变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置

1.一种变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置，主要包括感应调压器(1)、无晕试验变压器(2)、无局放保护电阻(3)、标准电容分压器(4)、局部放电发生装置(9)、超高频天线(11)、无感检测电阻(12)、同轴电缆(13)、宽频高速超大容量数字存储示波器(14)，感应调压器(1)的副边通过电缆与无晕试验变压器(2)的原边相连，无晕试验变压器(2)的副边先与无局放保护电阻(3)串联后，再与标准电容分压器(4)并联，然后再通过高压引线(6)与局部放电发生装置(9)连接，其特征在于局部放电发生装置(9)由油道模型(10)、流量计(15)、温控仪(16)、流量控制阀门(17)、油泵(18)、两圆板电极(23、26)组成，油道模型(10)和两圆板电极(23、26)装设在油道支撑箱体(22)内，流量计(15)和温控仪(16)装设在不锈钢管内，油道模型(10)中的模拟油道方管(24)的圆管接头(25)、流量控制阀门(17)、油泵(18)、装设流量计(15)、温控仪(16)的不锈钢管两端之间通过皮管连接，油道模型(10)中的模拟油道方管(24)为长600～650mm的有机玻璃管，截面为长方形，其长为85～95mm，宽为15～20mm，两圆板电极(23、26)分别设置在模拟油道方管(24)的上下表面处，在模拟油道方管(24)的两端分别装设有带中心通孔的有机玻璃密封板和圆管接头(25)，在模拟油道方管(24)内充满变压器用的绝缘油，在油泵(18)的出口处装设有流量控制阀门(17)，在流量控制阀门(17)与流量计(15)之间装有温控仪(16)，温控仪(16)包括装设在不锈钢管内的热电偶和加热电阻及数字显示温度仪，加热电阻通过热电偶和导线与220V市电连接，热电偶通过信号线与数字显示温度仪连接，金属微粒为直径1～2mm的不锈钢小球，将其放置于油泵(18)内的叶轮处，启动油泵(18)，金属微粒随油流进入油道模型(10)并呈悬浮、移动状态，超高频天线(11)装设在局部放电发生装置(9)的外下壁上，并通过同轴电缆(13)与宽频高速超大容量数字存储示波器(14)连接，局部放电发生装置(9)和超高频天线(11)装设在金属屏蔽室(7)内，圆板电极(23)通过高压接线柱(20)和球形屏蔽罩(19)及绝缘套管(8)与高压引线(6)连接，另一圆板电极(26)与无感检测电阻(12)一端连接，并通过同轴电缆(13)与宽频高速超大容量数字存储示波器(14)连接，无感检测电阻(12)另一端接地。

变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于油浸式电力变压器局部放电(PD)在线监测技术领域，特别是涉及一种强迫油循环式变压器油中悬移金属微粒局部放电人工模拟实验装置。\n背景技术\n[0002] 大型电力变压器是电力输电网络中最昂贵和最有战略重要性的设备之一，其可靠性对整个电力系统的安全可靠运行起至关重要的作用。目前运行的220kV及以上电压等级的电力变压器均采用油浸式变压器，大型油浸式电力变压器由于油纸绝缘击穿引起的故障有严重后果，导致巨额的维修费用和大面积停电的经济损失，其运行安全的威胁主要来自于油绝缘系统。纯净的变压器油绝缘性能良好，当油中存在杂质金属微粒时其绝缘性能会大大下降。在油浸式电力变压器运行过程中，油中杂质金属微粒一般分布于高低压绕组附近，可被吸附在匝间、线饼及屏障间形成导电桥，进而引起局部击穿，威胁变压器安全运行。