摘要：本文結(jié)合作者為國(guó)家電網(wǎng)武漢某單位開(kāi)發(fā)的絕緣子串元件熱機(jī)試驗(yàn)溫度保障系統(tǒng)，首先介紹了熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境的基本要求，然后系統(tǒng)要求性能與負(fù)荷和冷熱源選用兩方面給出了熱機(jī)試驗(yàn)溫度保障系統(tǒng)，再次給出了保障系統(tǒng)溫度控制與驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。 主題詞：熱機(jī)試驗(yàn)；溫度保障系統(tǒng)；溫度控制；開(kāi)發(fā)   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       隨著電力系統(tǒng)大跨距，超高壓線路愈來(lái)愈多.對(duì)絕緣子(瓷、玻璃、合成)產(chǎn)品機(jī)械和電氣性能質(zhì)量要求和產(chǎn)品穩(wěn)定性要求也愈來(lái)愈高。熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境保障系統(tǒng)可為檢驗(yàn)絕緣子老化特性提供溫度條件，為了保證國(guó)家標(biāo)注試驗(yàn)方法準(zhǔn)確可靠，在產(chǎn)品檢驗(yàn)中，環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化是非常必要的。本文結(jié)合作者為國(guó)家電網(wǎng)武漢某單位開(kāi)發(fā)的絕緣子串元件熱機(jī)試驗(yàn)溫度保障系統(tǒng)，首先介紹了熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境的基本要求，然后系統(tǒng)要求性能與負(fù)荷和冷熱源選用兩方面給出了熱機(jī)試驗(yàn)溫度保障系統(tǒng)，再次給出了保障系統(tǒng)溫度控制與驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。   2. 熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境的基本要求       熱機(jī)試驗(yàn)是模擬絕緣子產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行條件，試驗(yàn)過(guò)程中施加機(jī)械負(fù)荷的同時(shí)，改變環(huán)境溫度，以此考核絕緣子的長(zhǎng)期運(yùn)行性能即老化特性，研究絕緣子的使用壽命。       中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22708-2008《絕緣子串元件的熱機(jī)和機(jī)械性能試驗(yàn)》中熱機(jī)試驗(yàn)方法規(guī)定：絕緣子元件應(yīng)承受四個(gè)24h冷卻和加熱循環(huán)，并同時(shí)施加拉伸負(fù)荷，該負(fù)荷的大小保持在所規(guī)定的機(jī)電或機(jī)械破壞負(fù)荷的(60~65)%之間。每個(gè)24h循環(huán)中，首先應(yīng)將其冷卻到-30℃±5℃(或-40℃±5℃)，然后將其加熱到+40℃±5℃。應(yīng)控制冷卻和加熱循環(huán)的溫度偏差，以保證記錄的冷卻和加熱溫度之間的最小溫差為70K(或80K)。在溫度循環(huán)中最高溫度和最低溫度至少均應(yīng)連續(xù)保持4h。開(kāi)始第一次冷熱循環(huán)之前，應(yīng)在室溫下在絕緣子上施加拉伸負(fù)荷。在每次加熱期終結(jié)時(shí)，完全卸除該拉伸負(fù)荷，并再重新施加，但最后一次熱循環(huán)除外。在第四次24h循環(huán)之后，將其冷卻到室溫，除去拉伸負(fù)荷。該試驗(yàn)程序用圖示法表示見(jiàn)圖1。循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)在從絕緣子元件上卸除拉伸負(fù)荷的同一天，對(duì)絕緣子元件進(jìn)行機(jī)電或機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)，以確定絕緣子元件的性能。機(jī)電或機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)應(yīng)按GB/T 1001.1-2003所規(guī)定的方法進(jìn)行。   2. 絕緣子串元件熱機(jī)試驗(yàn)溫度保障系統(tǒng)       本試驗(yàn)裝置是為國(guó)家電網(wǎng)武漢某單位開(kāi)發(fā)的，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)室外設(shè)計(jì)參數(shù)按《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ19-87-2001)武漢地區(qū)氣象參數(shù)選取(表1給出)。 表1. 武漢市氣象資料表   城市 位置 夏季室外計(jì)算干球溫度(°C) 夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度(°C) 室外計(jì)算相對(duì)濕度(%) 夏季空氣調(diào)節(jié)日平均 夏季通風(fēng) 最熱月平均 夏季通風(fēng) 武漢 北緯30°37¢ 32 33 28 80 63         依照與甲方要求與試驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)際條件，絕緣子串橫向拉伸試驗(yàn)環(huán)境箱體和制冷機(jī)組，制冷壓縮機(jī)、冷凝器及風(fēng)機(jī)做成一體式機(jī)構(gòu)，蒸發(fā)盤管與電加熱布置在熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境裝置的兩個(gè)長(zhǎng)度方向側(cè)面，試驗(yàn)地腳設(shè)置兩個(gè)風(fēng)機(jī)單向吹。試驗(yàn)環(huán)境箱體由150mm厚度的高密度聚氨酯發(fā)泡彩鋼庫(kù)板構(gòu)成，試驗(yàn)箱體門分三扇設(shè)置在試驗(yàn)箱體上面，每扇門尺寸：16000mm（長(zhǎng)度）´900mm（寬度）´100mm（高度），每扇門上設(shè)置600mm（長(zhǎng)度）´400mm（寬度）大小觀察窗1個(gè)。

