变压器油热老化过程中特性变化研究.docVIP

热老化过程中变压器油理化特性变化研究唐立军 彭石林 文勇军 (长沙理工大学物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410004)摘 要：电力变压器的安全运行关系到整个电网安全运行的重要和关键设备。现场运行中电力设备的重要绝缘介质是变压器油，变压器油纸绝缘的老化主要是热老化导致的。在漫长的热老化过程中，不仅产生了水分，纸板的纤维结构还会在热应力的作用下逐渐断裂并变脆。在实验室对常用变压器油及油纸进行热老化模拟实验，研究热老化过程中变压器油纸的物理化学特性的变化。结果表明，不同变压器油在热老化过程中生成的酸值速度的一定的差异；绝缘纸的加入对变压器油热老化过程中酸的生成有加剧作用；热老化时间越久，产生的水分会越多，束缚电荷也就越多，导致了在同样的时间下老化程度越大。关键词：变压器油；热老化实验；酸值；绝缘纸；电力安全 1 引言对油纸绝缘结构进行老化评估的方法主要有油中气体分析（DGA）、油中糠醛分析及纸板的聚合度（DP）值和抗拉强度测量等手段。但以上方法要么需要吊罩取样，要么受变压器结构影响较大，要么准确度不高，在现场应用方面都受到一定的限制。为了研究油纸绝缘在热老化过程中其PDC测量曲线的变化情况，使用新的3 mm 厚绝缘纸板裁剪成相同尺寸，干燥之后放置在密闭的充满油的安瓿瓶中，在130 下进行了为期近1 000 h 的热老化，分别在0 h、240 h、480 h、720 h 及960 h 阶段进行取样测试。可以看出，测量到的去极化电流和不同含水量试品的测量结果非常类似，即热老化时间越久，产生的水分会越多，束缚电荷也就越多，导致了在同样的时间下老化程度越大，其去极化电流的值就越大。从试验中可以看出，水分作为油纸绝缘老化的直接产物，在PDC 测量中能够得到非常直接的表现。电力变压器的安全运行关系到整个电网安全运行的重要和关键设备。现场运行中电力电设备的重要绝缘介质是变压器油。随着电力变压器不断向超高压、大容量方向发展，人们对变压器油的要求也越来越高。变压器油纸绝缘的老化主要是热老化导致的。在漫长的热老化过程中，不仅产生了水分，纸板的纤维结构还会在热应力的作用下逐渐断裂并变脆。酸值是变压器油的一个常规监测项目，能反映油质劣化以及污染程度。变压器油在氧、热和电场的作用下会逐渐老化，使油中酸性物质增多。酸性物质不但腐蚀设备，同时还会降低油的绝缘性能，最终导致电力设备寿命缩短，甚至导致电力系统故障，造成巨大损失。酸值在国家标准和国际标准中都被列为必测参数。为了保证设备正常运行，延长其使用寿命，就必须对电力用油进行严格的监测和维护。本文试验中选用克拉玛依25#和45#新变压器油，模拟变压器油的老化过程，研究不同时间和不同温度下酸值的变化规律。1.1 变压器油的化学组成变压器油是一种天然矿物油，它是天然石油在精炼过程中，利用各个组分沸点的不同，经过蒸馏提取的。其主要成分是碳氢化合物，包括烷烃、环烷烃及芳香烃等，还有少量的硫、氧、氮等物质。新的变压器油是呈无色透明液体，在光线折射下，视觉效果显现淡蓝色荧光或淡紫色荧光，这是多环芳香烃、特别是三环烃液态时的典型特征。随着老化程度逐渐加深，多环芳香烃逐渐被氧化，分子中的双键被裂解，逐渐失去不饱和性；油的颜色从无色透明渐变为淡黄色、浅黄色；油逐渐失去荧光，甚至从透明变得混浊；从无嗅无味变成略带煤焦油味或酸味；油中出现黄色或浅黄色悬浮物，甚至出现褐色或黑色沉淀1。1.2 变压器油热老化机理变压器内绝缘系统主要由绝缘纸和绝缘油组成。在运行过程中，受温度、电场、水分、氧气等因素的影响，油纸绝缘系统逐渐老化，电气及机械性能降低，从而危及变压器乃至整个电网的稳定运行121变压器油纸绝缘的老化机理变压器油的老化机理变压器油是由烷烃、环烷烃、芳香烃等碳氢化合物组成的混合物。在正常温度下，变压器油不会发生热分解，其老化主要是由氧化导致。油中吸收的氧在水分、温度作用下加速老化，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，并最终析出油泥。油氧化反应形成少量的CO和CO2，随着运行中气体的积累，CO和CO2往往成为油中溶解气体中的主要组分，同时还伴随有少量H2和低分子烃类气体。这些烃类气体的迅速增加是在非正常的油温下产生的，因为电和热故障可以使某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体(如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等)；随着不同故障能量和时间的作用也可能生成碳氢聚合物(X-蜡)及固体碳粒。固体绝缘的老化机理变压器固体绝缘的主要材料是绝缘纸(纸板)，纸的主要成份是纤维素，纤维素是由长链的糖和单糖构成的有机物。变压器固体绝缘纤维素大分子老化过程即纤维素的降解过程，主要有三种方式： (1)水解。水和酸使纤维素中的配糖键断裂，生成自由的糖，使纤维素的聚合度降低，使纤维变弱，缩短。绝缘纸板中含的水分越多，纤维素水解的速度越快；同时，变压器油中的酸起着触媒的作用，能够降低纤维素配糖键断裂的活化能，加速水解的反应速度。(2)热解。