（分析化学专业论文）电力变压器油纸绝缘老化分析及其机理研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 电力变压器是电网中能量转换、传输的核心，是电网中最重要和最关键的设备。 变压器的严重事故不但会导致自身的损坏，还会中断电力供应，给社会造成巨大的 经济损失。现阶段，我国许多大型变压器由于运行了二十年甚至更久的时间，绝缘 老化问题日趋严重，是威胁电网安全的重大聪患，所以本文通过实验室加速老化， 研究绝缘老化过程中，各性能参量随时间变化规律，从而建立基于特征生成物的油 纸绝缘老化模型，进而进行变压器绝缘老化程度的评估和故障诊断。 本文完善了实验室条件下油纸绝缘老化过程中各性能参数的测量手段，实现对 油纸绝缘老化过程中各物理、化学特征参量的定期测量。我们设计了纯油和不同油 纸试品分别在9 0 、1 1 0 、1 3 0 下的单因子热老化试验，并定期测量了老化过程 中的各特征性能参量，包括油中糠醛、绝缘纸聚合度、特征气体、酸值，研究这些 特征性能参量与时间的关系，与绝缘纸类型的关系，得出： 1 ) 油中糠醛浓度随着温度的升高而增大，相同条件下不同的绝缘纸生成的糠醛 含量差别也很大； 2 ) 绝缘纸聚合度随着温度的升高下降速度加快，相同条件下不同绝缘纸聚合度 下降的速度也不相同； 3 ) 油纸老化过程中生成的特征气体比纯油老化过程中生成的量大的多，并且随 着温度的升高，油中溶解的特征气体也增大，不同的油纸生成的特征气体量也不相 同： 4 ) 相同条件下，纯油的酸值要较大子油纸的酸值，随着温度的升高，酸值也随 着增大。 油中糠醛是近年来才研究的绝缘老化特征物质，糠醛稳定性的研究也显的尤为 重要，文中设计了温度和氧气对糠醛的影响实验，结果表明，随着温度的升高，糠 醛浓度下降速度增大，氧气对糠醛浓度也有很大的影响。 运用原子力显微镜和扫描电镜对熟老化过程中绝缘纸的微观结构变化进行观 察，观察发现发现经过老化的绝缘纸结构发生了很大变化，原予排列变得稀疏不均 匀，原予间发生断键现象，纤维问的连接变少，氢键断裂很明显。 回归分析是种常用的统计分析方法，糠醛是绝缘纸降解生成的呋喃化合物， 通过回归分析建立了绝缘聚合度与糠醛含量对数值的关系模型，利用糠醛浓度可以 判断绝缘纸聚合度大小，从而判断绝缘纸的老化程度。 关键字；变压器绝缘老化糠醛聚合度回归分析 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri sh a r d c o r ei ne n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o na n dt h e m o s ti m p o r t a n ta n dc r i t i c a le q u i p m e n ti np o w e r 鲥d s e r i o u st r a n s f o r m e ra c c i d e n t sn o t o n l y 伽s ed a m a g et ot r a n s f o r m e ri t s e l f , b u ta l s oc a u s et h ed i s r u p t i o no fe l e c t r i c i t y s u p p l ya n dh u g ee c o n o m i cl o s st os o c i e t y p r e s e n t l y ，i no u rc o u n t r ym a n yl a r g e s c a l e t r a n s f o r m e r sh a v et o nf o rm o r et h a n2 0y e a r so re v e nl o n g e r , t h eq u e s t i o no fi n s u l a t i o n a g m gi sb e c o m i n gm o l ea n dm o ms e r i o u sd a yb yd a y , w h i c hi saf a t a lh i d d e nd a n g e r t h r e a t e n i n gp o w e r 鲥ds a f e t y t h e r e f o r e ，t h r o u g ha c c e l e r a t i n gi n s u l a t i o na g e i n g p r o c e s si nl a b o r a t o r y , t h ep a p e rd o e sar e s e a r c ho nv a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s c h a n g i n gr u l ea st i m ev a r y i n g ，t h u se s t a b l i s h e so i l - p a p e ri n s u l a t i o na g i n gm o d e lb a s e d o i l 也ec h a r a c t e r i s t i cr e s u l t a n t , a n dc a r r i e so u tt h ee v a l u a t i o na n dt h eb r e a k d o w n d i a g n o s i so f t r a n s f o r m e ri n s u l a d o na g