\n因此，对油浸式电力变压器进行局部放电检测，可及时发现变压器内存在的绝缘缺陷并采取相应的措施，能避免变压器故障的发生，保证电力系统的安全可靠运行。\n[0003] 现有油浸式电力变压器油中金属微粒产生局部放电的实验装置，如2004年4月第\n30卷第4期《高电压技术》“特高频段内油中与空气中放电频谱特性研究”一文，公开的“局部放电检测回路”，主要由自耦调压器、隔离变压器、高压试验变压器、保护水阻、高频传感器、标准电容、超高频传感器、电极模型、屏蔽电缆组成，电极模型采用柱-板电极上放置金属微粒模拟金属微粒引起的悬浮电位放电，产生的放电脉冲可持续几十纳秒，信号能量主要分布在400-1000MHz范围内，频率宽度较宽。但放电模型只能模拟单个金属微粒在柱-板电极作用下产生局部放电，不能改变场强、温度等影响因素，并且无法产生油流，不能真实的模拟实际运行变压器油中金属微粒导致局部放电的情况。悬移金属微粒在变压器油中产生局部放电，受场强、油流速度、温度、金属微粒材质及其大小等因素的影响，因此用静止油中金属微粒缺陷模型不能模拟运行中强迫油循环式变压器油中金属微粒导致的局部放电。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是针对现有油浸式电力变压器油中金属微粒产生局部放电实验装置的不足，提供的一种变压器油中悬移金属微粒缺陷局部放电模拟实验装置，能够在实验室内模拟变压器油中悬浮、移动金属微粒缺陷，并且能够测量不同场强、油流速度、温度、金属微粒材质等因素作用下产生的局部放电信号，获得反映此绝缘缺陷的局部放电实验数据，为研究该缺陷下局部放电的特征和影响因素，进而实现对变压器内金属微粒缺陷的局部放电模式识别和故障诊断提供可靠的实验数据。\n[0005] 本发明装置原理：油浸式电力变压器的油可视为不可压缩粘性流体，它在绝缘油道中的流动可称之为不可压缩粘性流动。粘性流体较之于理想流体在力学模型和数学描述上的最主要差别表现为粘性流体中存在粘性应力以及固体壁边界上满足无滑移条件，即粘性流体会附着于固体壁，和固体壁具有相同的速度。由于粘性的存在，流体的运动一般是有旋的。不可压粘性流动在数学上可以通过连续性方程以及Navier-Stokes方程描述。由于实际流体都是具有粘性，当实际流体在管道内流动时，一般有两种流动状态，一为层流流动，一为紊流流动，这是两种性质不同的流动状态。层流流动时，管内流体分层流动，各层流之间互不混杂而平行于管道轴线运动，流层间没有流体质点的相互交换，流体通过一段管道的压力降与流量成正比。紊流流动时，管内流体不再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外还有剧烈的径向运动，流体通过一段管道的压力降与流量的平方成正比。\n[0006] 大型强迫油循环电力变压器中典型的平均油流速度为0.2m/s，线饼间可达到\n0.45～0.60m/s，变压器油口处流速可达1～2m/s。为了研究流速对悬移微粒局部放电的影响，油道模型中的流速应有足够宽的变化范围。但另一方面，目前超高压变压器油流速度通常控制在1m/s以下。为此，选用2m/s作为最大平均实验流速应能满足工程要求。设计油道中油隙截面为扁矩形，且油道足够长，流态可以得到充分发展，其油流流动条件和放电条件与变压器结构相似。通过在极板间施加交流电场，可以模拟交流均匀场下油中悬移金属微粒缺陷放电。\n[0007] 油道中流量\n[0008] 式中：QV为油道中流量，W1为油道宽度，H1为油道高度，为油道中油流速度。\n[0009] 我国油浸式电力变压器，大部分采用油纸绝缘(即A级绝缘)。对于A级绝缘的变压器，在正常运行中，变压器绝缘的极限工作温度为105℃，温升小于60K，其额定工作温度为0～55℃。