一种变压器油纸绝缘电热联合应力老化的实验装置与方法

摘要

本发明涉及一种变压器油纸绝缘电热联合应力老化的实验装置与方法，它结构简单，使用效果，运行安全，取样方便。它包括外腔，外腔内设有至少一个密封的内腔，在内腔中设有测试装置，测试装置设有高压电极和低压电极，试样置于相互压紧的高压电极和低压电极间，高压电极分别与外腔外部的高压电源和电流测量与显示系统连接。

说明书

技术领域

本发明属于变压器老化状态检测技术领域，具体涉及一种变压器油纸绝缘电热联合应力老化的实验装置与方法。

背景技术

变压器尤其是大型油浸式电力变压器是电力系统中至关重要的设备之一，其运行可靠性直接关系电力系统的安全稳定，统计资料显示，变压器的运行事故主要由其绝缘系统故障造成，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，准确诊断油纸绝缘系统的老化状态，对预测变压器的寿命至关重要，也是实现变压器状态维护的前提和基础。

在大多数变压器中，其绝缘系统主要有纤维素纸板和变压器油构成，前者主要起绝缘和支撑的作用，后者主要用来绝缘和冷却。在变压器运行过程中，油纸绝缘长期承受热、电、机械、化学等多种外部应力作用，在上述多种应力作用下，纤维素纸板和变压器油都会随着运行时间的累积而逐渐老化，并产生一些老化产物，如乙烯、乙炔、微水、呋喃化合物等，导致自身绝缘和机械性能逐渐下降并可能造成变压器故障。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，在此条件下开展实验研究时间漫长且不现实，因此在更高应力水平下对油纸绝缘进行加速老化实验成为国内外专家学者研究油纸绝缘老化规律、探索老化内在机理的主要途径。

目前，在实际实验研究中，主要有以下几种油纸绝缘加速老化方法，如在较高温度下进行的加速热老化、在较高电场应力作用下的加速电老化、在电-热联合应力作用下的电热联合加速老化以及电、热、机械等多种应力作用下的综合加速老化等。国内外研究表明，油纸绝缘在多种应力联合作用下的老化过程与单一应力下的老化过程明显不同。在实际运行条件下，电应力和热应力对油纸绝缘的作用一般同时、持续存在，且难以避免，因此，一般认为电热联合应力作用下的油纸绝缘加速老化实验能够较好的模拟变压器油纸绝缘系统在实际运行状态下的老化环境，较单一应力下的加速热老化或电老化能更合理、科学地研究油纸绝缘老化过程，评估油纸绝缘剩余寿命。虽然国内外一些学者已经针对油纸绝缘在多应力作用下的老化特性做了不少研究，而且提出了一些有价值的油纸绝缘老化寿命模型，但是，鲜有对在电热联合应力下油纸绝缘老化理化特性进行深入细致的研究，一个主要原因就是开展电热联合应力作用下的油纸绝缘老化试验需要设计合理、性能可靠、运行安全、取样方便的实验装置，这也是进行上述实验的难点。

发明内容

本发明针对现有实验平台中在模拟油纸绝缘老化过程试验时普遍存在的不能同时施加电、热联合应力作用、取样困难、高温密封等难题，提出一种变压器油纸绝缘电热联合应力老化的实验装置与方法，它结构简单，使用效果，运行安全，取样方便。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变压器油纸绝缘电热联合应力老化的实验装置，它包括外腔，外腔内设有至少一个密封的内腔，在内腔中设有测试装置，测试装置设有高压电极和低压电极，试样置于相互压紧的高压电极和低压电极间，高压电极分别与外腔外部的高压电源和电流测量与显示系统连接。

所述测试装置包括玻璃标本瓶，它安装在外部支架上，在玻璃标本瓶内盛有变压器油，在变压器油中设有内部支架，内部支架吊装在外部支架上，在内部支架下部设有低压电极，低压电极上方设有高压电极，高压电极与高压电极接线柱连接，高压电极接线柱与外部高压电源连接。

所述外部支架包括不锈钢底板，它通过不锈钢螺栓与绝缘板连接，不锈钢钢螺栓顶部是保护地电极，它与外腔的金属壁连接；所述内部支架包括一对低压电极接线柱，它们安装在绝缘板上，下部与电极-试样试验架连接，低压电极与电极-试样试验架间设有压紧弹簧。

