1 引言
变压器内部绝缘主要由绝缘纸和矿物油组成,在投运以后,在多种老化因素的作用下绝缘纸和矿物油发生老化从而导致绝缘性能降低。在实际生产中,绝缘油老化后可以通过更换新油来解决变压器油绝缘降低的问题。但作为固体绝缘的绝缘纸发生老化后,绝缘性能的下降是不可逆的,因此变压器的绝缘纸基本决定了变压器的绝缘寿命[1]。根据老化形式的不同,一般可将变压器绝缘老化分成热老化、电老化、机械老化和环境老化。变压器的热老化是指,变压器运行过程中产生的热量促使绝缘油和绝缘纸的温度上升从而导致绝缘材料的化学性质和物理性质发生变化。电老化是所有高压设备都会发生的一种老化形式,油纸绝缘系统的电老化是由系统中的局部放电造成的。在强电场的作用下,放电老化的不断积累最终会造成绝缘介质被击穿[2]。因此油纸绝缘的老化关系到变压器能否可靠运行,研究绝缘老化具有十分重大的意义。
国内外学者对变压器油纸绝缘进行了大量热应力作用下的老化加速试验。王晔等[3]对油纸绝缘系统进行加速热老化试验,通过频域谱(Frequency domain spectroscopy,FDS)方法试验分析热老化对油纸绝缘系统的影响,结果表明,介质损耗因素与老化时间成正比;柯春俊等[4]进行130 ℃温度下的加速热老化试验,研究了绝缘油纸试品的物理性质、化学性质、频域介电特性等参数,从而计算出受潮状态下的加速老化系数,并提出评估绝缘寿命损失率的方法;魏建林等[5]对油纸绝缘样品进行了加速热老化试验,并在不同的老化阶段开展了相同试验温度下的极化、去极化电流(Polarization depolarization current,PDC)和频域谱(FDS)试验,提取其峰值和峰值时间常数作为老化特征量,研究了该特征量与绝缘老化的关系。
HAO等[6]通过变温(从100 ℃到130 ℃)加速热老化试验得到糠醛含量与绝缘纸聚合度(Degree of polymerization,DP)之间的关系,结果表明,温度对糠醛的产生有着一定的影响,绝缘纸在老化的初始阶段产生的糠醛量无明显差异,然而当DP下降到600以下时,随着温度升高会产生更多的糠醛;LIN等[7]对油纸样品进行了35 d的加速热老化试验,研究了由于更换油导致糠醛的损失及其对绝缘纸老化的影响,指出糠醛含量在换油后明显下降,而这一点会造成对绝缘纸老化评价的误差;YANG等[8]通过进行加速热老化试验制备了含有不同浓度的糠醛的绝缘油纸样品,结果表明,随着温度的升高和老化程度的加深,糠醛含量增大;ZHANG等[9]针对变压器固体绝缘寿命的预测问题,对加速老化过程进行了试验研究,提出了一种通过变压器温度预测寿命的方法。
国内外大量的研究表明变压器在运行过程中主要存在热老化与电老化,研究电-热联合作用下的油纸绝缘特性具有重要意义。本文通过设置电晕放电与热应力进行油纸绝缘系统的加速老化试验,提取绝缘油中的老化产物,研究在电晕-热联合作用下的油纸绝缘老化特性。
2 油纸绝缘的化学成份
目前,变压器绝缘纸主要分为植物纤维纸与合成纤维纸两种,油浸式变压器采用的是植物纤维纸。本文试验采用的绝缘纸为纯硫酸盐木浆纸。它的主要成分是由葡萄糖基通过β-1,4糖苷键连接而成的α-纤维素,化学式为(C6H10O5)n,n为聚合度,n值一般在1 000~2 700之间。如图1所示,纤维素分子由环状结构经醚键(R—O—R)连接而成,每个环上有三个羟基(—OH),具有一定的极性和亲水性,其中一个为伯醇,具有较强的反应能力。
图1
变压器中的绝缘油是由天然石油经过加工而成的矿物质绝缘油,其大部分化学元素为氢与碳,主要有烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等[15]。本文试验所采用的绝缘油为新疆克拉玛依#25矿物变压器油(KIX25),其含48.5%的链烷烃、50.06%的环烷烃。链烷烃和环烷烃中含有甲基(CH3)、亚甲基(CH2)和次甲基(CH)等化学基团,这些基团通过化学键连接。变压器发生不同故障时,产生的热量不同,由于化学基团的热稳定性不一样,故热老化产物也不一样。
2.1 油老化的分解过程
当电力变压器处于发热或放电故障时,故障点的温度会迅速升高,故障点释放的大量能量会使变压器油中碳氢化合物的C—C与C—H键断裂,从而生成少量活泼的H游离基与不稳定的小分子烃类自由基(CH3、CH2和CH等)[16]。
2.2 纸老化的分解过程
