一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明公开了属于绝缘材料老化评估试验技术的一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法。本发明建立了饱和电抗器绝缘加速老化试验装置，模拟实际运行中新型饱和电抗器绝缘的老化情况。通过设计并制模型试品、测试分析加速老化试验前后饱和电抗器新型绝缘材料环氧树脂的放电唯象参数和介电及理化性能的变化，包括局部放电的特征量、宽频介质损耗频谱、傅里叶红外光谱，对其老化状态进行评估。该方法可以成为制造企业进行新型饱和电抗器出厂试验、电力公司进行饱和电抗器老化状态评估的重要检测手段，在准确评估饱和电抗器老化状态进而评估特高压直流输电系统整体运行状态，提高跨区域大容量坚强大电网的可靠性、降低运行及维护成本等诸多方面有着重要意义。
【专利说明】一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于绝缘材料老化评估试验【技术领域】，尤其涉及一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]随着特/超高压直流输电技术的发展,其在远距离大功率输电、电缆输电和交流系统的非同步联络等方面得到了广泛的应用。包括直流换流阀、直流电压器和饱和电抗器在内的高压直流输电系统，既构成现代新型直流输电系统的主体，又引发直流输电系统事故及电网大面积停电事故的源头。与运行在常规工频50Hz的电力设备不同，饱和电抗器的正常运行时，对绝缘的损伤主要来自其承受高压脉冲电压的电应力。根据相关的运行经验和研究，高压脉冲电压所带来的陡峭电压上升率会明显加剧电气绝缘材料的劣化，导致其绝缘过早老化。因此，如何评估饱和电抗器的老化状态，避免因饱和电抗器的绝缘老化造成事故，成为了目前一个重要课题。
[0003]对于饱和电抗器绝缘老化状态的评估，主要就是对在饱和电抗器的运行条件下主要是灌封绝缘材料环氧树脂状态下的老化状态研究。国外在20世纪70年代就开始了对环氧树脂材料的绝缘弱点检测和老化检测技术的研究，但主要是对其处于工频正弦电压下的老化状态。对于50/60HZ工频下环氧树脂绝缘老化状态的检测研究，主要是集中在对于手段和方法的评估研究。而在饱和电抗器的运行环境下的环氧树脂材料对老化状态评估在业内的研究开展较晚，在工程上还没有公认可供推广和产业使用的老化试验和检测技术及其相应的设备。由于上述的原因，在高频脉冲的新型饱和电抗器条件下对环氧树脂的老化状态研究的数据和试验标准积累较少，而缺乏相关可操作的试验手段。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法，其特征在于，所述饱和电抗器绝缘加速老化试验装置是恒温烤箱6下部设置耐温绝缘支架8，试品灌封盒放在耐温绝缘支架8上；由发生器I和功率放大器2组成高频脉冲电源，在功率放大器2的高压输出端串联保护电阻3、触发电流传感器4和数字示波器5，保护电阻3和、触发电流传感器4的节点与试样高压电极I连接，功率放大器2的接地端连接试样地电极II，接在试样地电极II上的泄漏电流传感器9与数字示波器5连接。
[0005]饱和电抗器绝缘加速老化试验试验方法，其特征在于，实施步骤包括:制取老化绝缘试样、电热联合老化、采集老化过程中及老化后试样的唯象数据、测试老化前试样品的介电及理化性能、老化状态评估；具体如下:
[0006]I)试样制备过程
[0007](I)取高温固化环氧树脂原料，按照通用设备制造的灌注规程将原料成分按3MTMScotch-WeldTM双组份结构型2216B/A环氧树脂灌封胶，按体积比混合B:A = 2:3 ；
[0008](2)将试样高压电极1、试样地电极II插入预先定制的灌封盒7，使两个电极保持在一定的距离L=L 2謹，±0.05謹；
[0009](3)将上述(I)配好的原料灌注到灌封盒7中，再将其置于预先调好120°C的恒温烤箱6中固化2h，取出；
[0010](4)将获取的灌封环氧树脂试样在无水乙醇中清洗，再用超声进行清洗处理，去除表面杂质的影响，将处理后的试样在恒温烤箱6内恒温50°C干燥2h后取出；