所述绝缘板下部以及不锈钢底板的上部均设有丁腈橡胶密封垫片。

所述低压电极接线柱外部套装小型聚四氟乙烯套管。

所述外部高压电源包括高压套管为聚四氟乙烯套管，它通过不锈钢法兰穿入外腔内；高压套管的顶部和底部设有防晕罩，导电杆贯穿整个高压套管，在高压套管顶部和底部分别设有接线端，底部的接线端通过高压导线与高压电极接线柱连接。

所述外腔是高温烘箱，温度可调范围为室温+10～300℃、温控精度为±0.5℃。

所述试样为油浸绝缘纸板试品。

一种变压器油纸绝缘电热联合加速老化的实验方法，它的步骤为：

1)油浸绝缘纸板试品真空干燥、浸油处理；

2)将准备好的油浸绝缘纸板试品置入高压电极和低压电极之间并压紧，然后将内腔放入真空干燥箱，抽至50±5Pa的粗真空，通过注油阀注油适量的变压器油，取出内腔并进行密封处理；

3)内腔置入外腔并连接导线，将一定数量的密封好的内腔均匀放入外腔中，并将高压电极、低压电极和保护地电极通过耐高温导线正确接线；

4)升温、加电压进行电热联合加速老化试验，对油浸绝缘纸板试品15施加电和热应力作用，设置外腔的加热温度，对高压电极施加电压，进行电热联合应力下油浸绝缘纸板试品的加速老化实验；

5)取出内腔对试样进行理化参数分析，得出油浸绝缘纸板在电热联合应力作用下的老化规律。

所述步骤1)中，首先将纤维素绝缘纸板放在真空烘箱中，抽至50±5Pa的粗真空，并将温度升高并保持在110±0.5℃，干燥48h；降至室温后将干燥的试样取出，在空气中吸潮，同时通过精密天平观察试样重量的变化，达到设定的微水含量后，再次放入真空干燥箱并抽至50±5Pa的粗真空，温度升高至50℃，然后通过真空干燥箱上的注油阀在该温度下对绝缘纸板进行真空浸油。

本发明的变压器油纸绝缘电热联合应力下老化的实验装置，包括外腔与放置在外腔内部的一定数量的内腔及测量与显示系统组成，内腔由筒状结构的玻璃标本瓶、设置于筒状结构的玻璃瓶内的电极-试样结构，设置于筒状玻璃瓶上端的绝缘板，下端的不锈钢底板，连接和固定绝缘板的不锈钢螺杆，设置于绝缘板和不锈钢底板上的耐高温橡胶垫构成，外部电压源通过外腔体上的高压套管与高压引线与内腔上端绝缘板的高压电极接线端连接，再连接到电极-试样试验架的高压电极上，电极-试样试验架上的低压电极和保护地电极通过高温导线分别与置于外腔外部的电流、电压测量与显示系统和外腔壳体相连接。

设置于外腔上部的耐高温聚四氟乙烯高压套管，通过法兰与外腔上壁连接，导电杆两端设置有起防止电晕的半球形不锈钢防晕罩。

外腔是高温恒温烘箱，其温度可调范围为室温+10～300℃、温控精度为±0.5℃，温度均匀度＜2℃，具有定时功能，内部空间尺寸为1200×1000×1500mm。

筒状结构的玻璃标本瓶高度为135mm，内径90mm，壁厚为5mm。

设置于筒状玻璃标本瓶内的电极-试样结构由高压电极、低压电极、油纸绝缘试品构成，两电极均为黄铜材质，边缘均进行倒圆角处理。

高压套管由聚四氟乙烯套管、导电杆、接线柱、防晕罩、及法兰组成，导电杆通过两个呈半球形的防晕罩的中心孔，导电杆的两端为与输入输出高压线的接线柱，聚四氟乙烯套管通过法兰与外腔的上壁连接。

低压电极的导杆上设置有压紧弹簧。

设置于筒状玻璃瓶上端的绝缘板为改性双马来酰亚胺树脂板，耐温等级为H级。

一种变压器油纸绝缘电热联合应力加速老化的实验方法，包括如下步骤：

1)纤维素绝缘纸板真空干燥试样处理，首先将绝缘纸板裁成直径65mm的圆片状，放在真空烘箱中，抽至50±5Pa的粗真空，并将温度升高并保持在110±0.5℃，在真空度明显下降时应再次抽真空，将绝缘纸板试品保持在50±5Pa的粗真空中进行干燥48h，待降至室温后将干燥的纸板试样取出，在空气中吸潮，同时通过精密天平观察试样重量的变化，是否达到设定的微水含量；

