温条件下与温度梯度分布条件下的油纸绝缘击穿试验，研究温度对油、纸、油纸复合击穿特性的影响规律，比较等温和温度梯度下的油纸绝缘击穿电压，为击穿机理的解释和改善措施的提出提供依据。
本发明的有益效果是：在现有变压器油纸绝缘特性测试方法中，对低温条件下击穿特性是没有考虑到电极温度变化的，本发明创新的考虑了电极温度对绝缘特性的影响，更加符合变压器绝缘实际工况，通过对变压器电极进行-50℃～20℃范围内梯度加热，对油纸绝缘中的温度分布和击穿电压进行测量，根据均温条件下与温度梯度分布条件下的油纸绝缘击穿试验进行对比，可以对变压器在低温环境下的改善措施提供理论支持。
附图说明
图1是本发明低温击穿特性试验系统示意图；
图2是本发明击穿电极布置加热测温元件模型图；
图3是本发明高压电极内置加热元件模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，通过对变压器电极进行改造，达到梯度加热的目的，对油纸绝缘中的温度分布和击穿电压进行测量，对试验取得的击穿电压数据进行机理解释，从而为变压器在低温环境下的运行提供理论支持。
本发明主要研究在温度可控条件下电极击穿特性，创新地提出了击穿特性测试中电极加热的新方法，具体来说，试验分为以下步骤：
(1)针对试验装置(图1)，搭建低温下击穿平台，对已有的介电参数测量设备进行改造以实现低温测量，搭建高低温温度分布测量装置，基于LabVIEW软件开发电极温度测量数据采集软件及加温装置控制软件。
(2)对绝缘特性测试系统中击穿电极进行改造，通过安装加热丝或者电极内部循环供给加热油的方式，达到梯度加热的目的。
(3)在均温条件下的油纸绝缘介电参数进行测试，研究温度对变压器油及油浸纸板电导率、相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性的影响规律。
(4)开展-50℃～20℃范围内温度梯度分布条件下的油浸纸板温度分布测试试验，研究温度、电场强度对油纸绝缘温度分布的影响规律
(5)开展均温条件下与温度梯度分布条件下的油纸绝缘击穿试验，研究温度对油、纸、油纸复合击穿特性的影响规律。根据两种条件下的油纸复合绝缘中电场分布及水含量分布的测量数据，分别建立油纸绝缘击穿模型，并结合模型，分析比较两种条件下的工频电场油纸绝缘击穿特性。
实施例1：
一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，具体包括以下步骤：
(1)采用平板电极结构试验模型来研究变压器油纸复合绝缘击穿特性，该模型为轴对称圆盘结构，简化后的二维模型结构(图2)。在本实施例中上下电极直径为40mm，上、下电极高度分别为20mm和25mm，浸油纸板厚度和油隙宽度分别为1mm和1.5mm。
(2)击穿电极选用平板电极(03)，电极浸没在实验油杯(04)中，加热元件(02)和测温元件(01)通过导热硅脂或者其他材料粘附在击穿电极末端，对电极的温度进行调控。
(3)低温试验系统由交直流叠加高压电源、低温试验箱、穿墙套管、击穿电极组成，为实现对试样温度的准确控制，在试验过程中将两套装有试样及电极系统的实验油杯同时放入低温试验箱，一套用于进行低温下电击穿试验，另一套作为温度对照组。
(4)高低温试验箱选用无锡市锦华试验设备有限公司生产的高电压高低温试验箱。该试验箱工作室尺寸控温范围-50℃～100℃，控制精度±1℃，机身最高试验电压可达100kV，采用125kV穿墙套管。
(5)油浸纸板相对介电常数通过宽频介电谱仪进行测量，测量频率及温度范围分别为10-1～107Hz及-50℃～20℃。
(6)在均温条件下的油纸绝缘介电参数进行测试，试验前，电极上的加热丝为断电状态。先将低温试验箱中的温度调整至-50℃，利用低温试验箱控制均温环境从-50℃至20℃变化，在每个温度测量点进行测试试验时，须待温度稳定在该温度点30min后，开始施加交流电压并且在极化10min后接入皮安表测量电流稳定值，外施电场为5kV/mm。
(7)进行-50℃～20℃范围内温度梯度分布条件下的油浸纸板温度分布测试试验，试验时，对电极上的加热丝进行持续通电加热，实时测量变压器油和油纸绝缘的温度梯度分布，以及相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性，直到变压器油或油纸绝缘中的测量温度达到20℃；
(8)利用测得的电导率、相对介电常数、介质损耗因数等介电特性，建立多组电极加热过程中不同时刻的温度梯度分布下的油纸绝缘有限元分析模型，利用有限元研究低温下电极加热油纸绝缘击穿特性。
实施例2：
一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，具体包括以下步骤：
采用平板电极结构试验模型来研究变压器油纸复合绝缘击穿特性，简化后的二维模型结构(图3)。在本实施例中高压电极直径为25mm，高度为25mm，接地电极直径为75mm，高度为15mm，浸油纸板厚度和油隙宽度分别为1mm和1.5mm。
高压电极(11)和接地电极(14)都选用平板电极，电极浸没在实验油杯中，加热元件(12)安装在电极内部，对电极的温度进行调控，电极中间为浸油纸板(13)和绝缘油。
其余步骤同实施例1，完成低温条件下变压器绝缘特性测试。
