CN113358387A - 一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置及方法，该装置包括换流变套管油中侧温度模拟试验箱、换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱、试验套管、U形加热电极、温控模块、温度传感器、温度检测记录仪以及交直流电源。本发明将试验套管一端放入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端放入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱，利用U形加热电极使试验箱中的变压器油和空气达到指定温度，并利用交直流电源给套管施加给定电流，以此模拟换流变压器阀侧套管的实际运行工况，再通过预先安置在套管上的温度传感器采集试验所需测量点的温度，并传回温度检测记录仪，用于多种情况下的直流套管温度场模拟，对套管的轴向和径向温度进行分析研究。

Description

一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置及方法

技术领域

本发明属于换流变压器阀侧套管温度特性技术领域，尤其涉及一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置及方法。

背景技术

换流变压器是直流输电系统中的重要组成部分之一，如果其发生故障就会导致输电系统停运，严重时还会带来巨大的经济损失。换流变压器阀侧套管是换流变压器的核心元件，其与阀侧引线共同构成的阀侧出线装置是引导阀侧出线并承接阀侧内、外绝缘的关键结构，支撑着换流变压器长期稳定运行。换流变压器阀侧套管承受的电压既有交流，又有直流，承载的电流除50Hz工频电流外还包含较大谐波分量，大负荷下换流变压器和阀厅温度也处于较高水平，这使得换流变压器阀侧套管对于电、热、密封性能的要求比常规交流变压器套管更为苛刻。

一半以上的换流变故障都是由于套管出现问题所导致，在套管的各种故障现象中，因运行环境温度高、自身承载负荷电流大，进而出现的过热问题十分突出。套管过热会引起换流阀闭锁等事故，随着特高压直流输电工程中额定电流的不断提高，套管在运行中的温度特性研究变得越来越突出。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置及方法，能够用于多种情况下的直流套管温度场模拟，进而对套管的轴向和径向温度进行分析研究。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置，包括换流变套管油中侧温度模拟试验箱、换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱、试验套管、U形加热电极、温控模块、温度传感器、温度检测记录仪以及交直流电源；

所述U形加热电极分别安装于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱内和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱内，所述试验套管一端位于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱中，其另一端位于所述换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中，所述温度传感器安装于所述试验套管表面的不同位置，且位于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱中内的温度传感器的数量大于位于所述换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中温度传感器的数量，所述试验套管与所述交直流电源连接，所述温度检测记录仪与所述温度传感器连接，所述交直流电源对所述试验套管施加交流或直流激励，所述U形加热电极与所述温控模块连接。

本发明的有益效果是：提供了换流变压器阀侧套管的运行工况模拟环境，而且温度可以调节。本发明将试验套管一端放入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端放入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱，利用U形加热电极使试验箱中的变压器油和空气达到指定温度，并利用交直流电源给套管施加给定电流，以此模拟换流变压器阀侧套管的实际运行工况，再通过预先安置在套管上的温度传感器采集试验所需测量点的温度，将数据传回温度检测记录仪，通过以上设计能够用于多种情况下的直流套管温度场模拟，进而对套管的轴向和径向温度进行分析研究，本试验装置及方法能够有效实现套管在实际运行工况中的环境温度，其研究结果十分具有参考价值。

进一步地，所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱均为密封结构。

上述进一步方案的有益效果是：减少干扰因素，保证试验的准确性和可靠性。

再进一步地，所述温度传感器置于所述试验套管表面的紧固件上。

上述进一步方案的有益效果是：以便适当准确地确定与绝缘材料相接触的套管金属部件的温度最高点。本发明中温度传感器安装在试验套管不同位置，油中侧传感器安装的间距较阀厅侧的密集。

再进一步地，所述温控模块包括的按键及显示器。

上述进一步方案的有益效果是：按键方便于输入设置U形加热电极的发热温度，显示器则用于观测换流变套管油中侧温度模拟试验箱及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中的变压器油及空气是否分别达到指定温度，以便判断能否进行下一步试验操作。

本发明基于上述系统，提供了一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验方法，包括以下步骤：

S1、将试验装置按顺序完成接线，搭建试验平台；

S2、基于所述试验平台对试验装置施加给定的电流，并采集温度信息，完成换流变压器阀侧套管的模拟运行温度试验。

本发明的有益效果是：通过试验操作，可以进行多种情况下的直流套管温度场模拟，进而对套管的轴向和径向温度进行分析研究，本试验装置及方法能够有效实现套管在实际运行工况中的环境温度，其研究结果十分具有参考价值。将试验套管一端放入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端放入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱，利用U形加热电极使试验箱中的变压器油和空气达到指定温度，并利用交直流电源给套管施加给定电流，以此模拟换流变压器阀侧套管的实际运行工况，再通过预先安置在套管上的温度传感器采集试验所需测量点的温度，将数据传回温度检测记录仪。

