楊 青，韓素芳

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船用中壓變壓器繞組絕緣加速老化試驗和評估

楊 青1，韓素芳2

（1. 海軍駐上海711所軍事代表室，上海 201108；2. 上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司，上海 200063）

為了通過試驗與評估快速得到船用中壓變壓器繞組絕緣壽命能否滿足要求的結(jié)論，本文對船用中壓變壓器繞組絕緣的加速老化機理進行了分析，根據(jù)阿倫尼斯理論、考慮船舶環(huán)境的影響的條件下，提出了采用熱失重分析法的船用中壓變壓器繞組絕緣加速老化試驗方案、試驗程序和評估方法，給出了模擬線圈設(shè)計原則和診斷電壓確定方法，并針對某型船用變壓器進行了繞組絕緣壽命的試驗和評估，證明了本文所提出方法的可行性。

變壓器 絕緣 加速老化試驗 評估 船舶

0 引言

船用中壓變壓器是船舶電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，一旦發(fā)生故障，有可能造成大面積停電事故。因此，為保障船舶電力系統(tǒng)的可靠性，需對船用中壓變壓器的可靠性進行評估，而繞組絕緣壽命的評估是中壓變壓器可靠性評估的基礎(chǔ)。

目前，我國還沒有變壓器繞組絕緣壽命考核試驗方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，我國變壓器行業(yè)對絕緣結(jié)構(gòu)的評定一般采用IEEE Std C57.12.60[1]和IEEE Std 259[2]的方法。文獻[1]對600 V以上干式電力和配電變壓器絕緣系統(tǒng)的熱評定試驗規(guī)程進行了規(guī)定，文獻[2]對600 V以下干式特種變壓器和通用變壓器絕緣系統(tǒng)的熱評定試驗規(guī)程進行了規(guī)定。2016年國家能源局發(fā)布了NB/T 42093.1[3]，其熱評定試驗規(guī)程與文獻[1]基本相同。

文獻[1]至[3]的熱評定試驗規(guī)程采用了三溫度點熱老化試驗方法，均建立在理想的或者能實現(xiàn)快速老化方案的基礎(chǔ)上。根據(jù)文獻[1]和文獻[3]對于中壓變壓器絕緣系統(tǒng)建議的老化試驗溫度，H級絕緣分別為230 ℃、250 ℃和270 ℃，溫度間隔20 ℃。實際應(yīng)用中，船用中壓變壓器基本都是環(huán)氧澆注干式變壓器，根據(jù)GB/T1094.12[4]規(guī)定H級絕緣系統(tǒng)繞組最高熱點溫度為205 ℃，同時規(guī)定“當(dāng)熱點溫度超過繞組最高熱點溫度時，計算壽命是不實際的，因為繞組材料可能發(fā)生變化。變壓器負載導(dǎo)致的溫度如果超過溫度限值，會使變壓器處在不可預(yù)測的短時間內(nèi)出現(xiàn)故障的風(fēng)險中”，因此試驗時老化溫度的選擇還應(yīng)考慮實際選用絕緣材料的耐受溫度。例如對某船用中壓變壓器環(huán)氧樹脂澆注繞組經(jīng)220 ℃高溫試驗后，繞組絕緣出現(xiàn)大面積開裂，絕緣材料已發(fā)生變化。

當(dāng)船用中壓變壓器最高溫度只能選擇205 ℃時，試驗溫度應(yīng)分別為165 ℃、185 ℃、205 ℃。而對于H級絕緣，以180 ℃、40000 h失效時間作為耐熱等級的最低認(rèn)可準(zhǔn)則[1-3]。由此可見，要采用文獻[1]和文獻[3]中使絕緣系統(tǒng)在三個溫度點下均達到失效的方法繪制絕緣系統(tǒng)基準(zhǔn)壽命曲線，并以此來評估中壓變壓器絕緣系統(tǒng)的壽命，在時間上是難以接受的。

JB/T 1544[5]提出的評估方法，是利用熱失重試驗快速得到絕緣系統(tǒng)材料的活化能、進而得出熱壽命的斜率，結(jié)合單點溫度試驗，可快速評估絕緣系統(tǒng)的壽命。