纤维素加热至200时，如有氧化物、水等存在就易于打开配糖键和葡萄糖链，反应生成物包括葡萄糖、水分、CO、C02和有机酸等。绝缘的老化，即纤维结构链的断裂速度，主要取决于热点温度。(3)氧化降解。纤维素容易被氧化，氧与纤维素分子里的碳原子反应生成醛类和酸，同时产成水、CO、C02等。氧气是促使纤维素氧化的原因之一，葡萄糖上的伯醇基(-CH2OH)很容易被氧化生成醛基，醛基再氧化生成羧基，羧基不稳定，容易发生水解。变压器油的老化过程，是指变压器油在光、热、氧、电弧、电场、磁场、辐射等物理化学因素作用下，颜色、气味、运动粘度、酸值及介损耗等性能发生变化，其介电性能下降或变坏的过程。这是一个复杂的物理、化学变化过程。变压器油的老化过程可分为热氧老化和电气老化两种，它们的老化机理不同。热氧老化是指变压器油暴露在光、热、辐射线及氧气或氧化性气体等活性物质中受到氧化作用，或者由于绕组、铁心及固体绝缘的因故障发热而导致变压器油产生的老化。光及辐射线，对变压器油老化过程有重要的影响：光和射线供给分子、电子以一定的能量。而且波长越短的射线，其能量越强，对油的老化作用越强。它能够切断分子链，从而使绝缘油的粘度增加，使油变浑浊，产生悬浮物及沉淀。在光、热、射线和氧化等作用下，变压器油内部发生着自动氧化的游离基链式反应过程。氧化产物中酸性物质的增加，导致变压器油酸值增高。酸性组分包括有机酸、无机酸、酯类、酚类化合物、内酯、树脂和重金属盐类、胺盐、其他弱碱的盐类、多元酸的酸式盐，以及某些抗氧和清静添加剂。酸与醇进一步起缩合反应可生成低聚物、树脂类物质，或分子量更高的粘稠状物质。热氧老化是一个恶性循环过程，其结果是使变压器油颜色加深，气味产生变化，运动粘度发生改变，其酸性增加和水溶性成分增大，变压器油的电导性能增强，介电性能明显降低，氧化安定性变差。其酸性产物会腐蚀设备的金属部件，导致设备不能正常运行，缩短设备的运行寿命。2 变压器油热老化实验本实验中选用克拉玛依25#和45#变压器油和乐山造纸厂超高压电气绝缘纸。2.1 试验温度的选择在进行油纸绝缘加速老化试验时，需要选择合理的试验温度，在老化机理不变的条件下达到加速老化的目的。油纸绝缘长期老化试验温度通常选择为90145 ，短期则一般为130190 。但是Saha等认为：当温度高于150 时，纤维素绝缘纸的降解机理可能发生改变2。因此，本文选择140 作为油纸绝缘样品的热老化程度随时间变化的试验温度。根据IEEE标准，变压器在超过铭牌额定值负荷下运行时，热点温度通常为120130 ，因而本文选择110、120、130 和140 作为油纸绝缘样品老化程度随温度变化的试验温度。2.2 老化试验设计(1) 将绝缘纸进行真空干燥，然后准确称取10g作为一份，共22份。(2) 相同温度不同老化时间样品的制备：将称好的绝缘纸分别同25#和45#变压器油经真空浸油后按油、纸质量比12:1 混合，分别装入8个250ml烧杯中，放入140烘箱内进行加速热老化试验。另取25#和45#变压器油各1.5L分别装入2L烧杯中，加入同一140烘箱内进行热老化，每间隔12小时取出一组样品进行密封保存，共得到8组不同时间的油及油纸老化样品。(3) 相同时间不同温度老化样品的制备：将称好的绝缘纸分别同25#和45#变压器油经真空浸油后按油、纸质量比12:1 混合，分别装入6个250ml烧杯中。将25#和45#变压器油各取三份，每份140ml分别装入6个250ml烧杯中。各取一份25#油、25#油纸、45#油、45#油纸作为一组分别装入110、120、130烘箱内，进行加速热老化试验。在96小时后取出样品密封保存。2.3 酸值测量按GB7599- 1987运行中变压器油、汽轮机油酸值测定法（BTB 法）标准进行3。该法是采用沸腾乙醇抽试油中的酸性组分，再用氢氧化钾乙醇溶液进行滴定。中和1g试油酸性组分所需的氢氧化钾毫克数称为酸值。2.3.1 仪器锥形烧瓶：200300mL，球形或直形回流冷凝器：长约300mm，微量滴定管：12mL，分度0.02mL，水浴。2.3.2 试剂（1） 氢氧化钾溶液：配成0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液。（2） 溴百里香草酚蓝(BTB)指示剂：取0.5g溴百里香草酚蓝(称准至0.01g)放入烧杯内，加入100mL无水乙醇，然后用0.1mol/L氢氧化钾的溶液中和至pH为5.0。（3） 无水乙醇：分析纯。2.3.3 试验步骤(1) 用锥形烧瓶称取试油810g(准至0.01g)。(2) 量取无水乙醇50mL倒入有试油的锥形烧瓶中，装上回流冷凝器，于水浴上加热，在不断摇动下回流5min，取下锥形烧瓶加入0.2mLBTB指示剂，趁热以0.02 0.05mol/L的氢氧化钾乙醇溶液滴定至溶液由黄色变成蓝绿色为止，记下消耗的氢氧化钾乙醇溶液的毫升数。BTB指示剂在碱性溶液中为蓝色，因试油带色的影响，其终点颜色为蓝绿色。在每次滴定时，从停止回流至滴定完毕所用的时间不得超过3min。(3) 取无水乙醇50mL按（2）步骤进行空白试验。2.3.4 计算试油的酸值按下式计算： (1)式中:X试油的酸值，mgKOH/g； V1滴定试油所消耗0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液的体积,mL；V0滴定空白所消耗0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液的体积,mL； C氢氧化钾乙醇溶液的浓度，mol/L； G试油的重量，g。