本说明书中未做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 (3)
1.一种低温条件下变压器绝缘特性测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：
(1)通过在油纸绝缘低温试验系统中，对电极设置加热测温装置，达到电极温度可控的目的；
(2)击穿电极选用平板电极或者球帽电极，电极浸没在实验油杯中，加热元件和测温元件通过导热硅脂或者其他材料粘附在击穿电极末端或者粘附在高压电极内部，减少对绝缘击穿实验的干扰；
(3)对高压电极进行升温采用循环供给加热油的方式，高压电极内部为中空，加热油在电极内部循环，有效减少加热元件对实验的影响；
(4)在均温条件下和温度梯度分布条件下对油纸绝缘介电参数进行测试，研究温度对变压器油及油浸纸板电导率、相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性的影响规律；
(5)开展均温条件下与温度梯度分布条件下的油纸绝缘击穿试验，研究温度对油、纸、油纸复合击穿特性的影响规律，比较等温和温度梯度下的油纸绝缘击穿电压，为击穿机理的解释和改善措施的提出提供依据。
2.如权利要求1所述的低温条件下变压器绝缘特性测试方法，其特征在于：所述测试方法具体包括以下步骤：
(1)采用平板电极结构试验模型来研究变压器油纸复合绝缘击穿特性，所述试验模型为轴对称圆盘结构，所述试验模型上下电极直径为40mm，上、下电极高度分别为20mm和25mm，浸油纸板厚度和油隙宽度分别为1mm和1.5mm；
(2)击穿电极选用平板电极，电极浸没在实验油杯中，加热元件和测温元件通过导热硅脂或者其他材料粘附在击穿电极末端，对电极的温度进行调控；
(3)低温试验系统由交直流叠加高压电源、低温试验箱、穿墙套管、击穿电极组成，为实现对试样温度的准确控制，在试验过程中将两套装有试样及电极系统的实验油杯同时放入低温试验箱，一套用于进行低温下电击穿试验，另一套作为温度对照组；
(4)高低温试验箱选用高电压高低温试验箱，所述试验箱工作室尺寸控温范围-50℃～100℃，控制精度±1℃，机身最高试验电压可达100kV，采用125kV穿墙套管；
(5)油浸纸板相对介电常数通过宽频介电谱仪进行测量，测量频率及温度范围分别为10-1～107Hz及-50℃～20℃；
(6)在均温条件下的油纸绝缘介电参数进行测试，试验前，电极上的加热丝为断电状态，先将低温试验箱中的温度调整至-50℃，利用低温试验箱控制均温环境从-50℃至20℃变化，在每个温度测量点进行测试试验时，须待温度稳定在该温度点30min后，开始施加交流电压并且在极化10min后接入皮安表测量电流稳定值，外施电场为5kV/mm；
(7)进行-50℃～20℃范围内温度梯度分布条件下的油浸纸板温度分布测试试验，试验时，对电极上的加热丝进行持续通电加热，实时测量变压器油和油纸绝缘的温度梯度分布，以及相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性，直到变压器油或油纸绝缘中的测量温度达到20℃；
(8)利用测得的电导率、相对介电常数、介质损耗因数等介电特性，建立多组电极加热过程中不同时刻的温度梯度分布下的油纸绝缘有限元分析模型，利用有限元研究低温下电极加热油纸绝缘击穿特性。
3.如权利要求1所述的低温条件下变压器绝缘特性测试方法，其特征在于：
(1)采用平板电极结构试验模型来研究变压器油纸复合绝缘击穿特性，所述平板电极结构试验模型的高压电极直径为25mm，高度为25mm，接地电极直径为75mm，高度为15mm，浸油纸板厚度和油隙宽度分别为1mm和1.5mm。
(2)高压电极和接地电极都选用平板电极，电极浸没在实验油杯中，加热元件安装在电极内部，对电极的温度进行调控，电极中间为浸油纸板和绝缘油；
(3)低温试验系统由交直流叠加高压电源、低温试验箱、穿墙套管、击穿电极组成，为实现对试样温度的准确控制，在试验过程中将两套装有试样及电极系统的实验油杯同时放入低温试验箱，一套用于进行低温下电击穿试验，另一套作为温度对照组；
(4)高低温试验箱选用高电压高低温试验箱，所述试验箱工作室尺寸控温范围-50℃～100℃，控制精度±1℃，机身最高试验电压可达100kV，采用125kV穿墙套管；
(5)油浸纸板相对介电常数通过宽频介电谱仪进行测量，测量频率及温度范围分别为10-1～107Hz及-50℃～20℃；
(6)在均温条件下的油纸绝缘介电参数进行测试，试验前，电极上的加热丝为断电状态，先将低温试验箱中的温度调整至-50℃，利用低温试验箱控制均温环境从-50℃至20℃变化，在每个温度测量点进行测试试验时，须待温度稳定在该温度点30min后，开始施加交流电压并且在极化10min后接入皮安表测量电流稳定值，外施电场为5kV/mm；
(7)进行-50℃～20℃范围内温度梯度分布条件下的油浸纸板温度分布测试试验，试验时，对电极上的加热丝进行持续通电加热，实时测量变压器油和油纸绝缘的温度梯度分布，以及相对介电常数、介质损耗因数、电导率等绝缘特性，直到变压器油或油纸绝缘中的测量温度达到20℃；
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