另外文獻[1-3]中試品的示例以及介電試驗電壓值的計算方法均不能具體地指導(dǎo)熱評定試驗過程，且試驗規(guī)程中的重復(fù)試驗周期包括熱老化試驗、冷沖擊試驗、潮濕試驗和潮濕條件下的介電試驗。實際船用中壓變壓器，有振動環(huán)境，沒有冷沖擊環(huán)境，且潮濕試驗方法也不適用于船用環(huán)境。

本文對船用中壓變壓器繞組絕緣進行了老化特性和機理分析，在文獻[1]、文獻[3]和文獻[5]的基礎(chǔ)上、結(jié)合船用環(huán)境的影響、提出了船用中壓變壓器繞組絕緣的加速老化試驗方案和評估方法，提出了模型線圈的制造和診斷電壓的確定方法，并對某型船用中壓變壓器繞組絕緣的壽命進行了試驗和評估。

1 繞組絕緣加速老化試驗機理與評估方法

1.1 加速老化試驗機理

船用中壓變壓器繞組的絕緣一般由聚酰亞胺薄膜等組成，它們都是高分子材料，其在加工、儲存和使用過程中，由于受到內(nèi)外因素的綜合作用，性能逐漸變差，以致最后喪失絕緣性能。高分子材料的老化是由內(nèi)因和外因引起的，內(nèi)因主要是構(gòu)成材料的基本成分-高聚物本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和材料體系內(nèi)部各組分的性質(zhì)、比例等。外因是指外界的環(huán)境因素，包括物理因素、化學(xué)因素和生物因素等，其中太陽光、熱、空氣中的氧和濕度等是材料老化的重要因素。船用中壓變壓器應(yīng)用于船舶中，不受太陽光的影響，變壓器運行時溫度升高的熱環(huán)境（即熱老化作用）對變壓器的絕緣老化則起著決定性的作用。另船舶環(huán)境中的濕熱、鹽霧、振動等環(huán)境對船用中壓變壓器繞組絕緣的壽命也有著不可忽略的影響。

船用中壓變壓器繞組絕緣在熱老化的作用下，一方面進行著化學(xué)降解反應(yīng)、聚合、解聚、擴散等化學(xué)和物理變化，另一方面進行著熱膨脹和（或）熱收縮的力所引起的熱機械變化。長期以來，人們在溫度對絕緣材料的性能和壽命的不良影響方面做的大量研究工作表明，絕緣材料的熱老化遵循阿倫尼斯（Arrhenius）定律[6]：

式中，為壽命；為常數(shù)；為活化能；為波爾茲曼常數(shù)；為絕對溫度。

阿倫尼斯（Arrhenius）理論是加速老化試驗的理論基礎(chǔ)，對其進行對數(shù)變換，可得壽命的對數(shù)與相對應(yīng)的絕緣溫度的倒數(shù)之間存在著線性關(guān)系。

式中，為熱壽命；為絕對溫度；為常數(shù)。

因此為盡快得到絕緣材料的壽命值，可采用提高試驗溫度的方式進行老化試驗、即加速熱老化試驗，再通過分析絕緣系統(tǒng)材料的活化能、得到阿倫尼斯方程，然后用外推法求取工作溫度下的壽命，或求取規(guī)定壽命下對應(yīng)的溫度，以此來評估變壓器絕緣的可靠性。

1.2 加速老化試驗評估方法

為了快速得到船用中壓變壓器繞組絕緣壽命能否滿足要求的結(jié)論，船用中壓變壓器繞組絕緣系統(tǒng)加速老化試驗評估方法可采用熱失重分析法[5]。熱失重分析法將絕緣繞組材料的熱失重試驗和絕緣繞組的單點熱老化試驗結(jié)合起來，求取絕緣繞組的熱壽命方程及回歸特性曲線。即由熱失重試驗求得熱壽命方程的斜率，代入單點熱老化試驗溫度和時間，獲得熱壽命方程，進而評估繞組絕緣的壽命。

