一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置及其寿命预测方法与流程

本发明涉及油纸老化试验设备技术领域，尤其涉及一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置及其寿命预测方法。

背景技术：

油浸式电力变压器在电力系统中承担着电力输、配送以及高低压变换等重任，其运行状态直接影响整个电力系统运行的稳定性。而油浸式变压器的主要绝缘防护在于内部的油纸绝缘部分，常年带电运行环境，以及热、振动、化学等外界各因素的综合作用，导致绝缘油纸逐渐老化、失效，引发变压器各类故障，进而造成电力系统的波动，甚至直接造成电力供应的中断。因此，通过模拟变压器油纸绝缘实际运行状态，实现对变压器油纸绝缘状态在线检测、有效评估及寿命预测具有重要意义。

目前的试验研究中，油纸绝缘加速老化方式主要有以下几种类型，如在较高温度90℃、110℃、130℃、较高电场等单一应力作用下的加速老化、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。多因素综合作用下的老化更接近于变压器的真实运行状态，但多数多因素影响的试验中，绝缘油一般都为静止老化状态，或是未加入振动应力因素，而实际运行过程中变压器油是呈循环状态，且绝缘油纸是处于振动环境的，本装置在电、热、振动等三种应力综合作用下，加上油路的热循环，最大限度还原绝缘油纸的实际工作状态；如中国专利申请，申请号为201510377644.7的一种油纸绝缘电热联合老化密封系统；提出了一种油纸绝缘电热联合老化密封系统，用于严格的油纸绝缘电热联合老化试验，该装置结构复杂，要求严格，并且只能实现变压器油纸绝缘电和热两种影响因素，振动应力及绝缘油循环影响均未进行考虑，与实际变压器运行环境存在差异。此外，目前常用的评估油纸绝缘老化状态的特征参量主要有油中气体分析、样品微水含量以及聚合度测试等，均需取样进行测量，步骤复杂操作不便。

技术实现要素：

本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置及其寿命预测方法。本发明能够实现在线检测试样的性能退化量，并利用随机模型结合传统寿命计算模型对变压器寿命进行预测，本发明能够模拟变压器油纸绝缘在电、热、振动等多种应力综合作用下的老化状态，并能实时在线测试老化参量，不用打开密封装置取样，操作更加简便，利用随机退化模型结合传统阿仑尼乌斯方程、逆幂准则对寿命进行预测，将数据统计和物理模型相结合，使寿命预测过程更加科学、有效。

本发明的技术方案：

一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置，包括试验箱体、振动传递装置、试样夹持装置和油路循环装置；所述试验箱体设置在承重台上，所述试验箱体内设置有若干组平行设置的试样夹持装置，所述试样夹持装置与所述振动传递装置连接，所述试验箱体上加工有真空抽气口、循环进油口和循环出油口，所述试验箱体上的循环进油口和循环出油口分别通过油路循环管道与油路循环装置连接，所述试验箱体上的真空抽气口通过抽气管路与抽真空泵连接，所述抽气管路上还设置有抽气阀门；

每组所述试样夹持装置均包括两个样品夹板、两个测试电极、支撑螺杆和定位螺杆；两组所述样品夹板之间设置有若干组支撑螺杆，每组所述支撑螺杆的上下两端分别设置有两组固定螺母一，两组所述固定螺母一分别设置在所述样品夹板的上下两端，两组所述样品夹板之间还设置有四根对称设置的定位螺杆，每两根所述定位螺杆相对的一端分别于一组测试电极固定连接，两组所述测试电极之间夹持有有测试样品，每两根所述定位螺杆的另一端分别设置有两组固定螺母二，两组所述固定螺母二也分别设置再所述样品夹板的上下两端，所有所述样品夹板还均与所述振动传递装置连接；

