分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置及方法

摘要

本发明涉及一种分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置及方法，属于变压器油纸绝缘的故障诊断及状态评估领域，该装置包含电流产生模块、绕组缺陷模块、油流循环模块、温度测量及传感模块、绝缘油性能分析模块、油浸绝缘纸性能分析模块；电流模块连接至绕组缺陷模块，绕组缺陷模块置于油流循环模块中，温度测量及传感模块用于测量及传感绕组缺陷模块和油流循环模块的温度；绝缘油性能分析模块用于分析绝缘油的性能，油浸绝缘纸性能分析模块用于测量分析缺陷绕组不同部位油浸绝缘纸的理化和电气性能。实现绕组过热缺陷动态发展规律的演示，以及绕组过热缺陷的发展对绕组绝缘理化和电气性能影响的评估。

权利要求

1.分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，其特征在于：该装置包含电流产生模块、绕组缺陷模块、油流循环模块、温度测量及传感模块、绝缘油性能分析模块、油浸绝缘纸性能分析模块；

所述电流产生模块用于为被试缺陷绕组提供试验电流；

所述绕组缺陷模块模拟不同缺陷条件下的变压器绕组，所述绕组缺陷模块设置在试验容器内并与所述电流产生模块连接，所述试验容器中盛放有绝缘油；

所述油流循环模块包含油浴加热装置和油泵，所述油泵用于将所述油浴加热装置内的绝缘油从油浴加热装置的底部抽到所述油浴加热装置的顶部，从而使得所述油浴加热装置中的绝缘油在油浴加热装置内循环流动；

所述温度测量及传感模块包含多组的温度传感器，多组的温度传感器分别设置在绕组缺陷模块不同部位上，并且同绕组缺陷模块一并放置到绝缘油中，用于采集试验过程中绕组缺陷模块不同部位的温度；

所述绝缘油性能分析模块用于对绕组缺陷致热后导致绝缘油及绝缘纸热分解的绝缘油中溶解气体成分进行分析，并对绝缘油电导率、介损和击穿电压进行测量；

所述油浸绝缘纸性能分析模块用于对绕组缺陷致热部位的绝缘纸聚合度、电导率、介电常数、热导率的变化规律进行测量分析。

2.根据权利要求1所述的分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，其特征在于：所述电流产生模块包含大电流发生器，所述大电流发生器根据绕组中试验时的电流范围选定。

3.根据权利要求1所述的分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，其特征在于：所述绕组缺陷模块为根据变压器的容量以及电压等级构建的带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包缺陷的试验用油纸绝缘缺陷绕组。

4.根据权利要求3所述的分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，其特征在于：所述油纸绝缘缺陷绕组为变压器内实际的线圈卷绕式绕组或长条状绕组，且油纸绝缘缺陷绕组的材料与对应变压器用的绕组材料相同。

5.根据权利要求1所述的分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，其特征在于：所述温度传感器为RH-8068热电阻平面贴片式温度传感器、PT100贴片温度传感器或HT-1420T贴片式温度传感器。

6.分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：根据变压器容量及电压等级构建带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包缺陷的试验用油纸绝缘缺陷绕组；

S2：在缺陷绕组的完好部位以及缺陷部位分别设置温度传感器，将设置好温度传感器的缺陷绕组与大电流发生器连接，并将缺陷绕组放置到油浴加热装置中，并在油浴加热装置中设置一组温度传感器；

S3：启动油浴加热装置对缺陷绕组进行油浴加热；

S4：当油浴加热到设置温度时，启动油泵，使得油浴加热装置中的绝缘油自油浴加热装置底部向油浴加热装置顶部流动；

S5：启动大电流发生器，对缺陷绕组进行通流试验；

S6：在对缺陷绕组通流到预置时间后，提取油浴加热装置中的绝缘油，并进行绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率、介损和击穿电压的测试；

S7：在对缺陷绕组通流到预置时间后，提取缺陷绕组不同部位的绝缘纸，进行绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压的测试；

S8：保持大电流发生器的电流不变，重复步骤S6-S7，得出绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率和击穿电压与通流时间的变化规律，以及缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流时间的变化规律；

S9：保持大电流发生器的通流时间不变，调整大电流发生器的通流大小，重复步骤S6-S7，得出绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率和击穿电压与通流大小的变化规律，以及缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流大小的变化规律；

