一种模拟换流变压器内部电热应力的实验系统及方法与流程

本发明属于换流变压器内部主绝缘系统设计技术领域，具体涉及一种模拟换流变压器内部电热应力的实验系统及方法。

背景技术：

随着我国特高压直流输电工程的快速发展，电压等级为±1100kv的特高压直流输电工程也已经开工建设。然而，输电工程的快速发展并没有快速促进相应的换流变压器制造技术发展，因此，换流变压器作为直流输电工程中的特高压设备仍然面临着许多挑战。

目前，换流变压器内部主绝缘系统的设计还是和传统的交流变压器保持一致，都是由油纸绝缘系统构成。只是具体变压器油以及绝缘纸的性能参数得到进一步的提高。因为从上个世纪以来，油纸绝缘系统凭借其优良的电气特性和老化特性作为一种特殊的复合绝缘介质被广泛应用于变压器和套管等电力设备中。然而，换流变压器不同于传统的交流变压器的一点在于换流变压器阀侧连接换流阀的部分主绝缘在承受变压器自身工作温度的同时还承受直流电压或直流电压分量作用，并且直流和极性反转电压下存在空间电荷和暂态电压分布问题。因此，目前换流变压器阀侧绕组在承受高温以及多种电压波形作用的情况下，主绝缘故障率一直居高不下。

根据国际大电网组织(cigre)发布的大量故障统计分析表明，换流变压器的故障率约为交流变压器的近两倍，并且在工况运行过程中，换流变压器的绝缘故障占全部故障的一半，且远远高于传统的交流变压器。因此，研究换流变压器阀侧在不同电压波形的复合电场和高温作用下的故障演变情况和故障产生机理，对实际工程应用具有十分重要的意义。

但是，现有技术中还未有能够在实验室环境下进行换流变压器的绝缘故障的相关模拟实验的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟换流变压器内部电热应力的实验装置及方法，该装置结构设计合理，使用简单；该方法能够准确模拟复合应力下油纸绝缘的电气性能，可操作性强，可靠性高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种模拟换流变压器内部电热应力的实验系统，包括真空浸渍单元和电热老化单元；其中：

真空浸渍单元为盛装有经脱水脱气处理的变压器油的真空浸渍罐，用于对绝缘纸板进行油浸处理；

电热老化单元，包括电源控制柜、电源柜及电热老化罐，在电热老化罐内设有板-板电极机构，电热老化罐上还设有自动控温器；

电源柜，用于为电源控制柜及电热老化罐内的板-板电极机构提供电压；

电源控制柜，与电源柜相连，用于调节板-板电极机构上的电压频率；

实验时，将在真空浸渍罐中完成油浸的油浸纸板置于板-板电极机构的两个电极板之间，由电源柜对油浸纸板施加电压，同时通过自动控温器对对油浸纸板施加电压过程中的温度进行稳定调节，完成电、热复合应力下的实验。

优选地，还包括用于放置电热老化罐的置物架。

优选地，电热老化罐设置若干个，若干个电热老化罐均由电源柜提供实验所需电压。

优选地，电源控制柜对板-板电极机构施加电压的方式为直流、50hz交流和50-1000hz变频交流中的一种或几种组合。

本发明还公开了基于上述的模拟换流变压器内部电热应力的实验系统的实验方法，包括以下步骤：

1)将绝缘纸板置于盛装有经脱水脱气处理的变压器油的真空浸渍罐中，于80～90℃下真空浸渍处理12～24h，冷却至室温，制得油浸纸板；

2)通过电源柜对油浸纸板施加电压，同时通过自动控温器对油浸纸板施加电压过程中的实验温度进行调节，完成电、热复合应力下的电热老化实验，获得模拟换流变压器中内部绝缘承受的电、热复合应力结果。

优选地，步骤1)中，所述的经脱水脱气处理的变压器油是将变压器油在100pa以下、60℃～80℃的条件下处理12～24h后制得。

进一步优选地，脱水脱气处理后的变压器油的微水含量≤5ppm，气体含量≤0.1％，杂质粒度≤3μm。

进一步优选地，所述变压器油为50#克拉玛依变压器油。

优选地，所述绝缘纸板使用前在90℃～110℃条件下烘干处理24～48h，处理后的绝缘纸板的水分含量≤0.2％。

优选地，所述绝缘纸板为魏德曼绝缘纸板，尺寸为17cm×17cm，厚度为1mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的模拟换流变压器内部电热应力的实验系统，是由真空浸渍单元和电热老化单元搭建而成的实验平台，其中真空浸渍单元用来给绝缘纸板浸渍变压器油，使其成为油浸纸板；电热老化单元包括电源控制柜、电源柜以及带有自动控温器的电热老化罐，在电热老化罐中设置板-板电极机构，电源柜通过板-板电极机构对油浸纸板施加电压，由于电热老化罐为带有温度控制器的设备，在对油浸纸板施加电压的同时还可以调节油浸纸板所处环境的温度，使其保持一个相对稳定的实验温度，从而模拟复杂工况下的电、热复合应力。该装置结构设计合理，操作简单。

本发明公开的基于上述实验系统的实验方法，通过使用经脱水脱气处理的变压器油浸渍绝缘纸板，使其形成油浸纸板，然后取出充分浸渍的油浸纸板并对其施加电压，同时在施加电压的过程中控制油浸纸板的所处环境温度，完成电、热复合应力下的实验。本方法可以模拟换流变压器内部绝缘承受的复合应力，准确模拟复杂工况下油纸绝缘的电热应力，且可操作性强、可靠性高，能够广泛运用于换流变压器工作状态模拟及其机理研究领域。