[0011]2)电热联合老化
[0012](I)将试样灌封盒7的试样高压电极1、试样地电极II分别接在高压端和地电极上，并将试样灌封盒7整个放在恒温烤箱6内的耐温绝缘支架8上；
[0013](2)对试样施加1kV的单极性高频脉冲电压，其频率为5kHz、上升沿为5 μ S，恒温烤箱6内温度设置为120°C，相继进行100h、200h、300h的电热联合老化试验后取出备用；
[0014]3)唯象数据分析试验
[0015](I)数据采集，通过触发电流传感器9获取老化过程中与试样连接的地线上的实时局部放电脉冲电压信号和触发电压信号；
[0016](2)数据汇集，将上述的电压信号通过同轴电缆传输到数字示波器，并通过USB协议将离散化的电压数据传输到计算机；
[0017](3)数据处理，计算机12从数字示波器5获取实时电压信号，并对所获取的实时信号进行滤波处理；
[0018](4)数据存储，将经过滤波处理的实施电压信号的数据保存在数据库11中，以形成历史电压数据，供以分析和老化状态分析；
[0019](5)数据分析，通过数据处理系统10，对存储所得的历史电压数据进行分析，提取局部放电特征参数，形成唯象分析图谱，分析试样的绝缘老化状态；
[0020]4)介电及理化性能测试试验，宽频介质损耗频率谱测试,使用宽频介电阻抗分析仪测试频率在5X10_2?13Hz范围内变化时试样的介质损耗值，确定为IkV的测试电压，测试在20°C、真空条件下进行；对老化试验各阶段所获得的试样分别测试，在扫描宽频范围内获取介电阻抗的频谱；
[0021]5)傅里叶红外光谱，采用红外光谱仪对试样进行分析，实验中，将老化后的灌封试样提取表层绝缘材料制成50mm*50mm的方形薄片试样进行红外光谱扫描，实验结果由OPUS-Viewer软件读出；
[0022]6)老化状态评估
[0023](I)唯象判断状态评估
[0024]通过唯象数据分析，在线获取最大放电量相位分布图谱、平均放电量相位分布图谱、放电幅值相位分布图谱、放电次数相位分布图谱并有上述图谱获取三维Φ-Q-N图谱，其中:
[0025]所述最大放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的最大放电量;
[0026]所述平均放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的平均放电量;
[0027]所述放电幅值分布图谱，表示对不同幅值的放电次数的统计；
[0028]所述放电次数相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的放电次数；
[0029]由此说明Φ-Q-N图谱表示放电量、放电次数与放电相位之间的关系，通过上述频谱明显看出，随着老化时间的增加，图谱特征统计量的差异性逐渐增大；说明饱和电抗器绝缘试样的放电图谱与其老化程度存在明显的相关性；因此，在线采集泄漏电流数据获得进行唯象判断可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态；
[0030](2)介电及理化性能评估，由于不同老化时间的试样其宽频介质损耗频谱曲线有着明显差异，随着老化时间增加，通过试样介质损耗值在整个频谱上在增大的特征，说明介质损耗和老化程度上存在明显的相关性；因此对介损频谱的测量可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态；
[0031](3)在对从饱和电抗器灌封绝缘试样表面提取的测试样品进行红外光谱分析中，可以发现随着老化时间的增加，在特定波数附近的吸收度会存在明显的增大，这就意味对和电抗器绝缘试样的红外光谱与其老化程度也存在着明显的相关性；因此对红外光谱的测量同样可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态。