S10：对比被试绝缘纸与新绝缘纸的参数差异，进行绝缘纸性能状态划分，根据缺陷形态与绕组的绝缘性能的对应关系分析绕组过热缺陷发展对绕组绝缘理化和电气性能的影响。

7.根据权利要求6所述的分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验方法，其特征在于：步骤S4中设置温度为40-90℃。

说明书

分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于变压器油纸绝缘的故障诊断及状态评估领域，涉及一种分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置及方法。

背景技术

[0002] 在电能的传输和配送过程中，电力变压器是能量转换、传输的核心，是电网中最重要和最关键的设备。变压器如果发生严重事故，不但会导致自身损坏，还会中断电力供应，带来巨大经济损失。因此，电力变压器运行的可靠性对整个电网安全运行起着至关重要的作用。随着超特高压输电技术的发展，变压器的容量越来越大。变压器容量的提高，使得变压器在运行时的损耗增加，提高了运行温度，变压器绕组温升过高的情况时而发生。

[0003] 目前电网上运行的变压器绝大多数是油浸式。油纸绝缘绕组是油浸式变压器的主要电气部件。CIGRE报告统计表明，绕组、铁芯、油箱、变压器油等绝缘系统故障以及其他温度问题是造成变压器事故的重要因素，这些因素引起的故障占总事故比例的47％、DOBLE的统计结果表明，这一故障比例高达65％充分说明绕组绝缘安全对于电力变压器稳定可靠运行的重要性。变压器内部温度过高会加速绝缘老化，缩短变压器寿命。绕组热点温度作为影响绕组绝缘能力的最关键因素，满足典型的6℃法则，即当标定运行在98℃时的变压器的寿命为正常使用寿命，老一化率为1；在80℃～140℃的温度范围内，变压器绝缘所遭受的温度每上升6℃，绝缘老化率增倍，寿命减半；一旦绕组热点温度超过140℃，将危及变压器的正常运行。此外，GB 1094.2-2013电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升，规定当环境温度平均为20℃时，变压器绕组最高温度为98℃。

[0004] 变压器的热性能是检验变压器运行状况是否良好的重要指标。随着由变压器热问题引起的事故的增多，国内外对变压器内部热特性的分析与研究也不断深入。国内外的研究主要集中三方面：一是油浸式变压器绕组热点温度的计算及预测；二是变压器绕组温度场分布的仿真及分析；三是变压器绕组过热故障的诊断方法、变压器绕组过热原因分析及处理等。在进行温度预测或温度场分布特性分析时，运用的方法主要是数值计算或软件建模仿真分析；在进行绕组过热故障诊断时，主要运用油中溶解气体分析和数学分析方法；在进行绕组过热原因分析及处理时，主要采用规程规定的测试方法进行原因分析，并对变压器故障部位提出处理措施。国内外现有研究成果未考虑油纸绝缘材料老化对绕组发热特性及温度分布的影响。

[0005] 此外，据统计常见的油纸绝缘绕组本身缺陷主要有金属虚焊、变形、断股、股间短路、油纸鼓包等。在变压器运行过程中，对于油纸绝缘绕组出现的上述缺陷很难及时发现，且对由于绕组内部缺陷致热而导致油纸绝缘材料理化和电气性能劣化，进而诱使变压器故障的过程也不能观测，往往是绕组缺陷导致设备故障后才采取分析和处理措施。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置及方法，实现对绕组过热缺陷动态发展规律的演示，以及实现绕组过热缺陷的发展对绕组绝缘理化和电气性能影响的评估，掌握油纸绝缘绕组缺陷致热发展到不同阶段时的绝缘油和油浸绝缘纸的理化和电气性能，并获得材料性能参数改变对油纸绝缘缺陷绕组发热规律的影响。

[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0008] 分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置，该装置包含电流产生模块、绕组缺陷模块、油流循环模块、温度测量及传感模块、绝缘油性能分析模块、油浸绝缘纸性能分析模块；

[0009] 所述电流产生模块用于为被试缺陷绕组提供试验电流；

[0010] 所述绕组缺陷模块通过模拟不同缺陷条件下的变压器绕组，所述绕组缺陷模块设置在试验容器内并与所述电流产生模块连接，所述试验容器中盛放有绝缘油；

[0011] 所述油流循环模块包含油浴加热装置和油泵，所述油泵用于将所述油浴加热装置内的绝缘油从油浴加热装置的底部抽到所述油浴加热装置的顶部，从而使得所述油浴加热装置中的绝缘油在油浴加热装置内循环流动；