再进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、将温度传感器根据温度试验要求安装于试验套管的表面上；

S102、将信号输出端接入温度检测记录仪；

S103、将试验套管与未打开的交直流电源接线连接；

S104、根据试验套管实际运行时的浸入油位，将其一端置入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端置入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中，完成试验平台的搭建。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、在温控模块中设置指定的试验温度，利用U形加热电极分别对换流变套管油中侧温度模拟试验箱中的变压器油以及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中的空气进行加热；

S202、闭合交直流电源对试验套管施加给定电流；

S203、保持给定电流在试验中大小不超出2％的范围，并在固定时间内记录一次所有通道显示的温度结果；

S204、判断试验连续进行1h期间内温度检测记录仪中所有测温点的温度变化幅度是否均不超过±1K，若是，则试验套管处于热稳定状态，并记录该时刻下所有测温点的测量结果，作为试验分析数据，完成运行温度的试验，否则，返回步骤S203。

上述进一步方案的有益效果是：U形加热电极的加热温度可以通过温控装置进行预设，可在满足国家标准的使用条件下进行套管在不同温度条件下的实验研究；温度传感器的安装具有灵活性，可根据试验者的实际需求，在套管的不同位置进行合理安装；温度检测记录仪不仅能反映实时的套管温度特性，还可对数据进行存储，便于试验后期的分析和处理。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本实施例的工作过程图。

图3为本发明的方法流程图。

图4为本发明实施例中的阀侧套管导电管截面示意图。

其中：1-换流变套管油中侧温度模拟试验箱；2-换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱；3-试验套管；4-U形加热电极；5-温控模块；6-温度传感器；7-温度检测记录仪；8-交直流电源。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

本发明是将试验套管3一端放入换流变套管油中侧温度模拟试验箱1，另一端放入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2，利用U形加热电极4使试验箱中的变压器油和空气达到指定温度，并利用交直流电源8给套管施加给定电流，以此模拟换流变压器阀侧套管的实际运行工况，再通过预先安置在套管上的温度传感器6采集试验所需测量点的温度，将数据传回温度检测记录仪7，其能够用于多种情况下的直流套管温度场模拟，进而对套管的轴向和径向温度进行分析研究，本试验装置及方法能够有效实现套管在实际运行工况中的环境温度，其研究结果十分具有参考价值。如图1-图2所示，其包括换流变套管油中侧温度模拟试验箱1、换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2、试验套管3、U形加热电极4、温控模块5、温度传感器6、温度检测记录仪7以及交直流电源8；U形加热电极4分别安装于换流变套管油中侧温度模拟试验箱1内和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2内，试验套管3一端位于换流变套管油中侧温度模拟试验箱1中，其另一端位于换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2中，温度传感器6安装于试验套管3表面的不同位置，且位于换流变套管油中侧温度模拟试验箱1中内的温度传感器6的数量大于位于换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2中温度传感器6的数量，试验套管3与交直流电源8连接，温度检测记录仪7与温度传感器6连接，交直流电源8对试验套管3施加交流或直流激励，U形加热电极4与温控模块5连接。换流变套管油中侧温度模拟试验箱1和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2均为密封结构。温度传感器6置于试验套管3表面的紧固件上。温控模块5包括的按键及显示器。

在本发明的实施例中，换流变套管油中侧温度模拟试验箱1密封良好，可以根据不同试验套管的应用情况更换内部变压器油的种类，其试验箱内安装有U形加热电极4。换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2密封良好，内部充有空气，其试验箱内安装有U形加热电极4。温度传感器6安装在试验套管3不同位置，油中侧传感器安装的间距较阀厅侧的密集，同时尽可能置于法兰或其他紧固件上，以便适当准确地确定与绝缘材料相接触的套管金属部件的温度最高点。温度检测记录仪7用于接收温度传感器6传输的实时数据，可以同时接收多路数据，还可以进行数据存储。交直流电源8同时具备交流电和直流电输出，用于对试验套管3施加交流或直流激励，实现不同工况的模拟。U形加热电极4用于对换流变套管油中侧温度模拟试验箱1及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2进行加热，通过温控模块5可以预先设定所需的加热温度。温控模块5带有按键及显示器，用于设置U形加热电极4的发热温度，使换流变套管油中侧温度模拟试验箱1及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱2中的变压器油及空气分别达到指定温度。该装置参照目前应用最为广泛的户内—浸入式变压器套管的安装形式，并做了一定程度的简化：套管一端安装于换流变压器油箱短轴侧，另一端伸入阀厅。