式（1）中斜率與活化能E的關(guān)系：

E可通過絕緣繞組的熱失重試驗求得，熱失重試驗方法如下：

取適量絕緣結(jié)構(gòu)試樣，磨成粉末（粉末包括絕緣結(jié)構(gòu)中所有絕緣材料），用熱重分析儀測試其失重過程，試驗氣氛為常壓空氣，升溫速度為3 ℃/min。取絕緣粉末失重5 %～50 %（間隔5 %）所對應(yīng)的十個溫度值，然后根據(jù)JB/T 1544[5]進行試樣的活化能計算，再由活化能計算熱壽命方程的斜率。

將斜率和熱老化試驗溫度和時間代入，即可獲得熱壽命平行線方程。通過熱壽命平行線方程可以計算出失效時間為要求值的溫度外推值。當(dāng)溫度外推值大于變壓器的最熱點溫度時，可認(rèn)為變壓器絕緣繞組滿足壽命要求。

2 加速老化試驗樣品設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

當(dāng)受試驗設(shè)備大小限制時，變壓器可采用模型線圈開展加速老化試驗[1]，模型線圈需能夠?qū)@組絕緣可能的失效模式進行測試。當(dāng)失效模式主要為電場擊穿時，模型線圈設(shè)計原則為：

1）高低壓模型線圈與船用中壓變壓器實際的高低壓繞組的匝間絕緣、層間絕緣在施加相同的電壓時，耐受的電場強度相同；

2）高低壓模型線圈與船用中壓變壓器實際的高低壓絕緣繞組所用的材料和工藝相同。

2.2 繞組模型線圈設(shè)計

變壓器繞組絕緣老化失效主要考慮匝絕緣、層絕緣在加速老化作用下的壽命，因此模型的設(shè)計需可以模擬匝間結(jié)構(gòu)和層間結(jié)構(gòu)。

1）匝間結(jié)構(gòu)

圖1 模擬匝間絕緣結(jié)構(gòu)

繞組匝間絕緣結(jié)構(gòu)采用并繞導(dǎo)線以模擬匝間結(jié)構(gòu)，如圖1所示A-B之間可模擬匝間絕緣結(jié)構(gòu)。

圖2 平行平板電極間的電場

由式（2）可知，模型線圈匝間絕緣結(jié)構(gòu)只要滿足兩匝間的絕緣厚度與船用中壓變壓器實際繞組絕緣相等，在施加相同的匝間電壓時，匝間絕緣耐受的場強是等效的。

2）層間結(jié)構(gòu)

層間絕緣結(jié)構(gòu)采用兩層導(dǎo)體以模擬層間結(jié)構(gòu)進行試驗，如圖3所示A、B、C之間可模擬層間絕緣結(jié)構(gòu)。

圖3 模擬層間絕緣結(jié)構(gòu)

繞組層間絕緣電場可看作同軸圓柱電極間的電場，如圖4所示。同軸圓柱電極間電場是不均勻電場，內(nèi)電極表面場強最大，離內(nèi)電極越遠場強越小，外電極內(nèi)表面場強最小。離圓柱軸線距離為處的電場強度為：