2)对绝缘纸板进行真空浸油，将准备好的绝缘纸板放置在广口玻璃器皿中，然后放入真空干燥箱，升高温度并保持在50±0.5℃，抽至50±5Pa的粗真空，打开真空干燥箱上的注油阀门，对绝缘纸板进行真空浸油；

3)进行放置试样和内腔注油操作，将充分浸油的绝缘纸板试品放置在高压电极和低压电极之间，通过设置在低压电极上的弹簧压紧，将整个内腔放入真空干燥箱进行真空条件下的内腔注油，内腔上部保留五分之一剩余空间时停止注油，打开真空干燥箱通过螺杆压紧上下两端的绝缘板将内腔密封；

4)根据实验规划将规定数量的完成注油并密封的内腔均匀置入外腔，并将相应电极、导线、测量及显示装置正确连接；

5)电热联合应力加速老化部分，根据实验规划的老化温度设置高温烘箱的加热温度，根据实验规划的电场应力水平设置电源电压，进行加速电热联合老化实验；

6)实验过程中实时监测外腔内部温度变化，施加在油纸绝缘试品上的电压大小，流过试品的电流大小等实验数据；

7)不同老化阶段试样理化参数分析主要是在不同老化阶段停止加热，撤除施加电压，将试样冷却至室温，取出并打开一个内腔，提取变压器油试样和绝缘纸板试品进行油中气体检测、糠醛浓度检测、纸板聚合度检测等相关试验及其得到具体实验数据。

本发明的有益效果是：它可以实现油纸绝缘试品在电热联合应力作用下的加速老化实验，能实时监测和测量试样所受热应力水平、施加电压以及流过试品的电流的大小，又能在不同老化阶段定期取样，对变压器油和绝缘纸板试品进行相关理化分析，包括老化过程中绝缘油介电参数、微水含量、PH值、酸值等参数变化和绝缘纸板聚合度、介电参数、表观形貌等的变化，获得具体的实验数据，也可以同时进行电热联合加速老化实验和相应温度下的单一热应力加速老化实验，以达到对比分析的目的，以研究大型电力变压器油纸绝缘材料在不同应力作用条件下的老化规律，为研究变压器油纸绝缘系统老化机理，评估老化状态提供了实验平台。

附图说明

图1本发明实验装置和测量与显示系统总体结构示意图；

图2本发明内腔结构主视示意图；

图3本发明电极-试样结构示意图(不包括电极-试样试验架)；

图4本发明耐高温高压套管结构示意图；

图5本发明电热联合加速老化实验方法流程示意图；

图6本发明不同老化阶段油试品中溶解乙炔气体曲线；

图7本发明不同老化阶段油试品电阻率曲线；

图8本发明不同老化阶段纸板试品聚合度曲线。

其中，1.外腔，2.内腔，3.高压套管，4.耐高温导线，5.电流、电压测量及显示系统，6.保护地电极，7.绝缘板，8.丁腈橡胶密封垫片，9.不锈钢螺柱，10.玻璃标本瓶，11.不锈钢底板，12.变压器油，13.压紧弹簧，14.低压电极，15.试样，16.高压电极，17.低压电极接线柱，18.高压电极接线柱，19.接线端，20.防晕罩，21.导电杆，22.聚四氟乙烯套管，23.不锈钢法兰，24.小型聚四氟乙烯套管，25.电极-试样试验架，26.高压导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实验装置总体结构图，图中可以看出，变压器油纸绝缘电热联合加速老化实验装置，包括外腔1与设置在外腔1内部的内腔2及电压、电流测量与显示系统5组成。

内腔2由筒状结构的玻璃标本瓶10、设置于筒状玻璃标本瓶10上端的绝缘板7、设置于筒状玻璃标本瓶8下部的不锈钢底板11、连接和固定绝缘板7与不锈钢底板11的不锈钢螺杆9、设置于绝缘板7下表面和不锈钢底板11上表面的耐高温的丁腈橡胶密封垫片8、设置于筒状玻璃标本瓶10内部的电极-试样试验架25构成，电极-试样试验架25由高压电极16、低压电极14组成，试样15置于高压电极16与低压电极14之间，通过置于低压电极14上的压紧弹簧13将试样15压紧，外部电压源通过外腔体1上的高压套管3再经过连接高压套管3下端接线端19的高压导线26和内腔2上部的高压电极接线柱18连接，最后连接到电极-试样试验架25的高压电极16上，高压电极16上的电压经过高压电极接线柱18，在经过耐高温导线4连接到设置于外腔1外部的电流、电压测量及显示系统5，电极-试样试验架25上的低压电极14通过低压电极接线柱17，在经过耐高温导线4连接到设置于外腔1外部的电流、电压测量及显示系统5。