绝缘纸存在四种分解过程,分别是酸性水解、热裂解、氧化降解与电热解。
纤维素的酸性水解是在水与酸性物质的影响下β-1,4糖苷键与氢离子发生化学反应,从而导致纤维素分子链的裂解。绝缘纸的热裂解是指纤维素分子链受到温度的作用从而导致断裂与开环。绝缘纸氧化降解是指纤维素分子在氧气的作用下使β-1,4糖苷键的键能削弱,导致纤维素分子链断裂。电裂解是指在电场的作用下,绝缘纸纤维素分子上带正电的碳原子与带负电的氢氧原子沿电场方向受到拉伸,从而拉长了糖苷键,最终导致纤维素分子的裂解。
3 电晕-热老化试验系统
图2
图3
3.1 样品制备
本文试验设置两组对照老化试验。一组为仅热应力作用老化试验(A组),另外一组为电晕放电与热应力联合(B组)。每组各设置一个油罐,如图4所示,并对油进行干燥、过滤、除气等处理。绝缘纸厚度为0.5 mm,聚合度为1 200。将绝缘纸裁剪成半径45 mm的圆片,然后进行烘干处理,降低其水分含量。再将绝缘纸放入40%的变压器油中24 h。最后将处理好的绝缘纸分别放入油罐中,并加入新油,使得绝缘油纸的质量比为10:1。
图4
3.2 电晕放电
图5
图6
3.3 取样与测量
进行加速老化试验持续6 d,每隔24 h取样一次。每次均从油罐中进行取出一份绝缘油样本,剩下的油样继续进行老化试验。
测量所取样本的老化特征参量,包括油中糠醛含量、气体含量、绝缘纸平均聚合度。
3.3.1 油中糠醛含量的测量
根据IEC61198,选用精度较高的高效液相色谱法(High performance liquid chromatography,HPLC)检测变压器油中糠醛含量。由于糠醛属于一种极性化合物,而绝缘油主要由非极性或弱极性的化合物组成,因此,需要用甲醇先将糠醛从变压器油中萃取出来以排除非极性物质的干扰。然后利用色谱柱将混合液中的糠醛分离出来,利用糠醛中含有的共轭大π键对一定波长的紫外线吸收的原理,采用紫外检测器对分离出来的糠醛进行检测。最后,通过检测出来的数据与标准样本进行比对,计算得出糠醛含量。
3.3.2 气体含量的测量
油纸绝缘系统在受到电应力的作用下,绝缘油与 纸进行链式自由基反应从而产生各种气体,包括H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2,这些气体会溶解在绝缘油中。本文试验采用的是ZTGC-2000D型气相色谱分析系对油中溶解气体含量进行检测,该系统检测精度高,最小精度可以达到0.01 μL/L。
3.3.3 绝缘纸平均聚合度测量
依据GB/T 1548—2016,首先进行试验测量变压器绝缘纸样品的粘度,接着计算得到绝缘纸的平均聚合度,该方法的原理是根据马丁方程,先测定单一浓度纸浆的粘度比,再以此计算出特性粘度值。
4 试验结果与分析
为了研究仅有热应力与电-热联合应力作用下产气特性的异同,对所取样品进行检测,两种老化条件下气体随老化时间变化曲线如图7所示。
图7
从图7中可以看出,电热联合作用下,除氧气外各个老化产物的产量都要多于单独热老化。其中甲烷、糠醛与总烃含量随着老化天数的增长,含量差距越来越大,分别达到了29.2%、27.0%、22.1%;一氧化碳、氢气、乙烯、乙烷也有相同的趋势,但差距没有那么大,分别为18.8%、14.3%、13.6%、11.9%;二氧化碳差距较小为6.2%。氧气含量随着老化天数的增长反而下降,并且有稳定的趋势。从图7中也可以看出两个对照组中老化产物含量随老化天数变化趋势相近。如图8所示,随着加速老化试验的进行,热老化与电热联合老化作用下,绝缘纸聚合度都有所下降,而电热联合老化作用下下降得更快,电热联合老化试验下的聚合度比单独热老化作用时的聚合度降低33%,说明在绝缘纸不仅发生热裂解还存在着电裂解。综上所述,当变压器内部发生局部放电时,油纸绝缘系统老化速度将提高30%左右,严重危害了变压器的绝缘安全。
图8
5 结论
对照试验表明,虽然电热联合老化与热老化在产物含量随老化时间的变化趋势上相同,但是由于电应力的作用,电热联合作用的产物含量大于仅热应力作用下的绝缘老化,并且绝缘纸的聚合度也下降得比热应力的多。试验结果对指导实际变压器油纸绝缘老化检测有重要意义。
另一方面,此种加速老化方法是比较新的加速老化过程,随着后续开展大量试验,获取大量老化样本,通过数据分析手段,研究老化产物与老化条件的关系。这也将是下一步的工作研究方向。
参考文献
变压器油纸绝缘老化特征量与寿命评估方法研究
[D].
