摘要：本文結合作者為國家電網武漢某單位開發的絕緣子串元件熱機試驗溫度保障系統，首先介紹了熱機試驗環境的基本要求，然后系統要求性能與負荷和冷熱源選用兩方面給出了熱機試驗溫度保障系統，再次給出了保障系統溫度控制與驗證，整個系統運行良好，試驗數據可靠。 主題詞：熱機試驗；溫度保障系統；溫度控制；開發   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       隨著電力系統大跨距，超高壓線路愈來愈多.對絕緣子(瓷、玻璃、合成)產品機械和電氣性能質量要求和產品穩定性要求也愈來愈高。熱機試驗環境保障系統可為檢驗絕緣子老化特性提供溫度條件，為了保證國家標注試驗方法準確可靠，在產品檢驗中，環境溫度實現高效、自動化是非常必要的。本文結合作者為國家電網武漢某單位開發的絕緣子串元件熱機試驗溫度保障系統，首先介紹了熱機試驗環境的基本要求，然后系統要求性能與負荷和冷熱源選用兩方面給出了熱機試驗溫度保障系統，再次給出了保障系統溫度控制與驗證，整個系統運行良好，試驗數據可靠。   2. 熱機試驗環境的基本要求       熱機試驗是模擬絕緣子產品實際運行條件，試驗過程中施加機械負荷的同時，改變環境溫度，以此考核絕緣子的長期運行性能即老化特性，研究絕緣子的使用壽命。       中華人民共和國國家標準GB/T 22708-2008《絕緣子串元件的熱機和機械性能試驗》中熱機試驗方法規定：絕緣子元件應承受四個24h冷卻和加熱循環，并同時施加拉伸負荷，該負荷的大小保持在所規定的機電或機械破壞負荷的(60~65)%之間。每個24h循環中，首先應將其冷卻到-30℃±5℃(或-40℃±5℃)，然后將其加熱到+40℃±5℃。應控制冷卻和加熱循環的溫度偏差，以保證記錄的冷卻和加熱溫度之間的最小溫差為70K(或80K)。在溫度循環中最高溫度和最低溫度至少均應連續保持4h。開始第一次冷熱循環之前，應在室溫下在絕緣子上施加拉伸負荷。在每次加熱期終結時，完全卸除該拉伸負荷，并再重新施加，但最后一次熱循環除外。在第四次24h循環之后，將其冷卻到室溫，除去拉伸負荷。該試驗程序用圖示法表示見圖1。循環試驗結束后，應在從絕緣子元件上卸除拉伸負荷的同一天，對絕緣子元件進行機電或機械破壞負荷試驗，以確定絕緣子元件的性能。機電或機械破壞負荷試驗應按GB/T 1001.1-2003所規定的方法進行。   2. 絕緣子串元件熱機試驗溫度保障系統       本試驗裝置是為國家電網武漢某單位開發的，試驗裝置設計室外設計參數按《采暖通風與空氣調節設計規范》(GBJ19-87-2001)武漢地區氣象參數選取(表1給出)。 表1. 武漢市氣象資料表   城市 位置 夏季室外計算干球溫度(°C) 夏季空氣調節室外計算濕球溫度(°C) 室外計算相對濕度(%) 夏季空氣調節日平均 夏季通風 最熱月平均 夏季通風 武漢 北緯30°37¢ 32 33 28 80 63         依照與甲方要求與試驗場地實際條件，絕緣子串橫向拉伸試驗環境箱體和制冷機組，制冷壓縮機、冷凝器及風機做成一體式機構，蒸發盤管與電加熱布置在熱機試驗環境裝置的兩個長度方向側面，試驗地腳設置兩個風機單向吹。試驗環境箱體由150mm厚度的高密度聚氨酯發泡彩鋼庫板構成，試驗箱體門分三扇設置在試驗箱體上面，每扇門尺寸：16000mm（長度）´900mm（寬度）´100mm（高度），每扇門上設置600mm（長度）´400mm（寬度）大小觀察窗1個。

圖1. 熱機性能示意圖 2.1 系統要求性能與負荷       圖2為絕緣子串熱機試驗環境裝置環境保障系統布置示意圖，系統額定性能如下： 內部冷凍設計溫度：-60ºC~﹢80ºC。環境溫度到-35ºC依靠制冷機來實現；-35ºC以下溫度環境依靠外接液氮系統 注入液氮控溫實現；環境溫度到﹢80ºC依靠循環熱風(風機＋電熱盤管)方式控溫實現。 制冷機設計空載降溫時間：£4h 控溫精度：±2ºC 計算分項制冷負荷如下所列： 1). 圍護結構負荷：依據工程經驗對于-35ºC速凍庫，取圍護結構為聚氨酯發泡保溫板150mm厚度，外部按照20m²計算，510W@-35ºC。 2). 箱體內部空氣：依據2.10kg空氣計算，1850W@-35ºC。 3). 拉伸引線：按照最大直徑50mm 1根鋼絲繩，長度估算依據2m，內部共計31kg，降溫負荷670W@-35ºC。 4). 絕緣子串(包含金具)，依據每個凈重8kg，橫向懸掛12個計算，重量100kg，降溫負荷2890W@-35ºC。 5). 拉伸引線向外界環境導熱：按照最大直徑50mm 1根鋼絲繩，導熱負荷280W@-35ºC。 6). 考慮箱體內照明、鋼構件、密封不嚴實等，額外負荷：700W。       再考慮到低溫下空氣中部分水蒸氣要結霜，需要消耗相當冷量，依據以上計算箱體總需求冷負荷：7.5kW@-35ºC，制冷機組選擇8匹低溫制冷機組。