[0032]本发明的有益效果是解决其技术问题所采用的技术方案是:建立一种高压直流输电换流阀部件新型饱和电抗器绝缘加速老化试验装置，模拟实际运行中新型饱和电抗器内部绝缘的老化情况。通过对加速老化前后及老化过程中个阶段绝缘材料的唯象参数和介电及理化性能的变化，包括局部放电的特征量、宽频介质损耗频谱、傅里叶红外光谱，对其老化状态进行评估。总之，本发明方法操作相对简单，易于实现。并通过唯象、介电和理化特性的共同作用，可以快速有效地对饱和电抗器绝缘的老化状态进行评估。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为饱和电抗器绝缘电热联合老化实验平台。
[0034]图2为饱和电抗器绝缘试验的试样模型。
[0035]图3为最大放电量相位分布图谱，其中a)100h、b)200h、c)300h。
[0036]图4为平均放电量相位分布图谱，其中a)100h、b)200h、c)300h。
[0037]图5为放电幅值分布图谱，其中a)100h、b)200h、c)300h。
[0038]图6为放电次数相位分布图谱，其中a)100h、b)200h、c)300h。
[0039]图7为饱和电抗器绝缘不同老化阶段放电的Φ-Q-N图谱，其中a)老化100h、b)老化200h、c)老化300h。
【具体实施方式】
[0040]本发明提供一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置及试验方法，下面结合附图和实施例予以说明。
[0041]在图1所示的饱和电抗器绝缘电热联合老化实验平台中，该饱和电抗器绝缘加速老化试验装置是恒温烤箱6下部设置耐温绝缘支架8，试品灌封盒放在耐温绝缘支架8上；由发生器I和功率放大器2组成高频脉冲电源，在功率放大器2的高压输出端串联保护电阻3、触发电流传感器4和数字示波器5，保护电阻3和、触发电流传感器4的节点与试样高压电极I连接，功率放大器2的接地端连接试样地电极II，接在试样地电极II上的泄漏电流传感器9与数字示波器5连接。
[0042]饱和电抗器绝缘加速老化试验试验方法，其特征在于，实施步骤包括:制取老化绝缘试样品、电热联合老化、采集老化过程中及老化后试样品的唯象数据、测试老化前试样品的介电及理化性能、老化状态评估；具体如下:
[0043]I)试样制备过程
[0044](I)取高温固化环氧树脂原料，按照通用设备制造的灌注规程将原料成分按3MTMScotch-WeldTM双组份结构型2216B/A环氧树脂灌封胶，按体积比混合B:A = 2:3 ；
[0045](2)将试样高压电极1、试样地电极II插入预先定制的灌封盒7，使两个电极保持在一定的距离L=L 2mm, ±0.05mm(如图2所示);
[0046](3)将上述(I)配好的原料灌注到灌封盒7中，再将其置于预先调好120°C的恒温烤箱6中固化2h，取出；
[0047](4)将获取的灌封环氧树脂试样在无水乙醇中清洗，再用超声进行清洗处理，去除表面杂质的影响，将处理后的试样在恒温烤箱6内恒温50°C干燥2h后取出；
[0048]2)电热联合老化
[0049](I)将试样灌封盒7的试样高压电极1、试样地电极II分别接在高压端和地电极上，并将试样灌封盒7整个放在恒温烤箱6内的耐温绝缘支架8上；
[0050](2)对试样施加1kV的单极性高频脉冲电压，其频率为5kHz、上升沿为5 μ S，恒温烤箱6内温度设置为120°C，相继进行100h、200h、300h的电热联合老化试验后取出备用；
[0051]3)唯象数据分析试验
[0052](I)数据采集，通过触发电流传感器9获取老化过程中与试样连接的地线上的实时局部放电脉冲电压信号和触发电压信号；
[0053](2)数据汇集，将上述的电压信号通过同轴电缆传输到数字示波器，并通过USB协议将离散化的电压数据传输到计算机；
[0054](3)数据处理，计算机12从数字示波器5获取实时电压信号，并对所获取的实时信号进行滤波处理；
[0055](4)数据存储，将经过滤波处理的实施电压信号的数据保存在数据库11中，以形成历史电压数据，供以分析和老化状态分析；
[0056](5)数据分析，通过数据处理系统10，对存储所得的历史电压数据进行分析，提取局部放电特征参数，形成唯象分析图谱，分析试样的绝缘老化状态；