油的密度约为0.85kg/m3。按用油8L计，则油的质量为m＝6.8kg。油的比热为C＝2.0kJ/(kg·℃)，若不考虑散热的影响，则油温每升高Δt＝1℃，所需时间为Δt’，由cmΔt＝pΔt’得：\n[0010] Δt’＝cmΔt/p，其中：P为加热管总功率。\n[0011] 实现本发明目的的技术方案是：一种变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置，主要包括感应调压器(T1)、无晕试验变压器(T2)、无局放保护电阻(R)、标准电容分压器(C1、C2)、局部放电发生装置、超高频天线、无感检测电阻、同轴电缆、宽频高速超大容量数字存储示波器，感应调压器(T1)的副边通过电缆与无晕试验变压器(T2)的原边相连，无晕试验变压器(T2)的副边先与无局放保护电阻(R)串联后，再与标准电容分压器(C1、C2)并联，然后再通过高压引线与金属屏蔽室内的局部放电发生装置连接。特征是：局部放电发生装置由油道模型、两圆板电极、油泵、流量控制阀门、温控仪、流量计组成，油道模型和圆板电极装设在油道支撑箱体内，流量计和温控仪装设在不锈钢管内，油道模型中的模拟油道方管的圆形接头、流量控制阀门、油泵、装设流量计、温控仪的不锈钢管两端之间通过皮管连接。油道模型中的模拟油道方管为长600～650mm的有机玻璃管，截面为长方形，其长为85～95mm、宽为15～20mm，两圆板电极分别装设在模拟油道方管的上下表面处，以便对油道模型施加交流高压。模拟油道方管的两端分别装设有带中心通孔的有机玻璃密封板和圆管接头，以便分别通过皮管与油泵及流量计连接，在模拟油道方管内充满变压器用的绝缘油。油泵用以促使油道模型内的油循环流动并产生油压，流量计用以计量油道模型内油流的瞬时流量和累积流量并显示。在油泵的出口处装设有流量控制阀门，以便控制油道模型内油的流速。在流量控制阀门与流量计之间装有温控仪，温控仪包括装设在不锈钢管内的热电偶、加热电阻、数字显示温度仪，加热电阻通过热电偶和导线与220V市电连接，热电偶通过信号线与数字显示温度仪连接。调节数字显示温度仪设置实验温度，热电偶就控制加热电阻对不锈钢管内的油进行加热，并通过油泵循环使油道模型内的油达到设定的实验温度，以便进行实验。金属微粒为直径1～2mm的不锈钢小球，将其放置于油泵内的叶轮处，启动油泵，金属微粒随油流进入油道模型并呈悬浮、移动状态，从而模拟变压器油中悬移金属微粒缺陷。超高频天线装设局部放电发生装置的外下壁上，并通过同轴电缆与宽频高速超大容量数字存储示波器连接，用以采集局部放电超高频信号，并传输给宽频高速超大容量数字存储示波器。局部放电发生装置和超高频天线均装设在金属屏蔽室内，金属屏蔽室用以模拟变压器箱体，并屏蔽外界电磁波干扰，保证实验数据的可靠性。圆板电极通过高压接线柱和球形屏蔽罩及绝缘套管，与高压引线连接，另一圆板电极通过同轴电缆与无感检测电阻一端连接，并通过同轴电缆与宽频高速大容量数字存储示波器连接，无感检测电阻另一端接地。本发明装置能模拟变压器油中悬浮移动金属微粒在不同场强、油流速度、温度下交流电场作用产生局部放电，装置的超高频天线采集局部放电超高频电磁波信号，无感检测电阻测量局部放电脉冲电流信号，并分别通过同轴电缆传输至宽频高速超大容量数字存储示波器进行分析处理。\n[0012] 一种变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置的实验方法的具体步骤如下：\n[0013] (1)测量本发明装置的最大外施实验电压Umax；\n[0014] 先调节本发明实验装置的感应调压器(T1)，从0kV开始逐渐升高，升压的过程中仔细观察宽频高速数字存储示波器上有无信号，当出现微小放电脉冲信号时，记录下此时加在模拟实验装置上的外施电压即为本装置的最大外施实验电压(Umax)。