所述振动传递装置包括振动平台、角铁支架、传递横担、传递杆，所述振动平台设置在所述承重台下方，所述振动平台上设置有两组角铁支架，两组所述角铁支架之间设置有传递横担，所述传递横担上设置有两组传递杆，所述传递杆分别于多组所述样品夹板连接，所述传递杆穿过所述试验箱体的部分外端设置有振动传递波纹管。

进一步的，所述油路循环装置包括循环油泵和绝缘油缓冲箱体，所述试验箱体上的循环出油口通过油路循环管路与所述循环油泵连接，所述循环油泵通过油路循环管路与所述绝缘油缓冲箱体连接，所述绝缘油缓冲箱体通过油路循环管路与所述试验箱体上的循环进油口连接，所述绝缘油缓冲箱体顶端加工有注油口，与所述试验箱体上的循环进油口连接的油路循环管路端部设置有循环进油阀门，与所述试验箱体上的循环出油口连接的油路循环管路端部设置有循环出油阀门，设置在所述绝缘油缓冲箱体两侧的油路循环管路上均设置有调速阀门，且设置所述绝缘油缓冲箱体与所述试验箱体之间的油路循环管路上还设置有流速表。

进一步的，所述样品夹板为耐腐蚀环氧树脂夹板，所述定位螺杆、固定螺母一和固定螺母二均为耐腐蚀的尼龙螺杆和螺母。

进一步的，所述试验箱体上端设置有绝缘密封端盖，所述试验密封端盖上设置有两组吊耳，所述试验箱体上还设置有观察窗口。

一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置的寿命预测方法，该方法包括如下步骤：

步骤a：将绝缘试样进行预处理，真空状态下干燥48小时；

步骤b：将样品夹板、测试电极、绝缘试样固定后，联结好相关管路后，通过绝缘油缓冲器加热到规定温度后，利用循环油泵向试验箱体中注油；注油过程中打开真空泵，使试验箱体达到规定的真空度，注油完毕后继续抽真空至残压40-50Pa，保持6小时；

步骤c：使多组样品在规定温度、电压以及振动频率条件下进行加速老化试验，间隔规定时间，在线检测绝缘试样的FDS频域谱，获得其介电损耗因数，随后利用非线性最小二乘方法对所测数据进行拟合，提取老化特征参量Δε，通过特征参量来计算绝缘纸板的聚合度DP，作为寿命评估的性能退化参量，其计算公式为：

Δε＝140.59437×exp(-DP/273.98905)-0.36291

步骤d：对性能退化量进行数据处理：所计算的聚合度退化数据应用随机过程进行数据建模，并结合极大似然函数，对随机过程模型参数进行估计，最终实现对变压器寿命的预测。

进一步的，所述步骤b中所述规定的真空度为0.02MPa。

进一步的，所述步骤b中所述规定温度为50±5℃。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明将所有影响因素集成于一体，能够模拟变压器油纸绝缘运行过程中电、热、振动三种应力综合作用下的老化状态，并采用油路循环方式，最大限度还原绝缘油纸的实际工作状态，能够间接实现对变压器油的状态检测以及试验大数据的积累，提高了试验数据准确性、合理性、有效性。

本发明所应用的振动平台以及振动传递装置，能够实现振动的幅值、频率可调，可针对不同的试验要求进行不同振动条件的设定。

本发明试样夹板采取多层叠加方式，能同时做多组对比试验，试验条件统一，节约时间和成本，且便于数据对比统计。

本发明热油循环部分采用的是外部加热方式，温度控制精度高，可避免箱体内部采用加热棒形式而造成的局部受热情况，防止热点集中，使箱体内部温度均匀、试样受热条件一致，使试验效果达到良好。

本发明能实时在线测试绝缘样品多种老化参量数据，无需进行破坏性取样试验，操作便捷，并并能建立测试数据库，实现历史数据存储对比功能。

本发明参数提取部分充分考虑模型存在的优缺点，能通过理论计算和分析，减小特征量参数拟合过程中的误差，使计算过程更加准确。

本发明寿命预测方法不是单一样品预测，而是多样本进行数理统计后的预测过程：由在线检测的试样介电损耗因数计算对应聚合度作为老化性能退化量，再利用随机模型结合传统寿命计算模型对变压器寿命进行预测，本文中的寿命预测方法将数据统计和物理模型相结合，使寿命预测过程更加合理，应用范围更广泛。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图，