 

圖2 絕緣子串熱機試驗環境裝置環境保障系統布置示意圖 2.2 冷熱源選用       制冷部分：主要由比澤爾4TCS-8.2風冷制冷機組和銅盤管蒸發器組成，其中銅盤管蒸發器與側吹風機布置結構示意圖如圖3。液氮采用電熱自增壓方式從50L液氮杜瓦中向試驗箱體內不銹鋼底板上輸送液氮，由其急速吸熱降溫。 加熱裝置：整個裝置加熱由高壓頭風機強制送風的6kW電熱盤管完成。  

  圖3 銅盤管蒸發器與側吹風機布置結構示意圖   3 保障系統溫度控制       由于制冷與加熱是交替循環進行的，不論制冷或制熱工況，只要裝置通電，端部高壓頭風機就自動運行，這樣可保證整機運行箱體溫度的快速均勻性。環境溫度到-35ºC的工況，制冷與制熱各由一塊XTC120-XT121C多探頭輸入雙級數字控制器交替依據設置溫度進行制冷與制熱的控制，為了高溫下盤管內的制冷機過分膨脹增壓造成危險，設定每次制冷運行結束風冷制冷機組進行收氟，具體制冷與加熱兩種模式那個先工作，由延時繼電器1(對應制冷)和延時繼電器2(對應加熱)兩者中設定相對短者決定，整個系統進入運行狀態，如先開制冷。制冷一直到設定制冷溫度，進行制冷機收氟，制冷機停止，然后整個冷庫箱體內空氣可能不均勻，很快箱體內空氣溫度升高，依據設定當箱體內空氣溫度升高2度，就會啟動制冷機工作進行補冷，直到整個箱體內空氣溫度平衡為止。整個系統運行自動進入制熱運行狀態，制熱一直到設定制熱溫度，進行制熱電盤管斷電停止加熱，然后整個冷庫箱體內空氣可能不均勻，很快箱體內空氣溫度升高，依據設定當箱體內空氣溫度降低2度，就會對制熱電盤管供電加熱作進行補熱，直到整個箱體內空氣溫度平衡為止。-35ºC以下溫度環境依靠外接液氮系統注入液氮控溫實現，電加熱開斷即可控制液氮供應與否，進而實現箱體內試驗溫度的穩定。

圖4 典型的試驗環境溫度控制實驗結果         溫度自動記錄裝置由JWB/PT100/C鉑電阻溫度計、DMC10D數字多回路調節器、KSL溫度巡檢儀、溫度記錄儀及執行元件和數據采集處理微機組成。典型的試驗環境溫度控制實驗結果參見圖4。一般從環境溫度約20ºC降到經常使用的制冷工況-30ºC，需要近2小時，從-30ºC復熱到經常使用的加熱工況40ºC需要近1.5小時，整個穩定期間溫度波動可控制在設定溫度±2ºC范圍內。   4. 結論       該絕緣子串元件熱機試驗環境保障系統的開發，為執行GB/T 22708-2008《絕緣子串元件的熱機和機械性能試驗》中熱機試驗方法所規定的試驗條件，系統運行良好，試驗數據可靠。該熱機試驗環境保障系統具有下列特點： 1). 整個裝置冷源以-35ºC為分界采用單級制冷機組和液氮供冷，這樣可避免低溫下多級制冷機帶來的潤滑、泄漏、電耗大等劣勢。 2). 無論制冷還是加熱工況，嵌在與實驗空間保溫板相隔的普通電機驅動試驗空間內的高壓頭風葉，加快熱交換速度，保證試驗空間溫度的均勻性。 3). 溫度自動記錄裝置由JWB/PT100/C鉑電阻溫度計、DMC10D數字多回路調節器、KSL溫度巡檢儀、溫度記錄儀及執行元件和數據采集處理微機組成。參數既采用數字實時顯示，直觀而準確，又在微機內不斷保存，方便管理、打印等。 4). 一般從環境溫度約20ºC降到經常使用的制冷工況-30ºC，需要近2小時，從-30ºC復熱到經常使用的加熱工況40ºC需要近1.5小時，整個穩定期間溫度波動可控制在設定溫度±2ºC范圍內。   參考文獻： [1]. 絕緣子串元件的熱機和機械性能試驗(GB/T 22708-2008). 中國標準出版社，2009-10-01 [2]. 冷庫設計規范(GB50072-2001). 中國計劃出版社，2001-6-1. [3]. 電熱設備電力裝置設計規范(GB50056-93). 中國計劃出版社，1994-2-1. [4]. 劉大偉等. 基于DSP的多路溫度控制系統的設計. 儀表技術與傳感器，2004(8): 15~20.