圖1. 熱機(jī)性能示意圖 2.1 系統(tǒng)要求性能與負(fù)荷       圖2為絕緣子串熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境裝置環(huán)境保障系統(tǒng)布置示意圖，系統(tǒng)額定性能如下： 內(nèi)部冷凍設(shè)計(jì)溫度：-60ºC~﹢80ºC。環(huán)境溫度到-35ºC依靠制冷機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；-35ºC以下溫度環(huán)境依靠外接液氮系統(tǒng) 注入液氮控溫實(shí)現(xiàn)；環(huán)境溫度到﹢80ºC依靠循環(huán)熱風(fēng)(風(fēng)機(jī)＋電熱盤管)方式控溫實(shí)現(xiàn)。 制冷機(jī)設(shè)計(jì)空載降溫時(shí)間：£4h 控溫精度：±2ºC 計(jì)算分項(xiàng)制冷負(fù)荷如下所列： 1). 圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷：依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于-35ºC速凍庫(kù)，取圍護(hù)結(jié)構(gòu)為聚氨酯發(fā)泡保溫板150mm厚度，外部按照20m²計(jì)算，510W@-35ºC。 2). 箱體內(nèi)部空氣：依據(jù)2.10kg空氣計(jì)算，1850W@-35ºC。 3). 拉伸引線：按照最大直徑50mm 1根鋼絲繩，長(zhǎng)度估算依據(jù)2m，內(nèi)部共計(jì)31kg，降溫負(fù)荷670W@-35ºC。 4). 絕緣子串(包含金具)，依據(jù)每個(gè)凈重8kg，橫向懸掛12個(gè)計(jì)算，重量100kg，降溫負(fù)荷2890W@-35ºC。 5). 拉伸引線向外界環(huán)境導(dǎo)熱：按照最大直徑50mm 1根鋼絲繩，導(dǎo)熱負(fù)荷280W@-35ºC。 6). 考慮箱體內(nèi)照明、鋼構(gòu)件、密封不嚴(yán)實(shí)等，額外負(fù)荷：700W。       再考慮到低溫下空氣中部分水蒸氣要結(jié)霜，需要消耗相當(dāng)冷量，依據(jù)以上計(jì)算箱體總需求冷負(fù)荷：7.5kW@-35ºC，制冷機(jī)組選擇8匹低溫制冷機(jī)組。

 

圖2 絕緣子串熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境裝置環(huán)境保障系統(tǒng)布置示意圖 2.2 冷熱源選用       制冷部分：主要由比澤爾4TCS-8.2風(fēng)冷制冷機(jī)組和銅盤管蒸發(fā)器組成，其中銅盤管蒸發(fā)器與側(cè)吹風(fēng)機(jī)布置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。液氮采用電熱自增壓方式從50L液氮杜瓦中向試驗(yàn)箱體內(nèi)不銹鋼底板上輸送液氮，由其急速吸熱降溫。 加熱裝置：整個(gè)裝置加熱由高壓頭風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送風(fēng)的6kW電熱盤管完成。  