本发明的工作原理为：首先给U形加热电极4通电，使其自身发热，然后通过热传递，使试验箱中的变压器油和空气温度上升，最终达到指定温度。再根据相关规定计算得到试验中的等效基波试验电流值I_test，然后通过试验装置将该电流施加于试验套管3上，套管中心导管流过电流产生热量，热量会向四周进行传递，由于径向路径上的传递介质为环氧树脂和SF6气体，其传热系数远小于轴向上的金属介质，热量主要沿轴方向由套管内部向外界环境传递，因此试验过程中不同位置的温度在同一时刻也不尽相同。施加电流一段后，套管内部会随着热量的积累导致温度不断升高，最后趋于稳定，即达到热稳定状态。

本发明适用于干式、充SF₆气体和油气混合绝缘等多种结构的换流变压器的阀侧套管，本发明中U形加热电极4的加热温度可以通过温控模块5进行预设，可在满足国家标准的使用条件下进行套管在不同温度条件下的实验研究；本发明中温度传感器6的安装具有灵活性，可根据试验者的实际需求，在套管的不同位置进行合理安装；本发明中温度检测记录仪不仅能反映实时的套管温度特性，还可对数据进行存储，便于试验后期的分析和处理。

本发明用于多种情况下的直流套管温度场模拟，能对套管的轴向和径向温度进行分析研究。

实施例2

如图3所示，一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验方法，其实现方法如下：

S1、将试验装置按顺序完成接线，搭建试验平台，其实现方法如下：

S101、将温度传感器根据温度试验要求安装于试验套管的表面上；

S102、将信号输出端接入温度检测记录仪；

S103、将试验套管与未打开的交直流电源接线连接；

S104、根据试验套管实际运行时的浸入油位，将其一端置入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端置入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中，完成试验平台的搭建；

S2、基于所述试验平台对试验装置施加给定的电流，并采集温度信息，完成换流变压器阀侧套管的模拟运行温度试验，其实现方法如下：

S201、在温控模块中设置指定的试验温度，利用U形加热电极分别对换流变套管油中侧温度模拟试验箱中的变压器油以及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中的空气进行加热；

S202、闭合交直流电源对试验套管施加给定电流；

S203、保持给定电流在试验中大小不超出2％的范围，并在固定时间内记录一次所有通道显示的温度结果；

S204、判断试验连续进行1h期间内温度检测记录仪中所有测温点的温度变化幅度是否均不超过±1K，若是，则试验套管处于热稳定状态，并记录该时刻下所有测温点的测量结果，作为试验分析数据，完成运行温度的试验，否则，返回步骤S203。

本发明的实施例中，试验电流根据直流系统用套管规定的换流变阀侧套管等效温升试验电流进行计算得到，以图4所示套管结构为例。图中D₁表示套管的外径、D₂表示套管内径、L表示套管的长度(单位均为cm)，ρ₂₀表示在温度为20℃时的材料电阻率(其单位为μΩ/cm)，I_h为给出的换流变阀侧绕组各次谐波电流值。由此可以计算得到温升试验中的等效基波试验电流值I_test为：

式中，I_k表示第k次谐波电流值，R_k表示第k次谐波试验时套管的交流电阻值，R₁为基波频率电流下的交流电阻值。R_k的计算表达式为：

式中，S_ek表示考虑集肤效应时，第k次谐波流过的导电管时的等效横截面积，其大小可由式(3)计算得到：

S_ek＝π×d_k×(D₁-d_k) (3)

式中，d_k为第k次谐波电流流过直流套管导电管时，第k次谐波电流在集肤效应下渗入导体中的深度，其大小可用式(4)进行计算：

式中，f₀为试验电流的基波频率，通常为50Hz。

联立式(1)～(4)，可以得到等效的基波试验电流值I_test为：

给定电流在试验中大小不超出±2％的范围，每隔一定时间记录一次所有通道显示的温度结果，试验连续进行，直至1h期间内温度检测记录仪中所有测温点的温度变化幅度均不超过±1K，认为所述试验套管达到了热稳定状态，记录该时刻下所有测温点的测量结果，作为试验分析数据。所得试验套管内层温度变化曲线具有一阶指数函数特性，建立温度曲线模型为：

