一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统及方法与流程

本发明属于电抗器检测及评估，特别是涉及到一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统及方法。

背景技术：

1、干式空心电抗器在供电系统中用于限制电流、防止过电压、保持电力系统无功功率的平衡等，是高压输变电中的关键电气设备，目前，干式电抗器主要的故障还是因为匝间短路过热造成的，而造成匝间短路的原因是因为干式电抗器长期在室外工作，经常要面临风霜雨雪，低温冰冻，风霜雨雪，炎炎烈日等极端条件。此类电抗器的外表面绝缘容易因剧烈的热胀冷缩而导致严重的破损，开裂位置发生局部放电逐渐破坏匝间绝缘，最终引起匝间短路，导致电抗器的烧毁。以黑龙江省为例，北部地区近些年冬季最低温度频频刷新历史新低，屡次出现二十至三十年一遇的低温天气，极低的温度及较大的四季、昼夜温差使电抗器包封的绝缘状态大大下降，在极端环境下绝缘老化现象会不断加剧，包封绝缘将出现开裂现象。

2、现阶段关于电抗器包封绝缘材料相关性能改性的研究中，均需大量开展极限温度范围内的加速试验，明确不同种类优化后的电抗器包封绝缘材料在极限温度范围内的开裂现象及相关规律，从而通过材料改性提高包封绝缘的抗开裂特性。但现有技术当中无法对包封绝缘表面裂纹发展的纵深比进行无损检测，在试验时对测试模型需要拆解取样，极其繁琐，且样品中含有大量玻璃丝纤维，这将进一步加剧了试验过程复杂性。

3、因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统及方法，用于解决评价电抗器包封绝缘开裂程度时需要拆解取样，过程复杂繁琐的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统，包括电抗器、高压电极、测试电极、上接地电极、下接地电极和测试装置；所述高压电极与电抗器的星架臂连接；所述测试电极、上接地电极和下接地电极均固定在电抗器的包封外表面，测试电极设置在上接地电极和下接地电极之间；所述高压电极、测试电极、上接地电极、下接地电极分别和测试装置电学连接；

3、所述测试装置包括计算单元、测试单元和数据分析单元；所述计算单元用于根据电抗器的外径尺寸、测试电极的高度及电抗器的外包封绝缘厚度，计算测试电极高度范围内的电抗器的外包封绝缘等效电容、包封绝缘中气隙的等效电容和线匝间绝缘的等效电容，以便进一步获得电抗器的整体包封绝缘的等效电容与包封绝缘表面裂纹发展的纵深比之间的关系式，计算单元用于将电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比在设定的迭代范围和迭代计算步长下，分别计算不同纵深比下的复电容曲线；

4、所述测试单元用于对不同冷热冲击试验周期下的电抗器进行频域介电特性测试，获得不同冷热冲击试验周期下的电抗器的频域介电响应曲线；

5、所述数据分析单元用于对比测试单元所得任一冷热冲击试验周期下的电抗器的频域介电响应曲线与计算单元所得不同纵深比下的复电容曲线，当相对误差平方和的平方为最小值时的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比即可表征该冷热冲击试验周期下的电抗器包封绝缘整体的开裂程度。

6、优选的所述测试电极与上接地电极和下接地电极之间的间距大于10毫米；上接地电极和下接地电极共地。

7、优选的所述测试电极、上接地电极和下接地电极均为铝箔，测试电极、上接地电极和下接地电极环绕固定在电抗器的包封外表面。

8、一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价方法，应用如上任一所述的评价系统，包括如下步骤：

9、步骤一、在-55℃至155℃环境温度下对电抗器进行高低温冷热冲击试验，对不同冷热冲击试验周期下的电抗器进行频域介电特性测试，获得不同冷热冲击试验周期下的电抗器的频域介电响应曲线；

10、步骤二、根据电抗器的外径尺寸、测试电极的高度及电抗器的外包封绝缘厚度，构建测试电极高度范围内的电抗器的外包封绝缘等效电容模型c1*(ω)：

11、

12、其中，r为电抗器的外半径；h为测试电极的高度；th为电抗器的包封绝缘厚度；ε*h(ω)为环氧玻璃丝复合绝缘的复介电常数；ω为测试电压的角频率；

13、步骤三、构建测试电极高度范围内的电抗器的包封绝缘中气隙的等效电容c2*(ω)与电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比b的关系表达式：