i n gd e g r e e t h ea r t i c l ep e r f e c t st h em e a s u r e m c n t s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si no i l - p a p e r i n s u l a t i o np r o c e s su n d e rl a bc o n d i t i o n a n di tm e a n tt oa c h i e v et h ep e r i o d i c m e a s u r e m e n t so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c si no i l p a p e ri n s u l a t i o na g i n g p r o c e s s w eh a v ed e s i g n e dh e a ta g i n gt e s t so ft h es i n g l ef a c t o ro fp u r e l yo i la n d o i l p a p e rb a ng o o d si n9 0 ，l1 0 c ，1 3 0 c ，a n dt e s t e dp e r i o d i c a l l yc h a r a c t e r i s t i c s p a r a m e t e ri nt h ea g e i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gt h ef u r f a r a lo fo i l ，t h ei n s u l a t i n gp a p e r p o l y m e r i z a t i o nd e g r e e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cg a s ，t h ea c i d i t y t h r o u g hs t u d y i n gr e l a t i o n s b e t w e e nt h e s ec h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt i m ea n di n s u l a t i n gp a p e r 孵，w e c o n c l u d e ： 1 ) t h ef u r f u m ld e n s i t yi no i le l e v a t e sa l o n gw i t ht h eh o i s to f t e m p e r a t u r e ；a n du n d e r t h es a m ec o n d i t i o nt h ef u r f a t a lc o n t e n tg e n e r a t e db yd i f f e r e n ti n s u l a t i n gp a p e ri sa l s o v e r yd i f f e r e n t 2 ) t h ei m u l a t m gp a p e rp o l y m e r i z a t i o nd e g r e ed r o p sa l o n gw i t ht h et e m p e r a t u r e s p e e d i n gu p ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , t h ed r o ps p e e do fd i f f e r e n ti n s u l a t i n gp a p e r p o l y m e r i z a t i o nd e g r e ei sn o ts a m e 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i cg a sp r o d u c e di nt h eo i l - p a p e ra g e i n gp r o c e s si sb i g g e rt h a nt h a t i np u r eo i la g e i n gp r o c e s s ；a n dw i t ht e m p e r a t u r ee l e v a t i n g 。t h ec h a r a c t e r i s t i cg a sw h i c h d i s s o l v e sa l s oi n c r e a s e s ；a n dt h ev o l u m eo fc h a r a c t e r i s t i cg a sp r o d u c e db yd i f f e r e n to i l p a p e rv a r i e s 4 ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , t h ep u r eo i la c i d i t ym u s tb eh i g h e r t h a nt h ea c i d i t yo f 重庆大学硕士学位论文英文摘要 o i l - p a p e r ；a n dw i t ht e m p e r a t u r ee l e v a t i n ga l o n g ，t h ea c i d i t yi n c r e a s e s ，t o o t h ef u r f u r a li no i li sc h a r a c t e r i s t i cm a t t e ri nt h ei n s u l a t i o na g i n gw h i c ha r cs t u d i e d o n l yi nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ho ff u r f u r a ls t a b i l i t yi se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nt h e a r t i c l e , t h ee x p e r i m e n to fi n f l u e n c eo nf u f f u r a lb yt e m p e r a t u r ea n do x y g e nh a sb e e n d e s i g n e d t h er e s u l tr e f l e c t st h a ta l o n gw i t ht e m p e r a t u r ee l e v a t i n g , t h ef u r f u r a ld e n s i t y d e s c e n d i n gr a t ei n c r e a s e sa n do x y g e na l s ot a k e se f f e c to nf u r f u f a ld e n s i t y o b s e r v i n gt h ei n s u l a t i n gp a p e rm i c r o s c o p i cs t r u c t u r ev a r i a t i o n 、丽t ha f ma n d s e m ，w es e et h a ts w e e p i n gc h a n g eh a sh a p p e n e dw i t ht h ea g e di n s u l a t i n gp a p e r s t r u c t u r e ；t h ea t o m i ca r r a n g e m e n th a sb e c o m es p a r s e l yi nu n i f o r m i t y ；b r e a k a g eh a s o c c u r r e db c t v c c e l la t o m i e s ；c o n n e c t i o n sb e t w e e nt h et e x t i l ef i b e rb e c o m e sf e w e r ；t h e h y d r o g e nb o n db r e a k a g ew 鹤v e r yo b v i o u s t h er e g r e s s i o na n a l y s i si sa l la n a l y s i sm e t h o dt h a ti sc o m m o n l yu s e ds t a t i s t i c a l l y t h r o u g ht h er e g r e s s i o na n a l y s i s ，w eh a v ee s t a b l i s h e dt h ev a l u er e l a t i o n a lm o d e l b e t w e e ni n s u l a t i o np o l y m e r i z a t i o nd e g r e ea n dt h ef u r f u r a lc o n t e n t w ec a nj u d g et h e i n s u l a t i n gp a p e rp o l y m e r i z a t i o nd e g r e es i z ew i t hf u r f u r a ld e n s i t y , t h u se s t i m a t i n g i n s u l a t i n gp a p e ra g e dd e g r e e k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ，i n s u l a t i o na o n g ，f u r f u r a l ，p o l y m e r i z a t i o nd e g r e e ， m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：新吻确 签字日期： 劢7 年。g 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆塞堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名2 勖碜1 ；i ； 签字日期：沙7 年d z 月衫日 导师签名： 1f 胗云钐7 签字日期：珈印年p 加矿多日 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 1 绪论 “经济要发展，电力要先行”，随着国民经济的发展，电力的发展显得尤为 重要，对电力系统的要求也越来越高。