船用中压变压器绕组绝缘加速老化试验和评估

杨 青，韩素芳



船用中压变压器绕组绝缘加速老化试验和评估

杨 青1，韩素芳2

（1. 海军驻上海711所军事代表室，上海 201108；2. 上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063）

为了通过试验与评估快速得到船用中压变压器绕组绝缘寿命能否满足要求的结论，本文对船用中压变压器绕组绝缘的加速老化机理进行了分析，根据阿伦尼斯理论、考虑船舶环境的影响的条件下，提出了采用热失重分析法的船用中压变压器绕组绝缘加速老化试验方案、试验程序和评估方法，给出了模拟线圈设计原则和诊断电压确定方法，并针对某型船用变压器进行了绕组绝缘寿命的试验和评估，证明了本文所提出方法的可行性。

变压器 绝缘 加速老化试验 评估 船舶

0 引言

船用中压变压器是船舶电力系统中的重要设备，一旦发生故障，有可能造成大面积停电事故。因此，为保障船舶电力系统的可靠性，需对船用中压变压器的可靠性进行评估，而绕组绝缘寿命的评估是中压变压器可靠性评估的基础。

目前，我国还没有变压器绕组绝缘寿命考核试验方面的国家标准，我国变压器行业对绝缘结构的评定一般采用IEEE Std C57.12.60[1]和IEEE Std 259[2]的方法。文献[1]对600 V以上干式电力和配电变压器绝缘系统的热评定试验规程进行了规定，文献[2]对600 V以下干式特种变压器和通用变压器绝缘系统的热评定试验规程进行了规定。2016年国家能源局发布了NB/T 42093.1[3]，其热评定试验规程与文献[1]基本相同。

文献[1]至[3]的热评定试验规程采用了三温度点热老化试验方法，均建立在理想的或者能实现快速老化方案的基础上。根据文献[1]和文献[3]对于中压变压器绝缘系统建议的老化试验温度，H级绝缘分别为230 ℃、250 ℃和270 ℃，温度间隔20 ℃。实际应用中，船用中压变压器基本都是环氧浇注干式变压器，根据GB/T1094.12[4]规定H级绝缘系统绕组最高热点温度为205 ℃，同时规定“当热点温度超过绕组最高热点温度时，计算寿命是不实际的，因为绕组材料可能发生变化。变压器负载导致的温度如果超过温度限值，会使变压器处在不可预测的短时间内出现故障的风险中”，因此试验时老化温度的选择还应考虑实际选用绝缘材料的耐受温度。例如对某船用中压变压器环氧树脂浇注绕组经220 ℃高温试验后，绕组绝缘出现大面积开裂，绝缘材料已发生变化。

当船用中压变压器最高温度只能选择205 ℃时，试验温度应分别为165 ℃、185 ℃、205 ℃。而对于H级绝缘，以180 ℃、40000 h失效时间作为耐热等级的最低认可准则[1-3]。由此可见，要采用文献[1]和文献[3]中使绝缘系统在三个温度点下均达到失效的方法绘制绝缘系统基准寿命曲线，并以此来评估中压变压器绝缘系统的寿命，在时间上是难以接受的。

JB/T 1544[5]提出的评估方法，是利用热失重试验快速得到绝缘系统材料的活化能、进而得出热寿命的斜率，结合单点温度试验，可快速评估绝缘系统的寿命。

另外文献[1-3]中试品的示例以及介电试验电压值的计算方法均不能具体地指导热评定试验过程，且试验规程中的重复试验周期包括热老化试验、冷冲击试验、潮湿试验和潮湿条件下的介电试验。实际船用中压变压器，有振动环境，没有冷冲击环境，且潮湿试验方法也不适用于船用环境。

本文对船用中压变压器绕组绝缘进行了老化特性和机理分析，在文献[1]、文献[3]和文献[5]的基础上、结合船用环境的影响、提出了船用中压变压器绕组绝缘的加速老化试验方案和评估方法，提出了模型线圈的制造和诊断电压的确定方法，并对某型船用中压变压器绕组绝缘的寿命进行了试验和评估。

1 绕组绝缘加速老化试验机理与评估方法

1.1 加速老化试验机理

船用中压变压器绕组的绝缘一般由聚酰亚胺薄膜等组成，它们都是高分子材料，其在加工、储存和使用过程中，由于受到内外因素的综合作用，性能逐渐变差，以致最后丧失绝缘性能。高分子材料的老化是由内因和外因引起的，内因主要是构成材料的基本成分-高聚物本身的结构状态和材料体系内部各组分的性质、比例等。外因是指外界的环境因素，包括物理因素、化学因素和生物因素等，其中太阳光、热、空气中的氧和湿度等是材料老化的重要因素。船用中压变压器应用于船舶中，不受太阳光的影响，变压器运行时温度升高的热环境（即热老化作用）对变压器的绝缘老化则起着决定性的作用。另船舶环境中的湿热、盐雾、振动等环境对船用中压变压器绕组绝缘的寿命也有着不可忽略的影响。