[0057]4)介电及理化性能测试试验，宽频介质损耗频率谱测试，使用宽频介电阻抗分析仪测试频率在5X10_2?13Hz范围内变化时试样的介质损耗值，确定为IkV的测试电压，测试在20°C、真空条件下进行；对老化试验各阶段所获得的试样分别测试，在扫描宽频范围内获取介电阻抗的频谱(如图3所示，其中a)100h、b)200h、c)300h)；
[0058]5)傅里叶红外光谱，采用红外光谱仪对试样进行分析，实验中，将老化后的灌封试样提取表层绝缘材料制成50mm*50mm的方形薄片试样进行红外光谱扫描，实验结果由OPUS-Viewer 软件读出(如图 4 所示，其中 a) 100h、b) 200h、c) 300h)；
[0059]6)老化状态评估
[0060](I)唯象判断状态评估
[0061]通过唯象数据分析，在线获取最大放电量相位分布图谱、平均放电量相位分布图谱、放电幅值相位分布图谱、放电次数相位分布图谱和Φ-Q-N图谱(如图5所示，其中a)100h、b)200h、c)300h);其中:
[0062]所述最大放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的最大放电量;
[0063]所述平均放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的平均放电量(如图7所示其中a)老化10h、b)老化200h、c)老化300h)；
[0064]所述放电幅值分布图谱，表示对不同幅值的放电次数的统计；
[0065]所述放电次数相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的放电次数；
[0066]由此说明Φ-Q-N图谱表示放电量、放电次数与放电相位之间的关系，通过上述频谱明显看出，随着老化时间的增加，图谱特征统计量的差异性逐渐增大；
[0067]说明饱和电抗器绝缘试样的放电图谱与其老化程度存在明显的相关性；因此，在线采集泄漏电流数据获得进行唯象判断可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态；
[0068](2)介电及理化性能评估，由于不同老化时间的试样其宽频介质损耗频谱曲线有着明显差异，随着老化时间增加，通过试样介质损耗值在整个频谱上在增大的特征，说明介质损耗和老化程度上存在明显的相关性；因此对介损频谱的测量可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态(如图3所示)；
[0069](3)从饱和电抗器灌封绝缘试样表面提取的测试样品进行红外光谱分析中(如图4所示)，可以发现随着老化时间的增加，在特定波数附近的吸收度会存在明显的增大，这就意味对和电抗器绝缘试样的红外光谱与其老化程度也存在着明显的相关性因此对红外光谱的测量同样可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态。
【权利要求】
1.一种饱和电抗器绝缘加速老化试验装置，其特征在于，所述饱和电抗器绝缘加速老化试验装置是恒温烤箱(6)下部设置耐温绝缘支架(8)，试样灌封盒(7放在耐温绝缘支架(8)上；由发生器(I)和功率放大器(2)组成高频脉冲电源，在功率放大器(2)的高压输出端串联保护电阻(3)、触发电流传感器(4)和数字示波器(5)，保护电阻(3)和、触发电流传感器(4)的节点与试样高压电极(I )连接,功率放大器(2)的接地端连接试样地电极(II )，接在试样地电极(II )上的泄漏电流传感器(9)与数字示波器(5)连接；数字示波器(5再与计算机(12)、数据库(11)和处理系统(10)串联在一起。