\n[0015] (2)测量起始放电电压Ust；\n[0016] 在本发明装置的油道模型内放入直径1～2mm的不锈钢小球，使其在油中的密度达到1个/100mL以上，调节本发明实验装置的感应调压器(T1)，从0kV开始逐渐升高，升压的过程中仔细观察宽频高速数字存储示波器上有无信号，当出现微小放电脉冲信号时，记录下此时加在模拟实验装置上的外施电压即为局部放电起始放电电压(Ust)。\n[0017] (3)进行局部放电模拟实验\n[0018] 第(1)、(2)步完成后，先分别调节流量控制阀门控制流量，调节温控仪控制实验需要的温度，再对本发明装置施加起始放电电压(Ust)1.2～1.5倍电压进行油道模型内悬移金属微粒局部放电实验。\n[0019] (4)测量并记录局部放电信号\n[0020] 油道模型中产生的悬移金属微粒缺陷下的局部放电信号，局部放电信号脉冲能激发出超高频电磁波信号后，在双层屏蔽室内中传播，利用50欧姆无感检测电阻和安装在箱体壁上的超高频传感器可以接收装置产生的脉冲电流信号和超高频电磁波信号，经同轴电缆传输至宽频高速数字存储示波器采集并记录信号波形。根据放电信号的重复性和稳定性，考虑到放电具有一定的统计规律，可将实验数据按组编号记录。本装置对不同实验条件的人工缺陷实验数据以80～150个脉冲序列为1组进行记录比较恰当。\n[0021] 本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：\n[0022] 1)本发明装置在不加缺陷情况下，最高施加电压为25kV，在此电压以下进行实验不会产生电晕放电等干扰。加入金属微粒缺陷进行实验，起始放电电压明显降低，最低起始放电电压为5kV，放电信号稳定；\n[0023] 2)本发明装置能够方便的调节油流速度及温度变化，实际可调流量变化范围为\n3\n0.5～10.9m/h，可调温度变化范围为20～75℃，因此能够模拟运行中变压器不同油流速度及温度下产生的局部放电信号；\n[0024] 3)图5和图6分别为静止油中金属微粒产生局部放电信号的时域及频域波形，试验电压为10kV，微粒为1.5mm钢球，其信号幅值大约为12mV，其频谱范围在100MHz～\n200MHz之间。图7和图8分别为流动油中悬移金属微粒产生局部放电信号的时域及频域波形，试验电压为10kV，微粒为1.5mm钢球，其信号幅值大约为8mV，其频谱范围在100MHz～\n500MHz之间。从测得的信号看，两种试验条件下金属微粒缺陷产生的局部放电在波形及频谱上有明显区别，本发明装置能用于模拟流动油中悬移金属微粒缺陷产生的局部放电信号。\n[0025] 本发明可广泛应用在实验室内模拟油浸式变压器内部悬移金属微粒缺陷产生的局部放电，并由高速数字存储示波器采集原始局部放电信号波形，为教学、科研院所和变压器制造厂家，对油浸式变压器在线状态监测和检测局部放电信号的分析及应用提供可靠的实验数据。\n附图说明\n[0026] 图1为本发明装置接线图；\n[0027] 图2为本发明装置原理图；\n[0028] 图3为图2中局部放电模拟装置的油流循环示意图；\n[0029] 图4为图3中油道模型结构示意图；\n[0030] 图5为静止变压器油中金属微粒局部放电时域波形图；\n[0031] 图6为静止变压器油中金属微粒局部放电频域波形图；\n[0032] 图7为变压器油中悬移金属微粒局部放电时域波形图；\n[0033] 图8为变压器油中悬移金属微粒局部放电频域波形图。