船用中压变压器绕组绝缘在热老化的作用下，一方面进行着化学降解反应、聚合、解聚、扩散等化学和物理变化，另一方面进行着热膨胀和（或）热收缩的力所引起的热机械变化。长期以来，人们在温度对绝缘材料的性能和寿命的不良影响方面做的大量研究工作表明，绝缘材料的热老化遵循阿伦尼斯（Arrhenius）定律[6]：

式中，为寿命；为常数；为活化能；为波尔兹曼常数；为绝对温度。

阿伦尼斯（Arrhenius）理论是加速老化试验的理论基础，对其进行对数变换，可得寿命的对数与相对应的绝缘温度的倒数之间存在着线性关系。

式中，为热寿命；为绝对温度；为常数。

因此为尽快得到绝缘材料的寿命值，可采用提高试验温度的方式进行老化试验、即加速热老化试验，再通过分析绝缘系统材料的活化能、得到阿伦尼斯方程，然后用外推法求取工作温度下的寿命，或求取规定寿命下对应的温度，以此来评估变压器绝缘的可靠性。

1.2 加速老化试验评估方法

为了快速得到船用中压变压器绕组绝缘寿命能否满足要求的结论，船用中压变压器绕组绝缘系统加速老化试验评估方法可采用热失重分析法[5]。热失重分析法将绝缘绕组材料的热失重试验和绝缘绕组的单点热老化试验结合起来，求取绝缘绕组的热寿命方程及回归特性曲线。即由热失重试验求得热寿命方程的斜率，代入单点热老化试验温度和时间，获得热寿命方程，进而评估绕组绝缘的寿命。

式（1）中斜率与活化能E的关系：

E可通过绝缘绕组的热失重试验求得，热失重试验方法如下：

取适量绝缘结构试样，磨成粉末（粉末包括绝缘结构中所有绝缘材料），用热重分析仪测试其失重过程，试验气氛为常压空气，升温速度为3 ℃/min。取绝缘粉末失重5 %～50 %（间隔5 %）所对应的十个温度值，然后根据JB/T 1544[5]进行试样的活化能计算，再由活化能计算热寿命方程的斜率。

将斜率和热老化试验温度和时间代入，即可获得热寿命平行线方程。通过热寿命平行线方程可以计算出失效时间为要求值的温度外推值。当温度外推值大于变压器的最热点温度时，可认为变压器绝缘绕组满足寿命要求。

2 加速老化试验样品设计

2.1 设计原则

当受试验设备大小限制时，变压器可采用模型线圈开展加速老化试验[1]，模型线圈需能够对绕组绝缘可能的失效模式进行测试。当失效模式主要为电场击穿时，模型线圈设计原则为：

1）高低压模型线圈与船用中压变压器实际的高低压绕组的匝间绝缘、层间绝缘在施加相同的电压时，耐受的电场强度相同；

2）高低压模型线圈与船用中压变压器实际的高低压绝缘绕组所用的材料和工艺相同。

2.2 绕组模型线圈设计

变压器绕组绝缘老化失效主要考虑匝绝缘、层绝缘在加速老化作用下的寿命，因此模型的设计需可以模拟匝间结构和层间结构。

1）匝间结构

图1 模拟匝间绝缘结构

绕组匝间绝缘结构采用并绕导线以模拟匝间结构，如图1所示A-B之间可模拟匝间绝缘结构。

图2 平行平板电极间的电场

由式（2）可知，模型线圈匝间绝缘结构只要满足两匝间的绝缘厚度与船用中压变压器实际绕组绝缘相等，在施加相同的匝间电压时，匝间绝缘耐受的场强是等效的。

2）层间结构

层间绝缘结构采用两层导体以模拟层间结构进行试验，如图3所示A、B、C之间可模拟层间绝缘结构。

图3 模拟层间绝缘结构

绕组层间绝缘电场可看作同轴圆柱电极间的电场，如图4所示。同轴圆柱电极间电场是不均匀电场，内电极表面场强最大，离内电极越远场强越小，外电极内表面场强最小。离圆柱轴线距离为处的电场强度为：