图2本发明的试验箱体的结构示意图，

图3本发明的试样夹持装置示意图，

图4本发明的振动传递装置示意图，

图5本发明的油路循环装置示意图，

图6本发明的抽真空部分示意图。

图中2-试样夹持装置；3-振动传递装置；4-油路循环装置；101-试验箱体；102-承重台；103-绝缘密封盖；104-真空抽气口；105-循环进油口；106-循环出油口；107-观察窗口；109-振动传递波纹管；110-吊耳；201-样品夹板；202-测试电极；203-支撑螺杆；204-定位螺杆；206-测试样品；301-振动平台；302-角铁支架；303-传递横担；304-传递杆；401-循环油泵；402-油路循环管道；403-绝缘油缓冲器；404-调速阀门；405-循环进油阀门；406-循环出油阀门；407-流速表；408-取油样端口；410-注油口；501-真空泵；502-抽气管道；503-抽真空阀门。

具体实施方式

以下将结合附图1-6对本发明进行详细说明。

实施例一：

本实施例公开的一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置，包括试验箱体101、振动传递装置3、试样夹持装置2和油路循环装置4；所述试验箱体101设置在承重台102上，所述试验箱体101内设置有若干组平行设置的试样夹持装置2，所述试样夹持装置2与所述振动传递装置3连接，所述试验箱体101上加工有真空抽气口104、循环进油口105和循环出油口106，所述试验箱体101上的循环进油口104和循环出油口105分别通过油路循环管道402与油路循环装置4连接，所述试验箱体101上的真空抽气口104通过抽气管路502与抽真空泵501连接，所述抽气管路502上还设置有抽气阀门503；抽气管道502采用耐油真空胶管，由真空泵通过抽气管道将柱体不锈钢箱体101中的气体排净，用以模拟变压器内部真空环境；

每组所述试样夹持装置2均包括样两个样品夹板201、两个测试电极202、支撑螺杆203和定位螺杆204；两组所述样品夹板201之间设置有若干组支撑螺杆203，每组所述支撑螺杆204的上下两端分别设置有两组固定螺母一，两组所述固定螺母一分别设置在所述样品夹板201的上下两端，两组所述样品夹板201之间还设置有四根对称设置的定位螺杆204，每两根所述定位螺杆204相对的一端分别与一组测试电极202固定连接，两组所述测试电极202之间夹持有有测试样品206，两组所述测试电极202分别通过引线与外部电源电连接，所述测试电极还能够通过连接数据线与不同的测量设备连接，以便进行实时监测数据变化，每两根所述定位螺杆204的另一端分别设置有两组固定螺母二，两组所述固定螺母二也分别设置再所述样品夹板201的上下两端，所有所述样品夹板201还均与所述振动传递装置3连接；试验过程可采取多层夹板方式，能做多组对比试验。样品夹板201由支撑螺杆203和固定螺母205进行固定，测试电极202由定位螺杆204和固定螺母205固定在样品夹板201上，防止振动过程中电极位置反生偏移，测试电极202两端引线通过与外部电源及数据采集设备相连，实现系统实时在线监测功能，并将测试结果对比分析；

所述振动传递装置3包括振动平台301、角铁支架302、传递横担303、传递杆304，所述振动平台301设置在所述承重台102下方，所述振动平台301上设置有两组角铁支架302，两组所述角铁支架302之间设置有传递横担303，所述传递横担303上设置有两组传递杆304，所述传递杆304分别于多组所述样品夹板201连接，所述传递杆304穿过所述试验箱体1的部分外端设置有振动传递波纹管109；振动平台301内设置振动发生器，振动发生器产生的通过角铁支架302、传递横担303和传递杆304将振动传至试样夹持装置2，以此来模拟变压器运行过程中的机械振动状态。