附图说明

图1为本发明的模拟换流变压器内部电热应力的实验系统结构示意图；

图2为电热老化罐罐体内的板-板电极结构示意图。

其中，1为电源控制柜；2为电源柜；3为电热老化罐；4为置物架；5为油浸纸板；6为电极板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图及具体的实例对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本发明的一种模拟换流变压器内部电热应力的实验系统，包括真空浸渍单元和电热老化单元；

真空浸渍单元为盛装有经脱水脱气处理的变压器油的真空浸渍罐，用于对绝缘纸板进行油浸处理；

电热老化单元，包括电源控制柜1、电源柜2及电热老化罐3，在电热老化罐3内设有板-板电极机构，电热老化罐3上还设有自动控温器；

电源柜2，用于为电源控制柜1及电热老化罐3内的板-板电极机构提供电压；

电源控制柜1，与电源柜2相连，用于调节板-板电极机构上的电压频率；

实验时，将在真空浸渍罐中完成油浸的油浸纸板5置于板-板电极机构的两个电极板6之间，由电源柜2对油浸纸板5施加电压，同时通过自动控温器对对油浸纸板5施加电压过程中的温度进行稳定调节，完成电、热复合应力下的实验。

进一步，可以通过设置置物架4，将电热老化罐3置于置物架4上，方便实验操作。同时，本发明的电热老化罐3可以设置多个，即测试可以多组实验同时进行，若干个电热老化罐3均由电源柜2提供电压，以及由电源控制柜1控制施加的电压频率变化。

进一步，为了模拟换流变压器各种复杂工况，电源控制柜1对电热老化罐3中的板-板电极机构施加电压的形式为多元化的，可以是直流、50hz交流以及650hz变频交流中的一种，或者两种组合，甚至是三种组合方式。

本发明采用的电热老化罐3的优点：耐高温约200摄氏度，温控测试精准。真空度可以达到10pa以下，且本身耐受6倍的标准大气压。

电源控制柜1可以调节电源输出，并使电源柜2同时工作输出三种电压源分别为直流，交流(50hz)，高频交流(50-1000hz)，因此可以模拟不同电压条件下的电热老化实验。

本发明公开的采用上述的模拟换流变压器内部电热应力系统的实验方法，包括以下步骤：

1)将过滤好的克拉玛依变压器油注入到有磁力搅拌棒的抽滤瓶中，瓶内抽真空，使压力保持到100pa以下，同时对抽滤瓶加热至60℃并保持12小时，制得脱水脱气的50#克拉玛依变压器油；要求：脱水脱气的克拉玛依变压器油的参数值应为：微水含量≤5ppm、气体含量≤0.1％、杂质粒度≤3μm。

2)将绝缘纸板放入到烘箱中，在90℃条件下烘干24小时进行预处理，绝缘纸板经预处理后的水分含量≤0.2％；

3)将脱水脱气的50#克拉玛依变压器油注入到放有步骤2)处理后的绝缘纸板的真空浸渍罐中，并将注油完成后的罐体放入温度为80℃真空烘箱中浸渍12小时，形成充分浸渍的油浸纸板，将罐体从烘箱中取出，使其自然冷却至室温，制得油浸纸板；

4)用直径为150mm的板-板铜电极对油浸纸板施加电压，同时对装有绝缘纸板的电热老化罐调节适合的温度以完成模拟换流变压器内部电热应力的实验。

实验过程中，温度控制范围为0～200摄氏度，时间不定，温度上升到具体实验所需的预设温度时候会停止工作，自然冷却，当温度低于预设温度时，温度控制器就开始工作直到稳定到预设温度。

例：实验设计，将处理后的油和纸装入电热老化罐3罐体中，抽真空后注入氮气，使罐体内保持为一个大气压。然后调节电热老化罐3的罐体温度为130摄氏度，待温度稳定后，给电热老化罐3罐体施加直流+交流(50hz)+变频交流(650hz)的电压(6kv+2kv+2kv)。

利用本发明方法进行实验时，可以充分模拟换流变压器在正常工作环境下，内部绝缘所承受的复合应力。

本发明所用到的电源控制柜购买自西安弘多电子技术有限公司出产的绝缘材料试验组合电源柜。

本发明开的模拟换流变压器内部电热应力的实验方法通过对预处理后的变压器油和绝缘纸板的混合浸渍，然后将油浸纸板采用平板电极持续加压，通过调节电热老化罐体内温度的方式来模拟实际工况中换流变压器中油纸绝缘承受的复合应力，由于在复合应力作用的部分容易发生故障，因此可以在实验室可行的实验条件下设计此实验，因而能够发现故障的起源，寻找故障的解决办法。此实验方法能贴近换流变压器实际工况，优化了测试油浸纸板在复合应力下的实验方法。该方法可以广泛应用于模拟换流变压器内部油纸绝缘的工作环境，使在实验室环境下的实验更贴近工况实际。

本发明方法以50#克拉玛依变压器油和绝缘纸板(单层厚度1mm)为实验样品，直径150mm平板电极为实验工具对油浸纸板加压处理，同时通过电热老化罐内的自动控温系统控制油浸纸板的温度。

当完成变压器油和绝缘纸板的预处理后，变压器油被迅速注入到装有预处理后的绝缘纸板的浸渍罐体中使纸充分浸渍形成油浸纸板，然后对电热老化罐体内部的油浸纸板施加电压，同时调节电热老化罐体温度，完成电热复合应力作用下的模拟实验。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。