\n[0034] 图中：1感应调压器(T1)，2无晕试验变压器(T2)，3无局放保护电阻(R)，4标准电容分压器(C1、C2)，5支撑绝缘子，6高压引线，7金属屏蔽室，8绝缘套管，9局部放电发生装置，10模拟油道，11超高频天线，12 50欧姆无感检测电阻，13同轴电缆，14宽频高速超大容量数字存储示波器，15流量计，16温控仪，17流量控制阀门，18油泵，19球形屏蔽罩，20高压接线柱，21高压电极固定套管，22油道支撑箱体，23、26圆板电极，24模拟油道方管，25圆管接头，27低压电极固定套管，28接地接线柱。\n具体实施方式\n[0035] 下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。\n[0036] 实施例\n[0037] 如图1-6所示，一种变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟实验装置，主要包括感应调压器1、无晕试验变压器2、无局放保护电阻3、标准电容分压器4、局部放电发生装置\n9、超高频天线11、无感检测电阻12、同轴电缆13、宽频高速超大容量数字存储示波器14。感应调压器1的副边通过电缆与无晕试验变压器2的原边相连，无晕试验变压器2的副边先与无局放保护电阻3串联后，再与标准电容分压器4并联，然后再通过高压引线6与局部放电发生装置9连接。特征是：局部放电发生装置9由油道模型10、流量计15、温控仪16、流量控制阀门17、油泵18、两圆板电极23、26组成，油道模型10和圆板电极23、26装设在油道支撑箱体22内，流量计15和温控仪16装设在不锈钢管内，油道模型10中的模拟油道方管24的圆形接头25、流量控制阀门17和油泵18、装设流量计15、温控仪16的不锈钢管两端之间通过皮管连接。油道模型10中的模拟油道方管24为长600mm的有机玻璃管，截面为长方形，其长为85mm、宽为15mm，两圆板电极23、26分别装设在模拟油道方管24的上下表面处，以便对油道模型10施加交流高压。模拟油道方管24的两端分别装设有带中心通孔的有机玻璃密封板和圆管接头25，以便分别通过皮管与油泵18及流量计15连接，在模拟油道方管24内充满变压器用的绝缘油。油泵18用以促使油道模型10内的油循环流动并产生油压，流量计15用以计量油道模型内油流的瞬时流量和累积流量并显示。在油泵的出口处装设有流量控制阀门17，以便控制油道模型内油的流速。在流量控制阀门17与流量计15之间装有温控仪16，温控仪16包括装设在不锈钢管内的热电偶、加热电阻、数字显示温度仪，加热电阻通过热电偶和导线与220V市电连接，热电偶通过信号线与数字显示温度仪连接。调节数字显示温度仪设置实验温度，热电偶就控制加热电阻对不锈钢管内的油进行加热，并通过油泵18循环使油道模型内的油达到设定的实验温度，以便进行实验。金属微粒为直径1mm、1.5mm的不锈钢小球，将其放置于油泵18内的叶轮处，启动油泵18，金属微粒随油流进入油道模型10并呈悬浮、移动状态，从而模拟变压器油中悬移金属微粒缺陷。超高频天线11装设局部放电发生装置的外下壁上，并通过同轴电缆13与宽频高速超大容量数字存储示波器14连接，用以采集局部放电超高频信号，并传输给宽频高速超大容量数字存储示波器14。局部放电发生装置9和超高频天线11均装设在金属屏蔽室7内，金属屏蔽室7用以模拟变压器箱体，并屏蔽外界电磁波干扰，保证实验数据的可靠性。圆板电极23通过高压接线柱20和球形屏蔽罩19及绝缘套管8，与高压引线6连接，另一圆板电极26通过同轴电缆13与无感检测电阻12一端连接，并通过同轴电缆13与宽频高速大容量数字存储示波器14连接，无感检测电阻12另一端接地。