然而大量统计表明，作为电力系统的主要 设备一变压器，其故障率仍较高，且容量越大，电压等级越高，故障率越高，而 变压器故障除其本身带来重大损失外，还对电力系统安全产生很大的影响。 1 1 变压器油纸绝缘老化的研究意义 安全、优质的供电，是对现代电力系统运行的基本要求。随着电网容量的逐 步扩大及用户对电能质量要求的不断提高，电力系统能否安全可靠地运行受到极 大的关注。据统计在1 9 8 1 1 9 9 0 年间，我国主要电网有近i 3 的电网事故的直接 起因是设备故障损坏所造成的，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网 事故占事故总量的2 6 3 ，可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行 的关键。 大型电力变压器、互感器、充油电力电缆等油浸式高压电气设备是电力系统 中的主要设备，担负着系统电能传递、测量等重要任务。其中，变压器是各种高 压电器设备中最重要的设备，是电网中能量转换、传输的核心，是国民经济中各 行各业和千家万户能量来源的必经之路，也是交电站的核心设备，它的运行状况 直接关系到系统的安全运行，由于大型电力变压器的造价十分昂贵，所以变压器 故障造成的损失是巨大的。如某地区在1 9 9 7 年发生的一起l l o k v 变压器因绝缘故 障起火事故，直接损失费用达3 0 0 百万，加上停电引起的间接损失达到了6 0 0 百 多万元，再加上其他的社会效益，损失将会是更高“棚。 运行中，尽管避雷器、差动、接地等多重保护在大型电力变压器中得到广泛 运用，但由于变压器内部结构复杂、电场及热场不均等诸多因素的影响，事故率 仍然很高。并且大量的文献【5 棚表明，导致电力设备失效的大多数原因是其绝缘性 能的劣化，变压器绝缘老化将导致变压器在承受线路涌流、雷击的能力下降，极 易在外因触发下发生放电，直至绝缘击穿发生故障，从而影响变压器的正常运行。 变压器的绝缘分为内绝缘和外绝缘，外绝缘主要是指油箱以外的空气绝缘，内绝 缘包括套管绝缘、绕组绝缘、引线及分接线开关绝缘。内部绝缘从结构上又分为 纵绝缘和主绝缘。纵绝缘指同一绕组的不同匝问、层间、段间、引线间、分接开 关各部分的绝缘，主要绝缘材料是包在导线上的纸带，匝间、段间的垫块和油道 等。绕组主绝缘是一种油一纸屏障的结构，由作为覆盖层缠在导线上的绝缘纸带、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 油道、放在导体和接地体间油道中的绝缘纸板所构成。可见变压器中主要绝缘材 料是油和纸，它在长时间运行中由于受到电场、水分、温度、机械力的作用下会 逐渐劣化，最后引起故障而导致变压器寿命的终结。 多年来国内大型变压器的运行、试验以及事故分析表明：由于设计、制造、 安装和运行中造成的缺陷，在电、热、机械等应力的联合作用下逐渐发展、并最 终导致绝缘失效。目前，电网中运行的变压器有一批已接近或超过3 0 年，绝缘寿 命已进入晚期，有的曾发生绝缘故障。因此，如能在电力变压器的运行过程中通 过必要的监测和试验手段有效地确定其绝缘状态，对减少事故的发生、提高设备 的运行可靠性具有重要意义。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，变压器故障诊断技术得到快速的发展， 但对于绝缘老化程度的评估一直没有行之有效的方法。i e c c 5 7 9 1 1 9 1 等规程中以变 压器最热点温度作为固体绝缘寿命寿命损失率的计算标准，但由于变压器内部是 一个复杂的绝缘系统，不同部位承受的老化应力水平各不相同，难以通过单一的 老化模型进行描述。而通过研究油纸溶解气体、糠醛、丙酮、水份、酸值等绝缘 老化特征生成物含量随绝缘老化变化规律，挖掘出能有效表征绝缘老化程度的特 征信息，建立用于评判绝缘老化状态的综合评估模型，从而实现不停电、不吊芯 评判绝缘状态及寿命预测，这无疑是一项具有重要现实意义和学术价值的基础性 前沿科学问题。 1 2 变压器油纸绝缘老化的研究现状 在变压器的绝缘材料主要是绝缘油和绝缘纸，根据多年研究表明，在构成变压 器的绝缘材料中，绝缘油即使使用了3 0 年时间，绝缘击穿性能的下降也只有1 0 左右，这是最常见的现象。在这个下降范围内，对变压器的正常运行不会产生 任何故障，而油的容积电阻系数、总酸值、t a n 0 的下降带来的威胁可能更大，但 按照电气绝缘油维护管理指南规定的标准进行滤油处理即可解决。因此在变压器 长期连续运行可能出现问题的主要是绝缘纸、压制板等固体绝缘材料，变压器的 整体寿命主要取决于绝缘纸的寿命。 内外对变压器用固体绝缘材料老化的研究已经持续了半个多世纪，早在1 9 3 0 年，v m m d i i i s h 培一1 0 】首次提出了绝缘材料的寿命与温度之间的经验关系即1 0 规则；1 9 4 8 年d a k i n 1 l 】提出的新观点认为：热老化实际上是因聚合链分裂等作用的氧 化反应，当纤维温度达到2 0 0 或以上，就会与氧化物或水发生反应生成葡萄糖、 c o 、c 0 2 和有机酸，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循化学反应速率的 a r r h e n i u s 方程l n 工= l n 4 + 占，t1 1 2 j 。 2 0 世纪6 0 年代前变压器老化程度的研究内容主要集中在绝缘油、绝缘纸的各 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 种特性随着老化时间而如何下降的问题，但是，以7 0 年代以前的石油冲击为契机， 新增加的变压器台数多了，更换的情况减少了，因此必须确定长期运行的变压器 是否还能照常运转下去，从而使变压器老化诊断的技术得到了快速的发展。 