式中，T_∞为极限温度稳态值，T₀为初始温度值，τ为时间常数。

根据前述套管达到热稳定状态的条件：ΔT≤1K，设由此达到稳态温度T_s所用的稳态时间为t_s，即：

T(t_s+1)-T(t_s)≤1 (7)

由式(6)、式(7)可得：

由式(9)可知，时间常数τ越大，极限温度稳态值T_∞与稳态温度值T_s之间的差异越大，因此，对于长期处于额定负载运行的换流变压器阀侧套管进行热性能评估时，采用极限温度稳态值T_∞更加准确，T_∞无法直接测得，可采用τ和T_s根据式(9)进行修正。试验表明，当试验条件变化致使试验中断时，可以利用式(6)、式(8)和式(9)进行数据拟合并获取热平衡参数，所得参数T_∞、T_s和τ对套管热性能的评估仍具有指导意义。

本发明适用于干式、充SF₆气体和油气混合绝缘等多种结构的换流变压器的阀侧套管，本发明中U形加热电极的加热温度可以通过温控装置进行预设，可在满足国家标准的使用条件下进行套管在不同温度条件下的实验研究；本发明中温度传感器的安装具有灵活性，可根据试验者的实际需求，在套管的不同位置进行合理安装；本发明中温度检测记录仪不仅能反映实时的套管温度特性，还可对数据进行存储，便于试验后期的分析和处理。

本发明用于多种情况下的直流套管温度场模拟，能对套管的轴向和径向温度进行分析研究。

Claims (7)

1.一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置，其特征在于，包括换流变套管油中侧温度模拟试验箱(1)、换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱(2)、试验套管(3)、U形加热电极(4)、温控模块(5)、温度传感器(6)、温度检测记录仪(7)以及交直流电源(8)；

所述U形加热电极(4)分别安装于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱(1)内和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱(2)内，所述试验套管(3)一端位于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱(1)中，其另一端位于所述换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱(2)中，所述温度传感器(6)安装于所述试验套管(3)表面的不同位置，且所述位于所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱(1)中内的温度传感器(6)的数量大于位于所述换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱(2)中温度传感器(6)的数量，所述试验套管(3)与所述交直流电源(8)连接，所述温度检测记录仪(7)与所述温度传感器(6)连接，所述交直流电源(8)对所述试验套管(3)施加交流或直流激励，所述U形加热电极(4)与所述温控模块(5)连接。

2.根据权利要求1所述的换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置，其特征在于，所述换流变套管油中侧温度模拟试验箱(1)和换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱(2)均为密封结构。

3.根据权利要求1所述的换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置，其特征在于，所述温度传感器(6)置于所述试验套管(3)表面的紧固件上。

4.根据权利要求1所述的换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验装置，其特征在于，所述温控模块(5)包括的按键及显示器。

5.一种换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将试验装置按顺序完成接线，搭建试验平台；

S2、基于所述试验平台对试验装置施加给定的电流，并采集温度信息，完成换流变压器阀侧套管的模拟运行温度试验。

6.根据权利要求5所述的换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、将温度传感器根据温度试验要求安装于试验套管的表面上；

S102、将信号输出端接入温度检测记录仪；

S103、将试验套管与未打开的交直流电源接线连接；

S104、根据试验套管实际运行时的浸入油位，将其一端置入换流变套管油中侧温度模拟试验箱，另一端置入换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中，完成试验平台的搭建。

7.根据权利要求5所述的换流变压器阀侧套管模拟运行温度试验方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、在温控模块中设置指定的试验温度，利用U形加热电极分别对换流变套管油中侧温度模拟试验箱中的变压器油以及换流变套管阀厅侧温度模拟试验箱中的空气进行加热；

S202、闭合交直流电源对试验套管施加给定电流；

S203、保持给定电流在试验中大小不超出2％的范围，并在固定时间内记录一次所有通道显示的温度结果；

S204、判断试验连续进行1h期间内温度检测记录仪中所有测温点的温度变化幅度是否均不超过±1K，若是，则试验套管处于热稳定状态，并记录该时刻下所有测温点的测量结果，作为试验分析数据，完成运行温度的试验，否则，返回步骤S203。

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