[0012] 所述温度测量及传感模块包含多组的温度传感器，多组的温度传感器分别设置在绕组缺陷模块不同部位上，并且同绕组缺陷模块一并放置到绝缘油中，用于采集试验过程中绕组缺陷模块不同部位的温度；

[0013] 所述绝缘油性能分析模块用于对绕组缺陷致热后导致绝缘油及绝缘纸热分解的绝缘油中溶解气体成分进行分析，并对绝缘油电导率、介损和击穿电压进行测量；

[0014] 所述油浸绝缘纸性能分析模块用于对绕组缺陷致热部位的绝缘纸聚合度、电导率、介电常数、热导率的变化规律进行测量分析。

[0015] 进一步，所述电流产生模块包含大电流发生器，所述大电流发生器根据绕组中试验时的电流范围选定。

[0016] 进一步，所述绕组缺陷模块为根据变压器的容量以及电压等级构建的带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包缺陷的试验用油纸绝缘缺陷绕组。

[0017] 进一步，所述油纸绝缘缺陷绕组为变压器内实际的线圈卷绕式绕组或长条状绕组，且油纸绝缘缺陷绕组的材料与对应变压器用的绕组材料相同。

[0018] 进一步，所述温度传感器为RH-8068热电阻平面贴片式温度传感器、PT100贴片温度传感器或HT-1420T贴片式温度传感器。

[0019] 分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验方法，方法包含如下步骤：

[0020] S1：根据变压器容量及电压等级构建带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包缺陷的试验用油纸绝缘缺陷绕组；

[0021] S2在缺陷绕组的完好部位以及缺陷部位分别设置温度传感器，将设置好温度传感器的缺陷绕组与大电流发生器连接，并将缺陷绕组放置到油浴加热装置中，并在油浴加热装置中设置一组温度传感器；

[0022] S3：启动油浴加热装置对缺陷绕组进行油浴加热；

[0023] S4：当油浴加热到设置温度时，启动油泵，使得油浴加热装置中的绝缘油自油浴加热装置底部向油浴加热装置顶部流动；

[0024] S5：启动大电流发生器，对缺陷绕组进行通流试验；

[0025] S6：在对缺陷绕组通流到预置时间后，提取油浴加热装置中的绝缘油，并进行绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率、介损和击穿电压的测试；

[0026] S7：在对缺陷绕组通流到预置时间后，提取缺陷绕组不同部位的绝缘纸，进行绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压的测试；

[0027] S8：保持大电流发生器的电流不变，重复步骤S6-S7，得出绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率和击穿电压与通流时间的变化规律，以及缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流时间的变化规律；

[0028] S9：保持大电流发生器的通流时间不变，调整大电流发生器的通流大小，重复步骤S6-S7，得出绝缘油中溶解气体成分、绝缘油电导率和击穿电压与通流大小的变化规律，以及缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流大小的变化规律；

[0029] S10：对比被试绝缘纸与新绝缘纸的参数差异，进行绝缘纸性能状态划分，根据缺陷形态与绕组的绝缘性能的对应关系分析绕组过热缺陷发展对绕组绝缘理化和电气性能的影响。

[0030] 进一步，步骤S4中设置温度为40-90℃。

[0031] 本发明的有益效果在于：

[0032] 1、本发明可实现对绕组过热缺陷动态发展规律的演示，包括带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包等缺陷的油纸绝缘绕组发热规律的试验分析。

[0033] 2、本发明可实现绕组过热缺陷的发展对绕组绝缘理化和电气性能影响的评估，通过本发明的油中溶解气体分析模块和油浸绝缘纸性能分析模块，可掌握油纸绝缘绕组缺陷致热发展到不同阶段时的绝缘油和油浸绝缘纸的理化和电气性能，而且可进一步获得材料性能参数改变对油纸绝缘缺陷绕组发热规律的影响。

附图说明

[0034] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0035] 图1为本发明分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置框架图；

[0036] 图2为本发明分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验装置结构图；

[0037] 图3为本发明分析绕组缺陷致热对油纸绝缘性能影响的试验流程图。

具体实施方式

[0038] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0039] 如图1-3所示，本发明包含如下步骤：