1 2 1 变压器绝缘老化的研究 从上个世纪初开始，国内外学者就开始研究绝缘材料基于电、热等老化因子 的寿命模型，到目前为止可以将这些模型分为两类：一类是通过对老化现象的观 察和对试验结果的分析，寻求符合试验结果的模型，由于此类模型只描述材料老化 行为而不解释物理机理，也称为唯象模型；另一类模型是通过分析试验材料的化 学物理特征，把模型参数与热力学量及材料的微观结构特征联系起来研究材料的 老化机理。变压器的绝缘材料是在不同因素的作用下，将会有不同的劣化，也会 引起不用的劣化模型。 固体材料的老化 绝缘固体材料的老化是变压器老化的一个重要方面之一。绝缘固体材料分为 绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘圈、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学 表达式是( c 6 i ，。0 5 ) n ，式中n 为聚合度一般新纸的聚合度为1 4 0 0 左右，当下降至 2 5 0 左右时，其机械强度已下降了一半以上，极度老化致使寿命终止的聚合度为 1 5 0 2 0 0 左右的。在变压器运行中，一半利用的只要的固体绝缘材料是绝缘纸，当 绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度将逐渐降低，并生成水、c o c 瓯其次还有糠 醛，近年来有报道在老化过程中还可以生成甲醇。这些老化产物大多数对变压器 设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降， 甚至腐蚀设备中的金属材料。 1 ) 固体材料具有不可逆转的老化特征，其机械强度和电气强度的老化降低都 是不能恢复的，变压器的寿命很大程度上是取决于绝缘材料的寿命，因此油侵变 压器固体绝缘材料，应该具备好的电绝缘性和良好的机械强度，而且在长期的运 行过程中，其性能下降的较慢，即老化特性好。绝缘纸纤维材料是油侵变压器中 最主要的绝缘材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中 有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子，与金属导体不同的是绝缘 材料中几乎没有自由电子，绝缘体中极小的电导电流主要来自电导。纤维素由碳、 氢和氧组成，这样由于纤维家分子结构中存在氢氧根，便存在形成水的潜在可能， 使纸纤维有含水的特性，此外，这些氢氧根可认为是被各种极性分子包围着的中 心，它们以氢键相结合，使得纤维易受破坏，同时纤维中往往含有一定比例的杂 质，这些杂质中包含一定的水分，经过干燥或真空干燥处理和浸油或绝缘漆后才 可以使用“”。 2 ) 纸绝缘材料的机械强度，油浸变压器选择绝缘材料最重要的因素除纸的纤 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 维成分、密度、渗透性和均匀性以外，还包括机械强度的要求，包括耐张强度、 冲击强度、撕裂强度和坚韧性，判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的 聚合度，或利用高效液相色谱分析技术测量油中糠醛含量、以便于分析变压器内 部存在故障时，是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热， 或判断固体绝缘的老化程度。对纸纤维绝缘材料在运行及维护中，应注意控制变 压器额定负荷，要求运行环境空气流通、散热条件好，防止变压器温升超标和箱 体缺油，还要防止油质污染、劣化等造成纤维素的加速老化，而损害变压器的绝 缘性能、使用寿命和安全运行。 3 ) 纤维素材料的劣化。主要有三个方面： a 纤维脆裂。当过度受热使水分从纤维材料中脱落，更会加速纤维材料脆化。 由于纸材脆化剥落，在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下看来可能 产生绝缘故障而形成电气事故。 b 纤维材料机械强度下降。纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降， 当变压器发热造成绝缘材料水分再次排出时，绝缘电阻的数值可能会变高，但其 结协强度将会大大下降，绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影 响1 ”。 c 纤维材料本身的收缩。纤维材料在脆化后收缩，使夹紧力降低，可能造成 收缩移动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦面损伤绝缘“”。 液体油的老化 液体绝缘的油浸变压器是1 8 8 7 年由美国科学家汤姆逊发明的，1 8 9 2 年“”被美 国通用电气公司等推广使用于电力变压器，这里所指的液体绝缘即是变压器油绝 缘，采用液体油作绝缘的变压器具有以下特点：1 ) 大大提高了电气绝缘强度，缩 短了绝缘距离，减小了设备体积；2 ) 大大提高了变压器的有效热传递和散热效果， 提高了导线中允许的的电流密度，减轻了设备重量。它是将运行变压器器身的热 量通过变压器油的热循环，传递到变压器外壳和散热器进行散热，从而提高了有 效的冷却降温水平：3 ) 出于油浸密封而降低了变压器内部某些零部件和组件的氧 化程度，延长了使用寿命 变压器油劣化的原因指变压器油质变坏，按轻重程度可分为污染和劣化两个 阶段。