式中，Q為在長度為l的電極上的電荷；A為半徑x、長度l的圓柱等位面面積。

由于內(nèi)、外電極間電壓為：

式中，為內(nèi)電極半徑；為外電極半徑（即為線圈層間絕緣厚度）。將式（4）代入式（3），可得：

最大場強出現(xiàn)在內(nèi)圓柱表面，其值為：

3 繞組絕緣系統(tǒng)加速老化試驗程序

3.1 試驗方案及試驗樣品準(zhǔn)備

試驗方案如本文1.2所述，試驗樣品共計13個，其中12個進行熱老化周期試驗、1個線圈進行熱失重試驗[5]。

3.2 樣品篩選試驗

樣品在加速老化周期試驗前，均應(yīng)進行篩選試驗，篩選試驗程序為：

1）振動試驗；

2）濕熱試驗；

3）介電性能試驗；

介電性能試驗合格的樣品，可轉(zhuǎn)入下一步的周期試驗，沒有通過篩選試驗的樣品不再使用。

3.3 樣品加速老化周期試驗

加速老化周期試驗為周期循環(huán)試驗，每一周期包含：

1）熱老化分周期；

2）診斷分周期，依次進行振動試驗、濕熱試驗和介電性能試驗。

3.4 試驗應(yīng)力

3.4.1熱老化

試品的熱老化溫度剖面根據(jù)變壓器繞組絕緣材料的耐受溫度進行選取。溫度的施加采用熱老化箱進行加熱，加熱方法如下：

1）按GB/T 11026.4[7]的規(guī)定進行試驗；

2）最大溫度偏差溫度為2 K。

3.4.2振動試驗

船用中壓變壓器的振動應(yīng)力剖面應(yīng)根據(jù)船用要求進行，其振動試驗時的振動應(yīng)力剖面如下：

1）按GJB 899A[8]相關(guān)規(guī)定進行；

2）試驗樣品在安裝架上進行振動試驗，在Z軸方向上進行；

3）施加6 h振動應(yīng)力，并以3 h為一個振動循環(huán)。

3.4.3濕熱試驗

船用中壓變壓器的濕熱試驗方法應(yīng)根據(jù)船用要求進行，其濕熱試驗方法如下：

1）按GJB150.9A[9]相關(guān)規(guī)定進行；

2）試驗前，試驗樣品應(yīng)在正常大氣條件下放置24 h以上，即試品在濕熱試驗之前應(yīng)恢復(fù)到室溫；

3）濕熱暴露持續(xù)時間為48 h，以24 h為一個循環(huán)周期，按GJB150.9A[9]相關(guān)規(guī)定進行濕熱循環(huán)控制。

3.4.4介電性能試驗

當(dāng)試品經(jīng)過上述試驗后，需進行介電性能試驗，介電性能試驗可從試驗箱內(nèi)取出后進行。

3.5 診斷電壓選取

模型線圈在完成加速老化周期后，需進行介電性能試驗。高壓模型線圈介電性能試驗為脈沖電壓試驗，文獻[1-3]中規(guī)定脈沖試驗電壓值為試品所模擬的變壓器線圈設(shè)計值的75%的最大預(yù)期的絕緣基本沖擊水平，但此方法與實際耐壓情況可能不一致。因此，本文規(guī)定的脈沖試驗電壓值為試品所模擬的變壓器線圈實際要求值的75%的絕緣基本沖擊水平。

篩選試驗應(yīng)該用1.2×50 μs正全波沖擊試驗完成，沖擊試驗電壓按式（6）計算得到，單位V。

式中，U是發(fā)生在失效模式點的全波沖擊電壓的最大百分比；是全波沖擊電壓（）[1]。

由式（6）可見，變壓器模型線圈的試驗沖擊電壓主要取決U，即發(fā)生在失效模式點的全波沖擊電壓的最大百分比。

采用與船用變壓器高壓繞組相同繞組的線圈進行雷電沖擊電壓波響應(yīng)測試，根據(jù)測試結(jié)果確定試驗電壓值。根據(jù)雷電沖擊電壓下的暫態(tài)電壓分析，一般認(rèn)為最大百分比電壓由繞組內(nèi)沖擊電壓的初始分布引起，最大匝間電位差通常發(fā)生在接近線圈線端或中性點處，最大層間電位差通常發(fā)生在第一和第二層之間。根據(jù)上述理論，在高壓繞組測試線圈中布置高壓測試線圈暫態(tài)分析電壓探頭測試點，通過探頭測試點結(jié)果得出發(fā)生在失效模式點的全波沖擊電壓的最大百分比電壓值，然后以此值的75%作為篩選和診斷電壓值。

3.6 試驗截尾和試品失效時間

本試驗采取定數(shù)截尾試驗或定時截尾試驗方式進行。

1）定數(shù)截尾試驗

如果超過50%的試品在老化周期的診斷試驗失效（試驗中6個模型線圈失效時），則終止老化試驗，取未失效的試品下個周期的中點時間作為試品的失效時間。

2）定時截尾試驗

如果在老化周期的診斷試驗失效的試品沒超過50 %，取未失效的試品下個周期的中點時間作為試品的失效時間，且采用已完成的試驗數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)失效時間為壽命要求值時的溫度外推值大于變壓器的最熱點溫度時，可停止試驗。