Research on aging characteristic quantity and life evaluation method of transformer oil-paper insulation
[D].
电力变压器油纸绝缘寿命预测模型和可靠度评估方法研究
[D].
Research on oil-paper insulation life prediction model and reliability evaluation method for power transformers
[D].
热老化对油纸绝缘系统FDS的影响研究
[J].
Research on the influence of thermal aging on FDS of oil-paper insulation system
[J].
基于频域介电特征参量的电容性套管油纸绝缘老化评估初探
[J].tloss=(FEQM×tEQ)/(100Lp)。]]>
A preliminary study on the evaluation of capacitive casing oil-paper insulation aging based on frequency domain dielectric characteristic parameters
[J].
变压器油纸绝缘的介电响应特性研究——加速热老化的介电谱
[J].为了研究变压器油纸绝缘老化的介电响应特征量, 本文对油纸绝缘试品进行了加速热老化, 并在老化的不同阶段开展了相同试验温度下的极化、去极化电流(PDC)和频域谱(FDS)试验。在PDC试验数据的基础上, 引入时域介电谱理论, 提取其峰值和峰值时间常数作为老化特征量, 研究了该特征量与绝缘老化的关系。结果表明, 绝缘老化使PDC试验的极化及去极化电流曲线均明显上移, FDS试验的复电容实部和虚部曲线在低频段均向右上平移, 时域介电谱曲线则向左上方平移, 这是由于老化引起水分、有机酸等含量的增加以及对纤维素结构的破坏, 提高了油纸绝缘间夹层介质界面极化的强度和响应速度而造成的。在本文的试验条件下, 油纸绝缘的时域介电谱对其老化反应灵敏, 可定量反映油纸绝缘老化程度的变化情况, 其峰值和峰值时间常数可考虑用作表征油纸绝缘老化程度的特征量。
Study on the dielectric response characteristics of transformer oil-paper insulation——Dielectric spectrum of accelerated thermal aging
[J].
Effect of temperature on the production and diffusion behaviour of furfural in oilpaper insulation systems
[J].
Effect of oil replacement on furfural analysis and aging assessment of power transformers
[J].DOI:10.1109/TDEI.2015.005144 URL [本文引用: 1]
Effects of temperature and aging on furfural partitioning in the oil-paper system of power transformers
[J].DOI:10.1109/TDEI.2015.005530 URL [本文引用: 1]
Degree of polymerization of insulation paper in the transformer
[J].
加速老化下油纸绝缘气隙缺陷模型放电的特征演化与参量表征研究
[J].
Characteristic evolution and parameter characterization of discharges of oil-paper insulation air gap defects model under accelerated aging
[J].
Measurement and simulation of partial discharge in oil impregnated pressboard with an electrical aging process
[J].
Multivariate statistical analysis of thermal aging characteristics of oil paper insulation
[J].
Modeling of early stage partial discharge and overheating degradation of paper-oil insulation
[J].
DOI:10.1109/TDEI.2013.003977
URL
[本文引用: 1]
The power transformer is one of the most important equipment in the electrical power system due to its cost and potential failure s consequences. To ensure a continuous energy supply, it is needed to assess abnormal condition such as thermal and electrical behavior. From this viewpoint, dissolved gas analysis (DGA) is very useful in detecting internal defects in oil-filled electrical equipment. A system has been developed that allows to simulate partial discharge and overheating in transformer s insulation. By using this system, we have studied on DGA under low temperature overheating in mineral oil and vegetable oil.
Models for insulation aging under electrical and thermal multistress
[J].DOI:10.1109/14.59867 URL [本文引用: 1]
变压器油色谱分析与故障诊断
[M].
Transformer oil chromatography analysis and fault diagnosis
[M].
中华人民共和国电力行业标准:变压器油中溶解气体分析和判断导则:DL/T 722—2014
[S].
Power industry standards of the People’s Republic of China:Guidelines for analysis and judgment of dissolved gases in transformer oil:DL/T 722—2014
[S].