式中，Q为在长度为l的电极上的电荷；A为半径x、长度l的圆柱等位面面积。

由于内、外电极间电压为：

式中，为内电极半径；为外电极半径（即为线圈层间绝缘厚度）。将式（4）代入式（3），可得：

最大场强出现在内圆柱表面，其值为：

3 绕组绝缘系统加速老化试验程序

3.1 试验方案及试验样品准备

试验方案如本文1.2所述，试验样品共计13个，其中12个进行热老化周期试验、1个线圈进行热失重试验[5]。

3.2 样品筛选试验

样品在加速老化周期试验前，均应进行筛选试验，筛选试验程序为：

1）振动试验；

2）湿热试验；

3）介电性能试验；

介电性能试验合格的样品，可转入下一步的周期试验，没有通过筛选试验的样品不再使用。

3.3 样品加速老化周期试验

加速老化周期试验为周期循环试验，每一周期包含：

1）热老化分周期；

2）诊断分周期，依次进行振动试验、湿热试验和介电性能试验。

3.4 试验应力

3.4.1热老化

试品的热老化温度剖面根据变压器绕组绝缘材料的耐受温度进行选取。温度的施加采用热老化箱进行加热，加热方法如下：

1）按GB/T 11026.4[7]的规定进行试验；

2）最大温度偏差温度为2 K。

3.4.2振动试验

船用中压变压器的振动应力剖面应根据船用要求进行，其振动试验时的振动应力剖面如下：

1）按GJB 899A[8]相关规定进行；

2）试验样品在安装架上进行振动试验，在Z轴方向上进行；

3）施加6 h振动应力，并以3 h为一个振动循环。

3.4.3湿热试验

船用中压变压器的湿热试验方法应根据船用要求进行，其湿热试验方法如下：

1）按GJB150.9A[9]相关规定进行；

2）试验前，试验样品应在正常大气条件下放置24 h以上，即试品在湿热试验之前应恢复到室温；

3）湿热暴露持续时间为48 h，以24 h为一个循环周期，按GJB150.9A[9]相关规定进行湿热循环控制。

3.4.4介电性能试验

当试品经过上述试验后，需进行介电性能试验，介电性能试验可从试验箱内取出后进行。

3.5 诊断电压选取

模型线圈在完成加速老化周期后，需进行介电性能试验。高压模型线圈介电性能试验为脉冲电压试验，文献[1-3]中规定脉冲试验电压值为试品所模拟的变压器线圈设计值的75%的最大预期的绝缘基本冲击水平，但此方法与实际耐压情况可能不一致。因此，本文规定的脉冲试验电压值为试品所模拟的变压器线圈实际要求值的75%的绝缘基本冲击水平。

筛选试验应该用1.2×50 μs正全波冲击试验完成，冲击试验电压按式（6）计算得到，单位V。

式中，U是发生在失效模式点的全波冲击电压的最大百分比；是全波冲击电压（）[1]。

由式（6）可见，变压器模型线圈的试验冲击电压主要取决U，即发生在失效模式点的全波冲击电压的最大百分比。

采用与船用变压器高压绕组相同绕组的线圈进行雷电冲击电压波响应测试，根据测试结果确定试验电压值。根据雷电冲击电压下的暂态电压分析，一般认为最大百分比电压由绕组内冲击电压的初始分布引起，最大匝间电位差通常发生在接近线圈线端或中性点处，最大层间电位差通常发生在第一和第二层之间。根据上述理论，在高压绕组测试线圈中布置高压测试线圈暂态分析电压探头测试点，通过探头测试点结果得出发生在失效模式点的全波冲击电压的最大百分比电压值，然后以此值的75%作为筛选和诊断电压值。

3.6 试验截尾和试品失效时间

本试验采取定数截尾试验或定时截尾试验方式进行。

1）定数截尾试验

如果超过50%的试品在老化周期的诊断试验失效（试验中6个模型线圈失效时），则终止老化试验，取未失效的试品下个周期的中点时间作为试品的失效时间。

2）定时截尾试验

如果在老化周期的诊断试验失效的试品没超过50 %，取未失效的试品下个周期的中点时间作为试品的失效时间，且采用已完成的试验数据计算出对应失效时间为寿命要求值时的温度外推值大于变压器的最热点温度时，可停止试验。

4 绕组绝缘系统加速老化试验和评估

采用热失重分析法进行某船用变压器绕组绝缘加速老化试验和评估，该船用中压变压器电压等级为6300 V /400 V，高压线圈为绕线分段式，低压线圈为箔绕式，要求该型船用变压器寿命为20年。

4.1 诊断电压确定

高压绕组模型线圈的诊断电压通过在实际高压绕组中布置暂态分析电压探头测试点获取，测点端子布置如图5所示，高压绕组测试线圈如图6所示。

高压测试线圈测试端子之间的电压类型如表1所示。试验时，采用弱阻尼电容分压器测试分接头暂态响应冲击电压。试验线路与船用中压变压器进行雷电试验时的接线方法相同，如图7所示。经过测试，当入波电压为60 kV时，各匝间和层间电压如表2所示。