  圖3 銅盤管蒸發(fā)器與側(cè)吹風(fēng)機(jī)布置結(jié)構(gòu)示意圖   3 保障系統(tǒng)溫度控制       由于制冷與加熱是交替循環(huán)進(jìn)行的，不論制冷或制熱工況，只要裝置通電，端部高壓頭風(fēng)機(jī)就自動(dòng)運(yùn)行，這樣可保證整機(jī)運(yùn)行箱體溫度的快速均勻性。環(huán)境溫度到-35ºC的工況，制冷與制熱各由一塊XTC120-XT121C多探頭輸入雙級(jí)數(shù)字控制器交替依據(jù)設(shè)置溫度進(jìn)行制冷與制熱的控制，為了高溫下盤管內(nèi)的制冷機(jī)過(guò)分膨脹增壓造成危險(xiǎn)，設(shè)定每次制冷運(yùn)行結(jié)束風(fēng)冷制冷機(jī)組進(jìn)行收氟，具體制冷與加熱兩種模式那個(gè)先工作，由延時(shí)繼電器1(對(duì)應(yīng)制冷)和延時(shí)繼電器2(對(duì)應(yīng)加熱)兩者中設(shè)定相對(duì)短者決定，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，如先開(kāi)制冷。制冷一直到設(shè)定制冷溫度，進(jìn)行制冷機(jī)收氟，制冷機(jī)停止，然后整個(gè)冷庫(kù)箱體內(nèi)空氣可能不均勻，很快箱體內(nèi)空氣溫度升高，依據(jù)設(shè)定當(dāng)箱體內(nèi)空氣溫度升高2度，就會(huì)啟動(dòng)制冷機(jī)工作進(jìn)行補(bǔ)冷，直到整個(gè)箱體內(nèi)空氣溫度平衡為止。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)進(jìn)入制熱運(yùn)行狀態(tài)，制熱一直到設(shè)定制熱溫度，進(jìn)行制熱電盤管斷電停止加熱，然后整個(gè)冷庫(kù)箱體內(nèi)空氣可能不均勻，很快箱體內(nèi)空氣溫度升高，依據(jù)設(shè)定當(dāng)箱體內(nèi)空氣溫度降低2度，就會(huì)對(duì)制熱電盤管供電加熱作進(jìn)行補(bǔ)熱，直到整個(gè)箱體內(nèi)空氣溫度平衡為止。-35ºC以下溫度環(huán)境依靠外接液氮系統(tǒng)注入液氮控溫實(shí)現(xiàn)，電加熱開(kāi)斷即可控制液氮供應(yīng)與否，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)試驗(yàn)溫度的穩(wěn)定。

圖4 典型的試驗(yàn)環(huán)境溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果         溫度自動(dòng)記錄裝置由JWB/PT100/C鉑電阻溫度計(jì)、DMC10D數(shù)字多回路調(diào)節(jié)器、KSL溫度巡檢儀、溫度記錄儀及執(zhí)行元件和數(shù)據(jù)采集處理微機(jī)組成。典型的試驗(yàn)環(huán)境溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖4。一般從環(huán)境溫度約20ºC降到經(jīng)常使用的制冷工況-30ºC，需要近2小時(shí)，從-30ºC復(fù)熱到經(jīng)常使用的加熱工況40ºC需要近1.5小時(shí)，整個(gè)穩(wěn)定期間溫度波動(dòng)可控制在設(shè)定溫度±2ºC范圍內(nèi)。   4. 結(jié)論       該絕緣子串元件熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境保障系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，為執(zhí)行GB/T 22708-2008《絕緣子串元件的熱機(jī)和機(jī)械性能試驗(yàn)》中熱機(jī)試驗(yàn)方法所規(guī)定的試驗(yàn)條件，系統(tǒng)運(yùn)行良好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。該熱機(jī)試驗(yàn)環(huán)境保障系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)： 1). 整個(gè)裝置冷源以-35ºC為分界采用單級(jí)制冷機(jī)組和液氮供冷，這樣可避免低溫下多級(jí)制冷機(jī)帶來(lái)的潤(rùn)滑、泄漏、電耗大等劣勢(shì)。 2). 無(wú)論制冷還是加熱工況，嵌在與實(shí)驗(yàn)空間保溫板相隔的普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)空間內(nèi)的高壓頭風(fēng)葉，加快熱交換速度，保證試驗(yàn)空間溫度的均勻性。 3). 溫度自動(dòng)記錄裝置由JWB/PT100/C鉑電阻溫度計(jì)、DMC10D數(shù)字多回路調(diào)節(jié)器、KSL溫度巡檢儀、溫度記錄儀及執(zhí)行元件和數(shù)據(jù)采集處理微機(jī)組成。參數(shù)既采用數(shù)字實(shí)時(shí)顯示，直觀而準(zhǔn)確，又在微機(jī)內(nèi)不斷保存，方便管理、打印等。 4). 一般從環(huán)境溫度約20ºC降到經(jīng)常使用的制冷工況-30ºC，需要近2小時(shí)，從-30ºC復(fù)熱到經(jīng)常使用的加熱工況40ºC需要近1.5小時(shí)，整個(gè)穩(wěn)定期間溫度波動(dòng)可控制在設(shè)定溫度±2ºC范圍內(nèi)。   參考文獻(xiàn)： [1]. 絕緣子串元件的熱機(jī)和機(jī)械性能試驗(yàn)(GB/T 22708-2008). 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009-10-01 [2]. 冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50072-2001). 中國(guó)計(jì)劃出版社，2001-6-1. [3]. 電熱設(shè)備電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50056-93). 中國(guó)計(jì)劃出版社，1994-2-1. [4]. 劉大偉等. 基于DSP的多路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 儀表技術(shù)與傳感器，2004(8): 15~20.