4 繞組絕緣系統(tǒng)加速老化試驗和評估

采用熱失重分析法進行某船用變壓器繞組絕緣加速老化試驗和評估，該船用中壓變壓器電壓等級為6300 V /400 V，高壓線圈為繞線分段式，低壓線圈為箔繞式，要求該型船用變壓器壽命為20年。

4.1 診斷電壓確定

高壓繞組模型線圈的診斷電壓通過在實際高壓繞組中布置暫態(tài)分析電壓探頭測試點獲取，測點端子布置如圖5所示，高壓繞組測試線圈如圖6所示。

高壓測試線圈測試端子之間的電壓類型如表1所示。試驗時，采用弱阻尼電容分壓器測試分接頭暫態(tài)響應(yīng)沖擊電壓。試驗線路與船用中壓變壓器進行雷電試驗時的接線方法相同，如圖7所示。經(jīng)過測試，當(dāng)入波電壓為60 kV時，各匝間和層間電壓如表2所示。

圖5 測試點端子圖

圖6 測試?yán)@組端子圖

表1 高壓測試線圈測試電壓

電壓類型端子-端子 匝間電壓1A-15，15-14，14-13，13-12，12-1B，6-25，25-24，24-23，23-22，22-5，4-35，35-34，34-33，33-32，32-3，7C-45，45-44，44-43，43-42，42-1X 層間電壓1A-2B，1B-3B，3B-4B，5B-6B，5-9B，6-8B，8B-7B，1X-1C，1C-3C，7C-2C，2C-4C，5C-6C

由表2可見，匝間最大電壓在1A-15端子之間，為7.54 kV，即繞組的第一匝，符合變壓器最大匝間電位差通常發(fā)生在接近線圈線端的理論。層間最大電壓在1A-2B端子之間，為6.68 kV，即繞組的第一層和第一層之間，符合變壓器最大層間電位差通常發(fā)生在第一和第二層之間的理論。

由式（6）得，加速老化試驗脈沖試驗電壓值為發(fā)生在失效模式點的全波沖擊電壓的最大百分比電壓值的75 %，因此加速老化試驗?zāi)Ｐ偷脑验g電壓和層間電壓分別為7.54 kV和6.68 kV的75 %，即匝間電壓5.65 kV，層間5.01 kV。

表2 匝間和層間電壓

電壓類型端子-端子電壓值端子-端子電壓值 匝間電壓1A-157.54 4-351.30 15-141.38 35-340.14 14-130.70 34-330.91 匝間電壓13-120.57 33-320.03 12-1B0.05 32-30.19 6-250.85 7C-450.54 25-240.35 45-440.18 24-230.06 44-430.47 23-220.84 43-420.53 22-50.67 42-1X1.08 層間電壓1A-2B6.68 8B-7B5.21 1B-3B1.96 1C-1X5.64 3B-4B2.65 1C-3C5.99 5B-6B0.00 7C-2C6.01 5-9B2.94 2C-4C6.35 6-8B3.80 5C-6C3.80

圖7 高壓測試?yán)@組試驗接線圖

4.2 單點加速老化試驗

對于高壓模型線圈，用12個線圈進行205℃單點熱老化試驗，經(jīng)過672 h熱老化試驗，并未有試品發(fā)生失效，按照統(tǒng)計原則，數(shù)據(jù)處理時試品205 ℃的老化壽命以840 h計，即得到單點老化試驗結(jié)果為（205 ℃，840 h）。

對于低壓模型線圈，用12個線圈進行215℃單點熱老化試驗，經(jīng)過432 h熱老化試驗，并未有試品發(fā)生失效，按照統(tǒng)計原則，數(shù)據(jù)處理時試品215 ℃的老化壽命以506 h計，即得到單點老化試驗結(jié)果為（215 ℃，506 h）。