污染是油中混入水分和杂质，这些不是油氧化的产物，污染油的绝缘性能 会交坏，击穿电场强度降低，介质损失增大，劣化是油氧化后的结果，当然这种 氧化并不仅指纯净油中烃类的氧化，而是存在于油中杂质将加速氧化过程，特别 是铜、铁、铝金属粉屑等。氧来源于变压器内的空气，即使在全密封的变压器内 部仍有容积为0 2 5 左右的氧存在，氧的溶解度较高，因此在油中溶解的气体中 占有较高的比率。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 变压器油氧化时，作为催化剂的水分及加速剂的热量，使变压器油生成油泥， 其影响主要表现在：在电场的作用下沉淀物粒子大；杂质沉淀集中在电场最强的 区域，对变压器的绝缘形成导电的“桥”；沉淀物并不均匀而是形成分离的细长 条，同时可能按电力线方向排列，这样无疑妨碍了散热，加速了绝缘材料老化， 并导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。 油的氧化过程是由两个主要反应条件构成的，其一是变压器中酸值过高。油 呈酸性。其二是溶于油中的氧化物转变成不溶于油的化合物，从而逐步使变压器 油质劣化。不同的老化裂化导致不同的故障气体成分，这对于变压器的故障诊断 相当重要，目前根据经验总结的变压器油故障类型及其对应故障气体如表1 一 】f = 2 c - 2 “。 表1 1 不同故障类型产生的气体纽分 t a b l i g a so f d i f f e r e n tm a l f u n c 6 0 n 1 2 2 变压器老化类型研究 热老化 温度对绝缘材料的各种性能都有很大的影响，如机械强度、电气性能等。高 压电气设备在运行当中产生的热量会使变压器内部的温度升高，这样就会使绝缘 材料发生一系列的物理变化和化学变化，而使得绝缘材料发生劣化， 电力变压器为绝缘油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量有着不同的平 衡关系曲线。一般情况下，温度升高，纸内水分要从油中析出；反之，则纸要吸 收油中水分。因此，当温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量较大；反之，微 水含量就小。变压器的寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化又取决于运行 的温度。如油浸变压器在额定负载下，绕组平均温升为6 5 c ；最热点温升为7 8 ， 若平均环境温度为2 0 c ，则最热点温度为9 8 c ；在这个温度下，变压器可运行2 0 - - 3 0 年，若变压器超载运行，温度升高，促使寿命缩短。 国际电工委员会( i e c ) 嘲认为a 级绝缘的变压器在8 0 - - 1 4 0 c 温度范围内， 温度每增加6 c ，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加一倍，这就是6 法则， 说明对热的限制已比过去认可的8 法则更为严格。 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 湿度的影响。 水分的存在将加速纸纤维素降解，绝缘油中的微量水分时是影响绝缘特性的 重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都 有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，介质损耗因素( r u n s ) 增 大，促进绝缘油老化，绝缘性能劣化，而设备受潮，不仅导致电力设备的运行可 靠性和寿命降低，更可能导致设备损坏甚至危及人身安全。 油保护方式的影响。 变压器油中氧的作用会加速绝缘分解反应，而含氧量与油保护方式有关。另 外，油保护方式不同，使c 0 和c 0 。在油中溶解和扩散状况不同。如c 0 的溶解度小， 使开放式变压器c o 易扩散至油面空间，因此，开放式变压器一般情况下c 0 的体 积分数不大于3 0 0 x1 6 一，密封式变压器，由于油面与空气绝缘，使c o 和c o , 不易 挥发，所以其含量较高嘲 过电压影响 1 ) 暂态过电压的影响。三相变压器正常运行产生的相地间电压是相同电压的 5 8 ，但发生单相故障时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加3 0 0 a ，对中性点 不接地系统将增加7 3 ，因而可能损伤绝缘。 2 ) 雷电过电压的影响。雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘上电压分布很不 均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。 3 ) 操作过电压的影响，由于操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似 线性，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，约与这两个绕组间的匝 数成正比，从而容易造成主绝缘或相间绝缘的劣化和损坏。 4 ) 短路电动力的影响。出口短路时的电动力可能会使变压器绕组变形、引线 移位，从而改变了原来的绝缘距离，使绝缘发热，加速老化或受到损伤造成放电、 拉弧即短路故障删。 