14、

15、其中，b为电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比；ε*a(ω)为空气的复介电常数；

16、步骤四、构建测试电极高度范围内的线匝间绝缘的等效电容c3*(ω)为：

17、

18、其中，h为测试电极的高度；rw为电抗器线圈处外半径；tw为线匝的绝缘厚度；ε*w(ω)为线匝间聚酯薄膜的复介电常数；

19、步骤五、构建测试电极高度范围内的电抗器的整体包封绝缘的等效介电弛豫模型c*(ω)：

20、

21、//表示两部分并联计算；

22、步骤六、将电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比b在设定的迭代范围和迭代步长下，代入公式4分别计算不同纵深比下的复电容曲线，采用公式5对比步骤一所得任一冷热冲击试验周期下的电抗器的频域介电响应曲线，当相对误差平方和的平方为最小值时的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比b即可表征该冷热冲击试验周期下的电抗器包封绝缘整体的开裂程度；

23、

24、其中，m为迭代计算组数；c′m为测试复电容实部；c″m为测试复电容虚部；c′f为计算复电容实部；c″f为计算复电容虚部。

25、优选的步骤一所述电抗器保持在最低及最高温度下各3小时为一次循环，3次循环为一个试验周期。

26、优选的步骤四所述构建测试电极高度范围内的线匝间绝缘的等效电容c3*(ω)的过程为，首先计算单匝线的匝间绝缘有效面积s为：

27、s＝2π2rrw 6

28、其中，r为电抗器内线圈的半径；rw为电抗器线圈处外半径，

29、测试电极高度范围内电抗器的线匝数n为：

30、

31、测试电极高度范围内的线匝间绝缘的等效电容c3*(ω)为：

32、

33、优选的步骤六所述电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比b的设定的迭代范围为0.1～1000，迭代计算步长为0.1。

34、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

35、1、以电抗器多匝导线作为测试的高压极，设计三段式包封绝缘测试电极结构，消除电极与试样间隙的影响；

36、2、可实现电抗器包封绝缘开裂程度的无损检测；

37、3、能量化分析包封绝缘的开裂程度；

38、4、绝缘表面裂纹发展纵深比值计算的准确性高。

技术特征：

1.一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统，其特征在于：包括电抗器(1)、高压电极(2)、测试电极(3)、上接地电极(4)、下接地电极(5)和测试装置(6)；所述高压电极(2)与电抗器(1)的星架臂(11)连接；所述测试电极(3)、上接地电极(4)和下接地电极(5)均固定在电抗器(1)的包封外表面，测试电极(3)设置在上接地电极(4)和下接地电极(5)之间；所述高压电极(2)、测试电极(3)、上接地电极(4)和下接地电极(5)分别和测试装置(6)电学连接；

2.根据权利要求1所述一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统，其特征在于：所述测试电极(3)与上接地电极(4)和下接地电极(5)之间的间距大于10毫米；上接地电极(4)和下接地电极(5)共地。

3.根据权利要求1所述一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统，其特征在于：所述测试电极(3)、上接地电极(4)和下接地电极(5)均为铝箔，测试电极(3)、上接地电极(4)和下接地电极(5)环绕固定在电抗器(1)的包封外表面。

4.一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价方法，应用如权利要求1～3任一所述的评价系统，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价方法，其特征在于：步骤一所述电抗器保持在最低及最高温度下各3小时为一次循环，3次循环为一个试验周期。

6.根据权利要求4所述一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价方法，其特征在于：步骤四所述构建测试电极高度范围内的线匝间绝缘的等效电容c3*(ω)的过程为，首先计算单匝线的匝间绝缘有效面积s为：

7.根据权利要求4所述一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价方法，其特征在于：步骤六所述电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比b的设定的迭代范围为0.1～1000，迭代计算步长为0.1。

技术总结
本发明公开了一种冷热冲击下电抗器包封绝缘开裂程度评价系统及方法，属于电抗器检测及评估技术领域，包括与电抗器的星架臂连接的高压电极、固定在电抗器的包封外表面的测试电极、上接地电极和下接地电极，以及测试装置，测试电极设置在上接地电极和下接地电极之间；高压电极、测试电极、上接地电极、下接地电极分别和测试装置电学连接；迭代计算不同纵深比下的复电容曲线，对比电抗器的频域介电响应曲线，当目标函数最小值时获得包封绝缘表面裂纹发展的纵深比，不仅可以用于研究不同种类绝缘材料开裂相关规律，而且可以对实际电抗器的包封绝缘表面裂纹发展的纵深比进行无损检测。

技术研发人员：刘贺千,张健,李劲涛,陈世玉,王磊,翁子韵,李中原,杨洪达,申昱博,许敏虎,张朋,梁建权,张震
受保护的技术使用者：国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15