[0040] (1)制作缺陷绕组

[0041] 根据变压器容量及电压等级，分别构建带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包等缺陷类型的试验用油纸绝缘缺陷绕组，油纸绝缘绕组可为简单的长条状绕组，也可为变压器内实际的线圈卷绕式绕组，绕组材料与对应变压器用绕组相同，完成构建缺陷绕组模块。

[0042] (2)构建温度测量及传感模块

[0043] 在第一步基础上，采用多组温度传感器完成监测绝缘油及缺陷绕组不同部位温度的温度测量及传感模块构建。一组温度传感器贴在绕组不同部位上，二组温度传感器放置在油中，分别用于测量绕组缺陷区域温度、绕组完好部位温度和绝缘油的温度。温度传感器可选择热电阻平面贴片式温度传感器。

[0044] (3)调控油流温度及实现油流循环

[0045] 将缺陷绕组及温度测量及传感模块放置到一定体积的金属容器内，使用油浴加热装置将用于呈装缺陷绕组金属容器内的绝缘油达到预定油温(变压器运行的平均温度50-70℃)，油浴加热装置的温度范围设置为40-90℃，然后利用油泵使绝缘油从呈装缺陷绕组金属容器的底部向顶部流动，使油流在容器内从底部到顶部不断循环，模拟变压器内部的油流主要流向，完成构建油流循环模块。

[0046] (4)调控流过缺陷绕组的电流值

[0047] 根据变压器正常运行时变压器绕组通流的负载电流值，选择适当容量的大电流发生器，然后利用大电流发生器产生试验所需的流过缺陷绕组的大电流，并能调节流过缺陷绕组的大电流的大小，完成构建电流产生模块。

[0048] (5)分析绝缘油的理化及电气性能

[0049] 缺陷绕组通流一定时间后，抽取呈装缺陷绕组金属容器内的绝缘油，进行油中溶解气体成分、绝缘油电导率、介损和击穿电压的测试。油中溶解气体分析采用专门的变压器油检测专用气相色谱仪；绝缘油电导率和介损测试可选择适当的绝缘油介质损耗及电导率测试仪；绝缘油击穿电压测试可选用全自动绝缘油介电强度测试仪。

[0050] (6)分析绕组油浸绝缘纸的理化及电气性能

[0051] 缺陷绕组通流一定时间后，选取缺陷绕组不同部位的绝缘纸，进行绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压的测试。绝缘纸聚合度测试可选用专门用于聚合度测试的精密粘度测定仪；绝缘纸的介电常数和电导率测试可采用三电极测量系统，也可采用频域介电谱测量仪器；绝缘纸击穿电压测试采用国标规定的柱-柱加压电极测试。

[0052] (7)绕组过热缺陷发展规律的动态演示

[0053] 在缺陷绕组通流电流一定的情况下：绘制缺陷部位油浸绝缘纸外观形貌颜色随着通流时间的变化规律；绘制绕组缺陷部位的温度、绕组完好部位的温度，以及绝缘油温度与通流时间的变化规律；绘制绝缘油电导率、击穿电压、油中溶解气体成分与通流时间的变化规律；绘制缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流时间的变化规律。

[0054] 在缺陷绕组通流时间一定的情况下：绘制缺陷部位油浸绝缘纸外观形貌颜色随着通流电流大小的变化规律；绘制绕组缺陷部位的温度、绕组完好部位的温度，以及绝缘油温度与通流电路大小的变化规律；绘制绝缘油电导率、击穿电压、油中溶解气体成分与通流电流大小的变化规律；绘制缺陷部位绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压与通流电流大小的变化规律。

[0055] (8)绕组过热缺陷发展对绕组绝缘理化和电气性能影响的评估

[0056] 在上述第(7)的基础上，对比试验中绝缘油性能参数与GBT7595-2017要求参数的差异，对绝缘油性能进行正常状态、注意状态、严重状态的程度划分；对比绝缘纸性能参数与新绝缘纸参数的差异，按照聚合度降低至250为绝缘纸寿命终点的原则，进行绝缘纸性能正常状态、注意状态、严重状态的程度划分。在绝缘油和绝缘纸状态划分的基础上，归类绕组致热缺陷(缺陷类型、电流大小、通流时间)的存在形态与绕组绝缘性能状态的对应关系。

