船用中壓變壓器繞組絕緣加速老化試驗和評估

楊 青，韓素芳

?

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，根據阿倫尼斯理論、考慮船舶環境的影響的條件下，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中的重要設備，一旦發生故障，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。

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準，我國變壓器行業對絕緣結構的評定一般采用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的熱評定試驗規程進行了規定，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的熱評定試驗規程進行了規定。2016年國家能源局發布了NB/T 42093.1[3]，其熱評定試驗規程與文獻[1]基本相同。

文獻[1]至[3]的熱評定試驗規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快速老化方案的基礎上。根據文獻[1]和文獻[3]對于中壓變壓器絕緣系統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 ℃。實際應用中，船用中壓變壓器基本都是環氧澆注干式變壓器，根據GB/T1094.12[4]規定H級絕緣系統繞組最高熱點溫度為205 ℃，同時規定“當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生變化。變壓器負載導致的溫度如果超過溫度限值，會使變壓器處在不可預測的短時間內出現故障的風險中”，因此試驗時老化溫度的選擇還應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氧樹脂澆注繞組經220 ℃高溫試驗后，繞組絕緣出現大面積開裂，絕緣材料已發生變化。

當船用中壓變壓器最高溫度只能選擇205 ℃時，試驗溫度應分別為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可準則[1-3]。由此可見，要采用文獻[1]和文獻[3]中使絕緣系統在三個溫度點下均達到失效的方法繪制絕緣系統基準壽命曲線，并以此來評估中壓變壓器絕緣系統的壽命，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材料的活化能、進而得出熱壽命的斜率，結合單點溫度試驗，可快速評估絕緣系統的壽命。

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熱評定試驗過程，且試驗規程中的重復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，有振動環境，沒有冷沖擊環境，且潮濕試驗方法也不適用于船用環境。

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]的基礎上、結合船用環境的影響、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因和外因引起的，內因主要是構成材料的基本成分-高聚物本身的結構狀態和材料體系內部各組分的性質、比例等。外因是指外界的環境因素，包括物理因素、化學因素和生物因素等，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。另船舶環境中的濕熱、鹽霧、振動等環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，一方面進行著化學降解反應、聚合、解聚、擴散等化學和物理變化，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；為活化能；為波爾茲曼常數；為絕對溫度。

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

式中，為熱壽命；為絕對溫度；為常數。

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，或求取規定壽命下對應的溫度，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論，船用中壓變壓器繞組絕緣系統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：

取適量絕緣結構試樣，磨成粉末（粉末包括絕緣結構中所有絕緣材料），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 %）所對應的十個溫度值，然后根據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。當溫度外推值大于變壓器的最熱點溫度時，可認為變壓器絕緣繞組滿足壽命要求。

2 加速老化試驗樣品設計

2.1 設計原則

當受試驗設備大小限制時，變壓器可采用模型線圈開展加速老化試驗[1]，模型線圈需能夠對繞組絕緣可能的失效模式進行測試。當失效模式主要為電場擊穿時，模型線圈設計原則為：

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，因此模型的設計需可以模擬匝間結構和層間結構。

1）匝間結構

圖1 模擬匝間絕緣結構

繞組匝間絕緣結構采用并繞導線以模擬匝間結構，如圖1所示A-B之間可模擬匝間絕緣結構。

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構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）層間結構

層間絕緣結構采用兩層導體以模擬層間結構進行試驗，如圖3所示A、B、C之間可模擬層間絕緣結構。

圖3 模擬層間絕緣結構

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，內電極表面場強最大，離內電極越遠場強越小，外電極內表面場強最小。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、外電極間電壓為：

式中，為內電極半徑；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：

最大場強出現在內圓柱表面，其值為：

3 繞組絕緣系統加速老化試驗程序

3.1 試驗方案及試驗樣品準備

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 試驗應力

3.4.1熱老化

試品的熱老化溫度剖面根據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力剖面應根據船用要求進行，其振動試驗時的振動應力剖面如下：

1）按GJB 899A[8]相關規定進行；

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振動應力，并以3 h為一個振動循環。

3.4.3濕熱試驗

船用中壓變壓器的濕熱試驗方法應根據船用要求進行，其濕熱試驗方法如下：

1）按GJB150.9A[9]相關規定進行；

2）試驗前，試驗樣品應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恢復到室溫；

3）濕熱暴露持續時間為48 h，以24 h為一個循環周期，按GJB150.9A[9]相關規定進行濕熱循環控制。

3.4.4介電性能試驗

當試品經過上述試驗后，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]中規定脈沖試驗電壓值為試品所模擬的變壓器線圈設計值的75%的最大預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測試，根據測試結果確定試驗電壓值。根據雷電沖擊電壓下的暫態電壓分析，一般認為最大百分比電壓由繞組內沖擊電壓的初始分布引起，最大匝間電位差通常發生在接近線圈線端或中性點處，最大層間電位差通常發生在第一和第二層之間。根據上述理論，在高壓繞組測試線圈中布置高壓測試線圈暫態分析電壓探頭測試點，通過探頭測試點結果得出發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

本試驗采取定數截尾試驗或定時截尾試驗方式進行。

1）定數截尾試驗

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據計算出對應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響應沖擊電壓。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。經過測試，當入波電壓為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 測試繞組端子圖

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 %，因此加速老化試驗模型的匝間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 高壓測試繞組試驗接線圖

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，經過672 h熱老化試驗，并未有試品發生失效，按照統計原則，數據處理時試品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，經過432 h熱老化試驗，并未有試品發生失效，按照統計原則，數據處理時試品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）對應的溫度，即高壓繞組壽命20年對應的溫度外推值為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年的指標要求。

由低壓繞組單點熱老化試驗結果（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）對應的溫度，即低壓繞組壽命20年對應的溫度外推值為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年的指標要求。

綜上，可認為該型船用變壓器滿足壽命大于20年的要求。

5 結論

本文分析了船用中壓變壓器繞組絕緣的加速老化機理，根據阿倫尼斯理論，考慮船舶環境的影響、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熱評定試驗規程, 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：艦船電力系統及電氣設備。E-mail: yangqing_hh@qq.com。