本发明装置能模拟变压器油中悬浮移动金属微粒在不同场强、油流速度、温度下交流电场作用产生局部放电，装置的超高频天线采集局部放电超高频电磁波信号，无感检测电阻测量局部放电脉冲电流信号，并分别通过同轴电缆传输至宽频高速超大容量数字存储示波器进行分析处理。\n[0038] 一种变压器油中悬移金属微粒局部放电模拟装置的实验方法的具体步骤如下：\n[0039] 1、准备工作：连接循环管路，对管道接口部分作密封处理，需要密封的部位包括循环油泵18的进出油口、油道模型10两端接口及流量计15两端接口，采用皮管连接，确保无漏油漏气点。从注油口处注入干净的25#变压器油，通过油压使管道中气泡排出。对于残留的微量气泡，采用施加外力及短时开动油泵施加扰动并对变压器油进行加热，促进气泡的排出，待装置放置一定时间稳定后可进行实验。\n[0040] 变压器模拟装置存在着密封问题，在该模拟装置中流量计15的安装采用法兰连接，中间采用胶垫密封。其余油泵与模拟油道10及流量计15和温控仪16采用皮管连接方式，接缝处的连接采用锥形钢管与钢丝皮管连接，密封采用聚四氟乙烯生料带缠紧，在皮管外部套上钢箍圈，可以使得试验中不发生漏油漏气情况。\n[0041] 2、测量最大外施实验电压。在不放置人工缺陷模型情况下，接好实验线路，调节感应调压器1，缓慢升高实验电压，仔细观察数字存储示波器14上有无信号，当出现微小放电脉冲信号时，记录下此时加在模拟实验装置上的外施电压(即为Umax)，该电压值为以后实验过程中最高的外施电压，即模拟实验电压不能超过该电压值，否则由实验装置本身产生的局部放电信号会与人工缺陷引起的PD信号所混淆，导致实验结果不准确，甚至无法识别是否是人工缺陷产生的PD信号。\n[0042] 进行变压器的PD检测试验中，高压引线6及高压电极23屏蔽都应该是无晕的，高压实验中对高电位及地电位上的尖端部位都要采用适当的屏蔽和均压措施，避免在这些部位上产生放电。为了减小表面场强，就必须增大表面曲率半径，增大极间或对地的距离，注意电极的表面平整和光滑。高压接线柱20可采用球形或双环形的屏蔽罩19，引线须采用大直径的金属管。高压引线6用光滑的铝管效果最好，经支撑绝缘子5引入屏蔽室7内高压套管8接入高压电极23。由于本模拟实验所加电压不超过50kV，因此采用直径10mm的铝管做高压引线即可满足要求。引线与装置的连接处用直径为60mm的金属球均压。\n[0043] 3、测量起始PD电压。在本发明装置的油道模型内放入直径1mm、1.5mm的不锈钢小球，使其在油中的密度达到1个/100mL以上，调节本发明实验装置的感应调压器1，从0kV开始逐渐升高，升压的过程中仔细观察宽频高速数字存储示波器14上有无信号，当出现微小放电脉冲信号时，记录下此时加在模拟实验装置上的外施电压即为局部放电起始放电电压(Ust)。\n[0044] 4、进行局部放电实验。调节流量控制阀门17选择需要的油流速度，读数显示在流量计表头上。调节温控仪16设定需要的实验温度，待电阻加热一段时间温度稳定后调节感应调压器1分别对本发明装置施加起始放电电压(Ust)的1.2、1.3、1.4、1.5倍电压，仔细观察数字存储示波器14上的波形，当出现稳定放电脉冲时，记录下此时电压，记为Uex，该电压为局部放电的实验电压。\n[0045] 5、实验数据采集。变压器油中悬移金属微粒缺陷产生局部放电信号，在数字存储示波器14上观测到信号稳定、重复率高时记录此波形。根据实验数据的重复性和稳定性，考虑到放电具有一定的统计规律，可将实验数据按组编号记录。本装置对不同实验条件的人工缺陷实验数据以100个脉冲序列为1组进行记录比较恰当，共记录15组。