绝缘子串元件热机试验温度保障系统开发

摘要：本文结合作者为国家电网武汉某单位开发的绝缘子串元件热机试验温度保障系统，首先介绍了热机试验环境的基本要求，然后系统要求性能与负荷和冷热源选用两方面给出了热机试验温度保障系统，再次给出了保障系统温度控制与验证，整个系统运行良好，试验数据可靠。 主题词：热机试验；温度保障系统；温度控制；开发   Temperature Guarantee System Development for String Insulator Unit Thermal-mechanical Test CHENG Li-hui  ZHANG Cun-quan (Energy and Power Engineering School, Wuhan University of Technology         Wuhan      430063) Abstract: By combining with the experience on developing the temperature guarantee system for string insulator unit thermal-mechanical test to some Wuhan unit of STATE GRID Corporation of China, the basic environmental requirements for the thermal-mechanical test is given at first in this paper; then the system required performances and load and the cooling/heating source selection are described on the thermal-mechanical environmental guarantee system; at last, the thermal-mechanical environmental temperature control and test verification are provided. The system operation is good and the test data are reliable. Keywords: thermal-mechanical test; temperature guarantee system; temperature control; development   1. 引言       随着电力系统大跨距，超高压线路愈来愈多.对绝缘子(瓷、玻璃、合成)产品机械和电气性能质量要求和产品稳定性要求也愈来愈高。热机试验环境保障系统可为检验绝缘子老化特性提供温度条件，为了保证国家标注试验方法准确可靠，在产品检验中，环境温度实现高效、自动化是非常必要的。本文结合作者为国家电网武汉某单位开发的绝缘子串元件热机试验温度保障系统，首先介绍了热机试验环境的基本要求，然后系统要求性能与负荷和冷热源选用两方面给出了热机试验温度保障系统，再次给出了保障系统温度控制与验证，整个系统运行良好，试验数据可靠。   2. 热机试验环境的基本要求       热机试验是模拟绝缘子产品实际运行条件，试验过程中施加机械负荷的同时，改变环境温度，以此考核绝缘子的长期运行性能即老化特性，研究绝缘子的使用寿命。       中华人民共和国国家标准GB/T 22708-2008《绝缘子串元件的热机和机械性能试验》中热机试验方法规定：绝缘子元件应承受四个24h冷却和加热循环，并同时施加拉伸负荷，该负荷的大小保持在所规定的机电或机械破坏负荷的(60~65)%之间。每个24h循环中，首先应将其冷却到-30℃±5℃(或-40℃±5℃)，然后将其加热到+40℃±5℃。应控制冷却和加热循环的温度偏差，以保证记录的冷却和加热温度之间的最小温差为70K(或80K)。在温度循环中最高温度和最低温度至少均应连续保持4h。开始第一次冷热循环之前，应在室温下在绝缘子上施加拉伸负荷。在每次加热期终结时，完全卸除该拉伸负荷，并再重新施加，但最后一次热循环除外。在第四次24h循环之后，将其冷却到室温，除去拉伸负荷。该试验程序用图示法表示见图1。循环试验结束后，应在从绝缘子元件上卸除拉伸负荷的同一天，对绝缘子元件进行机电或机械破坏负荷试验，以确定绝缘子元件的性能。机电或机械破坏负荷试验应按GB/T 1001.1-2003所规定的方法进行。   2. 绝缘子串元件热机试验温度保障系统       本试验装置是为国家电网武汉某单位开发的，试验装置设计室外设计参数按《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJ19-87-2001)武汉地区气象参数选取(表1给出)。 表1. 武汉市气象资料表   城市 位置 夏季室外计算干球温度(°C) 夏季空气调节室外计算湿球温度(°C) 室外计算相对湿度(%) 夏季空气调节日平均 夏季通风 最热月平均 夏季通风 武汉 北纬30°37¢ 32 33 28 80 63         依照与甲方要求与试验场地实际条件，绝缘子串横向拉伸试验环境箱体和制冷机组，制冷压缩机、冷凝器及风机做成一体式机构，蒸发盘管与电加热布置在热机试验环境装置的两个长度方向侧面，试验地脚设置两个风机单向吹。试验环境箱体由150mm厚度的高密度聚氨酯发泡彩钢库板构成，试验箱体门分三扇设置在试验箱体上面，每扇门尺寸：16000mm（长度）´900mm（宽度）´100mm（高度），每扇门上设置600mm（长度）´400mm（宽度）大小观察窗1个。