综上所述，掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，直接影响到变压 器的安全运行、使用寿命和供电可靠性，电力变压器是电力系统中重要而关键的 主设备。作为变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的决眼 绝缘结构。材料性能、工艺质量。维护方法及科学的诊断方法，并进行优化合理 的运行管理。才能保证电力变压器的使用效率、寿命和供电可靠性 1 3 变压器老化判断根据研究 诊断固体绝缘的老化状态最初采用测定绝缘纸抗拉强度( t e n s i l es t r e n g t h ， t s ) 的方法；该方法最为直接，但存在取纸样困难及测试结果的重复性欠佳等缺点。 七十年代出现的用粘度法测试绝缘纸聚合度( d e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n 。d p ) 的 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 方法克服了试验重复性不好的困难，至今仍是评价绝缘纸老化程度较准确的方法； 但是，它仍然面临必须停电且典型纸样难以采集等困难。鉴于纤维素分解将产生 c o 和c 如，利用这两种气体溶解在油中的含量进行变压器固体绝缘老化的研究很早 就开始进行了。1 9 8 4 年1 2 届国际大电网会议上，英国学者首先提出油中糠醛可作 为运行变压器内绝缘纸老化的特征产物，检测绝缘油中糠醛含量也可以判断绝缘 材料的劣化程度。近年来，以纸绝缘老化生成物丙酮为特征组成成分已被提出。 到目前为止，基本上有三种公认的绝缘老化诊断判据可供选择： 1 3 1c o 、c 0 2 生成总量与c 0 c 0 2 的比值规律 g b 7 2 5 2 - - 8 7 变压器油中溶解气体分析和判断导则规定对开放式变压器c 0 含量一般在3 0 0 m g l 以下；对隔膜变压器油中c o 含量一般均高于开放式变压器； i e c 导则推荐以c 0 c 仉比值作为判据，即该比值大于0 3 3 或小于0 9 0 表示可能 有纤维绝缘分解故障。对于隔膜式变压器，c 0 c 0 ：大于0 5 ，对于氮式变压器c 0 c 如 大于0 2 即可能存在异常；日本田村嘲等人测定了( c 0 + c 0 2 ) 生成量与绝缘纸平均 聚合度残留率的关系，结论是当( c o + c 生成量约为l m l g 时，平均聚合度残留 率为5 0 9 6 ；( c o + c 魄) 生成量约为3 m l g ，平均聚合度残留率为3 0 ；日本日冈 t s u k i o k a 删提出a r y h a p 法( 作图值) 。将0 4 2 m l g 和i 7 m l g 作为注意和寿命 修正值( 对于糠醛、丙酮也一样) 。这种利用变压器单位纸重分解并溶于油中碳的 氧化物总量即( c o + c 0 。) m l g 来诊断绝缘的正常老化的方法，有一定的参考价值， 但是对于国产变压器，其绝缘结构、绝缘材料及油纸比例，随电压等级、容量、 型号、生产工艺以及生产年5 代的不同而差别很大，不可能搞清楚每台变压器中 的绝缘纸的合计质量。仅凭模拟试验及部分实测统计数据不足以作为判据适用于 各种类型的运行中变压器。此外，变压器运行环境的变化也会使c o 及c 0 2 的含量 在一年中有较大的波动，因而难以用某一次的测试结果来准确反映变压器绝缘老 化的状况，下图为气体随月份变化图 3 1 o 蠢月毋变化 ) c o , 胄嚣蔓化 图1 1c o x 气体随月份变化 f i g 1 1f l u c t u a t eo f c o xi n a y e a r 7 一 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 2 油中糠醛含量 七十年代末。b u r t o n 嘲等人在分析两台变压器的事故原因时，检测到油中溶 解的以糠醛为主的呋喃类化合物，并发现变压器油中糠醛仅仅来自于绝缘纸等纤 维素材料的老化分解，而与变压器油无关。自此，研究人员意识到油中糠醛含量 对诊断固体绝缘老化将有重要的价值，相继在实验室内开展了大量的加速老化试 验来模拟油纸绝缘系统中固体绝缘的老化过程，并获得了一些很有意义的结果。 目前，我国d l t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验中详细规定了非正常老化和严 重老化的糠醛含量限值嘲，当油中糠醛含量达到0 5 m g l 时，变压器的整体绝缘 水平处于其寿命中期：而当糠醛含量大于4 m g l 时整体绝缘水平处于寿命晚期； 我国电力科学院经模拟试验，将数据进行回归分析，结果表明聚合度与糠醛含量 的对数之间有很好的相关性，通过测定油样中的糠醛量，就可以通过估算绝缘纸 的聚合度，从而判断绝缘寿命水平；国外常采用变压器单位纸重分解并溶于油中 糠醛量m g l 来诊断绝缘纸老化水平，日本采用注意值为( 0 0 0 2 0 0 3 4 ) m g l ， 异常值为0 0 3 4 以上来判断这种方法的缺点在于：许多变压器装有热虹吸过滤 器，内装吸附剂，将使对流循环的油中一部分糠醛被吸附除去，不能测到真实的 糠醛含量。另外国产的变压器按检修规程规定采用压力滤油及高真空滤油，这也 会使部分糠醛被除去，造成油中糠醛含量和绝缘老化的真实规律不成正比。 1 3 3 绝缘的聚合度 通过测量绝缘纸的聚合度来确定变压器固体绝缘的老化状况是比较直接，但 至今尚未有统一的判据，比较一致的看法是：若新纸的平均聚合度以1 0 0 0 为基准， 则当平均聚合度下降到5 0 0 时，变压器的整体绝缘寿命已进入中期：而当平均聚 合度下降到2 5 0 时，变压器的接体绝缘寿命已到晚期。