[0057] 下面结合具体例子对本发明做进一步介绍：

[0058] 第一步：电流产生模块的构建：

[0059] 本实施例的电流产生模块可由大电流发生器(又叫升流器)组成。大电流发生器是一组双绕组降压变压器，其原边与副边具有相同的功率，运行时原边与副边的电流与电压成反比，在降低输出电压的同时就会增大输出电流，从而完成产生大电流的功能。本实施例的电流产生模块是SLC-15型由大电流发生器，容量为15kVA，频率为50Hz。输入电压为0-400V，输入电流为0-37.5A，输出大电流的范围是0-3000A。

[0060] 本发明中的大电流发生器也可根据绕组中试验时的电流范围选定，例如KESLQ-A型系列大电流发生器，具体参数如下表所示：

[0061]

[0062] 第二步：缺陷绕组模块的构建：

[0063] 根据变压器容量及电压等级，可分别构建带有金属虚焊、变形、断股、股间短路或油纸鼓包等缺陷类型的试验用油纸绝缘缺陷绕组，油纸绝缘绕组可为简单的长条状绕组，也可为变压器内实际的线圈卷绕式绕组，绕组材料与对应变压器用绕组相同。

[0064] 第三步：油流循环模块的构建：

[0065] 利用油浴加热装置将呈装在试验玻璃或金属容器内的绝缘油加热到预订温度，利用油泵将绝缘油从容器底部流向顶部，使油流在容器内从底部到顶部不断循环，模拟变压器内部的油流主要流向。

[0066] 第四步：温度测量及传感模块的构建：

[0067] 多组温度传感器一是贴在绕组不同部位上，二是放置在油中。用于测量绕组缺陷区域温度、绕组完好部位温度和绝缘油的温度。本发明采用的温度传感器为RH-8068热电阻平面贴片式温度传感器，也可选用其它类型的尺寸大小与绕组尺寸匹配的贴片温度传感器，如PT100贴片温度传感器、HT-1420T贴片式温度传感器等。

[0068] 第五步：绝缘油性能分析模块的构建：

[0069] 该模块主要用于分析绕组缺陷致热后导致绝缘油及绝缘纸热分解的油中溶解气体成分，以及绝缘油电导率、介损和击穿电压。本实施例的油中溶解气体分析设备是GC-8910型变压器油检测专用气相色谱仪。也可用市售的其它类型的变压器油油色谱分析仪器，如GC-9560-HD变压器油油色谱分析系统、变压器油专用HP2013气相色谱仪等。本实施例的绝缘油电导率和介损测试设备是奥地利BAUR-DTL C油测试仪，也可选用国产的BCJS-绝缘油介质损耗及电导率测试仪、GS705绝缘油介质损耗测试仪等。本实施例的绝缘油击穿电压设备是IIJ-III全自动绝缘油介电强度测试仪，也可选用其它全自动绝缘油击穿电压测试仪，如ZIJJ-II全自动绝缘油击穿电压测试仪、SHNY-803型绝缘油击穿电压测定仪等。

[0070] 第六步：绝缘油性能分析模块的构建：

[0071] 该模块主要用于进行绝缘纸聚合度、电导率、介电常数和击穿电压的测试。本实施例的绝缘纸聚合度测试是JWC-52B精密恒温槽&粘度测定仪，也可选用专门用于聚合度测试的精密粘度测定仪。本实施例的绝缘纸的介电常数和电导率测试可采用是国标规定的三电极绝缘纸介电常数和电导率测量系统，也可采用Novocontrol频域介电谱测量仪器。本实施例的绝缘纸击穿电压测试采用国标规定的柱-柱加压电极测试。

[0072] 本发明设计并搭建了一套模拟分析绕组缺陷致热及其对油纸绝缘性能影响的试验装置，本发明装置可实现对绕组过热缺陷动态发展规律的演示，以及实现绕组过热缺陷的发展对绕组绝缘理化和电气性能影响的评估，可掌握油纸绝缘绕组缺陷致热发展到不同阶段时的绝缘油和油浸绝缘纸的理化和电气性能，而且可进一步获得材料性能参数改变对油纸绝缘缺陷绕组发热规律的影响。本发明有助于为掌握油纸绝缘绕组缺陷的致热规律及其对油纸绝缘性能影响的研究提供坚实基础，有助于变压器故障分析技术的提升，而且为变压器状态监测及故障分析提供了强有力的技术支撑。

[0073] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。