图1. 热机性能示意图 2.1 系统要求性能与负荷       图2为绝缘子串热机试验环境装置环境保障系统布置示意图，系统额定性能如下： 内部冷冻设计温度：-60ºC~﹢80ºC。环境温度到-35ºC依靠制冷机来实现；-35ºC以下温度环境依靠外接液氮系统 注入液氮控温实现；环境温度到﹢80ºC依靠循环热风(风机＋电热盘管)方式控温实现。 制冷机设计空载降温时间：£4h 控温精度：±2ºC 计算分项制冷负荷如下所列： 1). 围护结构负荷：依据工程经验对于-35ºC速冻库，取围护结构为聚氨酯发泡保温板150mm厚度，外部按照20m²计算，510W@-35ºC。 2). 箱体内部空气：依据2.10kg空气计算，1850W@-35ºC。 3). 拉伸引线：按照最大直径50mm 1根钢丝绳，长度估算依据2m，内部共计31kg，降温负荷670W@-35ºC。 4). 绝缘子串(包含金具)，依据每个净重8kg，横向悬挂12个计算，重量100kg，降温负荷2890W@-35ºC。 5). 拉伸引线向外界环境导热：按照最大直径50mm 1根钢丝绳，导热负荷280W@-35ºC。 6). 考虑箱体内照明、钢构件、密封不严实等，额外负荷：700W。       再考虑到低温下空气中部分水蒸气要结霜，需要消耗相当冷量，依据以上计算箱体总需求冷负荷：7.5kW@-35ºC，制冷机组选择8匹低温制冷机组。

 

图2 绝缘子串热机试验环境装置环境保障系统布置示意图 2.2 冷热源选用       制冷部分：主要由比泽尔4TCS-8.2风冷制冷机组和铜盘管蒸发器组成，其中铜盘管蒸发器与侧吹风机布置结构示意图如图3。液氮采用电热自增压方式从50L液氮杜瓦中向试验箱体内不锈钢底板上输送液氮，由其急速吸热降温。 加热装置：整个装置加热由高压头风机强制送风的6kW电热盘管完成。  

  图3 铜盘管蒸发器与侧吹风机布置结构示意图   3 保障系统温度控制       由于制冷与加热是交替循环进行的，不论制冷或制热工况，只要装置通电，端部高压头风机就自动运行，这样可保证整机运行箱体温度的快速均匀性。环境温度到-35ºC的工况，制冷与制热各由一块XTC120-XT121C多探头输入双级数字控制器交替依据设置温度进行制冷与制热的控制，为了高温下盘管内的制冷机过分膨胀增压造成危险，设定每次制冷运行结束风冷制冷机组进行收氟，具体制冷与加热两种模式那个先工作，由延时继电器1(对应制冷)和延时继电器2(对应加热)两者中设定相对短者决定，整个系统进入运行状态，如先开制冷。制冷一直到设定制冷温度，进行制冷机收氟，制冷机停止，然后整个冷库箱体内空气可能不均匀，很快箱体内空气温度升高，依据设定当箱体内空气温度升高2度，就会启动制冷机工作进行补冷，直到整个箱体内空气温度平衡为止。整个系统运行自动进入制热运行状态，制热一直到设定制热温度，进行制热电盘管断电停止加热，然后整个冷库箱体内空气可能不均匀，很快箱体内空气温度升高，依据设定当箱体内空气温度降低2度，就会对制热电盘管供电加热作进行补热，直到整个箱体内空气温度平衡为止。-35ºC以下温度环境依靠外接液氮系统注入液氮控温实现，电加热开断即可控制液氮供应与否，进而实现箱体内试验温度的稳定。

图4 典型的试验环境温度控制实验结果         温度自动记录装置由JWB/PT100/C铂电阻温度计、DMC10D数字多回路调节器、KSL温度巡检仪、温度记录仪及执行元件和数据采集处理微机组成。典型的试验环境温度控制实验结果参见图4。一般从环境温度约20ºC降到经常使用的制冷工况-30ºC，需要近2小时，从-30ºC复热到经常使用的加热工况40ºC需要近1.5小时，整个稳定期间温度波动可控制在设定温度±2ºC范围内。   4. 结论       该绝缘子串元件热机试验环境保障系统的开发，为执行GB/T 22708-2008《绝缘子串元件的热机和机械性能试验》中热机试验方法所规定的试验条件，系统运行良好，试验数据可靠。该热机试验环境保障系统具有下列特点： 1). 整个装置冷源以-35ºC为分界采用单级制冷机组和液氮供冷，这样可避免低温下多级制冷机带来的润滑、泄漏、电耗大等劣势。 2). 无论制冷还是加热工况，嵌在与实验空间保温板相隔的普通电机驱动试验空间内的高压头风叶，加快热交换速度，保证试验空间温度的均匀性。 3). 温度自动记录装置由JWB/PT100/C铂电阻温度计、DMC10D数字多回路调节器、KSL温度巡检仪、温度记录仪及执行元件和数据采集处理微机组成。参数既采用数字实时显示，直观而准确，又在微机内不断保存，方便管理、打印等。 4). 一般从环境温度约20ºC降到经常使用的制冷工况-30ºC，需要近2小时，从-30ºC复热到经常使用的加热工况40ºC需要近1.5小时，整个稳定期间温度波动可控制在设定温度±2ºC范围内。   参考文献： [1]. 绝缘子串元件的热机和机械性能试验(GB/T 22708-2008). 中国标准出版社，2009-10-01 [2]. 冷库设计规范(GB50072-2001). 中国计划出版社，2001-6-1. [3]. 电热设备电力装置设计规范(GB50056-93). 中国计划出版社，1994-2-1. [4]. 刘大伟等. 基于DSP的多路温度控制系统的设计. 仪表技术与传感器，2004(8): 15~20.