图2是本实验装置的内腔结构示意图，图2中可以明显看出，电极-试样试验架25置于筒状玻璃标本瓶10内部，高压电极16、试样15以及低压电极14完全浸在注入的变压器油12中，绝缘板7和不锈钢底板11通过不锈钢螺柱9连接，保护地电极6和外腔1的金属外壳连接，通过拉紧不锈钢螺柱9和丁腈橡胶密封垫片8将内腔2密封。

图3为电极-试样试验架结构图，可以明显看出，高压电极16固定在绝缘板7上，且通过丁腈橡胶密封垫片8使两部分密封连接，绝缘板7为边长120mm的正方形，厚度为10mm，低压电极14可在垂直方向活动，并通过压紧弹簧13使试品和两电极紧密接触，低压电极接线柱17上设置有小型聚四氟乙烯套管24，确保高压电极16与低压电极接线柱17之间绝缘，小型聚四氟乙烯套管24外径8mm，壁厚1mm，长度70mm，高压电极16和低压电极14均为直径55mm、厚度5mm的黄铜材质圆形电极，边缘做倒圆角处理。

图4是耐高温聚四氟乙烯高压套管3结构示意图，为了将外部高压引入外腔1的内部，以对试样15施加电应力，外腔1上部设置高压套管3，图中显示，耐高温聚四氟乙烯高压套管3由导电杆21两端的接线端19、半球形的防晕罩20、黄铜的导电杆21、聚四氟乙烯套管22以及不锈钢法兰23构成，导电杆21外径15mm，壁厚3mm，通过两个防晕罩20的中心孔，聚四氟乙烯套管22最大直径80mm，不锈钢法兰23处直径70mm，总长500mm，两端外壁加工有伞裙以增大爬电距离。

图5是利用本发明进行电热联合加速老化实验的流程示意图。

为实现电热联合加速老化需要的高温，外腔1为高温烘箱，温度可调范围为室温+10～300℃、温控精度为±0.5℃，内部空间尺寸为1200×1000×1500mm，进行加速老化试验时可将至少一个内腔2置入外腔1中，使变压器油12和油浸绝缘纸板试品(试样15)在试验设定的高温和电应力下进行加速老化。

为了达到密封、耐高温及绝缘的要求，内腔使用内径90mm，壁厚5mm，高度135mm的玻璃标本瓶10作为容器，以耐温等级为H级的改性双马来酰亚胺树脂板为绝缘板7，以耐温、耐油性能较好的丁腈橡胶为密封垫片8。由于加热过程中变压器油膨胀，内腔内部压力增大的问题，在保证油浸绝缘纸板试品、高压电极和低压电极完全浸没的前提下，注油时必须使容器上部至少留足五分之一的剩余空间提供给变压器油受热膨胀。经试验验证该实验装置在不高于160℃时可以可靠运行，满足变压器油浸绝缘纸板电热联合应力加速老化实验的要求。

本实验装置中所有引线包括高压导线26、连接高压电极、低压电极和电压、电流测量与显示系统的导线都使用耐高温导线4，保证在整个电热联合加速老化试验中其绝缘性能良好。

试样15压紧程度的不同对于试品承受的电应力大小及均匀程度、老化环境有明显影响，为使油浸绝缘纸板试样15压紧程度一致，本实验装置将高压电极16固定在绝缘板7上，而低压电极14的导杆上设计压紧弹簧，保证油浸绝缘纸板试品15在实验中每次压紧程度一致，压力均匀。

内腔2注油时需要在真空条件进行，这样才能最大程度排除油浸绝缘纸板试样15和高压电极16及低压电极14之间残留的空气，使每个内腔油浸绝缘纸板试品15具有一致的老化应力和环境。本实验装置内腔2可放入真空干燥箱中，通过真空泵将整个内腔抽到50±5Pa的粗真空，并在此真空条件下通过真空干燥箱上设计的注油阀对内腔2的真空入适量的变压器油12。

由于要研究油浸绝缘纸板试样15不同老化阶段的理化特性，外腔1内部可以根据实验规划放入多个内腔2，每经过一定的老化时间取出一个内腔2，分析其中变压器油和绝缘纸板理化特性，以达到连续研究油浸绝缘纸板试样15在电热联合应力下老化规律的目的。