2.—种饱和电抗器绝缘加速老化试验试验方法,其特征在于,实施步骤包括:制取老化绝缘试样、电热联合老化、采集老化过程中及老化后试样的唯象数据、测试老化前试样品的介电及理化性能、老化状态评估；具体如下: 1)试样制备过程 (1)取高温固化环氧树脂原料，按照通用设备制造的灌注规程将原料成分按3MTMScotch-WeldTM双组份结构型2216B/A环氧树脂灌封胶，按体积比混合:B:A = 2:3 ; (2)将试样高压电极1、试样地电极II插入预先定制的试样灌封盒，使两个电极保持在一定的距离L=L 2臟，±0.05臟 (3)将上述(I)配好的原料灌注到试样灌封盒中，再将其置于预先调好120°C的恒温烤箱中固化2h，取出； (4)将获取的灌封环氧树脂试样在无水乙醇中清洗，再用超声进行清洗处理，去除表面杂质的影响，将处理后的试样在恒温烤箱内恒温50°C干燥2h后取出； 2)电热联合老化 (1)将试样灌封盒7的试样高压电极1、试样地电极II分别接在高压端和地电极上，并将试样灌封盒整个放在恒温烤箱内的耐温绝缘支架上； (2)对试样施加1kV的单极性高频脉冲电压，其频率为5kHz、上升沿为5μ S，恒温烤箱内温度设置为120°C，相继进行100h、200h、300h的电热联合老化试验后取出备用； 3)唯象数据分析试验 (1)数据采集，通过触发电流传感器获取老化过程中与试样连接的地线上的实时局部放电脉冲电压信号和触发电压信号； (2)数据汇集，将上述的电压信号通过同轴电缆传输到数字示波器，并通过USB协议将离散化的电压数据传输到计算机； (3)数据处理，计算机从数字示波器获取实时电压信号，并对所获取的实时信号进行滤波处理； (4)数据存储，将经过滤波处理的实施电压信号的数据保存在数据库中，以形成历史电压数据，供以分析和老化状态分析； (5)数据分析，通过数据处理系统，对存储所得的历史电压数据进行分析，提取局部放电特征参数，形成唯象分析图谱，分析试样的绝缘老化状态； 4)介电及理化性能测试试验，宽频介质损耗频率谱测试，使用宽频介电阻抗分析仪测试频率在5 X 10_2?13Hz范围内变化时试样的介质损耗值，确定为IkV的测试电压，测试在20°C、真空条件下进行；对老化试验各阶段所获得的试样分别测试，在扫描宽频范围内获取介电阻抗的频谱； 5)傅里叶红外光谱，采用红外光谱仪对试样进行分析，实验中，将老化后的灌封试样提取表层绝缘材料制成50mm*50mm的方形薄片试样进行红外光谱扫描，实验结果由OPUS-Viewer软件读出； 6)老化状态评估 (1)唯象判断状态评估 通过唯象数据分析，在线获取最大放电量相位分布图谱、平均放电量相位分布图谱、放电幅值相位分布图谱、放电次数相位分布图谱和Φ-Q-N图谱，其中: 所述最大放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的最大放电量； 所述平均放电量相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的平均放电量； 所述放电幅值分布图谱，表示对不同幅值的放电次数的统计； 所述放电次数相位分布图谱，表示分布在整个相位区间内各部分的放电次数； 由此说明Φ-Q-N图谱表示放电量、放电次数与放电相位之间的关系，通过上述频谱明显看出，随着老化时间的增加，图谱特征统计量的差异性逐渐增大；说明饱和电抗器绝缘试样的放电图谱与其老化程度存在明显的相关性；因此，在线采集泄漏电流数据获得进行唯象判断可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态； (2)介电及理化性能评估，由于不同老化时间的试样其宽频介质损耗频谱曲线有着明显差异，随着老化时间增加，通过试样介质损耗值在整个频谱上在增大的特征，说明介质损耗和老化程度上存在明显的相关性；因此对介损频谱的测量可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态； (3)在对从饱和电抗器灌封绝缘试样表面提取的测试样品进行红外光谱分析中，可以发现随着老化时间的增加，在特定波数附近的吸收度会存在明显的增大，这就意味对和电抗器绝缘试样的红外光谱与其老化程度也存在着明显的相关性；因此对红外光谱的测量同样可以用来评估饱和电抗器绝缘老化状态。
【文档编号】G01R31/12GK104330711SQ201410584918
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】黄旭炜, 鲁旭, 王安东, 王健, 韩帅, 李庆民, 王高勇, 刘伟杰, 曹志伟 申请人:华北电力大学, 国家电网公司, 国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院