具体的，所述油路循环装置4包括循环油泵401和绝缘油缓冲箱体403，所述试验箱体101上的循环出油口105通过油路循环管路402与所述循环油泵401连接，所述循环油泵401通过油路循环管路402与所述绝缘油缓冲箱体403连接，所述绝缘油缓冲箱体403通过油路循环管路402与所述试验箱体101上的循环进油口106连接，所述绝缘油缓冲箱体403顶端加工有注油口410，与所述试验箱体101上的循环进油口105连接的油路循环管路402端部设置有循环进油阀门405，与所述试验箱体101上的循环出油口106连接的油路循环管路402端部设置有循环出油阀门406，设置在所述绝缘油缓冲箱体403两侧的油路循环管路402上均设置有调速阀门404，且设置所述绝缘油缓冲箱体403与所述试验箱体101之间的油路循环管路402上还设置有流速表407，所述试验箱体内设置有温度控制装置，所述温度控制装置包括温度传感器，所述温度传感器与PLC控制器电连接，所述PLC控制器安装在控制盒内，所述控制盒设置在所述绝缘缓冲箱体403壳体上，所述PLC控制器与若干组电加热管电连接，所述电加热管设置在所述绝缘缓冲箱体内部；调速阀门404位于绝缘油缓冲器403两侧，用以控制循环流速；流速表407和取油样端口408分别位于油路循环管道402上，便于实时监控绝缘油流速以及试验取样操作；将绝缘油加热后通过循环油泵401注入柱体不锈钢箱体101中，油路循环管道402均由保温层防护，降低循环过程中的温度损耗。

具体的，所述样品夹板201为耐腐蚀环氧树脂夹板，所述定位螺杆204、固定螺母一和固定螺母二均为耐腐蚀的尼龙螺杆和螺母。

具体的，所述试验箱体101上端设置有绝缘密封端盖103，所述绝缘密封端盖103上设置有两组吊耳110，所述试验箱体101上还设置有观察窗口107。

实施例二：

一种变压器油纸绝缘多因素联合老化试验装置的寿命预测方法，该方法包括如下步骤：

步骤a：将绝缘试样206进行预处理，真空状态下干燥48小时；

步骤b：将样品夹板201、测试电极202、绝缘试样206固定后，联结好相关管路后，通过绝缘油缓冲器403加热到规定温度后，利用循环油泵401向试验箱体101中注油；注油过程中打开真空泵501，使试验箱体101达到规定的真空度，注油完毕后继续抽真空至残压40-50Pa，保持6小时；

步骤c：使多组样品在规定温度、电压以及振动频率条件下进行加速老化试验，间隔规定时间，在线检测绝缘试样206的FDS频域谱，获得其介电损耗因数，随后利用非线性最小二乘方法对所测数据进行拟合，提取老化特征参量Δε，通过特征参量来计算绝缘纸板的聚合度DP，作为寿命评估的性能退化参量，其计算公式为：

Δε＝140.59437×exp(-DP/273.98905)-0.36291

步骤d：对性能退化量进行数据处理：所计算的聚合度退化数据应用随机过程进行数据建模，并结合极大似然函数，对随机过程模型参数进行估计，最终实现对变压器寿命的预测。

更具体的，所述步骤b中所述规定的真空度为0.02MPa。

更具体的，所述步骤b中所述规定温度为50±5℃。

实施例三：

一种变压器油纸绝缘多因素老化寿命预测方法包括以下步骤：

步骤a：选取12cm×12cm，厚度为1mm的绝缘试样分两组不同条件下进行退化试验。首先模拟变压器处理过程，将绝缘试样进行预处理，真空状态下干燥48小时。

步骤b：将绝缘试样、测试电极固定后，按图示联结好相关管路后，通过绝缘油缓冲器将绝缘油加热后，利用循环油泵向试验箱体中注油；注油过程中打开真空泵，使试验箱体达到规定的真空度，注油完毕后继续抽真空至残压40-50Pa，保持6小时，之后关闭抽真空阀门。