图5 测试点端子图

图6 测试绕组端子图

表1 高压测试线圈测试电压

电压类型端子-端子 匝间电压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 层间电压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可见，匝间最大电压在1A-15端子之间，为7.54 kV，即绕组的第一匝，符合变压器最大匝间电位差通常发生在接近线圈线端的理论。层间最大电压在1A-2B端子之间，为6.68 kV，即绕组的第一层和第一层之间，符合变压器最大层间电位差通常发生在第一和第二层之间的理论。

由式（6）得，加速老化试验脉冲试验电压值为发生在失效模式点的全波冲击电压的最大百分比电压值的75 %，因此加速老化试验模型的匝间电压和层间电压分别为7.54 kV和6.68 kV的75 %，即匝间电压5.65 kV，层间5.01 kV。

表2 匝间和层间电压

电压类型端子-端子电压值端子-端子电压值 匝间电压1A-157.54 4-351.30 15-141.38 35-340.14 14-130.70 34-330.91 匝间电压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 层间电压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

图7 高压测试绕组试验接线图

4.2 单点加速老化试验

对于高压模型线圈，用12个线圈进行205℃单点热老化试验，经过672 h热老化试验，并未有试品发生失效，按照统计原则，数据处理时试品205 ℃的老化寿命以840 h计，即得到单点老化试验结果为（205 ℃，840 h）。

对于低压模型线圈，用12个线圈进行215℃单点热老化试验，经过432 h热老化试验，并未有试品发生失效，按照统计原则，数据处理时试品215 ℃的老化寿命以506 h计，即得到单点老化试验结果为（215 ℃，506 h）。

4.3 热失重分析

对该船用变压器的高低压绝缘系统中的绝缘材料进行热失重试验，热失重试验中失重5 %～50 %（间隔5 %）所对应的十个温度值如表3所示。

表3 热失重试验温度值

失重高压绕组绝缘材料温度值/℃低压绕组绝缘材料温度值/℃ 5%255322 10%282352 15%299369 20%311379 25%322386 30%333392 35%345397 40%358402 45%373406 50%386410

根据JB/T 1544[5]可求得该船用变压器高低压绕组绝缘活化能E分别为116320.63和127477.84，计算斜率为6075.1361和6657.8493。

4.4 热寿命回归和可靠性评估

由高压绕组单点热老化试验结果（205 ℃，840 h）得到，可求得其阿伦尼斯方程为：

lg= -9.7812 + 6075.1361/

在高压绕组方程回归线求出20年（175200 h）对应的温度，即高压绕组寿命20年对应的温度外推值为131 ℃。通过温升试验，可得到该型变压器高压绕组正常工作的最高热点温度为93.75 ℃，低于温度外推值，可知此船用变压器高压绕组寿命满足大于20年的指标要求。

由低压绕组单点热老化试验结果（215 ℃，506 h）得到，可求得其阿伦尼斯方程为：

lg= -10.9365 + 6657.8493/

在低压绕组方程回归线求出20年（175200 h）对应的温度，即低压绕组寿命20年对应的温度外推值为138 ℃。通过温升试验，可得到该型变压器低压绕组正常工作的最高热点温度为101.75 ℃，低于温度外推值，可知此船用变压器低压绕组寿命满足大于20年的指标要求。

综上，可认为该型船用变压器满足寿命大于20年的要求。

5 结论

本文分析了船用中压变压器绕组绝缘的加速老化机理，根据阿伦尼斯理论，考虑船舶环境的影响、试验时间的限制，提出了采用热失重分析法的船用中压变压器绕组绝缘加速老化试验方案、试验程序和评估方法，给出了模拟线圈设计原则和诊断电压确定方法，并针对某型船用中压变压器进行了绕组绝缘寿命的试验和评估，证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] 干式变压器绝缘系统热评定试验规程, 第1部分: 600V以上绕组: NB/T 42093.1[S]. 2016.

[4] 电力变压器, 第12部分：干式电力变压器负载导则: GB/T1094.12[S]. 2013.

[5] 电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法—热重点斜法: JB/T 1544[S]. 2015.

[6] 廖虹炜, 刘四维. 核电厂用1E级干式变压器热老化寿命的评估[J]. 变压器, 2013, 50(6): 48-51.

[7] 电气绝缘材料耐热性,第4部分: 老化烘箱单室烘箱: GB/T 11026.4[S]. 2012.

[8] 可靠性鉴定和验收试验: GJB 899A[S]. 2009.

[9] 军用装备实验室环境试验方法. 第9部分：湿热试验: 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

杨青（1967-），男，博士，高级工程师。研究方向：舰船电力系统及电气设备。E-mail: yangqing_hh@qq.com。