电热联合加速老化实验可分为绝缘纸板试样真空干燥、浸油处理，放置试样、注油和密封内腔，内腔置入外腔并连接导线，升温、加电压进行电热联合加速老化试验，取出内腔对试样进行理化参数分析这些步骤。绝缘纸板试样真空干燥、浸油处理指纤维素绝缘纸板在真空条件下进行干燥、浸油处理，首先将纤维素绝缘纸板放在真空烘箱中，抽至50±5Pa的粗真空，并将温度升高并保持在110±0.5℃。由于干燥过程中绝缘纸板蒸发的水分造成真空度下降，若观察到真空度明显下降时应再次抽真空，将试品保持在50±5Pa的粗真空中进行干燥48h。降至室温后将干燥的纸板试样取出，在空气中吸潮，同时通过精密天平观察试样重量的变化，达到设定的微水含量后，再次放入真空干燥箱并抽至50±5Pa的粗真空，温度升高至50℃，然后通过真空干燥箱上的注油阀在该温度下对绝缘纸板进行真空浸油。放置试样、注油和密封内腔部分，首先将准备好的油浸绝缘纸板试样15置入高压电极16和低压电极14之间并压紧，然后将内腔2放入真空干燥箱，抽至50±5Pa的粗真空，通过注油阀注油适量的变压器油12，取出内腔2并进行密封处理。内腔置入外腔并连接导线部分是指将一定数量的密封好的内腔2均匀放入外腔1中，并将高压电极16、低压电极14和保护地电极6通过耐高温导线正确接线。升温、加电压进行电热联合加速老化试验指的是为了对油浸绝缘纸板试样15施加电和热应力作用，设置外腔1的加热温度，对高压电极16施加电压，进行电热联合应力下油浸绝缘纸板试品的加速老化实验。最后进行的步骤是取出内腔对试样进行理化参数分析，以研究油浸绝缘纸板在电热联合应力作用下的老化规律，对变压器油分析油中溶解气体、pH值、酸值、糠醛浓度、微水、电阻率、击穿电压、介损等，对纤维素绝缘纸板主要分析聚合度的变化。

在本发明试验过程中，高压电极16上施加的电压、流过油浸绝缘纸板试样15的电流都可以实时在线测量，并通过示波器显示，实现不需要暂停试验，不需要关闭高温烘箱而连续监测油浸绝缘纸板试品的电流、电压等参数变化。

本发明可以对油浸绝缘纸板试品同时施加电应力和热应力，实现在电热联合应力下的加速老化实验；可以实现高温下内腔的密封性；可以实现定期提取试样，进行变压器油和绝缘纸板试样的理化参数分析；可以实现在线实时监测实验过程中外腔温度、试品电压、电流等参数的变化；低压电极设置压紧弹簧使油浸绝缘纸板试品压紧程度一致、均匀。

附图6为以该实验装置为平台对油浸绝缘纸板试品进行的电热联合应力加速老化实验和相应温度下单一热应力加速老化实验在不同老化阶段油中溶解乙炔含量变化曲线。实验温度为130℃，油浸绝缘纸板试品承受电应力为4kV/mm，曲线1为单一热应力130℃下的加速老化实验结果，曲线2为电热联合应力下加速老化实验结果。由图可见，电热联合应力作用下，油中溶解乙炔含量与单一热应力下比较，变化显著不同，随着老化时间的延长，单一热应力下油中并没有出现溶解的乙炔气体，而在电热联合老化应力作用下，油中溶解乙炔气体迅速增加，并在老化后期含量趋于稳定。

图7为以该实验装置为平台对油浸绝缘纸板试品进行的电热联合应力加速老化实验和相应温度下单一热应力加速老化实验在不同老化阶段变压器油体积电阻率变化曲线。曲线1为单一热应力130℃下的加速老化实验结果，曲线2为电热联合应力下加速老化实验结果。由图可见，在两种老化应力条件下，变压器油的体积电阻率都随着老化时间的延长而显著降低，而且两种条件下，变压器油的体积电阻率变化一致，没有显著不同，因此可以认为电应力对于变压器体积电阻率的变化影响较小。

图8为以该实验装置为平台对油浸绝缘纸板试品进行的电热联合应力加速老化实验和相应温度下单一热应力加速老化实验在不同老化阶段纤维素纸板聚合度变化曲线。曲线1为单一热应力130℃下的加速老化实验结果，曲线2为电热联合应力下加速老化实验结果。可以看出电应力对纤维素绝缘纸板聚合度变化作用明显，在两种老化应力环境下，绝缘纸板聚合度随着老化时间的延长而降低，而4kV/mm电场的存在反而使绝缘纸板聚合度降低速度变慢。