步骤c：在不同条件进行老化的绝缘试样间隔固定时间进行FDS频域谱测试，测试可得介电损耗因数、复介电常数实部以及复介电常数虚部，随后将基于Davidson-Cole模型，以介电损耗因数为拟合对象，应用非线性最小二乘的方法来提取模型中的特征参量Δε。

考虑到Davidson-Cole模型未考虑电导的影响，拟合对象介电损耗因数应去除电导损耗，处理过程如下：根据公式ε”(ω)＝ε_p”(ω)+σ_i/ε₀ω可知复介电常数虚部对应损耗项，其中：ε_p”(ω)表征松弛极化损耗，而σ_i/ε₀ω构成电导损耗，其中ε₀为真空介电常数，ω为频率；σ_i为绝缘纸板电导率，其随温度变化的规律服从Arrhenius方程：

式中：E_a为活化能；

R为气体常数；值为8.31J.mol^-1.K^-1，

T为热力学温度，

σ₀为20℃时绝缘纸板的电导率1.0×10^-12S/m，活化能为0.9eV；

再根据：

tanδ＝(σ_i+g)/ωε₀ε'，

其中：g为松弛极化损耗的等效电导率，

ε'为复介电常数实部，；

tanδ为实际测试的介电损耗因数；

可得除去电导损耗影响后的介电损耗因数为：

再根据Davidson-Cole模型，利用最小二乘的方法对特征参量Δε进行提取，介电损耗因数表达式为：

其中：θ＝tan^-1(ωτ)；

Δε＝ε_s-ε_∞；

β表征Cole-Cole圆弧偏离半圆的程度；

ε_∞为光频介电常数；

ε_s为稳态介电常数；

τ为松弛时间。

最后通过特征参量Δε来计算绝缘纸板的聚合度DP，作为寿命评估的性能退化参量，其计算公式为：

Δε＝140.59437×exp(-DP/273.98905)-0.36291

设定聚合度的失效阈值为250。

步骤d：对性能退化数据进行处理分析：所计算的聚合度退化数据应用线性随机过程进行数据建模，并利用传统Arrhenius方程、逆幂准则与材料寿命之间的关系，结合退化数据极大似然函数，根据极值条件对线性随机过程模型参数进行估计，实现对变压器使用寿命的预测，其中，随机退化过程可以描述为：

X(t)＝μt+σw(t)

其中：X(t)为样品在t时刻的退化量；

w(t)为布朗运动；

σ为扩散参数；

μ为漂移参数。

进一步，应用时间变换公式：

τ'＝γ(t)＝t^λ

其中：λ为变换系数；

γ(t)为单增函数，随后利用多因素老化下的叠加法则；

将Arrhenius方程τ_T＝Aexp(-E_a/R_mT)与逆幂方程τ_V＝K_mV^-m结合，可得样品材料在电-热-振动联合老化条件下寿命方程：

τ'＝τ_T·τ_V·τ_Ε＝Kexp(-E_a/RT)V^-mΕ^-n

其中：τ'为老化后绝缘油纸的寿命；

K＝A·K_m为综合因子；

V为绝缘油纸所受振动力；

m为反映振动因素的逆幂系数；

E为场强；

n为反映场强因素的逆幂系数，其他与步骤c中的公式相同。

进一步，结合性能退化数据极大似然函数，根据极值条件计算各参数估值：

其中，ΔY_ijk为退化增量；

Δτ_ijk为时间增量；

μ和σ²分别为函数的均值和方差。

最后由逆高斯分布性质可得变压器绝缘油纸的平均寿命公式为：

其中，E(T)为绝缘油纸的平均寿命；

l为绝缘油纸失效阈值；

λ为变换系数，μ为均值。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。