4.3 熱失重分析

對該船用變壓器的高低壓絕緣系統(tǒng)中的絕緣材料進行熱失重試驗，熱失重試驗中失重5 %～50 %（間隔5 %）所對應(yīng)的十個溫度值如表3所示。

表3 熱失重試驗溫度值

失重高壓繞組絕緣材料溫度值/℃低壓繞組絕緣材料溫度值/℃ 5%255322 10%282352 15%299369 20%311379 25%322386 30%333392 35%345397 40%358402 45%373406 50%386410

根據(jù)JB/T 1544[5]可求得該船用變壓器高低壓繞組絕緣活化能E分別為116320.63和127477.84，計算斜率為6075.1361和6657.8493。

4.4 熱壽命回歸和可靠性評估

由高壓繞組單點熱老化試驗結(jié)果（205 ℃，840 h）得到，可求得其阿倫尼斯方程為：

lg= -9.7812 + 6075.1361/

在高壓繞組方程回歸線求出20年（175200 h）對應(yīng)的溫度，即高壓繞組壽命20年對應(yīng)的溫度外推值為131 ℃。通過溫升試驗，可得到該型變壓器高壓繞組正常工作的最高熱點溫度為93.75 ℃，低于溫度外推值，可知此船用變壓器高壓繞組壽命滿足大于20年的指標(biāo)要求。

由低壓繞組單點熱老化試驗結(jié)果（215 ℃，506 h）得到，可求得其阿倫尼斯方程為：

lg= -10.9365 + 6657.8493/

在低壓繞組方程回歸線求出20年（175200 h）對應(yīng)的溫度，即低壓繞組壽命20年對應(yīng)的溫度外推值為138 ℃。通過溫升試驗，可得到該型變壓器低壓繞組正常工作的最高熱點溫度為101.75 ℃，低于溫度外推值，可知此船用變壓器低壓繞組壽命滿足大于20年的指標(biāo)要求。

綜上，可認(rèn)為該型船用變壓器滿足壽命大于20年的要求。

5 結(jié)論

本文分析了船用中壓變壓器繞組絕緣的加速老化機理，根據(jù)阿倫尼斯理論，考慮船舶環(huán)境的影響、試驗時間的限制，提出了采用熱失重分析法的船用中壓變壓器繞組絕緣加速老化試驗方案、試驗程序和評估方法，給出了模擬線圈設(shè)計原則和診斷電壓確定方法，并針對某型船用中壓變壓器進行了繞組絕緣壽命的試驗和評估，證明了本文所提出方法的可行性。

[1] IEEE Standard Test Procedure for Thermal Evalu-ation of Insulation System for Dry type Power a-nd Distribution Transformers，Including Open Wo-und, Solid Cast, and Resin Encapsulated Transfor-mers IEEE Std C57.12.60TM[S]. 2009.

[2] IEEE Standard Test Procedure for Evaluation of Systems of Insulation for Dry-type Specialty and General-Purpose Transformers: IEEE Std 259[S]. 1999.

[3] 干式變壓器絕緣系統(tǒng)熱評定試驗規(guī)程, 第1部分: 600V以上繞組: NB/T 42093.1[S]. 2016.

[4] 電力變壓器, 第12部分：干式電力變壓器負載導(dǎo)則: GB/T1094.12[S]. 2013.

[5] 電氣絕緣浸漬漆和漆布快速熱老化試驗方法—熱重點斜法: JB/T 1544[S]. 2015.

[6] 廖虹煒, 劉四維. 核電廠用1E級干式變壓器熱老化壽命的評估[J]. 變壓器, 2013, 50(6): 48-51.

[7] 電氣絕緣材料耐熱性,第4部分: 老化烘箱單室烘箱: GB/T 11026.4[S]. 2012.

[8] 可靠性鑒定和驗收試驗: GJB 899A[S]. 2009.

[9] 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法. 第9部分：濕熱試驗: GJB150.9A[S]. 2009.

Accelerated Aging Test and Evaluation for Insulation of Marine Medium Voltage Transformer Winding

Yang Qing1, Han Sufang2

(1. Naval Representatives Office in No.711 Research Institute, Shanghai 201108, China; 2. Shanghai Electric Apparatus Science Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

TM43

A

1003-4862（2018）11-0017-06

2018-06-01

楊青（1967-），男，博士，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備。E-mail: yangqing_hh@qq.com。