2.4 精确度进行两次平行测定，取其平均值。 3 实验结果及分析3.1 相同温度不同老化时间样品酸值记录如下表所示：表1 相同温度不同老化时间样品酸值3.2 相同时间不同温度老化样品酸值如下表所示：表2 相同时间不同温度老化样品酸值3.3 分析与讨论（1） 从图1和图2可以看出，在相同温度下25#和45#油以及25#和45#油纸的酸值都随时间呈现增加的趋势，但是25#比45#油以及25#比45#油纸的酸值增加的更快，说明在热老化过程中45#变压器油比25#变压器油的抗老化性能更强。（2） 从图5和图6可以看出，在相同时间不同温度下25#和45#油以及25#和45#油纸的酸值并不是随温度的升高而呈现递增的趋势，但是25#比45#油以及25#比45#油纸的酸值增加的更快，同样说明在热老化过程中45#变压器油比25#变压器油性能更稳定。（3） 从图5和图6还可以看出，温度是影响变压器油氧化的主要因素之一，它对变压器油的氧化速度有着重要的影响。这两幅图表明，变压器油的氧化速度与温度的关系是非线性的。（4） 从图3 和图4可以看出，25#油和25#油纸以及45#油和45#油纸在热老化中酸值都随着时间的增加而增加，但是油纸的酸值变化要高于油的酸值变化。4 结论本文对变压器油进行热老化热老化试验，用KOH滴定，得到了实验室条件下油的（含油纸）热老化酸值变化初步规律，对比研究了25#变压器油与45#变压器油的抗老化性能。（1） 在热老化过程中45#变压器油的抗老化性能要优于25#变压器油。（2） 绝缘纸对变压器油的老化具有促进作用。（3） 温度对油品的氧化速度有着重要的影响。油品的氧化速度与温度的关系是非线性的。本文对PDC 测量方法进行了实验室试验和现场测量，对影响PDC 测量的各种因素进行了试验和讨论。研究显示，油纸绝缘的绝缘结构、电导率、含水量和老化状态对PDC 测量曲线有着显著影响。极化/去极化电流曲线的起始部分同绝缘油的状态相关联，油样越老化，则幅值越高。而中末段部分则同绝缘结构相关及纸板的状态有很大关系。通过对PDC 测量曲线的分析，可以对油纸绝缘的油的状态和纸板的状态分别进行评估和判断。现场试验表明，老化的变压器其油纸绝缘具有更高的电导率和更大的含水量，在PDC 测量的结果上具有明显的表现。通过PDC 的测量分析可以有效的对其老化状态进行合理的判断。由于这种方法在国内外还处于研究与应用的起步阶段，因此更多的诸如极化去极化机理、测量方法及测量结果的准确分析等工作还需要进行深入研究。参考文献1 Rui-jin Liao,Chao Tang, Li-jun Yang, Grzybowski, S.Thermal aging micro-scale analysis of power transformer pressboard J. 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Transformer Oil Changes of Physico-Chemical Characteristics in Thermal agingTang Lijun Peng Shilin Wen Yongjun（School of Physics and Electronic Science, Shangsha University of Science and Technology, Shangsha, Hunan 410004）Abstract : The safe operation of power transformer has a bearing on the entire Power System Safety Operation of important and key equipment. The important Operation of Electric Power Equipment insulation dielectric is in transformer oil and transformer oil - paper insulation aging is mainly caused by thermal aging. In the long course of aging, has not only produced water and fiber structure of the Board will be gradually under the effect of heat stress fracture and brittle. In the laboratory in transformer oil and oil - paper on heat aging of simulation experiment and research on heat aging changes of physical and chemical characteristics of transformer oil