k l t 5 9 6 - - 1 9 9 6 电力设备 预防性试验规定：当聚合度小于2 5 0 时，应引起注意。试样可取变压器引线 上绝缘纸、垫块、绝缘纸板等部位；法国电工研究所和国际大电网会议认为：聚 合度降到1 5 0 为变压器寿命的终止；日本科1 采用抗拉强度残留率达6 0 时，平均聚 合度残留率4 0 一5 0 作为制造厂设计的绝缘寿命。通过聚合度是最能袁征绝缘纸 老化程度的指标，非常可靠、准确，是有效的判据。但是需要采取吊芯取样，并 且温度的差异也将导致绕组不同部位的劣化情况有所不同，因此聚合度数值的分 布具有一定的分散性，实现起来比较困难，不是一种行之有效的方法陋埘。 以上公认的三种判据，在对变压器整体绝缘老化的判断上有很大的参考价值， 但是对小范围的局部绝缘老化判断有一定的局限性，而且由于每台变压器的差异 很大，以及变压器内绝缘的复杂性，使得这些判据在应用时要相当谨慎，不同的 人可能作出不同的判断。由此看来，对变压器内绝缘作进一步的试验研究，找出 更能反映老化情况的新特征量是相当有必要的。 s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 4 本文的研究目的和主要内容 1 4 1 研究目的 在实施“西电东送、南北互供、全国联网”的能源战略中，电力变压器是我 国互联电网安全运行的最重要和关键设备之一，也是变电站的核心设备，它的运 行状况直接关系到系统的安全运行，但是绝缘老化是变压器损害中最重要的一个 因素，所以绝缘老化的研究不仅可以很及时的监测出变压器的老化情况，也可以 保护国家和人民的钱财，所以绝缘老化的研究很有价值。 1 4 2 研究内容 设计纯油和油纸绝缘老化试验，完善绝缘聚合度、油中糠醛、d g a 、酸值 等参量的测量方法，从而实现对纯油和油纸绝缘加速老化试验过程中各宏观产物 含量及变化趋势进行定期测量； 开展油纸绝缘单因子热老化试验，定期测量不同的老化阶段各生成物及宏 观特征量随时间变化规律及相关性规律，并对测得的数据进行分析，寻找能反应 绝缘老化状态的特征量。 对反映油纸绝缘老化程度的特征产物及其变化规律进行分析，运用回归分 析对油中糠醛与聚合度之间建立回归模型。 9 重庆大学硕士学位论文 2 油纸绝缘老化特征实验 2 油纸绝缘老化特征实验 2 1 引言 为了研究油纸绝缘老化的规律，必须对其进行多项的老化实验，对比分析纯 油和油纸的老化特性，研究了绝缘油和绝缘纸的老化特征参量随时间的变化规律， 同时也研究了一些老化特征参量的性质。 2 2 油纸绝缘热老化实验的设计 大量研究已经表明，大型油浸变压器的老化主要受温度、氧和水分的影响。 由于现代大型变压器内部对油纸结构都是密闭设计，所以变压器内部氧和水分的 含量已经达到了最底程度，所以温度就成了影响变压器老化的主要因素，变压器 老化速率也是受温度的影响，因此，本文主要是通过研究单因子热老化过程中， 不同温度下不同油纸生成各特征生成物随时间的变化规律和差异，以及糠醛的稳 定性实验。 2 2 1 设计实验 本文采用若干支规格相同的棕色瓶子作为试验容器，取样时，直接将整个瓶 子取出；充分保证测量结果蓑异仅受老化温度和老化时闻影响。本文的热老化特 性实验的内容主要有：1 ) 取纯油三份，分别置于9 0 c 、1 1 0 1 2 和1 3 0 温度下， 定期取样检测油样的性能参数；2 ) 取两种绝缘纸与一种油按照质量比为1 ：1 0 的 油纸样品三份，分别置于9 0 、1 1 0 和1 3 0 温度下，定期取样检测油纸的性能 参数。实验的流程图如下： i f t 01 02 03 0 瓦i 丽j j 同( “) 图3 1 2 氧对油中糠醛的影响 图3 1 2e f f e c to f o x y g e nt oo i li nf u r o l 上面试验证明，在一定温度下，空气中的氧对油中糠醛有影响。由于氧的作 用，油中糠醛转化或者分解成为其他化合物。变压器为密闭容器，氧含量很低， 氧对油中糠醛影响很小。但是如果设备的密封性能不好，例如变压器未安装隔膜 或胶囊一类的密封装置，从而与大气直接呼吸，或者密封装置有缺陷，均可造成 内部较高的氧含量，对油中糠醛产生一定影响；此外，为了减少氧对变压器油样 品中糠醛的影响，应当将存放样品的容器中装满油样品，并在较低的室温下避光 保存。 重庆大学硕士学位论文3 实验分析与实验现象分析 3 3 绝缘纸的微观分析 3 3 1 原子力显微镜分析( a f m ) 原子力显微镜的原理 原子力显微镜( a f m ) 的原理是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来 作为反馈信号，维持针尖一样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从 而得知样品表面的高低起伏，原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现，如 果探针和样品问有力的作用，悬臂将会弯曲，为检测悬臂的微小弯曲量( 位移) ， 采用激光照射悬臂的尖端，四象限探测器就可检测出悬臂的偏转，通过电子学 反馈系统使弯曲量保持一定，即控制扫描管z 轴使作用于针尖一样品问的力保 持一定。在扫描的同时，通过记录反馈信号就可以得到样品表面的形貌。原子力 显微镜是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图象是样品表面 的形貌，而没有深度信息。 原子显